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Analyse modale et modélisation enrichie du comportement structurel des bâtiments / Modal analysis and enriched modelling of the structural behaviour of buildings

ABG-97372 Sujet de Thèse
08/04/2021 Contrat doctoral
Université Savoie Mont Blanc
Le bourget du lac - Auvergne-Rhône-Alpes - France
Analyse modale et modélisation enrichie du comportement structurel des bâtiments / Modal analysis and enriched modelling of the structural behaviour of buildings
  • Génie civil, BTP
  • Sciences de l’ingénieur
Analyse modale, Modélisation éléments finis, Expérimentation

Description du sujet

Réhabiliter les ouvrages existants est un enjeu majeur pour la limitation des émissions de carbone. Au-delà du diagnostic énergétique couramment pratiqué et des rénovations sous-jacentes, la pérennité structurelle de l’ouvrage est également à considérer. Elle se limite généralement à un diagnostic visuel et à des hypothèses de report de charges issues des pathologies observées in-situ. Mais ce constat lié au comportement statique peut s’avérer insuffisant en cas de sollicitation dynamique, notamment dans les zones de sismicité significative. Le diagnostic aboutit alors à la déconstruction du bâtiment, ayant pour conséquence une empreinte carbone très significative, une analyse de cycle de vie non optimisée et un temps et un cout de déconstruction-reconstruction important. Également envisagée lors de certains projets, la surélévation et l’extension des bâtiments existants est peu pratiquée, en raison du manque de maitrise du comportement dynamique de l’ouvrage modifié. Ainsi, la réalisation d’un diagnostic structurel adéquat doit favoriser l’extension verticale, diminuer l’empreinte carbone, lutter contre l’étalement urbain et l’imperméabilisation progressive des sols ; en un mot, participer au développement durable.

 

L’objectif de ce travail est de caractériser le comportement dynamique des ouvrages et leur état d’endommagement via des mesures vibratoires in-situ. Les techniques de mesures par bruit ambiant sont déjà utilisées du point de vue académique à l’échelle de l’ouvrage, afin de déterminer un comportement global du bâtiment, niveau par niveau. Les fréquences propres de vibration ainsi que les déformées modales globales peuvent alors être déduites. En travaillant à l’échelle des éléments de structure (poutre, poteau, mur, dalle…), on souhaite désormais obtenir une représentation fine du comportement dynamique des bâtiments.

 

Cette méthode de mesure locale nécessite la détermination d’un zonage par sous structures et d’une méthode d’agrégation de données. Le premier point évoqué est basé sur la détermination du voisinage proche, dont l’état d’endommagement éventuel a une influence sur l’élément structurel considéré. Une étude théorique aura ainsi pour but d’identifier le voisinage à considérer suivant la configuration structurelle étudiée. Une identification des caractéristiques intrinsèques des éléments de structure pourra alors être entreprise au moyen d’une caractérisation de proche en proche via une méthode d’optimisation appropriée. Le choix de la méthode d’optimisation sera justifié par la donnée disponible et les paramètres à identifier : des méthodes des moindres carrés non linéaires classiques, aux algorithmes méta-heuristiques en cas de dimensionnalité élevée de l’espace de recherche.

 

Parallèlement, un modèle aux éléments finis des ouvrages sera mis au point. Il aura pour but premier d’intégrer les défauts repérés in situ et de les représenter par des connexions semi-rigides. Les facteurs de fixation régissant ces connexions sont alors déterminés par calibrage de modèle (résolution de problème inverse par algorithmes d’optimisation). A nouveau, ce calibrage pourra être mené par un algorithme d’optimisation ou une méthode d’analyse statistique de données adaptée à la paramétrisation du problème. Ce calibrage vise à reproduire un comportement vibratoire numérique conforme aux mesures réalisées in situ. En amont de ce travail, une tâche essentielle visant l’amélioration des modèles représentatifs des éléments de structure sera réalisée. Elle visera notamment à attribuer une longueur effective des éléments qui soit représentative des éléments de structure réels. Le développement de connexions semi-rigides avec un facteur de fixation vectoriel sera également nécessaire afin de prendre en compte leur effet en flexion selon les deux directions principales d’inertie.

 

Au final, les études réalisées auront pour but d’établir des indicateurs de performance structurelle liée à la conservation potentielle du bâti lorsque la réhabilitation d’un bâtiment est projetée. Par extrapolation, cette technique pourra être également utilisée pour étudier la faisabilité d’une extension verticale ou horizontale d’un ouvrage existant.

 

 

 

Retrofitting of existing structures is a major challenge for limiting carbon emissions. In addition to the usual energy diagnostic and the underlying refurbishment, the structural durability of the structure must also be considered. Here, a visual diagnosis and hypotheses of load transfer resulting from pathologies observed in situ are generally considered. However, this observation of static behaviour may prove insufficient in the event of dynamic loading, particularly in areas of significant seismicity. The diagnosis then leads to the deconstruction of the building, resulting in a very significant carbon footprint, a non-optimised life cycle analysis and a significant deconstruction-reconstruction time and cost. Also envisaged in some projects, the raising and extension of existing buildings is rarely practised, due to the lack of knowledge of the dynamic behaviour of the modified structure. Thus, the realization of an adequate structural diagnosis should encourage vertical extension, reduce the carbon footprint, fight against urban expansion and progressive soil sealing; in a word, participate in sustainable development.

 

The objective of this work is to characterise the dynamic behaviour of structures and their state of damage via in-situ vibration measurements. The techniques of measurement by ambient noise are already used from the academic point of view at the scale of the structure, in order to determine the global behaviour of the building, level by level. The natural frequencies of vibration and the global modal deformations can then be deduced. By working at the scale of structural elements (beam, column, wall, slab, etc.), we now wish to obtain a detailed representation of the dynamic behaviour of buildings.

 

This local measurement method requires the determination of sub-structures areas and a data aggregation method. The first point mentioned is based on the determination of the close vicinity, whose possible state of damage has an influence on the structural element considered. A theoretical study will thus aim to identify the representative vicinity according to the structural configuration studied. An identification of the intrinsic characteristics of the structural elements will then be undertaken by means of a characterisation of close proximity via an appropriate optimisation method. The choice of the optimisation method will be justified by the available data and the parameters to be identified: from classical non-linear least squares methods to meta-heuristic algorithms in case of high dimensionality of the search space.

 

In parallel, a finite element model of the structures will be developed. Its main purpose will be to integrate the defects identified in situ and to represent them by semi-rigid connections. The fixity factors governing these connections are then determined by model calibration (inverse problem solved by optimisation algorithms). Again, this calibration can be carried out by an optimisation algorithm or a statistical data analysis method adapted to the problem parameterisation. This calibration aims to reproduce a numerical vibration behaviour in accordance with the measurements carried out in situ. Prior to this work, an essential task aimed at improving the models representing the structural elements will be carried out. In particular, it will aim to assign an effective length to the elements that is representative of the real structural elements. The development of semi-rigid connections with a vectorial fixity factor will also be necessary to reproduce their effect in bending along the two main directions of inertia.

 

Ultimately, the studies carried out will aim to establish structural performance indicators related to the potential conservation of the building when the rehabilitation of a building is planned. By extrapolation, this technique could also be used to study the feasibility of a vertical or horizontal extension of an existing structure.

Prise de fonction :

01/10/2021

Nature du financement

Contrat doctoral

Précisions sur le financement

Bourse attribuée après audition par l'école doctorale SISEO

Présentation établissement et labo d'accueil

Université Savoie Mont Blanc

Avec 15 000 étudiantes et étudiants, une offre de formation riche et pluridisciplinaire et 19 laboratoires de recherche reconnus au plan international, l’Université Savoie Mont Blanc (Chambéry) est un établissement à taille humaine qui conjugue la proximité avec ses territoires et une large ouverture sur l’Europe et le monde.

Le LOCIE (Laboratoire Optimisation de la Conception et Ingénierie de l’Environnement) travaille sur les aspects énergétiques et leur intégration dans le bâtiment, son environnement autant pour le neuf que pour l’existant. Cela concerne les systèmes innovants pour la production, le transport et le stockage de l’énergie, et la durabilité énergétique, environnementale, structurale, économique et sociale des bâtiments.

Intitulé du doctorat

Docteur de l'Université Savoie Mont Blanc

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

Université Savoie Mont Blanc

Ecole doctorale

SISEO

Profil du candidat

Profil de candidat(e) recherché(e) : le / la candidat(e) possède un excellent niveau scientifique ainsi qu'une formation en génie civil. De très bonnes connaissances en mécanique des structures, dynamique des structures et en modélisation par éléments finis seront nécessaires. Des compétences en programmation permettront de réaliser les développements numériques liés au projet. Enfin, le / la candidat recherché(e) s’exprime et rédige couramment en langue anglaise et parle également français.

Candidate profile : The candidate has a strong background in civil engineering and a very good scientific level. Very good knowledge in structural mechanics, structural dynamics and finite element modelling will be required. Programming skills will be useful to carry out the necessary numerical developments. Finally, the desired candidate is fluent in English and also speaks French.

 

07/05/2021
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