Soutenance de thèse de Ting YU

La surveillance des structures de génie civil constitue un enjeu majeur pour les maîtres d’ouvrages. Les Essais Non Destructifs (END) par ultrasons permettent de caractériser le béton, sans le dégrader en raison de leurs liens avec ses propriétés mécaniques et sa composition. Ils sont donc adaptés au contrôle et au suivi in situ des structures et ouvrages d’art. Cependant, les longueurs d’onde utilisées étant du même ordre de grandeur que les tailles des éléments constitutifs du béton, les signaux mesurés résultent de diffusions successives et donc multiples des ondes. Celles-ci sont par conséquent complexes à analyser. Afin d’optimiser les techniques ultrasonores, il est nécessaire de mieux comprendre les interactions onde-matière dans ce type de milieu et de modéliser au mieux les phénomènes associés. Les modèles analytiques d’homogénéisation sont souvent utilisés pour simuler la partie cohérente des ondes qui se propagent dans un milieu. Mais ces modèles sont souvent limités à la présence d’hétérogénéités en faible concentration. Afin d’aller au-delà de ces limites, dans ce travail de thèse un modèle numérique bidimensionnel décrivant la propagation d’ondes ultrasonores dans un milieu hétérogène, adapté au béton, est construit dans le logiciel SPECFEM2D fondé sur la méthode numérique des éléments spectraux. Ce modèle est comparé à des modèles analytiques, et validé expérimentalement à l’aide d’un milieu synthétique à forte hétérogénéité en comparant les deux paramètres effectifs des ondes cohérentes : vitesse de phase et atténuation. Ce modèle numérique permet également de prendre en compte la viscoélasticité du mortier par l’intermédiaire d’un facteur de qualité. Celui-ci est déterminé à partir des mesures effectuées pour une série de mortiers étudiés. L’outil numérique complet peut être utilisé à plusieurs fins : d’une part, la réalisation d’études afin d’évaluer l’influence de certains paramètres sur la propagation d’onde, comme la forme, l’orientation et la distribution des granulats, et d’autre part, la simulation des configurations de mesure mises en œuvre sur structure afin de les optimiser en fonction des paramètres qui interviennent, en particulier la fréquence des ondes propagées. Cette meilleure maîtrise des mesures permettra de conduite à terme à l’amélioration du diagnostic. Dans des travaux futurs, le développement de cet outil devra être poursuivi pour mieux prendre en compte l’interfacial transition zone (ITZ) qui est présente entre les granulats et le mortier, même si dans cette thèse une première étude de cette zone est proposée, ainsi que l’endommagement et la fissuration dans le béton.

Monitoring of civil engineering structures is a major challenge for building engineers, maintainers and owners. Ultrasonic Non Destructive Testing (NDT) is used to characterize concrete, without degrading it, because of its relationship to its mechanical properties and composition. Such ultrasonic testing is therefore suitable for the control and in-situ monitoring of structures. However, since the wavelengths used are of the same order of magnitude as the sizes of the constitutive elements of the concrete, the measured signals result from successive diffusions and thus from numerous waves resulting from multiple scattering. These are therefore complex to analyze. In order to optimize ultrasonic techniques, it is thus necessary to better understand the wave-material interactions in this type of medium and to better model the associated phenomena. Analytical homogenization models are often used to simulate the coherent part of waves propagating in a medium. But these models are often limited to the presence of heterogeneities at low concentration. In order to go beyond these limits, in this thesis a two-dimensional numerical model describing the propagation of ultrasonic waves in a heterogeneous medium, adapted to concrete, is built in the SPECFEM2D software package, which based on the spectral-element numerical method. This model is compared to analytical models, and validated experimentally using a synthetic medium with high heterogeneity by comparing the two effective parameters of coherent waves: phase velocity and attenuation. This numerical model also makes it possible to take into account the viscoelasticity of the mortar by means of a quality factor. This quality factor is determined from measurements made for a series of mortars that we study. The complete set of numerical tools developed in this work can be used for several purposes: firstly, to carry out studies to evaluate the influence of certain parameters on wave propagation, such as the shape, orientation and distribution of aggregates, and secondly, the simulation of the measurement configurations implemented for a structure in order to optimize them in terms of the parameters involved, in particular the frequency of the propagating waves. This better control of the measures will ultimately lead to better diagnosis. In future work, the development of this numerical modeling tool will have to be continued to better take into account the interfacial transition zone (ITZ) that exists between the aggregates and the mortar (even if in this thesis a first study of this zone is proposed), as well as damage and cracking in concrete.