Modélisation probabiliste de la dégradation, calcul de fiabilité et optimisation de la maintenance en contexte incertain (Équipe TRUST)

Modélisation probabiliste de la dégradation, calcul de fiabilité et optimisation de la maintenance en contexte incertain (Equipe TRUST)


 

La prise en compte dans le calcul de structure des incertitudes inhérentes au modèle, pouvant porter sur les propriétés matériau, les sollicitations mécaniques ou climatiques, ou la géométrie, est aujourd’hui incontournable si on cherche à obtenir des prédictions numériques “fiables”, exploitables dans un processus de conception ou une prise de décision.

 

Les principales contributions portent sur les aspects fondamentaux pour le calcul de fiabilité et l’optimisation de la maintenance des structures en contexte incertain :

  • une modélisation probabiliste pertinente des aléas, obtenue par des considérations « physiques » ou des approches numériques. Une spécificité concerne l’intégration des aléas liés au changement climatique pour la modélisation probabiliste de la dégradation,
  • le développement de méthodes de calcul robustes basées sur la réduction de modèle pour leur prise en compte dans le calcul des structures, plus particulièrement pour l’analyse du comportement dynamique des structures avec un grand nombre de paramètres incertains,
  • l’analyse des problèmes de stabilité par les méthodes du calcul à la rupture pour le dimensionnement des ouvrages géotechniques maritimes dans un cadre probabiliste,
  • l’inspection et la maintenance pour l’aide à la décision.

Une des particularités de l’axe concerne ses applications aux structures marines.

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Exemple d’application marine : fondation Jacket
de type AG4 pour éolienne (© STX France Solutions)

Résultats scientifiques marquants

 

Adaptation de structures côtières en béton armé sous scénarios de changement climatique

La pénétration des ions chlorure est l’une des principales causes de la corrosion des armatures dans les structures en béton armé placées dans des environnements côtiers ou marins. Des dégradations importantes ont été observées dans ce type d’ouvrages après 20 ou 30 années d’exposition. Par conséquent, des campagnes d’inspection et réparation sont nécessaires pour assurer des niveaux minimaux de fiabilité et capacité de service.

La pénétration des chlorures et la propagation de la corrosion sont des phénomènes très sensibles à des changements du climat environnant (température, humidité relative, … ). Ainsi, le changement climatique pourrait également modifier la cinétique de ces processus. Tenant compte que les coûts mondiaux en lien avec les conséquences de la corrosion sont très importants ($1.8 trillion/an en 2009), une accélération de ces mécanismes de dégradation produite par le changement climatique pourrait générer des coûts additionnels de maintenance et de dégradation très importants.

Dans ce contexte, on a proposé une méthodologie pour l’estimation du coût et l’efficacité de stratégies d’adaptation climatique. Cette méthodologie combine : des modèles de dégradation, des approches stochastiques, des méthodes d’analyse coût-bénéfice, des prédictions climatiques issues des modèles climatiques et des caractéristiques propres à chaque ouvrage.

La figure ci-dessous montre le rapport coût-bénéfice moyen d’une stratégie d’adaptation pour des structures placées à deux endroits différents (Saint-Nazaire et Marseille) et soumises à deux scenarios du changement climatique (RCP 4.5 et 8.5). La stratégie d’adaptation consistait à augmenter de 5 mm l’enrobage de l’armature par rapport à la valeur recommandée par l’Eurocode pour des réparations ayant lieu après 2020. Pour les deux places étudiées, nous constatons que le rapport coût-bénéfice est supérieur à 1 indiquant que l’investissement dans la stratégie d’adaptation est rentable. Cet investissement semble d’avantage plus intéressant pour Saint-Nazaire car ce site est caractérisé par une humidité relative plus importante qui peut accélérer les mécanismes de dégradation. On observe aussi que la stratégie proposée peut être bien adaptée pour un scenario de changement climatique moyen (RCP 4.5) ou un plus sévère (RCP 8.5).

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Figure Rapport coût-bénéfice de l’adaptation d’ouvrages placés à Saint-Nazaire et Marseille sous deux scénarios de changement climatique. 

La méthodologie proposée est en train de s’appliquer à des nouvelles études sur la chloration du béton (projet RI-ADAPTCLIM), la carbonatation du béton (projet H2020-ClimatCon), la corrosion des structures métalliques (projets RI-ADAPTCLIM et COSELMAR), la dégradation du bois (projet ANR JCJC Climbois), la modélisation des variables climatiques (Collaboration avec l’Université de los Andes, Colombie) et les risques de submersion (projet COSELMAR).

Méthode numérique pour le calcul de réponse aléatoire vibroacoustique : de l'élaboration à l'implémentation de la méthode dans l'industrie
Dans le cadre du Projet IRT SiNuS, «  Simulation Numérique des Structures », piloté par DCNS Research et l’IRT Jules Verne (2013-2015).

La caractérisation de la signature acoustique et vibratoire d’une structure aléatoire est considérée avec intérêt dans l’ingénierie navale. En effet ces caractéristiques sont très sensibles aux variations des propriétés matérielles, de chargement ou de géométrie et il est important dans un processus de conception robuste de bien évaluer la réponse aléatoire du problème vibro-acoustique sur une large bande de fréquence. Malheureusement la prise en compte des incertitudes pour des problèmes vibro-acoustiques peut se révéler très coûteuse. Aussi les applications industrielles encouragent le développement d’outils numériques qui puissent d’une part donner une bonne estimation de la réponse aléatoire à moindre coût, c’est-à-dire au prix de quelques calculs déterministes, et d’autre part se brancher sur les codes industriels existants à la façon d’un plugiciel. Nous avons proposé une méthode de calcul innovante alliant avantageusement les techniques de réduction de modèle et les méthodes d’échantillonnage. Le projet a été l’opportunité d’implémenter la méthode dans Code Aster par les partenaires DCNS Research et l’IRT.

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Figure : Enveloppe d’une fonction de réponse en fréquence aléatoire d’une poutre sandwich immergée.

 

Projets en cours

 

  • FP7 OceaNET, « Array design, implementation and O&M for xave and foating offshore wind energy applications ».
    Inovative Training Network (ITN) funded from PEOPLE program (Marie Sklodowska-Curie Actions), avec WavEC, Instituto Superior Técnico, ECN (LHEEA, FR), Uppsala Universitet, Fraunhofer-Institutive IWES (D), TECNALIA (2013-2017).
  • H2020 ClimatCon, « Climate-resilient pathways for the development of concrete infrastructure: adaptation, mitigation and sustainability ».
    Marie Skłodowska-Curie Actions, Individual Fellowships avec Heriot-Watt University (UK), University of Dunee (UK), (2015-2016).
  • H2020 TRUSS, « Training In Reducing Uncertainty In Structural Safety »,
    Innovative Training Network (ITN) funded from PEOPLE Program (Marie Skłodowska-Curie Actions) avec (TCD, UCD, UNOTT and UPC) et 5 industriels (Arup, ENSA, FSDL, Lloyd’s Register EMEA et Phimeca), (2015-2018).
  • H2020 VoSHM – TU1402, « Quantifying the value of structural health monitoring, ».
    Funded by COST actions program (2014-2018).
  • ANR jeunes chercheurs CLIMBOIS, « Impact des variations climatiques et mécaniques sur la durabilité des constructions bois », (2013-17).
  • ANR ICARE, « Interfaces generalisées et CouplAge non intrusif : couplage entre codes de Recherche et codes généralistes en calcul de structures », (2013-2016)
  • ANR CHORUS, « Common Horizon of Open Research on Uncertainty in Simulations », (2013-2017)
  • Paris scientifique SI3M, « Stratégies d’Identification de Méta-Modèle pour la Maintenance de structures ».
    Soutenu par la région, Labellisé par le pôle de compétitivité EMC2 (2012-2016)
  • Projet régional COSELMAR, « Compréhension des socio-écosystèmes littoraux et marins pour la prévention et la gestion des risques », (2012-2016).
  • Projet régional RI-ADAPTCLIM, « Réseau international sur l’évaluation des risques et l’adaptation climatique d’ouvrages en génie civil et bâtiments », (2014-17).

Personnels impliqués

Permanents:

– BASTIDAS ARTEAGA Emilio – Maître de Conférences
– CHEVREUIL Mathilde – Maître de Conférences
– EL SOUEIDY Cahrbel-Pierre – Maître de Conférences
– SCHOEFS Franck – Professeur des Universités
– SOUBRA Abdul-Hamid – Professeur des Universités

Doctorants

– BOURREAU Lucas
– BHUYAN Delwar Hossein
– DECATOIRE Rodrigue
– HEITNER Barbara
– HAWCHAR Lara
– ISSA Amjad
– MARQUEZ PENARANDA Jorje Fernado
– MIKAEL Mikael
– MULLER Nathalie
– ROCHER Benjamin
– THAJEEL Jawad
– TORRES LUQUE Magda-Marcela

Post-doctorants

– EL HAJJ Boutros
– NGUYEN Phu Tho
– TRAN Thanh Binh

 

 

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