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Les thèmes de travail.

Le programme de recherche est articulé sur quatre thèmes de recherche. Ils sont :

Thème 1. Matériaux à fonctions multiples et matériaux composites.

L'étude des matériaux hétérogènes est importante pour le génie civil. Elle est effectuée dans les divers laboratoires membres du GDRE.

Le thème de l'endommagement des matériaux est déjà très actif. La comparaison des théories prévisionnelles de l'endommagement du béton, en particulier de l'endommagement sous chargement rapide, et des expériences se poursuivra. Une contribution importante du LMGC consiste à étudier les effets thermiques dus à l'endommagement. Les techniques expérimentales et les modèles seront transposés aux matériaux composites.

Des théories prévisionnelles du séchage ont été mises au point au LMGC et l'Université de Rome Tor Vergata étudie l'évolution de l'eau dans les matériaux de construction.

Comme on l'a dit, les matériaux hétérogènes comme les milieux poreux naturels ou artificiels seront étudiés avec attention, en particulier l'évolution de la phase humide qui conditionne beaucoup des propriétés d'usage. C'est le cas du changement de phase eau-glace fort complexe dans les sols naturels ou artificiels comme la terre armée. Les changements de phase avec discontinuité de température et surfusion qui interviennent dans la formation du verglas seront aussi examinés.

Les nouveaux matériaux seront également examinés en vue de leur utilisation en génie civil. On a cité les alliages à mémoire de forme et les matériaux piézo-électriques qui par l'interaction de champs de nature différente, électrique, thermique et mécanique ont des comportements potentiellement utilisables pour la construction. Notons que le DIC de l'Université de Rome Tor Vergata, le LMGC et le LCPC collaborent avec l'Université de Franche-Comté sur l'étude des matériaux à mémoire de forme dans le cadre d'un programme TMR de l'Union Européenne.

Le DIC envisage d'approfondir certains aspects du comportement des matériaux à mémoire de forme (MMF) et des matériaux piézo-électriques. Dans une première phase on développera des lois de comportement capables de reproduire les comportements mécaniques ainsi que les résultats expérimentaux et l'on complétera ces lois par des logiciels utilisant les éléments finis. Les applications porteront ensuite sur le contrôle des déformations des structures à l'aide des MMF ainsi que sur le contrôle actif des vibrations des structures par des couches piézo-électriques. Un autre thème de recherche sera l'étude des matériaux composites à matrice fragile renforcés par des fibres en acier ou en matériau plastique, typologie innovante pour les bétons renforcés par des fibres courtes ou longues. Le but de la recherche est de déterminer les performances des dits bétons capables d'avoir des caractéristiques remarquables par rapport au béton traditionnel tant du point de vue technique que du point de vue économique.

Les résultats attendus :

Ce seront d'abord des théories prévisionnelles bien fondées sur les doctrines de base et cohérentes du point de vue physique, mécanique et mathématique. C'est une tradition des laboratoires de ne rien laisser dans l'ombre du point de vue scientifique mais aussi de s'assurer que les moyens mis au point sont adaptés aux préoccupations d'ingénierie en participant à des applications pratiques pouvant conduire les chercheurs sur le terrain. Ce souci sera présent dans les quatre thèmes scientifiques.

On s'attachera à produire une bonne description de l'endommagement en dynamique rapide et des effets thermiques qu'il engendre. Cela permettra de mieux prévoir la vie des structures et même de les utiliser en toute sécurité même si elles sont un peu endommagées. Des applications à l'endommagement des chaussées sont prévues.

Pour les matériaux à fonction multiple, on tentera de donner de bonnes théorie prévisionnelles permettant d'envisager leur usage dans certaines structures de génie civil soit comme capteur soit comme actionneur.

Pour les changements de phase, on s'attachera aux applications à la mécanique des sols et à la prévision du verglas. Des études sur la dépollution des sols seront éventuellement menées.

Pour ce qui concerne les matériaux à mémoire de forme et piézo-électrique, les résultats porteront sur les modèles et algorithmes de calculs et sur les règles de dimensionnement pour réaliser des structures "intelligentes" surtout dans le cas des actions sismiques ou aérodynamiques.

Pour les bétons renforcés avec fibres, les lois de comportement seront développées à partir des lois non-linéaires caractéristiques de la matrice et des fibres en employant des techniques d'homogénéisation. Des applications basées sur les lois de comportement obtenues seront développées pour les grandes structures.

Thème 2. Contacts. Frottement. Adhésion. Matériaux granulaires. Chocs.

Le travail sur le contact avec adhésion, frottement,… comportera l'établissement de nouvelles théories prévisionnelles incluant des effets non locaux et des effets thermiques.

Le comportement des milieux granulaires, une spécialité de plusieurs des laboratoires, sera étudié et développé. La théorie des chocs entre solides non déformables et entre solides déformables sera développée (surtout au LMGC et au LCPC) sur tous les plans : théorique, numérique et expérimental. On doit remarquer que les laboratoires ont les hommes et les moyens de base pour bien aborder et dominer le sujet sous tous ses aspects : physique, mécanique, mathématique et numérique.

Le collage des matériaux est envisagé dans certaines structures du génie civil. Le LCPC lance sur ce thème une importante action de recherche identifiée, programmée et financée durant quatre ans. Le Laboratoire Lagrange participe à cet important thème : le Collage en génie civil. Au DIC et au LCPC, des modèles seront développés pour le comportement des matériaux, par exemple des pierres naturelles ou artificielles (béton ou maçonnerie), renforcés par des couches laminées appliquées sur les faces extérieures. L'objectif de la recherche est la formulation de modèles pour étudier le comportement global des structures en pierre ou en béton renforcés par des couches de composites laminés (voir aussi le thème 3). Parmi ces composites, les produits à base de résines époxydes renforcées par des fibres de carbone font actuellement une percée dans la technologie des réparations de structures en béton. La pérennité de la réparation ou du renforcement est largement liée à celle des interphases successives du substrat. Une bonne connaissance du comportement au choc de ces assemblages collés est importante pour les applications. Enfin on développera des modèles pour des composites piézo-électriques et pour des plaques multicouches renforcées par des couches piézo-électriques. On analysera les phénomènes interlaminaires, en particulier ceux liés à la délamination.

Le comportement des pieux en génie civil retient l'attention depuis longtemps. Le laboratoire Lagrange se propose de participer à la modélisation de la tenue de ces pieux par frottement. La mise en place de certains pieux se fait par battage : une théorie prévisionnelle du battage couplera les théories des chocs et du contact.

Les résultats attendus :

Ce sont des résultats de base en mécanique et en mathématiques appliquées. Ce sont aussi des moyens pratiques de prévision des mécanismes et de la propagation des éboulements rocheux, du comportement des maçonneries supportées par un sol mobile ou de constructions en pierres appareillées, avec ou sans mortier, sous l'action du vent, de collisions ou de séismes, de l'interaction sol-outil (coupe de sol par les engins de chantier). On se propose aussi de donner une théorie des collisions des solides déformables.

Pour les matériaux en pierre renforcés par des couches composites et les composites piézo-électriques, on prévoit d'obtenir des lois de comportement et des modèles numériques pour l'analyse du comportement et le dimensionnement des structures

Pour les pieux, on prévoit d'identifier avec les mécaniciens des sols les apports de ces nouvelles modélisations aux méthodes de dimensionnement des pieux pour leur mise en place et leur tenue en service.

Thème 3. Bâtiments anciens.

Outre ce qui a été dit au paragraphe précédent sur la dynamique des maçonneries qui concerne tout particulièrement les monuments anciens, on développera de nouvelles techniques comme expliqué ci-dessous.

Dans les dernières années, de nouvelles techniques ont été proposées et parfois utilisées pour renforcer et réhabiliter des bâtiments ou des monuments. Par exemple des rubans en plastique renforcés par des fibres ou des tissus de fibres (PRF ou matériaux similaires) sont appliqués sur les surfaces de la maçonnerie pour réaliser le renforcement souhaité. Une autre méthode de renforcement est basée sur l'insertion de barres en PRF dans la maçonnerie de façon concentrée ou diffuse. En Italie, le renforcement des maçonneries est particulièrement demandé dans les zones sismiques. On y demande souvent des interventions rapides et durables pour renforcer les structures. L'emploi des matériaux plastiques est simple et particulièrement adaptée. En Italie comme en Grèce, des renforcement de dômes en maçonnerie ont été réalisés par l'application de rubans en PRF soit à l'extrados soit à l'intrados de la structure. Les rubans sont encore utilisés pour le renforcement des structures en béton armé. On connaît des applications majeures sur des piles et des travées de viaducs endommagés par des séismes. Dans un tel contexte, le DIC et le LCPC vont développer les thèmes de recherches qui suivent :

modélisation du matériau maçonnerie : formulation de modèles mécaniques pour le comportement de ce matériau sur la base de lois de comportement déjà connues telles que la loi de comportement du matériau sans résistance à la traction, les lois d'endommagement locales et non locales, les modèles fondés sur l'homogénéisation pour prendre en compte l'opus de la maçonnerie ;
modèles pour des structures en maçonnerie : les lois de comportement développées seront employées pour l'analyse du comportement non linéaire global du bâtiment et la détermination de la résistance ultime de la structure. Des applications significatives seront données pour des monuments historiques tels que le Colisée et les coupoles du Panthéon et de Saint Pierre ;
modélisation des renforcements par l'emploi de matériaux composites : les formulations développées ci-dessus seront appliquées aux systèmes composites maçonnerie-renforcement afin de trouver des modèles adaptés aux différentes typologies structurelles.

Les résultats attendus :

L'objectif de la recherche est de développer des règles de dimensionnement pour l'emploi des PRF ou des matériaux similaires dans le renforcement des structures en maçonnerie ou en béton armé. Des exemples d'applications significatifs de ces règles seront recherchés. Les critères et les modèles d'analyse seront validés en comparant les résultats de la théorie avec des essais sur des éléments structurels simples.

Les modèles décrivant l'évolution de solides rigides donneront des outils pour l'étude et la gestion rationnelle des structures en maçonnerie à joints endommageables ou non.

Thème 4. Dynamique. Sismique. Structures de grande portée.

On rapprochera les équipes qui s'occupent :

de vibrations, par exemples des vibrations des ponts. Sur ce thème, le LCPC développe un important programme de recherche sur les effets du vent sur les grandes structures souples. Le contrôle actif de ces grandes structures retiendra l'attention ;
de conception de structures légères innovantes en génie civil. L'étude mécanique de ces structures est conduite au stade de la conception. L'intérêt majeur est porté vers les structures siège d'un état de contraintes initiales contribuant de façon essentielle à leur forme et à leur rigidité. Les études nécessitent la définition de processus de recherche de formes spécifiques, résultats d'un couplage entre géométrie et sollicitations internes. Les éléments constructifs sont les membranes architecturales, les réseaux de câbles, les systèmes réticulés spatiaux, les systèmes de tenségrité (systèmes de barres et de câbles en état d'autocontraintes). Elles posent des problèmes spécifiques quant à leur stabilité durant la construction et, une fois construites, durant leur vie en raison de la variabilité de leur état. Le LMGC développe des outils de modélisation pour la conception, des outils d'investigation et de reconnaissance dynamique de ces structures et des matériaux constitutifs, comme les membranes textiles;
d'architecture (l'Université de Rome Tor Vergata et le LMGC qui a une coopération active avec l'École d'Architecture du Languedoc-Roussillon et les Grands Ateliers de la Ville nouvelle de l'Isle d'Abeau). Signalons que M. Mouton, chercheur du groupement, est expert près les Grands Ateliers.

Le DIC va développer l'analyse du comportement sismique des structures en béton armé. On évaluera particulièrement la ductilité locale et globale en fonction des caractéristiques mécaniques des aciers.

Un second thème concerne l'analyse du comportement dynamique des ponts de grande portée (suspendus ou à haubans). Le comportement des structures sera simulé par des modèles non linéaires appropriés. L'action du vent et la stabilité aérodynamique des ouvrages seront analysées dans la phase de construction et en service normal.

Les résultats attendus :

Les équipes pourront participer au grand thème de recherche du LCPC sur la maîtrise des effets du vent sur les grandes structures souples comme les grands ponts à haubans. La mise au point de moyens à mettre en œuvre pour une bonne maîtrise des mouvements de ces grandes structures souples sera particulièrement recherchée. Les résultats pourront s'appliquer aux grands ponts devant être construits en Italie et en France. On attend également une sécurité dans l'analyse et le prolongement de la durabilité des structures légères, notamment par des auscultations et des interventions in situ.

Pour ce qui concerne l'analyse de la ductilité des structures en béton, on prévoit la formulation des règles de dimensionnement et des applications. Pour ce qui concerne les ponts de grande portée, on se propose d'approfondir la compréhension du comportement et d'analyser la faisabilité de tels ponts pour des portées plus grandes que celles réalisées jusqu'à présent.