Méthodologie multi-échelle pour évaluer la vulnérabilité des structures en maçonnerie

The aim of this thesis is to develop numerical models for evaluating the vulnerability of unreinforced masonry construction under different types of loading. Therefore, the behavior of unreinforced masonry panels under monotonic loading in both macro- and micro- scales is studied. Simulating the nonlinear behavior of the masonry wall in pre and post-peak regions and capturing its failure mechanism is the main focus of this study. First, the masonry wall in the panel is substituted by two simple bars using the so-called macro-element strategy and a tri-linear behavior is proposed to assess the ultimate strength of the wall as well as its response before and after peak. The lack of information about the failure mechanism of the masonry wall and relation between the failure mechanism and mechanical properties of the bar elements in this type of modeling lead to another description of this structure namely micro-modeling strategy. In this strategy, units and mortars are modeled separately and all inelastic behavior of the masonry wall is supposed to happen in mortars. Hence, special attention is paid to development of a reliable description of material properties for these elements using an accurate constitutive law. Three dimensional representation of a masonry wall in this work enhances the capability of existing methods to predict the masonry behavior under both in-plane and out-of-plane loadings. Firstly, failure envelopes including tension cut-off and the Mohr-Coulomb yield surface are assigned to interface elements in GEFDyn finite element software. Then, the elstoplastic constitutive law is improved by adding a compression cap to the yield surfaces in order to include compressive failure of masonry in the interface element. In the new model, softening behavior for tensile and compressive strength as well as cohesion of mortar is considered. The ability of both models to reproduce the pre- and post-peak behavior of the masonry wall is verified by comparing the numerical results with experimental data. The importance of defining the compression failure of masonry by limiting the shear strength of the wall with its compressive strength is shown by comparing the obtained results with those of a real test. The results showed that the second model is capable to simulate the behavior of masonry wall with a good accuracy. Then, the effect of initial stresses and geometrical properties of the wall such as opening and aspect ratio and material properties of the mortar like its cohesion, tensile strength and compressive strength, on lateral strength and failure mechanism of the masonry walls are demonstrated. Moreover, in order to comprehend failure characteristics damage indexes based on the total length of cracks in different rows and columns of mortars are introduced and compared for different configurations. The lengths of sliding in horizontal mortars and opening in vertical ones are the most important parameters that control the behavior of the wall. Finally, the relation between different cracking profiles and contributing material properties are summarized into a table.L’objectif principal de cette étude est de développer des outils de simulation numérique pour évaluer la vulnérabilité des constructions en maçonnerie sous chargements variés. Ainsi, le comportement de la maçonnerie non armée sous chargement monotone en macro- et micro-échelles est étudié. La simulation du comportement non linéaire du mur de maçonnerie avant et après le pic et la capture de son mécanisme de rupture sont les points centraux de ce travail. Tout d'abord, le mur de maçonnerie d’un panneau est remplacé par deux barres simples utilisant la stratégie des macros-éléments et un comportement tri-linéaire est proposé pour évaluer la résistance à la rupture de la paroi ainsi que son comportement avant et après le pic. L'absence de l'information sur le mécanisme de rupture du mur de maçonnerie et la relation entre le mécanisme de rupture et les propriétés mécaniques des éléments barres dans ce type de modélisation conduisent à opter pour une autre description de ces structures à savoir la stratégie de micro-modélisation. Dans cette stratégie, les unités et les mortiers sont modélisés séparément et l’ensemble du comportement inélastique du mur de maçonnerie est supposé se produire dans les mortiers. Par conséquent, une attention particulière sera accordée au développement d'une description fiable des propriétés matérielles de ces éléments à l'aide d'une loi constitutive précise. La représentation tridimensionnelle d'un mur de maçonnerie faite dans ce travail, améliore la capacité des méthodes actuelles pour prédire le comportement de la maçonnerie sous les deux chargements en plan et hors du plan. D’abord, des enveloppes de rupture comprenant la tension limite et la surface de charge de Mohr-Coulomb sont assignées à l'élément d'interface du code éléments finis GEFDyn. Ensuite, la loi de comportement est améliorée en ajoutant un seuil de compression aux surfaces de charge pour inclure l’endommagement en compression de la maçonnerie à travers l'élément d'interface. Dans le nouveau modèle élastoplastique, les écrouissages négatifs des seuils de traction et de compression ainsi que la cohésion du mortier sont pris en considération. La capacité des deux modèles pour reproduire le comportement avant et après le pic de la résistance au cisaillement du mur de maçonnerie est vérifiée en comparant les résultats numériques avec les données expérimentales. L'importance de l’interaction entre les seuils de compression et celui du cisaillement est montrée en comparant les résultats obtenus avec ceux d'un test réel. Les résultats ont révélé que le second modèle est capable de simuler le comportement du mur de maçonnerie avec une bonne précision. Ensuite, l'effet des propriétés géométriques de la paroi telles que l’existence d’une ouverture et l'élancement, les propriétés des mortiers comme la cohésion, la résistance en traction et la résistance en compression ainsi que la contrainte verticale initiale dans le mur, sur la résistance latérale et le mécanisme de rupture des murs de maçonnerie est démontré. En outre, afin de présenter l’état d’endommagement, des indices de dommage, portant sur la longueur totale des fissures dans différentes rangées et colonnes de mortiers sont introduits et comparés pour différentes configurations. Les longueurs de glissement et d’ouverture de fissures dans les mortiers horizontale et verticale respectivement, sont les paramètres les plus importants qui contrôlent le comportement du mur. Enfin, la relation entre les profils de fissuration différents et les propriétés des matériaux y contribuant sont résumées dans un tableau