Modelling Concrete Behaviour At Early-Age : Multiscale Analysis And Simulation Of A Massive Disposal Structure
Modélisation du comportement du bêton au jeune âge : analyse multiéchelle et simulation d'une structure massive de stockage
Résumé
The accurate prediction of the long and short-term behaviour of concrete structures in the nuclear domain is essential to ensure optimal performances (integrity, containment roperties) during their service life. In the particular case of massive concrete structures, at early age the heat produced by hydration reactions cannot be evacuated fast enough so that high temperatures may be reached and the resulting gradients of temperature might lead to cracking according to the external and internal restraints to which the structures are subjected. The goals of this study are (1) to perform numerical simulations in order to describe and predict the thermo-chemo-mechanical behaviour at early-age of a massive concrete structure devoted to nuclear waste disposal on surface, and (2) to develop and apply upscaling tools to estimate rigorously the key properties of concrete needed in an early-age analysis from the composition of the material. Firstly, a chemo-thermal analysis aims at determining the influence of convection, solar radiation, reradiation and hydration heat on the thermal response of the structure. Practical recommendations regarding concreting temperatures are provided in order to limit the maximum temperature reached within the structure. Then, by means of a mechanical analysis, simplified and more complex (i.e. accounting for coupled creep and damage) modelling strategies are used to assess scenarios involving different boundary conditions defined from the previous chemo-thermal analysis. Secondly, a study accounting for the multiscale character of concrete is performed. A simplified model of cement hydration kinetics is proposed. The evolution of the different phases at the cement paste level can be estimated. Then, analytical and numerical tools to upscale the ageing properties are presented and applied to estimate the mechanical and thermal properties of cementbased materials. Finally, the input data used in the structural analysis are compared with the estimations obtained in the multiscale analysis. To conclude, the entire strategy proposed in this thesis aims at predicting the behaviour of massive concrete structures from the composition of the concrete by means of a sequenced approach: concrete behaviour is estimated using the upscaling tools, providing then the input data to the phenomenological analysis at the structure level.
La prédiction précise du comportement à long et court terme des structures en béton dans le domaine nucléaire est essentielle pour assurer des performances optimales (intégrité, capacité de confinement) pendant leur durée de vie. Dans le cas particulier des structures massives en béton, la chaleur produite au jeune âge par les processus d'hydratation ne peut pas s’évacuer rapidement, si bien que des températures élevées peuvent être atteintes et les gradients de température qui en résultent peuvent conduire à la fissuration, en fonction des conditions aux limites et contraintes internes auxquelles ces structures sont soumises. Les objectifs de cette étude sont (1) d'effectuer des simulations numériques afin de décrire et prédire le comportement thermo-chimio-mécanique au jeune âge d'une structure massive en béton dédiée au stockage de déchets en surface, et (2) de développer et appliquer des outils de changement d'échelle pour estimer rigoureusement, à partir de la composition du matériau, les propriétés physiques du béton nécessaires à une analyse au jeune âge. Une étude chimio-thermique visant à déterminer l'influence de la convection, du rayonnement solaire, du re-rayonnement et de la chaleur d'hydratation sur la réponse thermique de la structure est tout d’abord menée. Des recommandations pratiques concernant les températures de bétonnage sont fournies afin de limiter la température maximale atteinte au sein de la structure. Ensuite, au moyen d'une analyse mécanique, des stratégies de modélisation simplifiées et plus complexes (prenant en compte l’endommagement couplé au fluage) sont mises en œuvre pour évaluer des scénarios intégrant différentes conditions aux limites issues de l'analyse chimio-thermique précédente. Dans un second temps, une étude prenant en compte le caractère multi-échelle du béton est réalisée. Un modèle simplifié de cinétique d'hydratation du ciment est proposé. Les évolutions des fractions volumiques des différentes phases au niveau de la pâte de ciment peuvent être alors estimées. Par la suite des outils d’homogénéisation analytiques et numériques développés dans un cadre vieillissant sont présentés et appliqués pour estimer les propriétés mécaniques et thermiques des matériaux cimentaires. Les données d’entrée utilisées dans l'analyse structurelle sont finalement comparées avec les estimations obtenues dans l'analyse multiéchelle. Pour conclure, la stratégie proposée dans cette thèse vise à prédire le comportement des structures massives en béton à partir de la composition du béton au moyen d'une approche séquentielle: le comportement du béton est estimé via les outils de changement d’échelle, fournissant ainsi les données d'entrée pour l'analyse phénoménologique à l’échelle de la structure.
Origine : Version validée par le jury (STAR)