La maçonnerie

3.2.3.1.

Comportement mécanique

La maçonnerie est un matériau hétérogène composée de blocs et de joints de mortier. Le comportement d’un matériau composite dépend du comportement mécanique de ses composants et du mode d’assemblage, ainsi que de l’interface joint – bloc.

Déjà en 1969, Hilsdorf [48] a montré la faible résistance en compression de la maçonnerie de brique avec des mortiers de qualité faible. Cependant, les incompatibilités entre les matériaux assemblés peuvent générer des problèmes même entre matériaux performants. Les valeurs du module d’Young et du coefficient de Poisson ne sont pas les mêmes pour le mortier et la brique, et les déformations incompatibles génèrent des efforts complémentaires dans la maçonnerie[48].

Lors d’un effort de compression sur la maçonnerie, le mortier est confiné en compression triaxiale entre les blocs grâce au frottement à l’interface bloc – mortier car le coefficient de Poisson de la brique est inferieur que celui du mortier [49], [50]. Cette situation apporte une amélioration au comportement du mortier. En revanche, les blocs travaillent en compression uni axiale et en traction biaxiale [49] [48]. Donc, la rupture peut être provoquée soit par le comportement en traction du bloc, soit par défaut d’adhérence entre les deux matériaux. Dans le schéma de fissuration en étude, les blocs ont éclaté en deux morceaux et le mortier est fissuré uniquement dans la zone verticale où il n’est pas confiné. Cela présente ce comportement mécanique commun de la maçonnerie.

Selon Lourenço et al. [51], pendant un essai de compression sur un mur avec déplacement imposé, à l’approche du pic, la formation de macro-fissures et de zones instables induisent une diminution de la charge. Du fait de la fragilité de l’échantillon, la diminution de la contrainte est rapide.

Le comportement post-pic de la maçonnerie est principalement de type fragile. Les éléments de la maçonnerie sont fissurés du fait de l’altération naturelle, dans le cas des pierres, ou bien suite au processus de fabrication dans le cas de briques. Le mortier est normalement déjà fissuré à cause du retrait. Ces défauts font augmenter le comportement fragile de la maçonnerie après le pic.

Par rapport au comportement en traction de la maçonnerie, deux possibilités de chargement sont envisageables : perpendiculaire ou parallèle aux joints horizontaux. Le chargement en traction perpendiculaire aux joints horizontaux continus donne des résistances fortement liées

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à la qualité de l’adhérence entre l’élément et le mortier de joint. Cependant, quand l’adhérence est assurée, les paramètres mécaniques des composants entrent en jeu. Pour un chargement parallèle aux joints horizontaux il y a deux possibilités de fracture perpendiculaire aux joints horizontaux : soit en suivant les joints courts, soit une fissure verticale qui implique la fracture des joints et des blocs (Figure 28). Le type de fracture dépend de la résistance en traction et en cisaillement des éléments et des joints.

Figure 28 Courbe contrainte - déformation de la maçonnerie en traction parallèle aux joints [51]

Le fait que la fissure suive les joints verticaux indique que la résistance en traction du bloc est supérieure à l’adhérence mortier - bloc ou à la résistance en traction du mortier des joints courts. Le schéma effort-déformation de ce type de comportement (Figure 28 (A)) décrit en général un comportement d’écrouissage. Les fissures suivant le mortier en forme d’escalier sont les plus communes. Dans le cas où la fissure est verticale et divise les joints et les éléments, le comportement post-pic est progressivement fragile (Figure 28 B)).

Le comportement biaxial d’un mur de maçonnerie peut être testé sous plusieurs configurations d’efforts. Sous la configuration de compression en vertical et cisaillement en horizontal, la rupture survient par renversement du mur ou d’une partie, glissement dans les joints, fissuration diagonale des blocs, écrouissage par compression de la maçonnerie accompagnée de fissuration diagonale. Le type de rupture dépend de la valeur de l’effort vertical [52].

Oliveira [53] a testé 7 murs en maçonnerie de pierre sans mortier dans les joints, avec la configuration d’effort en compression vertical et effort de cisaillement horizontal. Selon ses observations, l’effort maximal de cisaillement et le mode de rupture dépendent linéairement de l’effort vertical (Figure 29). Avec des contraintes verticales faibles, la rupture s’est développée par rotation d’une partie du mur en suivant les joints secs sans schémas de fissuration. Par contre, pour les valeurs importantes des contraintes verticales (> 1 MPa), l’écrasement est fragile avec fissuration diagonale du mur et un important endommagement localisé au début de la fissure.

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Figure 29 Relation entre l'effort vertical et l'effort de cisaillement [53]

Une autre configuration possible est de charger en compression verticale et en traction horizontale, avec la possibilité de changer l’angle d’inclination du système [54]. La Figure 30 montre que pendant l’essai sans inclinaison, après avoir atteint la résistance en traction, la contrainte en compression peut continuer à augmenter en suivant un comportement linéaire. Si l’angle d’inclination avec le plan horizontal augmente, il y a une réduction de 40% de la résistance en compression pour une augmentation de 22°. Cela montre la forte influence de l’angle sur la résistance en compression bi axiale de la maçonnerie.

Figure 30 Comportement de la maçonnerie en traction horizontale et compression verticale [54]

D’autres configurations sont possibles pour le chargement des murs et plusieurs chercheurs ont déjà abordé le sujet. Cependant, la maçonnerie du phare de l’Ile Vierge garde les configurations expliquées dans les lignes précédentes. Les fissures sur le phare de l’Ile Vierge se trouvent dans la partie haute de la tour où les contraintes verticales dues au poids sont faibles mais non nulles.

3.2.3.2.

Modélisation

La maçonnerie est un matériau qui contient différents composants tels que les éléments (pierres ou briques), le mortier et plus rarement un renforcement métallique. Il s’agit donc d’au moins deux matériaux qui n’ont pas le même comportement mécanique. On peut modéliser chaque composant séparément, ou bien moyenner les efforts et les déformations des matériaux constitutifs en un seul matériau représentatif homogène.

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Figure 31 Types de modélisation de la maçonnerie. D’abord la micro-modélisation détaillée, puis la micro- modélisation simplifié et finalement la maso-modélisation [51]

La micro-modélisation prend en compte le comportement des blocs (éléments), du mortier des joints et l’interaction élément – mortier, afin de ne pas considérer le matériau comme homogène et mettre un point de discontinuité et de faiblesse dans l’interface. La loi de comportement théorique choisie pour modéliser une structure est fonction du phénomène analysé. La micro-modélisation est la meilleure option pour caractériser et étudier la maçonnerie à l’échelle micro de la maçonnerie[51], [55]. Le principal inconvénient de ce type de modélisation est la dépense excessive en temps de calcul [56] .

La micro-modélisation est subdivisée en « détaillée » et en « simplifiée ». Dans la première, les éléments et le mortier sont des éléments continus et l’interface est modélisée par des éléments joints [55]. Dans le deuxième type de micro modélisation, les blocs sont des éléments continus, les joints et l’interface deviennent un seul élément non continu [51]. Dans les deux cas, les caractéristiques élastiques et plastiques sont nécessaires pour la modélisation [50], [55]. La meso-modélisation représente la maçonnerie comme un seul matériau avec tous ses composants dans une même unité sans distinction entre les blocs et les joints [57]. Pour cette raison il est nécessaire de connaitre les caractéristiques de l’ensemble. Elle devient utile quand l’étude est centrée sur le comportement structurel général de l’édifice ou du mur. Ses avantages sont des temps de calcul réduits et des maillages moins élaborés [51]. De plus, l’évaluation des efforts, des déplacements à rupture et le comportement post-pic de la structure font partie des réponses du modèle [57].