Modélisation discrète du comportement mécanique desouvrages maçonnés en pierre. Aspects expérimentaux - Analyse énergétique

This work aims to develop a design code suitable for structural masonry design. Discrete element code LMGC90 is chosen as basis of the design code for its capacity to consider masonry discontinuities. A general frictional cohesive zone model (FCZM) is proposed to describe the progressive damage and the release of energy due to the quasi-brittle behavior of materials and to the friction of the interface stone-mortar. Under combined traction and shear loadings, a mixed-mode response based on pure Mode I and Mode II cohesive behaviors is proposed. Under combined compression and shear loadings, a coupling between Mode II cohesive behavior and frictional behavior based on the damage level is proposed and leads to a progressive rising of the frictional stress associated with the softening part of the cohesive behavior of the interface. On this basis, cohesive and frictional parameters of the FCZM are estimated from two characterization tests (direct tensile and direct shear) carried out on samples of limestone blocks assembled by lime mortar joint. A general validation is proposed at the scale of a masonry wall submitted to a shear fracture test under constant vertical load. The confrontation of experimental and simulated responses provides a large validation basis because all the loading modes considered in FCZM are present in the wall during the shear test. If the static of the experimental responses is well described by the model using the parameters resulting from the characterization tests, the kinematic of the responses needs calibrating the elastic properties of the stone blocks and degrading the cohesive properties of the interfaces through a uniform initial damage field. On this basis, the use of a nonuniform initial damage field allows matching the experimental variability observed in the location and chronology of the fracture mechanisms of tested walls.Ce projet de recherche vise à développer un code de calcul adapté à l'étude des structures maçonnées, utilisable en bureau d'études. Le code aux éléments discrets LMGC90 est choisi comme moteur de calcul pour sa capacité à décrire le comportement de milieux divisés comme ceux rencontrés en maçonnerie. Un modèle de zone cohésive frictionnelle (noté FCZM) est proposé permettant de décrire l'endommagement progressif et la dissipation d'énergie associés au comportement quasi-fragile et au frottement de l'interface pierre-mortier. Sous sollicitations combinées de traction et cisaillement, le modèle décrit la rupture en Mode mixte I+II de l'interface, tandis que sous sollicitations combinées de compression et cisaillement, un couplage entre les comportements cohésif et frictionnel, basé sur le niveau d'endommagement, conduit à l'expression d'une contrainte de friction croissante associée au comportement adoucissant de l'interface. Sur cette base, les paramètres cohésifs et frictionnels du modèle FCZM sont déterminés par l'intermédiaire d'essais de caractérisation (traction directe et cisaillement) menées sur des assemblages de pierres calcaires jointoyées au mortier de chaux. Une validation du modèle FCZM est proposée à l'échelle d'un mur. Ce dernier est soumis à un essai de rupture en cisaillement sous charge verticale constante. La confrontation des réponses expérimentales et simulées fournit une large base de validation du modèle FCZM. Si la statique de l'essai est bien décrite à partir des valeurs d'entrée du modèle FCZM issues de la caractérisation, la description de la cinématique nécessite quant à elle de recourir à une calibration des propriétés élastiques des blocs et de dégrader les propriétés cohésives des interfaces par l'intermédiaire d'un champ d'endommagement initial uniforme. Sur cette base, l'utilisation de champs d'endommagements non-uniformes permet de capturer les différents enclenchements de mécanismes de rupture constatés expérimentalement en fonction des murs testés