Fast-dynamic response and failure of masonry structures of non-standard geometry subjected to blast loads
Analyse du comportement et de la rupture des structures en maçonnerie de géométrie non-standard en dynamique rapide
Résumé
Masonry structures are often characterized by non-standard geometries, consisting of arches, vaults, and domes. This is also the case for historical and monumental structures, which are often primary targets of accidental and deliberate explosions. The main goal of this work is to shed light on the dynamic behavior and failure modes of monolithic and non-standard, curvilinear masonry geometries subjected to blast loading. This is, first, accomplished through simplified analytical tools and advanced numerical simulations relying on the Discrete Element Method (DEM). Then, a simplified macroscopic modeling approach, using the Finite Element Method (FEM), is presented as an engineering tool to be used in the investigation of complex, large masonry buildings, such as monuments. In particular, new analytical, closed-form solutions for the rocking response and the overturning domain of slender, monolithic structures are derived and validated against existing experiments and detailed numerical simulations. DEM is used to investigate the response of non-standard masonry structures and the influence of various mechanical parameters. Relying on DEM numerical results, we develop a macroscopic FEM modeling approach, based on simplified upscaling techniques and the smeared cracking model, to make preliminary predictions of the structural response of masonry assets at large scale. With the aim of developing more accurate and detailed material models of the afore-mentioned simplified approach, a new class of Artificial Neural Networks (ANNs) is also proposed as a robust, thermodynamics-based, tool to derive constitutive models, at the material point level, in the framework of physics-based multiscale analyses. Thermodynamicsbased Artificial Neural Networks (TANNs) are applied-and their superiority with the respect to classical ANNs approaches is proved-for the case of materials displaying softening behavior. Finally, we propose new scaling laws for the response of masonry structures subjected to explosions. Our aim is to design future experimental, reduced-scale experiments, which are of paramount importance to further improve current understanding and corroborate the proposed models.
Les bâtiments en maçonnerie ont souvent une géométrie non-standard, caractérisée par des arcs, des voûtes et des dômes. C'est également le cas des structures du patrimoine bâti historique, qui sont souvent des cibles symboliques et privilégiées des actions violentes, telles que des explosions. L'objectif principal de ce travail est de mettre en lumière le comportement dynamique et les modes de ruine des structures maçonnées avec soit un comportement monolithique soit une géométrie non-standard, vis-à-vis d'explosions. Ceci est d'abord accompli grâce à des outils analytiques simplifiés et à des simulations numériques détaillées reposant sur la Méthode aux Éléments Discrets (ED). Ensuite, une approche de modélisation macroscopique simplifiée, utilisant la Méthode aux Éléments Finis (EF), est introduite comme un outil d'ingénieur pour étudier de grands bâtiments en maçonnerie, tels que des monuments. En particulier, de nouvelles solutions analytiques pour la réponse en basculement des structures élancées et monolithiques sont dérivées et validées par rapport à des expériences existantes et à des simulations numériques détaillées. La Méthode aux ED est utilisée pour étudier la réponse des structures maçonnées non-standard, telles que des arcs et des voûtes, et l'influence de divers paramètres mécaniques. En nous appuyant sur les résultats numériques ED, nous développons une approche de modélisation aux EF macroscopique, basée sur des techniques simplifiées de upscaling et un modèle de fissuration étalé, afin de prédire la réponse d'éléments structuraux en maçonnerie à grande échelle. Le modèle proposé prévoit un comportement isotrope et permet de prendre en compte le phénomène d'adoucissement, qui affecte fortement la réponse du matériau. Dans le but de développer des modèles de matériaux plus précis et détaillés de l'approche mentionnée ci-dessus, une nouvelle classe de réseaux de neurones artificiels (ANNs) est également proposée comme un outil robuste, basé sur la thermodynamique, pour dériver des modèles constitutifs, au niveau du point matériel, dans le cadre d'analyses physiques multi-échelle. Les réseaux de neurones artificiels basés sur la thermodynamique (TANNs) sont appliqués - et leur supériorité par rapport aux approches ANNs classiques est prouvée - pour le cas des matériaux présentant un comportement d'adoucissement. Enfin, nous proposons de nouvelles lois de similitude pour la réponse des structures en maçonnerie soumises à des explosions. Notre objectif est de concevoir de futurs essais expérimentaux à échelle réduite, qui sont d'une importance capitale pour améliorer la connaissance actuelle et corroborer les modèles proposés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)