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Laboratoire Matériaux et Durabilité des
Constructions
Laurie BUFFO-LACARRIERELaurie BUFFO-LACARRIERE
Fissuration précoce des structures massives
Comportement thermomécanique des voiles expérimentaux EDF de Civaux
Cafés scientifiques LMDC – Jeudi 12 Mars 2009
2/25
CEOS.FRComportement et Evaluation des Ouvrages Spéciaux
Fissuration et Retrait
EXPERIMENTATION REGLEMENTATIONMODELISATION
Comportement monotone
Comportement cyclique
Comportement THM
Poutres sous chargement
hydrique
Structures massives au jeune âge
Cafés scientifiques LMDC – Jeudi 12 Mars 2009
3/25
Objectif
Evaluer la fissuration des structures massives au jeune âge
HYDRATATION
Elévation de température
Pb : Prise en compte des liants composés
ENVIRONNEMENT
Transferts hydriques et thermiques
Pb : Couplage avec l’hydratation
FISSURATION PRECOCE
Par déformations empêchées
Pb : Couplage avec les phénomènes physico-chimiques
au jeune âge
4
Cafés scientifiques LMDC – Jeudi 12 Mars 2009
4/25
I – Présentation de la structureI – Présentation de la structureI – Présentation de la structureI – Présentation de la structure
II – Prévision des champs de températureII – Prévision des champs de température
III – Prévision de la fissuration précoceIII – Prévision de la fissuration précoce
IV – ConclusionsIV – Conclusions
PLAN DE L’EXPOSE
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Présentation de la structure5/25
x
y
z
Géométrie
- Calcul thermique : Voile + Radier + Sol => 14000 éléments
Surfaces bleues en convection (voile et radier)
- Calcul mécanique : Voile => 6000 éléments
Surface inférieure du voile bloquée (effet du radier)
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Présentation de la structure6/25
Description du ferraillage
Modélisation : Eléments barre élastiques => 2000 éléments
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Présentation de la structure7/25
Formulation des bétons
Caractéristiques mécaniques mesurées
Liant composé
8
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8/25
II – Prévision des champs de températureII – Prévision des champs de température
I – Présentation de la structureI – Présentation de la structure
III – Prévision de la fissuration précoceIII – Prévision de la fissuration précoce
IV – ConclusionsIV – Conclusions
Prévision des champs de température
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9/25
Champ de température
Champ de teneur en eau
Champs de degrés
d’hydratation Production de chaleur
Consommation d’eau
Activation thermique
"Activation" hydrique
Clinker
Cendres volantes
...
Hydratation
EnsoleillementVent Coffrages
T extérieure
CureVent
HR
ENV I RONNEMENT
MATERIAU
Tth
WthW
QfTgraddivTc
QfWgradDdivW
CHTWF
.
.
,,,
Présentation générale du modèle
Prévision des champs de température
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10/25
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
d /dt
d/dt
Activation chimiqueInteraction
portlandite/additions
Activation thermiqueAccessibilité de l'eau aux anhydres
CHsThrWgA iimiiii ,
Loi de cinétiques de réaction
Prévision des champs de température
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11/25
0
100
200
300
400
0 40 80 120 160
Temps (h)
Q (J/g)C exp C modele
0
100
200
300
400
0 40 80 120 160
Temps (h)
Q (J/g)C exp C modele
C+CV exp C+CV modele
Calage des paramètres de la loi cinétique• Paramètres de calage réduits à 3 par composé seulement
=> calés sur un essai de calorimétrie semi adiabatique Langavant
1 – Essai avec le clinker (ou CEM I) seul2 – Essai avec le liant composé C+A (connaissant les paramètres du clinker)3 – …
Procédure de calage pour les liants composés
Essai normalisé : fiable, reproductible et simple
Calorimètre Langavant
Prévision des champs de température
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12/25
+ Conditions aux Limites
Loi de conservation de la masse d’eau
WbDD WW exp0 Loi de Mensi
SrbDD WHydW exp0
Effet de l’hydratation
Effet de la quantité d’eau
Convection - Vent - Text
W imposée (cure humide)
iiWthiW QfWgradDdivW )(
- matériau en cours d’hydratation :
Coefficient de transport d’eau
Demande en eau du composé i Calculée en fonction de sa composition chimique
Paramètres DW0 et b calés sur un essai de perte de masse
Prévision des champs de température
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13/25
HeqHair
coffrage
bétonbéton
Convection : - vent- Text- coffrage
iiTthi QfTgraddivTc )( + Conditions
aux Limites
Loi de conservation de la chaleur
Capacité et conductivité thermiques
Dégagement de chaleur associé à la réaction du composé i
Ciment : avec k = C3S, C2S C3A, C4AF
Additions : Littérature
kthkCTth QfQ
Calculées en fonction :- de la composition du béton- de la nature des granulats
Conduction : - sol- autre structure Flux solaire
Prévision des champs de température
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14/25
Application aux voiles Civaux
0
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
Temps (h)
T (°C)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 20 40 60 80 100 120 140
Temps [Heures]
Tem
pera
ture
[°C]
sonde 1 Série2sonde 2 Série4sonde 3 Série6sonde 4 Série8sonde 5 Série10sonde 6 Série12sonde exterieure
B110
10
20
30
40
50
60
0 20 40 60 80 100 120
Temps (h)
T (°C)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 20 40 60 80 100 120 140
Temps [Heures]
Tem
pera
ture
[°C]
sonde 1 Série2sonde 2 Série4sonde 3 Série6sonde 4 Série8sonde 5 Série10sonde 6 Série12sonde exterieure
BHP
Pb dans la gestion de CL de convection différentes dans Castem sur arêtes
Approximation :
Coefficient d’échange thermique moyen sur les faces latérales (coffrées) et supérieure (libre)
15
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15/25
III – Prévision de la fissuration précoceIII – Prévision de la fissuration précoce
I – Présentation de la structureI – Présentation de la structure
II – Prévision des champs de températureII – Prévision des champs de température
IV – ConclusionsIV – Conclusions
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Prévision de la fissuration précoce16/25
T
Modèle d’hydratation multiphasique
Modèle de comportement thermomécanique jeune âge
E()
0
10000
20000
30000
40000
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
E (MPa)
0
10000
20000
30000
40000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
E (MPa)
Seuil de percolation mécanique s identique
n
s
sthXX
1
n=2/3
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Prévision de la fissuration précoce17/25
0
10000
20000
30000
40000
50000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
E (MPa)
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 20 40 60 80 100 120
Temps (h)
T (°C)
T
T
Modèle d’hydratation multiphasique
Modèle de comportement thermomécanique jeune âge
E()
Seuil de percolation
Tref
)(
)(
seuilref
refT
TT
TT
Importance du très jeune âge
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Prévision de la fissuration précoce18/25
Fissuration précoce des structures ?
Modèle d’endommagement
anisotrope
Modèle de fluage
Ecriture incrémentale des lois élastiques
(caractéristiques évolutives)
T
T
Modèle d’hydratation multiphasique
E()
Modèle de comportement thermomécanique jeune âge
Calcul des contraintes dues aux blocages internes/externes
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Prévision de la fissuration précoce19/25
Application : Voile Civaux BHP
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 20 40 60 80 100 120
Temps (h)
T (°C)
-2,5 MPa
4 MPa
x
y
z
xx (96 h)xx (36 h)
x
y
z -3,3 MPa
1,1 MPa
Effet du gradient de température
Blocage INTERNE
Effet des déformations empêchées par le radier
Blocage EXTERNE
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Prévision de la fissuration précoce20/25
Application : Voile Civaux BHP
0
1
x
y
z
dxx (96 h)
-1,9 kN
4,8 kN
x
y
z
xx (96 h)
Fissuration obtenue par le modèle à 96h
Fissuration observée sur le voile expérimental
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Prévision de la fissuration précoce21/25
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 20 40 60 80 100 120
Temps (h)
T (°C)
Application : Voile Civaux B11
-2 MPa
3 MPa
x
y
z
xx (52 h)
0
1
x
y
z
dxx (52 h)
Effet du gradient de température
Blocage INTERNE
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Prévision de la fissuration précoce22/25
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
0 20 40 60 80 100 120
Temps (h)
T (°C)
Application : Voile Civaux B11
0
1
Fissure 2
Fissure 1
x
y
z
dxx (78 h)
0
1
x
y
z
dxx (68 h)
Effet des déformations empêchées par le radier
Blocage EXTERNE
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Prévision de la fissuration précoce23/25
Application : Voile Civaux B11
-1,9 kN
23 kN
x
y
z
xx (78 h)
0
1
Fissure 2
Fissure 1
x
y
z
dxx (78 h)
Fissuration obtenue par le modèle à 96h
Fissuration observée sur le voile expérimental
24
Cafés scientifiques LMDC – Jeudi 12 Mars 2009
24/25
IV – ConclusionsIV – Conclusions
I – Présentation de la structureI – Présentation de la structure
II – Prévision des champs de températureII – Prévision des champs de température
III – Prévision de la fissuration précoceIII – Prévision de la fissuration précoce
Cafés scientifiques LMDC – Jeudi 12 Mars 2009
Conclusions25/25
• Prévision des températures
Prévision de la température au cœur légèrement sous-estimée
Essais Langavant complémentaires sur liants réels
Prévision des gradients approximatifs
Astuce numérique pour CL de convection multiples
Cafés scientifiques LMDC – Jeudi 12 Mars 2009
Conclusions25/25
• Prévision de la fissuration précoce
Prévision de la fissuration globalement sous estimée
Amélioration de la compréhension des phénomènes au très jeune âge
Amélioration de la prise en compte du retrait endogène (essai endogène au très jeune âge => Thierry …)
0
10000
20000
30000
40000
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
E (MPa)
Occurrence de la percolation et incidences