Sciences et génie des matériaux

ISMME - Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique

GOURGUES Anne-Françoise

PORRINO Matteo

Centre des Matériaux

18/10/2024

Constructions métalliques, alliages ferreux, essais de résistance, patrimoine

Metallic buldings, ferrous alloys, strength evaluation tests, patrimony

Le projet, à la frontière entre architecture et sciences des matériaux, aborde la caractérisation de la tenue mécanique des structures métalliques de valeur historique. La résistance à la déformation, la rigidité flexionnelle, est généralement mesurable grâce aux évaluations de dureté mais la résistance à la rupture nécessite des essais de traction, invasifs, non systématiquement envisageables sur les structures anciennes.
Le projet vise à proposer une méthodologie de caractérisation par traction, appuyée notamment sur un choix de géométrie d'éprouvette miniaturisée, respectueux des longueurs caractéristiques du matériau comme de la validité des essais. Une étude des effets d'échelle et une modélisation probabiliste permettront de relier les résultats aux propriétés relevant dans le cadre des études pour la préservation / réutilisation de ces structures

This project has been designed at the frontier between architecture and materials science. It addresses the mechanical characterization of ancient metallic structures of historical value. The strain resistance, the bending stiffness are generally assessed thanks to hardness measurements. On the other hand, evaluation of the the fracture resistance requires invasive tensile tests that cannot be systematically applied to ancient structures.
The project aims at building a tensile characterization methodology, based on a selection of subsized specimen geometry, that takes both the characteristic length scales of the material and the mechanical validity of tests into account. Scale effects and probabilistic modelling will allow linking the results to relevant properties used in restoration/reuse assessments of these structures.
Context and challenges: A number of ferrous architectural structures that have been built since decades (or even centuries) are still currently in service. They constitute the most relevant research field to set up methodologies to be used for restoration/rehabilitation/refurbishment of metallic structures, whether or not being registered/listed and safeguarded as historical monuments.
New uses and contemporary requirements regarding safety and user comfort challenge any refurbishment project of these buildings. On the one hand, these structures were designed on the basis of less stringent safety requirements than today's, and are therefore sometimes found to be undersized. On the other hand, new architectural programs may involve loading conditions that were not anticipated at the time these structures were initially designed, for instance, increased traffic on bridges built in the 19th century and still in service.
Revisiting the resistance of these structures, using cutting-edge tools and approaches, would enable us to preserve these buildings and support any adaptation/transformation in the best possible conditions. This is the overall aim of this project, which straddles the boundary between architecture and materials science.
Scientific objectives: Tensile tests are used to characterize the mechanical properties of metals, including their ductility and their resistance to deformation and to fracture. For older metal structures (18th-20th centuries), this type of diagnosis enables residual strength to be estimated under very precise conditions. When it comes to characterizing older materials such as cast iron, puddled iron or certain rolled steels, these tests require substantial sampling of the structures, which is often difficult to accept in the interests of preserving their integrity.
High amounts of non destructive, easier-to-obtain in situ hardness measurements provide statistically representative values of the resistance to deformation, with little deleterious effect on structural integrity. Yet, converting hardness results into strength estimates is nowadays unsatisfactory. In particular, fracture properties cannot be evaluated from hardness properties, which limits the practical usefulness of these measurements.
This research project focuses beyond the correspondence between hardness and tensile strength values for ancient metals that contain a significant fraction of embrittling impurities.
More broadly, the project aims to define a methodology for investigating ancient structures that is minimally invasive (thus avoiding compromising the integrity of the existing structure) and as relevant as possible, for assessing the mechanical properties of parts and constructive elements, an essential prerequisite for the restoration and reuse of these structures.

De nombreuses architectures en fer datant d'il y a plusieurs décennies - voire des siècles -, encore en service de nos jours, constituent le terrain d'investigation le plus adapté pour la mise au point de méthodologies utiles dans le cadre de la restauration/réhabilitation des structures métalliques, qu'elles soient ou non inscrites ou classées et sauvegardées en tant que monuments historiques.
Les nouveaux usages et les exigences contemporaines en termes de sécurité et de confort des usagers mettent à l'épreuve tout projet de réaménagement de ces édifices. D'une part ces structures furent conçues sur la base d'exigences de sécurité moindres comparées à celles d'aujourd'hui et elles se révèlent par conséquent parfois sous-dimensionnées, d'autre part les nouveaux programmes peuvent soumettre ces structures à des sollicitations non prévues au moment de leur dimensionnement initial (par exemple, l'augmentation du trafic sur des ponts construits au 19e siècle et toujours en service).
Revisiter la résistance de ces structures, avec des outils et approches modernes, permettrait de préserver ces édifices et d'en accompagner toute adaptation/transformation dans les meilleures conditions possibles. C'est l'objectif général de ce projet, situé à la frontière entre architecture et sciences des matériaux.

Directeur de thèse Anne-Françoise Gourgues Centre des Matériaux Mines Paris PSL
Co-directeur Matteo Porrino (GSA) ENSAPM
Le sujet se déroulera en partie au Centre des Matériaux et en partie à l'ENSAPM (Paris-Malaquais)

Profil type pour une thèse à MINES ParisTech: Ingénieur et/ou Master recherche - Bon niveau de culture générale et scientifique. Bon niveau de pratique du français et de l'anglais (niveau B2 ou équivalent minimum). Bonnes capacités d'analyse, de synthèse, d'innovation et de communication. Qualités d'adaptabilité et de créativité. Capacités pédagogiques. Motivation pour l'activité de recherche. Projet professionnel cohérent.

Pré-requis (compétences spécifiques pour cette thèse) :
Des compétences solides en mécanique des matériaux de structure (y compris expérimentale) et/ou en métallurgie, ainsi qu'un goût prononcé pour l'expérimentation et pour les matériaux du patriomoine sont indispensables. Une ouverture vers l'architecture est souhaitée.

Les dossiers sont à envoyer le plus tôt possible et dans tous les cas avant le 20 juin 2024.

Pour postuler : Envoyer votre dossier à recrutement_these@mat.mines-paristech.fr comportant
• un curriculum vitae détaillé
• une copie de la carte d'identité ou passeport
• une lettre de motivation/projet personnel
• des relevés de notes L3, M1, M2
• 2 lettres de recommandation
• les noms et les coordonnées d'au moins deux personnes pouvant être contactées pour recommandation
• une attestation de niveau d'anglais

Typical profile for a thesis at MINES ParisTech: Engineer and / or Master of Science - Good level of general and scientific culture. Good level of knowledge of French (B2 level in french is required) and English. (B2 level in english is required) Good analytical, synthesis, innovation and communication skills. Qualities of adaptability and creativity. Teaching skills. Motivation for research activity. Coherent professional project.

Prerequisite (specific skills for this thesis):

Sound skills in mechanics of materials, including experimental work, and/or in metallurgy are necessary. A strong affinity for experimental work is also required. Previous experience in finite element analysis would be appreciated.

Applicants should supply the following :
• a detailed resume
• a copy of the identity card or passport
• a covering letter explaining the applicant's motivation for the position
• detailed exam results
• two references : the name and contact details of at least two people who could be contacted
• to provide an appreciation of the candidate
• Your notes of M1, M2
• level of English equivalent TOEIC
to be sent to recrutement_these@mat.mines-paristech.fr

La recherche a pour objectif principal la définition et la justification d'une méthodologie d'investigation « mini-invasive » des structures anciennes, appuyée sur une prise en compte rigoureuse des effets d'échelle sur les propriétés de traction.

Un des verrous à lever sera celui de la conception des éprouvettes, notamment au vu des longueurs caractéristiques des microstructures à tester, afin de rendre les essais sur mini-éprouvettes les plus représentatifs possible.

Il conviendra de sécuriser, dès le début de la thèse voire avant, l'approvisionnement en matière ancienne. On pourra s'appuyer pour cela sur des collègues et partenaires avec qui M. Porrino travaille déjà, notamment spécialistes de la caractérisation par duromètre portatif (entreprise A-Corros, Arles).

Le laboratoire GSA et notamment M. Porrino est spécialiste des structures métalliques anciennes. Il dispose d'une forte expérience sur leur histoire, les matériaux employés, les propriétés prises en compte lors de leur conception. Il apportera son réseau scientifique, tant pour l'étude des structures que pour l'approvisionnement en matériaux anciens. Le sujet apportera au laboratoire GSA une ouverture vers les essais mécaniques dédiés à ce type de matériaux, précieux et peu disponibles pour les caractérisations destructives. L'étudiant(e) sera également confronté(e) aux questionnements sur la préservation et la réutilisation de ces structures, travaillant à l'intersection des deux champs histoire de la construction et métallurgie mécanique.

Le Centre des Matériaux apportera son expertise en caractérisation des propriétés de déformation et de rupture, fragile ou non, y compris sur les effets d'échelle, dans une démarche mixte d'expérimentation et de modélisation. La caractérisation tiendra compte des microstructures spécifiques de ces matériaux, provenant des procédés de fabrication anciens que connaît bien le laboratoire GSA. L'étudiant(e) sera confronté(e) aux méthodes de pointe de caractérisation des liens entre les microstructures de ces matériaux et leurs propriétés à rupture (cœur de métier du Centre des Matériaux), des méthodes valables en effet pour tout type de matériau, ce qui élargira sa culture scientifique et pourra enrichir son approche en vue de recherches ultérieures.

A l'issue de ce projet, l'étudiant(e) disposera d'une solide formation tant en typologies constructives et destinations des structures métalliques anciennes en architecture, qu'en métallurgie mécanique et en particulier en conception de méthodologies de caractérisation. Ces compétences sont très recherchées par les mondes académique et industriel et offriront une bonne employabilité à l'étudiant(e) après son parcours doctoral.

Les essais de traction permettent de caractériser les propriétés mécaniques des métaux, leur ductilité, leur résistance à la déformation et celle à la rupture. Vis-à-vis des structures métalliques anciennes (18e-20e siècles), ce type de diagnostic permet d'estimer la résistance résiduelle dans des conditions très précises. Quand il s'agit de caractériser des matériaux anciens comme la fonte, le fer puddlé ou certains aciers laminés, ces essais nécessitent des prélèvements substantiels sur les structures, souvent difficiles à accepter par souci de préservation de leur intégrité.
La multiplication des mesures in situ de dureté, non destructives et plus faciles à obtenir, fournit des échantillons statistiquement représentatifs des propriétés de résistance à la déformation, sans porter atteinte à l'intégrité de la structure. Cependant, la conversion des résultats d'essais de dureté en valeurs relatives à la résistance reste aujourd'hui insatisfaisante, notamment vis-à-vis des propriétés à la rupture (non évaluables en dureté), ce qui limite leur utilité dans la pratique.
Le projet de recherche étudiera les correspondances entre valeurs de dureté et valeurs de résistance à la traction pour des métaux anciens, comportant des proportions significatives d'impuretés fragilisantes.
Plus largement, ce projet vise à définir une méthodologie d'investigation des structures anciennes peu invasive (évitant donc de compromettre l'intégrité de l'existant) et la plus pertinente possible, pour l'évaluation des propriétés mécaniques des pièces et éléments constructifs, préalable indispensable à la restauration et à la réutilisation de ces structures.

M. Porrino, “The Garabit viaduct as the apogee of classical French railway overpass design, 1880-1884”, Proceedings of the 8th International Congress on Construction History (8ICCH), Zurich, juin 2024, ISBN 978-3-7281-4166-8.

M. Porrino, « Innovation technique et architecture - La coupole en fonte et fer forgé de la Halle au blé de Paris, 1809-1813 », dans M. Porrino (dir.), Les matériaux métalliques - Histoire d'une technique et sauvegarde du patrimoine du XIXe siècle, Actes de la 2e journée d'étude d'histoire de la construction GSA / ENSA Paris-Malaquais, 23 novembre 2017, Infolio, Gollion (Suisse) 2021, p. 17-111.

M. Porrino, “Designing a ground-breaking structure: Notes on the cast-iron/wrought-iron dome of the former Halle au Blé, 1809-1813”, dans J. Mascarenhas-Mateus, A. Paula Pires (dir.), History of Construction Cultures, Proceedings of the 7th International Congress on Construction History (7ICCH), Lisbon, 12-16 July 2021, CRC Press/Balkema, Leiden (The Netherlands) 2021, vol. 1, p. 677-684.

A.F. Gourgues-Lorenzon, « Fer, fonte, acier : Gustave Eiffel à la croisée des chemins », dans M. Porrino, B. Chanetz (dir.), Eiffel 100, Actes du colloque tenu les 7 et 8 décembre 2023 à l'ENSA Paris-Malaquais à l'occasion de l'Année Eiffel, Presses des Mines Paris-PSL (décembre 2024).

F. Tioguem, F. N'Guyen, M. Mazière, F. Tankoua, A. Galtier, A.-F. Gourgues-Lorenzon, “Advanced quantification of the intercarbide spacing and correlation with dimple size in a high-strength medium carbon martensitic steel”, Materials Characterization 167 (2020) 110531. doi: 10.1016/j.matchar.2020.110531

F. Tankoua, J. Crépin, P. Thibaux, S. Cooreman, A.-F. Gourgues-Lorenzon, “Contribution of the microtexture evolution induced by plastic deformation on the resistance of a hot-rolled pipeline steel to flat cleavage fracture and to brittle delamination cracking”, International Journal of Fracture 233 (2022) p. 211-237. doi: 10.1007/s10704-022-00621-7

Concours pour un contrat doctoral

Contrat doctoral PSL – concours pour les contrats doctoraux inter-établissements du PG ISAI

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