Analyse par elements finis des effets de couplage de chaleur et de transferts de masse dans le beton a des temperatures elevees
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Date
2015-09-16
Authors
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Publisher
Université Mouloud Mammeri
Abstract
L’objectif de cette recherche consiste de développer une méthode de calcul numérique par
éléments finis capable de modéliser sous différents aspects le mécanisme de transfert hygrothermique
qui se produit dans la masse du béton sous des sollicitations thermo-mécaniques à
températures élevées. La gamme des températures concernées est de 20-1200°C, couvrant les
situations d’incendie et d’accidents nucléaires. Dans cette gamme de températures, la microstructure
du béton est soumise à des réactions intenses et à des modifications physicochimiques
qui influencent fortement le comportement hygrothermique et mécanique du
matériau.
Ce travail est divisé, dans sa présentation, en deux parties distinctes. La première partie
est consacrée à la simulation du comportement au feu naturel des structures en béton en
adoptant l’hypothèse de découplage des effets thermo-hydro-mécaniques. Ce qui permet de
décomposer le problème en une suite séquentielle d’analyse thermo-hydrique et thermomécanique.
Le couplage de la température et de l’humidité présente initialement dans la
masse du béton est pris en compte en utilisant la notion de l’enthalpie du matériau qui, en
négligeant les effets de changement de phase (liquide ↔ vapeur + air), devient une fonction
directement dépendante de la chaleur latente due à l’évaporation de l’eau libre. Le palier
d’ébullition ou de vaporisation de l’eau est estimé se produire en moyenne entre les
températures 100 et 140°C. Quelques exemples concrets sont illustrés pour montrer la
manière dont l’application de la méthode de calcul permet de retirer des enseignements
précieux sur le comportement des éléments de structure en béton dans un environnement
d’incendie naturel. Les résultats mettent en évidence les effets non négligeables des scénarios
de feu et des forces de restreinte thermique sur le comportement global d’un élément
structural.
La deuxième partie se rapporte à la simulation des effets hygrothermiques dans le béton
en considérant le couplage entre la température et l’humidité contenue dans le matériau. Sont
examinés d’une façon succincte les développements mathématique et numérique décrivant un
milieu poreux, multiphasique et partiellement saturé en tenant compte des principaux
phénomènes qui se produisent dans le matériau lorsque celui-ci est sujet à températures
élevées. Il s’agit essentiellement des phénomènes tels que les flux de matière dus aux effets
capillaires et des gradients de pression/concentration de masse, le flux de chaleur ainsi que
les effets dus aux changements de phase. Les équations différentielles d’équilibre
incrémentales du modèle mathématique ainsi obtenu sont discrétisées à travers la méthode
classique des résidus pondérés en moyennant un élément fini quadrilatéral à quatre noeuds.
Les variables nodales choisis sont la pression des gaz (Pg), la pression capillaire (Pc) et la
température (T). Un code de calcul de base encore au stade de développement et de recherche
est mise au point où l’algorithme de résolution utilise un procédé incrémental basé sur la
méthode de Newton Raphson et emploie comme méthode de résolution la technique frontale
en raison de la taille importante du nombre d’équations algébriques à résoudre.
Description
141f. : ill. ; 30cm. (+ CD- Rom)
Keywords
Matériaux : résistance, Béton : resistance, Béton : structure
Citation
Génie Civil