Analyse par elements finis des effets de couplage de chaleur et de transferts de masse dans le beton a des temperatures elevees

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

L’objectif de cette recherche consiste de développer une méthode de calcul numérique paréléments finis capable de modéliser sous différents aspects le mécanisme de transfert hygrothermiquequi se produit dans la masse du béton sous des sollicitations thermo-mécaniques àtempératures élevées. La gamme des températures concernées est de 20-1200°C, couvrant lessituations d’incendie et d’accidents nucléaires. Dans cette gamme de températures, la microstructuredu béton est soumise à des réactions intenses et à des modifications physicochimiquesqui influencent fortement le comportement hygrothermique et mécanique dumatériau.Ce travail est divisé, dans sa présentation, en deux parties distinctes. La première partieest consacrée à la simulation du comportement au feu naturel des structures en béton enadoptant l’hypothèse de découplage des effets thermo-hydro-mécaniques. Ce qui permet dedécomposer le problème en une suite séquentielle d’analyse thermo-hydrique et thermomécanique.Le couplage de la température et de l’humidité présente initialement dans lamasse du béton est pris en compte en utilisant la notion de l’enthalpie du matériau qui, ennégligeant les effets de changement de phase (liquide ↔ vapeur + air), devient une fonctiondirectement dépendante de la chaleur latente due à l’évaporation de l’eau libre. Le palierd’ébullition ou de vaporisation de l’eau est estimé se produire en moyenne entre lestempératures 100 et 140°C. Quelques exemples concrets sont illustrés pour montrer lamanière dont l’application de la méthode de calcul permet de retirer des enseignementsprécieux sur le comportement des éléments de structure en béton dans un environnementd’incendie naturel. Les résultats mettent en évidence les effets non négligeables des scénariosde feu et des forces de restreinte thermique sur le comportement global d’un élémentstructural.La deuxième partie se rapporte à la simulation des effets hygrothermiques dans le bétonen considérant le couplage entre la température et l’humidité contenue dans le matériau. Sontexaminés d’une façon succincte les développements mathématique et numérique décrivant unmilieu poreux, multiphasique et partiellement saturé en tenant compte des principauxphénomènes qui se produisent dans le matériau lorsque celui-ci est sujet à températuresélevées. Il s’agit essentiellement des phénomènes tels que les flux de matière dus aux effetscapillaires et des gradients de pression/concentration de masse, le flux de chaleur ainsi queles effets dus aux changements de phase. Les équations différentielles d’équilibreincrémentales du modèle mathématique ainsi obtenu sont discrétisées à travers la méthodeclassique 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 latempérature (T). Un code de calcul de base encore au stade de développement et de rechercheest mise au point où l’algorithme de résolution utilise un procédé incrémental basé sur laméthode de Newton Raphson et emploie comme méthode de résolution la technique frontaleen raison de la taille importante du nombre d’équations algébriques à résoudre.

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0427c05b-788a-4472-8d0e-b0920b359070

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رسائل دكتوراة

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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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