Contexte – problématique

Les habitations maçonnées représentent une très grande partie des structures résidentielles du parc immobilier français. Celles-ci ont souvent des configurations (géométries, matériaux) répétitives. Parfois, ces structures sont construites sur des zones à risques, où les aléas (séismes, retrait-gonflement des sols, tempête, entre autres) sont significatifs. Dans certains cas, les aléas sont concomitants (e.g. Clermont-Ferrand, en zone de sismicité 3, est fortement exposée au risque de retrait-gonflement des sols). La vulnérabilité des habitations est habituellement évaluée séparément pour les différents risques, ce qui n’est pas conservatif. En particulier, une habitation qui aurait subi des désordres non réparés dû à des tassements différentiels générés par un retrait-gonflement des sols de fondations peut voir sa vulnérabilité sismique augmenter. De plus, dans un contexte de changement climatique, il est prévu que ces aléas augmentent en intensité, mettant ainsi en danger ces habitations. Ce projet vise donc dans un premier temps à évaluer la vulnérabilité combinée des habitations maçonnées face aux charges latérales (séismes, tempêtes, inondations) et aux tassements différentiels. Concernant le renforcement de telles structures, des reprises en sous-œuvre très coûteuses sont généralement mises en place. Bien que seulement émergents dans le domaine du renforcement sismique des bâtiments maçonnés, l’application de Textile-Reinforced-Concrete apparaît comme prometteuse et pourrait éviter des surcoûts non nécessaires pour réparer ces structures endommagées.

Impact du tassement différentiel du au retrait-gonflement des sols argileux sur les vulnérabilités (sismiques, tempêtes, inondations), actuelles et futures, des structures résidentielles maçonnées et intérêt du renforcement par TRC biosourcé

Objectifs

Ce projet de thèse a pour objectif d’évaluer la vulnérabilité sismique (et en connexe vis-à-vis d’autres charges latérales telles que le vent ou les inondations) d’habitations maçonnées ayant subi des désordres dû à des tassements différentiels.

Description du projet proposé

La méthodologie de travail se basera sur des simulations numériques, en employant le logiciel de calcul structurel ABAQUS, communément utilisé pour simuler le comportement de la maçonnerie [1], [2], [3]. Les simulations se dérouleront en deux temps, avec une première phase où un tassement différentiel est imposé selon la carte des risques attendus en France métropolitaine. Ce tassement, supposé homogène pour simplifier les modélisations, sera appliqué sur une partie de l’ouvrage. Dans un second temps, un effort latéral sera appliqué à la structure endommagée. Cet effort pourra représenter soit une tempête, soit une inondation (efforts appliqués aux façades de la structure), soit un séisme, appliqué de manière simplifiée via une simulation pseudo-statique [4], ou directement via une simulation dynamique [5]. Avant chacune de ces deux étapes, l’ajout d’une solution de renforcement (TRC, agrafes, ...) pourra être effectuée pour évaluer la pertinence préventive et/ou curative de ces actions.

Dans un premier temps, le projet consiste en la définition de l’approche numérique qui sera utilisée. Plusieurs options sont envisagées : la représentation numérique peut suivre une approche micro, où chaque bloc est représenté par un élément [6], pour reproduire au mieux le comportement du matériau hétérogène « maçonnerie ». Dans ce cas, afin d’accélérer les simulations, tout en gardant une excellente précision, des approches de type macro-blocs seront implémentées [1], [2]. Il s’agit de détecter les éléments ayant un même mouvement de corps rigide et de les réunir en un même macro-bloc pour réduire le nombre d’éléments et donc le temps de calcul. La représentation numérique peut sinon se baser sur la théorie de l’homogénéisation [7], couramment employée dans le domaine de la maçonnerie pour simplifier son comportement, afin d’accélérer les temps d’analyse. Ensuite, il s’agit de valider le modèle numérique sur la base d’essais spécifiques, incluant des essais de tassement, des essais push-over latéraux, des essais de renforcement, entre autres par TRC, ainsi que des mesures in situ (menées par l’entreprise de diagnostic CIDECO).

Enfin, la méthodologie sera appliquée à 2 types d’éléments : premièrement à des éléments structurels simples, i.e. murs ; deuxièmement à des structures complètes simples et représentatives des habitations maçonnées du parc immobilier français, i.e. des habitations R+1. Ces deux types d’éléments auront des dimensions, ouvertures (fenêtres, portes) variables. De fait, un grand nombre de simulations sera effectué en parallèle sur un ordinateur de calcul dédié. Des simulations additionnelles de fatigue viendront quantifier la dégradation de la résistance sismique des structures maçonnées en fonction du nombre de cycles tassement-relèvement.

De manière générale, les résultats des simulations numériques, et notamment des dommages structurels obtenus, seront analysés en fonction des paramètres observables par les capteurs de diagnostic (tassomètres, fissuromètres, inclinomètres, jauges de déformation, accéléromètres, ...). L’objectif est double : il s’agit de déterminer la tolérance au dommage de la structure et sa capacité d’atténuation des sollicitations imposées, d’une part, et de permettre d’autre part un choix judicieux dans la pratique du type et de l’emplacement des capteurs de surveillance des structures réelles.

Verrous scientifiques, techniques et technologiques

• Développer des modèles numériques adaptés (i.e. suffisamment rapides et précis) pour étudier le comportement mécanique de la maçonnerie nonrenforcée et renforcée.
• Définir des configurations structurelles types d’habitations résidentielles
• Définir des patterns de tassements différentiels types
• Analyser de manière groupée les résultats pour en déduire des tendances génériques et conclure sur la pertinence des solutions de renforcement en fonction des cas.

Déroulement du projet de thèse

1. Analyse de la littérature sur le sujet :
   1. Maçonnerie soumise à des charges latérales et tassements différentiels
   2. Renforts de maçonnerie
   3. Evolution des aléas
   4. Modèles numériques aux éléments discrets et aux éléments finis
2. Développement et validation des modèles numériques
   1. Développement des modèles
   2. Validation VS tassement différentiel
   3. Validation VS charges latérales
   4. Validation interface avec le TRC 
3. Vulnérabilité combinée d’un élément structurel maçonné
   1. Tassement
   2. Chargement latéral
   3. Renforcement et charge latérale
   4. Evaluation de l’apport du renforcement
4. Vulnérabilité combinée d’une habitation maçonnée R+1
   1. Tassement
   2. Chargement latéral
   3. Renforcement et charge latérale
   4. Evaluation de l’apport du renforcement

Réalisation du projet

Durée : 3 ans
Rémunération : 2200-2350€ brut mensuel

Encadrement : N. Savalle, C. Jaafari, O. Homoro, S. Amziane
Comité de pilotage : Entreprise de la construction, Collectivité locale, Association, Experts du bâtiment

Démarrage : décembre 2025 - janvier 2026

Responsabilités du·de la Candidat·e

• Comprendre les enjeux du sujet.
• Réaliser une analyse de la littérature sur le sujet
• Définir et valider un modèle numérique pour les structures maçonnées
• Définir des modèles structurels d’habitations maçonnées réalistes
• Réaliser les simulations numériques et étudier l’effet combiné de tassement et de chargement latéral
• Analyser les résultats et extraire des indicateurs de vulnérabilité
• Rédiger en anglais des articles scientifiques
• Accompagner des stagiaires Master

L'Institut Pascal, UMR 6602, est une unité mixte de recherche et de formation interdisciplinaire de 400 personnes placée sous la tutelle de l'Université Clermont Auvergne (UCA) et du CNRS. Le CHU de Clermont-Ferrand est tutelle secondaire de l'unité. L'Institut Pascal est membre de Clermont Auvergne INP, qui regroupe trois écoles d'ingénieurs ISIMA, POLYTECH Clermont et SIGMA Clermont.

L'Institut Pascal est né de la fusion successive (2012, 2017, 2021) à vocation structurante de sept laboratoires couvrant les disciplines des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes du site clermontois : Génie des Procédés, Mécanique, Robotique, Physique des Sciences de l'Information, Santé.

Le laboratoire développe des connaissances et des technologies contribuant à trois domaines d'application : l'usine (incluant les écosystèmes), les transports et l'hôpital du futur.

L'Institut Pascal est membre de FACTOLAB, laboratoire commun avec MICHELIN. Il est porteur du laboratoire d’excellence IMobS3 et membre du réseau CNRS EquipEx ROBOTEX et des LabEx GaNeX (PIA1) et PRIMES. L'unité est membre du pôle de compétitivité CIMES, et des pôles AXELERA, MINALOGIC, POLYMERIS, XYLOFUTUR par un partenariat de l'UCA. L'Institut Pascal est membre de l'Institut Carnot MECD.

L'unité est structurée en cinq Axes de recherche :
•    Génie des Procédés, Energétique et Biosystèmes (GePEB)
•    Image, Systèmes de Perception, Robotique (ISPR)
•    Mécanique, Génie Mécanique, Génie Civil, Génie Industriel (M3G)
•    Photonique, Ondes, Nanomatériaux (PHOTON)
•    Thérapies Guidées par l’Image (TGI)

Les forces vives  de l'Institut Pascal sont localisées sur le site clermontois (Campus des Cézeaux : direction/EUPI, Polytech, SIGMA. CHU : G. Montpied et Estaing), le site de Montluçon (IUT d'Allier) et le site du Puy en Velay (IUT de Clermont).

• Master 2 en Génie Civil ou Génie Mécanique.
• Connaissance solide en mécanique des milieux continus et discontinus
• Affinité avec les logiciels de simulations numériques et la programmation associée.
• Appétence pour le traitement statistique et fiabilisé des données.
• Capacité d'organisation et d'innovation pour mener une campagne de simulations numériques
• Bonne connaissance de l'anglais.