Prediction of the elastic properties of cementitious materials has been the aim of many researchers. This study developed a new multiscale and multiphase model based on the Mori-Tanaka method for predicting effective elastic properties of hardened cement paste, such as modulus of elasticity. The model considered the microstructural variation in and nonspherical morphology of the hydration products in hardened cement paste. In order to improve prediction accuracy, the model included the effect of ettringite on the elastic properties in addition to the other major hydration products. Instead of considering cement clinker as an isotropic and homogeneous material, this study simulated the clinker as a four-phase composite. In addition, the model used a matrix-inclusion configuration that can include the clinker and ultra-high-density calcium silicate hydrate. Another improvement is that a weakened matrix-inclusion interface was introduced using the modified Eshelby tensor. The prediction results of the model were compared with the experimental data, and good agreement was obtained.

A new macro model for the finite element modeling of unreinforced masonry (URM) exhibiting in-plane nonlinear cyclic behavior is proposed. The ultimate objective is to predict the seismic response of multi-story URM buildings. The macro model enables the modeling of URM shear walls with a limited number of degrees of freedom (DOF) at low computation times. The macro model consists of a deformable elastic frame supported by diagonal struts with nonlinear behavior aiming to capture all dissipative phenomena occurring during seismic events. The nonlinear constitutive behavior of diagonal struts is inspired by models documented in the literature, ensuring a robust foundation for the proposed approach. This paper first provides a comprehensive review of the principal models currently available for URM analysis. It then articulates the rationale behind the development of this new numerical model, aiming to address the limitations encountered in existing methodologies and to offer a simple and fast tool for predicting the seismic behavior of URM buildings. Afterward, the new model is presented and tested with the simulations of two experimental campaigns performed on different URM walls. The comparison between experimental and numerical results shows that with a limited number of DOF and parameters, it is possible to obtain a prediction of the experimental results with satisfying accuracy.

Masonry structures, particularly those used in developing countries and in historic buildings, typically consist of unreinforced masonry (URM) walls connected by timber or reinforced concrete elements. This study proposes enhancements to the existing two-dimensional (2D) deformable frame model (DFM) to enhance its ability in simulating masonry walls with a specific focus on accurately predicting the transient dynamic response of three-dimensional (3D) masonry structures while maintaining a minimal number of degrees of freedom (DOF). For the modeling of URM walls, the DFM framework employs elastic beams and diagonal struts with nonlinear constitutive behavior. Structural elements, such as reinforced concrete or timber reinforcements, are represented using conventional beam finite elements. This paper first reviewed the current DFM configuration, which primarily addresses the in-plane (IP) behavior of URM structures. It then introduced modifications tailored for 3D structural analysis. The reliability of the enhanced model was validated through two approaches. First, a modal analysis compared the results from the updated DFM with those from a reference 3D model based on cubic finite elements. Second, a shaking table experiment conducted on a half-scale masonry house was simulated. The findings demonstrate that, despite its limited number of DOF, the updated DFM effectively captures the main natural vibration modes. Furthermore, it shows the model’s ability to predict the nonlinear transient dynamic response of 3D masonry structures with accuracy and limited computational time.

Modèle numérique pour la détermination de la vulnérabilité aux séismes des constructions en maçonnerie traditionnelles avec des bandes sismiques: Les constructions en maçonnerie sont particulièrement vulnérables à l’aléa sismique. Cependant, des techniques de constructions ont été mises en place dans de nombreuses régions afin de renforcer les constructions vis-à-vis de cet aléa. L’une de ces techniques consiste à mettre des bandes, qui peuvent être faites en différents matériaux, au sein de la maçonnerie. Les apports de ces bandes sont bien connus :- Elles permettent d’améliorer la liaison entre les murs et, ainsi, améliore le comportement boîte de la structure.- Elles diminuent la hauteur effective des murs. Ainsi, les déformations hors-plan, et donc les chances d’effondrement des murs, sont réduites.- Elles divisent le mur en portions de maçonnerie indépendantes les unes des autres. Ainsi, une fissure ne peut pas se propager à travers le mur car elle se retrouve bloquée par les bandes. Ceci a un double avantage : les parties saines sont séparées des parties fissurées et de l’énergie est dissipée par frottement lorsque la fissure rompt l’interface entre la bande et la maçonnerie.Dans de nombreux pays de l’Himalaya, ce procédé constructif est proposé dans les codes de constructions pour les constructions en maçonnerie. Néanmoins, d’un pays à l’autre, le nombre de bandes à utiliser n’est pas le même et/ou leur emplacement ne sont pas les mêmes. De plus, les designs proposés ne tiennent pas compte de l’aléas sismique si ce n’est qu’ils considèrent le procédé insuffisant pour les zones les plus à risque. Afin d’optimiser l’utilisation des bandes et d’avoir une meilleure prise en compte de l’aléas sismique dans le design des constructions en maçonnerie avec des bandes horizontales, un modèle numérique pour logiciels éléments finis est proposé dans cette thèse. Ce modèle est spécialement créé pour l’étude de ces constructions mais peut aussi être utilisé pour d’autres types de structures en maçonnerie. Il consiste en un méso-élément qui modélise la maçonnerie à l’échelle d’une portion entre deux bandes ou à l’échelle du mur si celui-ci n’a pas de bande ou d’ouverture. Cet élément reproduit le comportement sous chargement cyclique dans le plan et la déformation hors-plan de la maçonnerie. Les bandes horizontales sont, quant à elles, modélisées par des éléments d’interface et les éléments structurels additionnels sont simplement modélisés par des poutres avec un comportement élastique. Les propriétés de ces éléments sont définies à partir des propriétés des matériaux et ne nécessitent pas d’essai expérimental coûteux. De plus, le modèle permet de prédire avec une bonne précision le comportement sismique ces constructions.L’étude présentée dans ce manuscrit est une première étape pour l’étude du comportement sismique des constructions en maçonnerie avec bandes en proposant un modèle numérique pouvant prédire le comportement dynamique d’une structure sous le recourt à des essais sur table vibrante. Grâce à lui, une étude comparative de différentes typologies de construction avec prise en compte de l’aléas sismique est possible à moindre coût et avec des temps de calculs relativement courts.