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Contexte :

L’incendie s’inscrit depuis longtemps comme l’un des risques majeurs de détérioration des monuments historiques (Cathédrale de Reims, 1914) et demeure une menace constante (Hôtel de Ville de La Rochelle, 2013; Basilique de Nantes, 2015; Cathédrale Notre-Dame de Paris, 2019). Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre de l’ANR POSTFIRE porté par le L2MGC1 . Dans la continuité de travaux réalisés au L2MGC et suite à l’incendie de la cathédrale NotreDame de Paris en avril 2019, le L2MGC et plusieurs partenaires industriels et académiques (CTMNC2 , CSTB3 , LRMH4 , UO5 et ROCAMAT6 ) se sont réunis pour lancer un projet sur l’étude du comportement au feu des maçonneries. Les résultats de cette étude apporteront un éclairage nouveau sur le diagnostic des ouvrages et biens patrimoniaux en pierre ayant subi un incendie et particulièrement dans le cas de la maçonnerie de la cathédrale Notre-Dame de Paris.

Le comportement au feu des maçonneries dépend à la fois de la structure globale du mur et du comportement des composants constitutifs tels que les blocs de pierres et les joints de mortier. Dans ce contexte, une première thèse a démarré en décembre 2020 sur l’évolution des propriétés thermo-hydro-mécaniques des pierres calcaires, en fonction de la température à l’échelle du matériau. Nous nous intéresserons aux propriétés thermique, hydrique, thermomecanique telles que la conductivité thermique, la capacité thermique, le coefficient de dilatation thermique et leurs évolutions suivant la température. Les caractéristiques mécaniques seront déterminées en établissant des relations contrainte-déformation à diverses températures, afin de développer des lois de comportement utiles aux études théoriques aux plus grandes échelles. La seconde thèse sera dans la continuité et en lien avec les travaux de cette première thèse.

Travail à réaliser :

Le travail concerne l’étude du comportement à haute température des calcaires et mortiers. Les enjeux sont de deux ordres : il s’agit d’une part, d’évaluer les conséquences de l’incendie sur la tenue structurelle de l’ouvrage et d’autre part, de déterminer les conséquences sur sa durabilité face aux différentes agressions environnementales.

Afin de s’approcher au mieux de conditions réelles d’un incendie, des essais seront effectués sur des assemblages pierre-mortier instrumentées de thermocouples et soumises à une sollicitation thermique unidirectionnelle appliquée sur une face. L’adhérence mortier-pierre sera évaluée en fonction des contraintes imposées et l’état de fissuration, obtenu par analyse d’image et rigosimétrie, sera comparé à celui obtenu sur des échantillons libres, non recouverts de mortier.

Programme expérimental sur les structures de maçonnerie (murs)

Des tests de résistance au feu seront réalisés au CSTB sur des murs de maçonnerie constitués des trois types de pierres sélectionnés. Deux murs seront construits et testés pour chaque type, un mur non chargé et un chargé mécaniquement. Pendant tous les essais, le déplacement des murs sera mesuré; certains des tests seront également instrumentés avec de la corrélation d'image et des caméras thermiques. Cette technique permet d'établir une corrélation instantanée entre les températures, les déplacements et les déformations thermiques aux mêmes points. Une attention particulière sera portée à l'évolution de la fissuration pendant les essais afin d'étudier les mécanismes de la perte éventuelle de la capacité portante des murs. La résistance à la compression résiduelle des murs sera déterminée si leur capacité portante a été maintenue pendant l'essai au feu. Après les essais au feu, des essais résiduels sur des blocs prélevés sur les échantillons testés seront réalisés au CTMNC.

Modélisation multi-échelle

Une modélisation sera menée à l’échelle du matériau puis de la structure. Les analyses des résultats expérimentaux permettront d’identifier et quantifier les mécanismes thermomécanique et thermochimique lors de chauffage pour les pierres et le mortier étudiés. Nous adapterons et développerons les modèles thermomécaniques existants (Mazar et Drucker-Prager) pour modéliser le comportement à haute température des pierres et du mortier. Une des difficultés de la modélisation à haute température est l’identification de paramètre du modèle à différentes températures et s’assurer que les paramètres déterminés sont des propriétés intrinsèques des matériaux sans affectation par l’endommagement thermique dû à la gradient thermique. D’autre par la question de la validation du modèle est également très important. Les paramètres de modèle seront identifiés à partir des résultats des essais réalisés à une vitesse de chauffage très faible. Le modèle sera par la suite validé en comparant les résultats numériques avec les résultats expérimentaux pour des essais avec des vitesses de chauffage plus élevée. Les processus de changement de phase (exemple : changement de phase du quartz alpha en beta) et réactions chimiques (exemple : décarbonatation pour la pierre calcaire) seront prise en compte dans la modélisation. Le paramètre très important de prendre en compte est la cinétique des réactions.

Ensuite, au niveau structurel de la maçonnerie, les objectifs de la modélisation sont d'identifier les effets de structure dans l'ensemble de la réponse. Il est donc nécessaire d'évaluer à la fois les effets locaux des gradients thermiques aux interfaces pierre-mortier et l'effet des dommages thermiques sur une partie de la structure sur la stabilité globale. Pour ce faire, deux approches alternatives de modélisation numérique seront suivies. Le premier est basé sur l'analyse par éléments finis sur l'ensemble de la structure de maçonnerie; les modèles constitutifs de la pierre et des mortiers adoptés (obtenus à partir de la modélisation des matériaux) permettront d'obtenir un comportement homogénéisé d'un mur, en utilisant soit une homogénéisation analytique périodique, soit une homogénéisation numérique. Ensuite, le comportement homogénéisé, implémenté comme modèle constitutif sur le même outil Eléments Finis, sera utilisé pour effectuer une modélisation à l'échelle structurelle. La seconde approche de modélisation consiste à appliquer une analyse par éléments discrets à l'échelle structurelle (ex: mur, pilier…) afin de capter les effets locaux dus à l'effet combiné de l'hétérogénéité des constituants et de la température. La comparaison des deux approches permettra d'évaluer les limites de l'approche homogénéisée et d'aider à l'évaluation de la rupture locale des structures de maçonnerie. Ces analyses numériques déterministes seront suivies d'une évaluation de la fiabilité de la résistance de la structure de maçonnerie et d'une évaluation des risques d'éclatement.

Profil recherché : Etudiant en master ou cycle d’ingénieur en génie civil ou mécanique.

Compétences demandées : connaissances en matériaux de construction, comportement thermo-hydro-mécanique des matériaux, étude expérimentale, modélisation numérique.

Contacts

- Javad eslami : Javad.Eslami@cyu.fr

- Anne-Lise Beaucour : Anne-Lise.Beaucour@cyu.fr

- Albert Noumowé : Albert.Noumowe@cyu.fr

Partenaires du projet ANR POSTFIRE

1.L2MGC – Laboratoire de Mécanique et Matériaux du Génie Civil.

2.CTMNC – Centre Technique de Matériaux Naturels de Construction

3.CSTB – Centre Scientifique et Technique du Bâtiment

4.LRMH – Laboratoire de Recherche des Monuments Historiques

5.UO – Université d’Orléans

6.ROCAMAT– (un acteur majeur de la production de pierre de construction au niveau international et le premier producteur de pierre naturelle en France).

La thèse sera en codirection entre CY Cergy Paris Université et l’Université d’Orléans.