[PDF] Méthodologie de Diagnostic de Structures Maçonnées

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THÈSE

En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE LUNIVERSITÉ DE TOULOUSEE

Délivré parUniversité Toulouse III Paul Sabatier

Discipline ou spécialité :Génie Civil

Présentée et soutenue par

Thomas PARENT

Le 10 Novembre 2015

Titre :

Méthodologie de Diagnostic de Structures Maçonnées Anciennes JURY Sylvie YOTTE, Pr. Université de Limoge (Présidente du Jury) Frédéric RAGUENEAU, Pr. ENS Cachan (Rapporteur)

Luc DAVENNE, Mcf. Université

Paris Ouest (Rapporteur)

Alain MILLARD, CEA Saclay (Examinateur)

Ludivine MOUATT, Ginger CEBTP (Invitée)

Alain SELLIER, Pr. Université Toulouse III, (Directeur de thèse) Nathalie DOMEDE, Mcf. INSA Toulouse (Co-Directrice de thèse) Ecole doctorale :Mécanique, Energétique, Génie civil et Procédés (MEGEP) Unité de recherche :Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC) Directeur(s) de Thèse :Alain SELLIER et Nathalie DOMEDE i

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Remerciements

ii

Remerciements

3ne thèse de doctorat est le ݈ruit d"un travail collecti݈ et 8e tiens à remercier l"ensemble des

personnes que 8"ai cktoyé durant ces ݧ années et qui ont chacune apporté 5 leur pierre à

l"édi݈ice 6ݭ

૸e souhaite tout d"abord exprimer ma gratitude à mon directeur de thèseݮ Alain Sellierݮ qui

m"a transmis la passion de la rechercheݭ ૸e le remercie pour ses qualités humainesݮ sa

disponibilitéݮ sa rigueur scienti݈ique et sa bonne humeurݭ ݒos échanges scienti݈iques et remises

en question ont été plus qu"enrichissant et 8e lui suis extr෎mement reconnaissantݭ ૸"ai appris

énormément à ses cktés et 8e suis honoré de l"avoir eu comme directeurݭ ୕es remerciement

s"adressent également à ݒathalie Domedeݮ ma coݱdirectrice de thèse qui m"a apporté son

expertise sur le matériau maࢩonnerie et partagé cette passion pour les ouvrages historiquesݭ

ݒathalie ݈urent un véritable plaisirݮ tant du point de vue humain que scienti݈iqueݭ ૸e suis

intimement convaincu que sans ces deux personnesݮ la thèse n"aurait pas aboutiݭ ૸e leur dois

beaucoupݭ

૸e remercie ୕me Sylvie Fotte de m"avoir ݈ait l"honneur de présider mon ૸ury de ୖhèseݭ

remarques constructives ont sans nul doute contribué à l"amélioration de mon mémoire de

doctoratݭ 3n grand merci à Alain ୕illard d"avoir accepté de participer à mon ૸ury de thèse en

animant activement le débatݭ ୖoulouseݮ qui m"a accueilli dans ce laboratoireݭ

depuis son commencementݭ ୕erci à ݁oland Schell qui était à l"initiative de ce pro8et de thèseݭ ૸e

pense aussi aux personnes du Service ୕aࢩonnerie et ୕onument historique avec qui travailler ݈ut

un véritable plaisirݪ Charlèneݮ Sophiaݮ Suzanneݮ Clémence et ݒicoݭ ୕erci aux personnes du

service structure ݪ Antoineݮ ୕arius et Solèneݮ et aux personnes du service pathologie ݪ Olivierݮ

qui a contribué à la campagne expérimentale de cette thèseݪ Arnaudݮ Alexandre et ୕audݭ

de me recevoir a݈in de partager son expérience sur la préservation de notre patrimoine architecturalݭ

calcaires de Saintݱ୕aximin nécessaires à réalisation de la campagne expérimentaleݭ

aidé à réaliser les essais de vidéoݱcorrélationݭ ૸e pense également à certains enseignants

Dupratݮ ୖhierry ݀idal et ૸érkme ݀erdierݭ ૸e remercie chaleureusement ୕ichel ୕ouret qui a su

m"orienter lorsque 8"ai pris la lourde décision de me lancer dans un doctoratݭ

Remerciements

iii Je souhaite exprimer toute ma gratitude à mes amis et collègues du laboratoire LMDC de Toulouse: ceux avec qui j"ai partagé le bureau 223b: Hugo pour son amour du sport et sa bonne humeur, Sd. Rahal avec qui les discussions sur l"endommagement orthotrope étaient réjouissantes, Djin Tonic pour ses conseils avisés de vie, Peter pour son accent Canado- Ukrainien, Ponleu pour son rire, et Mr White pour ses opinions politiques. La proximité dans ce bureau à l"ambiance " chaleureuse » a sans nul doute contribué grandement à mon épanouissement personnel. Je pense également à nos voisins du bureau 223a : Buchette,

Sboobix, Carolina, Youssef, Marilla. Mais aussi l"ensemble des doctorants que j"ai côtoyé durant

ces trois années : Titi (Pour sa soutenance réussie), Ilgar (pour ces moments de musique ensemble), Pierre, Julie, Elsa, Isabelle, Marlène, Leila, Vanessa, Marie, Elie, Khadim, Gabriel, Célestine, Laurent, Mustapha, Thomas, Bernard, Nam (entre autre pour l"Uspidum), Babacar,

Aurélie, Sophie, Kaina et tous les autres.

Je pense également à mes amis et colocataires de la caserne, Yo, Laeti, Simon, Peter et Hugo et je les remercie de m"avoir supporté durant c ette épreuve qu"est la rédaction du manuscrit. Les randonnées en montagnes avec eux m"ont permis de décompresser dans les moments difficiles

de la thèse. Je remercie mes amis de Toulouse qui m"ont toujours épaulé durant ces 3 années :

Tomino, Riton, David, Anais, Marie, Damien, Nico et tous les autres. Je remercie mes vieux amis musiciens angevins de Cavalaika, " les Michels » qui m"ont

également apporté énormément dans la vie. Je pense à Chhel, Gab, Jakub, Simon et Tête d"œuf.

Je remercie tous mes amis d"Angers qui m"ont soutenu dans ce projet : Grégoui, Mut, Beber,

Momo, Jo, Choupiz, Alice, Sophie, Rima et tous les autres. Une pensée particulière pour Claire et

Paulin qui sont venu spécialement

d"Angers, et ce, je n"en doute pas, par passion de la voûte à croisée d"ogive ! Je remercie également Laure, notamment pour sa relecture assidue du manuscrit. Mes pensées vont aussi vers ma sœur Pauline et mon frère Arthur et bien évidement à

Patoche, Gilles, la petite Jeanne et la dernière arrivée Joséphine, née le jour de ma soutenance de

thèse ! Enfin, je remercie du fond du cœur mes parents sans qui rien de tout cela ne serait arrivé. Vous m"avez toujours supporté et accompagné dans mes projets. Voyez ici une reconnaissance profonde de ce que vous m"avez apporté dans la vie. Je vous dois beaucoup. J"en oublie certainement encore et je m"en excuse. Encore un grand merci à tous pour m"avoir conduit à ce jour mémorable.

Sommaire

iv

SOMMAIRE

I.1 L"ARCHITECTURE GOTHIQUE ......................................................................................... 6

I.1.1 Contexte historique .................................................................................................................. 6

I.1.2 Evolution des techniques architecturales religieuses : de la basilique romaine a l"architecture

gothique ƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒƒ.6

I.1.3 Principes de construction d"un édifice gothique ..................................................................... 10

I.1.4 Conclusion............................................................................................................................... 15

I.2 TECHNIQUES D"INVESTIGATION DES MONUMENTS HISTORIQUES ........................................ 16

I.2.1 Auscultations non destructives ............................................................................................... 16

I.2.2 Auscultations destructives ...................................................................................................... 20

I.2.3 Conclusion............................................................................................................................... 22

I.3 COMPORTEMENT MECANIQUE DES MAÇONNERIES ET MODELISATIONS ASSOCIEES ................. 22

I.3.1 Introduction ............................................................................................................................ 22

I.3.2 Comportement mécanique des matériaux consitutifs des maçonneries ................................ 23

I.3.3 Comportement mécanique des maçonneries et modélisations associées .............................. 49

I.3.4 Comportement mécanique des structures voûtées ............................................................ 64

I.4 CONCLUSION GENERALE DE L"ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ................................................... 75

II.1 ARCHITECTURE DE L"OUVRAGE ................................................................................... 78

II.1.1 Introduction de la bibliothèque du CNAM .............................................................................. 78

II.1.2 L"intérieur de la bibliothèque .................................................................................................. 79

II.1.3 La façade nord ........................................................................................................................ 80

II.1.4 Le mur pignon ouest ............................................................................................................... 80

II.1.5 Coupe transversale ................................................................................................................. 80

II.1.6 Coupe longitudinale ................................................................................................................ 82

II.1.7 les combles ............................................................................................................................. 82

II.2 PATHOLOGIES STRUCTURELLES CONSTATEES .................................................................. 86

II.2.1 Fissuration en intrados des voûtes ......................................................................................... 87

II.2.2 Dévers des éléments porteurs ................................................................................................ 87

II.2.3 Conclusion sur les désordres structurels et causes probables ................................................ 88

II.3 RECHERCHES HISTORIQUES DES CAUSES DE PATHOLOGIES ................................................. 89

II.3.1 Histoire du prieuré saint martin des champs .......................................................................... 89

II.3.2 Etapes de la construction de la bibliothèque .......................................................................... 90

II.3.3 Evolution de l"environnement de la bibliothèque ................................................................... 92

II.3.4 Conclusion sur la recherche historique des causes de pathologies ......................................... 94

II.4 AUSCULTATIONS DE L"EDIFICE ..................................................................................... 95

II.4.1 Instrumentation ...................................................................................................................... 95

II.4.2 Fouilles géotechniques ......................................................................................................... 101

II.4.3 Auscultation des maçonneries .............................................................................................. 103

Sommaire

v

II.4.4 Conclusion sur la campagne d"auscultation de l"édifice ....................................................... 118

PARTIE III CARACTERISATION MECANIQUE DES MAÇONNERIES .......................... 121

III.1.1 Les essais menés sur carottes prélevées sur site .............................................................. 122

III.1.2 Essais sur matériaux équivalents .......................................................................ω.............. 130

III.1.3 Conclusion .......................................................................ω................................................. 145

III.2.1 Modèle de comportement utilisé ........................................................................ω............. 146

III.2.2 Obtention des paramètres mécaniques de la pierre de saint-Maximin ........................... 153

III.2.3 Obtention des paramètres mécaniques du mortier équivalent ........................................ 157

III.2.4 Validation de la modélisation de l"essai de compression du matériau composite ........... 160

III.2.5 Conclusion .......................................................................ω................................................. 162

III.3.1 La pierre ......................................................................ω..................................................... 163

III.3.2 Le mortier ........................................................................ω................................................. 169

III.3.3 L"interface pierre mortier ........................................................................ω......................... 170

III.3.4 Conclusion .......................................................................ω................................................. 174

III.4.1 Périodicité des maçonneries en place ........................................................................ω...... 174

III.4.2 Homogénéisation linéaire ........................................................................ω........................ 175

III.4.3 Homogénéisation non-linéaire ......................................................................ω................... 179

III.4.4 Conclusion .......................................................................ω................................................. 183

PARTIE IV ANALYSE STRUCTURELLE..................................................................... 187

IV.1.1 Modélisation globale d"une travée courante de la bibliothèque ...................................... 188

IV.1.2 Mécanismes de rupture de l"édifice ........................................................................ω......... 189

IV.1.3 Distinction du comportement de la voûte et de celui du contrefort................................. 190

IV.1.4 Marge de sécurité vis-à-vis de la ruine de la structure ..................................................... 191

IV.2.1 Elaboration du critère de rupture ........................................................................ω............. 193

IV.2.2 Détermination de .......................................................................ω................................. 194

IV.2.3 Détermination du coefficient partiel de sécurité ....................................................... 200

IV.2.4 BIlan ..................................................................ω............................................................... 204

IV.2.5 Conclusion .......................................................................ω................................................. 205

IV.3.1 Calcul préliminaire cinématique .......................................................................ω................ 205

IV.3.2 Modélisation Eléments finis ........................................................................ω..................... 207

IV.3.3 Conclusion .......................................................................ω................................................. 214

IV.4.1 Préparation du modèle ........................................................................ω............................. 215

IV.4.2 Résultats de la simulation numérique ........................................................................ω...... 217

Sommaire

vi

IV.4.3 Conclusion .......................................................................ω................................................. 224

IV.5.1 Analyse de la marge de sécurité ........................................................................ω............... 225

IV.5.2 Proposition d"une solution de confortation ...................................................................... 226

CONCLUSION GENERALE ......................................................................................... 231

PERSPECTIVES ......................................................................................................... 237

BIBLIOGRAPHIE ....................................................................................................... 239

TABLE DES ILLUSTRATIONS : FIGURES ...................................................................... 245

TABLE DES ILLUSTRATIONS : TABLEAUX ................................................................... 255

ANNEXES ................................................................................................................ 257

vii Page laissée intentionnellement vide

Résumé

viii

RESUME

historiques en maࢩonnerie de pierreݭ Elle se concentre sur les édi݈ices gothiques comportant des

gothique datant du 1ݧ siècleݮ constitue un cas d"étude idéal pour valider la démarche proposéeݭ d"estimer la marge de sécurité de la construction visݱàݱvis de la ruineݭ

Après une recherche en archivesݮ une campagne d"investigations est menée sur l"édi݈iceݭ

Elle comprend une campagne d"essais destructi݈s et nonݱdestructi݈sݮ ainsi qu"une reconnaissance

des désordres présents sur l"ouvrageݭ A l"issue de ces premières recherchesݮ les causes

potentielles de désordres sont listées et analyséesݭ Dans un second tempsݮ la recherche est portée sur le comportement mécanique des

caractéristiques des calcaires sont obtenues à partir de méthodes ultrasoniquesݭ 3n modèle

d"endommagement orthotrope est développé et amélioré pour s"adapter spéci݈iquement aux

maࢩonneries de pierres de tailleݭ ݯour réaliser l"analyse structurelle (échelle 5 macro 6)ݮ une

procédure d"homogénéisation est ensuite développéeݭ

Sur la base des résultats de ces deux premières étapesݮ une étude de la structure de la

bibliothèque du CݒA୕ de ݯaris est menéeݭ 3n critère de rupture en compression est proposé en

et un coe݈݈icient dit 5 de ݈onctionnement 6 spécialement créés pour l"étude des structures

݈issuration déterminé par le calcul ݈ournit une estimation de l"état de contrainte actuel de

synthèse globale de cette étude de cas est présentée et généralisée à tout édi݈ice en maࢩonneries

anciennesݭ

MOTS CLES

୕aࢩonnerieݮ Calcaireݮ ୕éthode des éléments ݈inisݮ Calcul de Structureݮ Gothiqueݮ ܎

݀oôteݮ ୕odélisation

ix

Page laissée intentionnellement vide

Introduction Générale

1

INTRODUCTION GENERALE

Le patrimoine architectural français recense environ 45 000 édifices classés et inscrits au titre des monuments historiques. La préservation de ces ouvrages constitue un enjeu culturel, économique, scientifique, et sociétal majeur. Beaucoup de ces monuments historiques accueillent aujourd"hui du public : lieux de cultes, musées, salles de concert, par exemple. Il

apparait indispensable de s"assurer de leur stabilité structurelle. Pour conserver et pérenniser

cette richesse, les maîtres d"ouvrages, qu"ils soient publics ou privés, font appel à des équipes

pluridisciplinaires composées généralement d"architectes et d"ingénieurs. Sollicité à de nombreuses reprises pour effectuer le diagnostic structurel d"églises, de monastères et de cathédrales, et conscient de l"absence d"outils d"expertises efficaces, l"entreprise GINGER CEBTP s"est rapprochée du Laboratoire Matériaux et Durabilité des

Constructions de Toulouse (LMDC), déjà expérimenté dans l"étude des structures maçonnées

neuves et anciennes. La présente thèse s"inscrit donc dans ce contexte de réhabilitation des

édifices anciens en maçonnerie.

L"objectif est de développer une méthode d"expertise complète afin de fournir un outil

d"aide au diagnostic et d"aide à la décision pour le maître d"ouvrage, en matière de conservation

et rénovation des monuments anciens. A l"issue de ce travail, la méthodologie se devra d"estimer

la marge de sécurité de l"édifice vis-à-vis de sa ruine. Il ne s"agit donc pas de s"intéresser

uniquement au comportement mécanique de la maçonnerie, ou de se consacrer exclusivement

au développement des méthodes d"auscultation des édifices anciens. Nous avons pris le parti de

développer une méthode globale et pluridisciplinaire. (a) (b) Figure-1: la bibliothèque du CNAM : (a) vue extérieure, (b) vue intérieure. La validation de la démarche s"appuiera sur un cas d"étude concret : la bibliothèque du

CNAM. Cet édifice parisien datant du 12

ème

siècle constitue un chef d"œuvre de l"architecture gothique qu"il convient de préserver avec beaucoup d"attention (Figure-1). Le monument

présente des voûtes à croisée d"ogive, élément structurel typique de cette période architecturale.

Introduction Générale

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