Fiabilité résiduelle des ouvrages en béton dégradés par réaction alcali-granulat : application au barrage hydroélectrique de Song Loulou

This work proposes a multi-scale methodology based on the use of surrogate models function of random variables, to evaluate the residual reliability of concrete structures suffering from alkali-aggregate reaction (AAR), for a better maintenance purpose. Surrogate models, based on polynomial chaos expansion of the parameters of a shape function (sigmoid in the studied cases), have been constituted at several scales, in particular in order to reduce computation time of the underlying physical models. At the microscopic scale, the AAR model employed is that developed by Multon, Sellier and Cyr in 2009, initially comprising about twenty potential random variables. At the end of a Morris sensitivity analysis, the surrogate model enables to reproduce the expansion curve over time of the representative elementary volume as a function of nine random variables. The use of the built-in surrogate model in predicting the mechanical effects of AAR expansion on a concrete core required to take into account the anisotropy of these effects by improving the weight functions proposed by Saouma and Perotti in 2006. The core's scale being validated by the comparison of the predictions with the experimental data of Multon's thesis work, an application at the scale of the Song Loulou dam was undertaken. The computation of the thermo-chemo-mechanical behavior of a spillway stack, whose results in displacement could be compared with the auscultation data provided by the company AES-SONEL (now ENEO), was realized. Surrogate models were then constructed at the scale of the structure to obtain displacements at the points of interest, related to the operating limit states of the spillways, and thus to estimate the residual reliability of the dam. The sensitivity analysis computations as well as the construction of the surrogate models were implemented in Fortran, Java and OpenTURNS. Computations on concrete cores and Song Loulou dam spillway were performed under Cast3M.Ce travail de thèse propose une méthodologie multi-échelle basée sur l'utilisation de modèles de substitution fonction de variables aléatoires, pour évaluer la fiabilité résiduelle d'ouvrages en béton atteints de réaction alcali-granulat (RAG), dans l'optique d'une meilleure maintenance. Les modèles de substitution, basés sur des développements en chaos de polynômes des paramètres d'une fonction de forme (sigmoïde dans les cas traités), ont été constitués à plusieurs échelles, afin notamment de réduire les temps de calculs des modèles physiques sous-jacents. A l'échelle microscopique, le modèle de RAG employé est celui développé par Multon, Sellier et Cyr en 2009, comprenant initialement une vingtaine de variables aléatoires potentielles. A l'issue d'une analyse de sensibilité de Morris, le modèle de substitution permet de reproduire la courbe de gonflement dans le temps du volume élémentaire représentatif en fonction de neuf variables aléatoires. L'utilisation du modèle de substitution construit, pour la prédiction des effets mécaniques du gonflement dû à la RAG sur une éprouvette, a nécessité de prendre en compte l'anisotropie de ces effets en améliorant les fonctions poids proposées par Saouma et Perotti en 2006. L'échelle de l'éprouvette étant validée par la confrontation des prédictions aux données expérimentales des travaux de thèse de Multon, une application à l'échelle du barrage de Song Loulou a été entreprise. Le calcul du comportement thermo-chemo-mécanique d'une pile d'évacuateur de crues, dont les résultats en déplacements ont pu être confrontés aux données d'auscultation fournies par l'entreprise AES-SONEL (devenue ENEO), a été réalisé. Des modèles de substitution ont été construits ensuite à l'échelle de la structure afin d'obtenir les déplacements aux points d'intérêt, liés aux états limites de fonctionnement des évacuateurs, et procéder ainsi à l'estimation de la fiabilité résiduelle du barrage. Les calculs d'analyse de sensibilité et la construction des modèles de substitution ont été implémentés en Fortran, Java et OpenTURNS Les calculs sur éprouvette et pile de barrage ont été effectués sous Cast3M

Residual reliability of alkali-aggregate reaction affected concrete structures : application to the song Loulou hydroelectric dam

Ce travail de thèse propose une méthodologie multi-échelle basée sur l'utilisation de modèles de substitution fonction de variables aléatoires, pour évaluer la fiabilité résiduelle d'ouvrages en béton atteints de réaction alcali-granulat (RAG), dans l'optique d'une meilleure maintenance. Les modèles de substitution, basés sur des développements en chaos de polynômes des paramètres d'une fonction de forme (sigmoïde dans les cas traités), ont été constitués à plusieurs échelles, afin notamment de réduire les temps de calculs des modèles physiques sous-jacents. A l'échelle microscopique, le modèle de RAG employé est celui développé par Multon, Sellier et Cyr en 2009, comprenant initialement une vingtaine de variables aléatoires potentielles. A l'issue d'une analyse de sensibilité de Morris, le modèle de substitution permet de reproduire la courbe de gonflement dans le temps du volume élémentaire représentatif en fonction de neuf variables aléatoires. L'utilisation du modèle de substitution construit, pour la prédiction des effets mécaniques du gonflement dû à la RAG sur une éprouvette, a nécessité de prendre en compte l'anisotropie de ces effets en améliorant les fonctions poids proposées par Saouma et Perotti en 2006. L'échelle de l'éprouvette étant validée par la confrontation des prédictions aux données expérimentales des travaux de thèse de Multon, une application à l'échelle du barrage de Song Loulou a été entreprise. Le calcul du comportement thermo-chemo-mécanique d'une pile d'évacuateur de crues, dont les résultats en déplacements ont pu être confrontés aux données d'auscultation fournies par l'entreprise AES-SONEL (devenue ENEO), a été réalisé. Des modèles de substitution ont été construits ensuite à l'échelle de la structure afin d'obtenir les déplacements aux points d'intérêt, liés aux états limites de fonctionnement des évacuateurs, et procéder ainsi à l'estimation de la fiabilité résiduelle du barrage. Les calculs d'analyse de sensibilité et la construction des modèles de substitution ont été implémentés en Fortran, Java et OpenTURNS Les calculs sur éprouvette et pile de barrage ont été effectués sous Cast3M.This work proposes a multi-scale methodology based on the use of surrogate models function of random variables, to evaluate the residual reliability of concrete structures suffering from alkali-aggregate reaction (AAR), for a better maintenance purpose. Surrogate models, based on polynomial chaos expansion of the parameters of a shape function (sigmoid in the studied cases), have been constituted at several scales, in particular in order to reduce computation time of the underlying physical models. At the microscopic scale, the AAR model employed is that developed by Multon, Sellier and Cyr in 2009, initially comprising about twenty potential random variables. At the end of a Morris sensitivity analysis, the surrogate model enables to reproduce the expansion curve over time of the representative elementary volume as a function of nine random variables. The use of the built-in surrogate model in predicting the mechanical effects of AAR expansion on a concrete core required to take into account the anisotropy of these effects by improving the weight functions proposed by Saouma and Perotti in 2006. The core's scale being validated by the comparison of the predictions with the experimental data of Multon's thesis work, an application at the scale of the Song Loulou dam was undertaken. The computation of the thermo-chemo-mechanical behavior of a spillway stack, whose results in displacement could be compared with the auscultation data provided by the company AES-SONEL (now ENEO), was realized. Surrogate models were then constructed at the scale of the structure to obtain displacements at the points of interest, related to the operating limit states of the spillways, and thus to estimate the residual reliability of the dam. The sensitivity analysis computations as well as the construction of the surrogate models were implemented in Fortran, Java and OpenTURNS. Computations on concrete cores and Song Loulou dam spillway were performed under Cast3M

Prédiction des dommages structurels d'un barrage affecté par l'alcali-réaction

International audienceAlkali-aggregate reaction (AAR) is a deleterious reaction that affects a large number of concrete structures, among which concrete dams, worldwide. It has been observed on dams built on each of the five continents. In France, they are about thirty affected dams, and in Cameroon AAR have been noticed on the Song Loulou hydropower dam. AAR produces concrete expansion and generally leads to a loss of both strength and stiffness due to the cracking. That creates undesirable deformations, disturbances in the equilibrium of internal forces, and affects the operability and safety of dams. In this work, we develop the real case of predicting the Song Loulou spillway's gate damage by both modeling a spillway's pier and implementing a methodology in Cast3M. The loss of functionality considered here is jamming of the spillway's gate due to the deformations induced by AAR, which is one of the most dangerous disorder impacting negatively the dam on all the other assets. First of all, we present a brief review of chemo-physical processes that control the structural behaviour of concrete dams suffering from AAR. In a second step, we make a summary of the simplified methodology for recalculating an AAR affected structure proposed by the IFSTTAR in the technical guide for internal swelling reaction affecting structures management support. It is mainly based on damage law proposed by Larive, works by Ulm and his collaborators, and model suggested by Li and Coussy. Thirdly, we indicate the collected and processed data (geometry, material properties, loads, temperature and relative humidity) for our case study. Computations performed with Cast3M predict the date of occurrence of the spillway's gate's blocking due to AAR. Although this work might be used as a maintenance management tool of the Song Loulou AAR affected hydropower dam, it would be more efficient to consider the effect of uncertainties affecting the input data and the model parameters. Probabilistic approaches, reliability analysis in particular, will be used to address this problem in a further work

Prédiction des dommages structurels d'un barrage affecté par l'alcali-réaction

International audienceAlkali-aggregate reaction (AAR) is a deleterious reaction that affects a large number of concrete structures, among which concrete dams, worldwide. It has been observed on dams built on each of the five continents. In France, they are about thirty affected dams, and in Cameroon AAR have been noticed on the Song Loulou hydropower dam. AAR produces concrete expansion and generally leads to a loss of both strength and stiffness due to the cracking. That creates undesirable deformations, disturbances in the equilibrium of internal forces, and affects the operability and safety of dams. In this work, we develop the real case of predicting the Song Loulou spillway's gate damage by both modeling a spillway's pier and implementing a methodology in Cast3M. The loss of functionality considered here is jamming of the spillway's gate due to the deformations induced by AAR, which is one of the most dangerous disorder impacting negatively the dam on all the other assets. First of all, we present a brief review of chemo-physical processes that control the structural behaviour of concrete dams suffering from AAR. In a second step, we make a summary of the simplified methodology for recalculating an AAR affected structure proposed by the IFSTTAR in the technical guide for internal swelling reaction affecting structures management support. It is mainly based on damage law proposed by Larive, works by Ulm and his collaborators, and model suggested by Li and Coussy. Thirdly, we indicate the collected and processed data (geometry, material properties, loads, temperature and relative humidity) for our case study. Computations performed with Cast3M predict the date of occurrence of the spillway's gate's blocking due to AAR. Although this work might be used as a maintenance management tool of the Song Loulou AAR affected hydropower dam, it would be more efficient to consider the effect of uncertainties affecting the input data and the model parameters. Probabilistic approaches, reliability analysis in particular, will be used to address this problem in a further work

Étude de sensibilité d'un modèle d'alcali-réaction

International audienceThe alkali aggregate reaction (AAR) is a significant deleterious degradation for many concrete structures, particularly those in which the saturation rate of the concrete remains constantly high, such as dams. The approximations associated with the modeling assumptions of AAR on the scale of a representative elementary volume (REV), and the many uncertainties that affect the parameters of the models, make the prediction of AAR phenomenon random, and thus require to operate in probabilistic context. To limit the stochastic dimension for a probabilistic analysis, a sensitivity analysis by the Morris method was conducted on the AAR model developed by LMDC in accelerated conditions. The outputs of model involved were the maximum and intermediate levels of swelling, as well as the time corresponding to each of these levels of swelling. This study helps to remove about half of the model parameters having little influence on the variability of outputs and can therefore be considered as deterministic subsequently. MOTS-CLÉS : alcali-réaction, analyse de sensibilité, méthode de Morris.L'alcali-réaction est une dégradation délétère significative pour de nombreux ouvrages en béton, notamment ceux dans lesquels le taux de saturation du béton reste élevé en permanence, comme les barrages. Les approximations associées aux hypothèses de modélisation de la RAG à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), et les nombreuses incertitudes affectant les paramètres des modèles, rendent aléatoire la prévision du phénomène de RAG et imposent d'opérer en contexte probabiliste. Pour limiter la dimension stochastique lors de l'analyse probabiliste, une étude de sensibilité par la méthode de Morris a été entreprise sur le modèle de RAG développé au LMDC en conditions accélérées. Les sorties du modèle visées ont été le gonflement maximal et ses niveaux intermédiaires, ainsi que les temps correspondant à ces gonflements respectifs. Cette étude permet d'écarter environ la moitié des paramètres du modèle comme étant peu influents sur la variabilité des sorties et qui pourront donc être considérés comme déterministes par la suite

Étude de sensibilité d'un modèle d'alcali-réaction

International audienceThe alkali aggregate reaction (AAR) is a significant deleterious degradation for many concrete structures, particularly those in which the saturation rate of the concrete remains constantly high, such as dams. The approximations associated with the modeling assumptions of AAR on the scale of a representative elementary volume (REV), and the many uncertainties that affect the parameters of the models, make the prediction of AAR phenomenon random, and thus require to operate in probabilistic context. To limit the stochastic dimension for a probabilistic analysis, a sensitivity analysis by the Morris method was conducted on the AAR model developed by LMDC in accelerated conditions. The outputs of model involved were the maximum and intermediate levels of swelling, as well as the time corresponding to each of these levels of swelling. This study helps to remove about half of the model parameters having little influence on the variability of outputs and can therefore be considered as deterministic subsequently. MOTS-CLÉS : alcali-réaction, analyse de sensibilité, méthode de Morris.L'alcali-réaction est une dégradation délétère significative pour de nombreux ouvrages en béton, notamment ceux dans lesquels le taux de saturation du béton reste élevé en permanence, comme les barrages. Les approximations associées aux hypothèses de modélisation de la RAG à l'échelle d'un volume élémentaire représentatif (VER), et les nombreuses incertitudes affectant les paramètres des modèles, rendent aléatoire la prévision du phénomène de RAG et imposent d'opérer en contexte probabiliste. Pour limiter la dimension stochastique lors de l'analyse probabiliste, une étude de sensibilité par la méthode de Morris a été entreprise sur le modèle de RAG développé au LMDC en conditions accélérées. Les sorties du modèle visées ont été le gonflement maximal et ses niveaux intermédiaires, ainsi que les temps correspondant à ces gonflements respectifs. Cette étude permet d'écarter environ la moitié des paramètres du modèle comme étant peu influents sur la variabilité des sorties et qui pourront donc être considérés comme déterministes par la suite

Sensitivity of an alkali-silica reaction kinetics model to diffusion and reactive mechanisms parameters

International audienc

D'un modèle à l'échelle microscopique à la détermination à l'échelle de la structure de la fiabilité d'un barrage atteint de réaction alcali-granulats

International audienceThe Song Loulou hydropower dam in Cameroon is affected by alkali-aggregate reaction (AAR) as many others dams worldwide. Macroscopic models of AAR have been developed to describe approximately observations at structure-scale, while accurate microscopic models are based on the physico-chemistry of AAR, with unfortunately prohibitive computational costs. This study proposes to use the microscopic AAR model developed at the LMDC to estimate the reliability of the Song Loulou hydropower dam. Surrogate models, based on the polynomials chaos expansion of the parameters of a sigmoid, have been constituted at several scales, in particular to reduce the computation time. At the scale of the structure, they helped to obtain displacements at the points of interest, related to the operating limits states of the spillways, and thus to estimate the residual reliability of the dam.Le barrage hydroélectrique de Song Loulou, au Cameroun, est sujet au gonflement induit par la Réaction Alcali-Granulat (RAG) à l'instar de nombreuses autres installations de ce type dans le monde. Des modèles macroscopiques de RAG ont été développés pour décrire de façon approchée les observations à l'échelle de la structure, tandis que des modèles microscopiques rendent compte précisément de la physico-chimie de la RAG, avec malheureusement des coûts de calculs prohibitifs. Cette étude propose d'utiliser le modèle microscopique de RAG développé au LMDC pour l'estimation de la fiabilité du barrage hydro-électrique de Song Loulou. Les modèles de substitution, basés sur des développements en chaos de polynômes des paramètres d'une sigmoïde, ont été constitués à plusieurs échelles, afin notamment de réduire les temps de calculs. A l'échelle de la structure, ils permettent d'obtenir les déplacements aux points d'intérêt, liés aux états limites de fonctionnement des évacuateurs, et procéder ainsi à l'estimation de la fiabilité résiduelle du barrage

D'un modèle à l'échelle microscopique à la détermination à l'échelle de la structure de la fiabilité d'un barrage atteint de réaction alcali-granulats

International audienceThe Song Loulou hydropower dam in Cameroon is affected by alkali-aggregate reaction (AAR) as many others dams worldwide. Macroscopic models of AAR have been developed to describe approximately observations at structure-scale, while accurate microscopic models are based on the physico-chemistry of AAR, with unfortunately prohibitive computational costs. This study proposes to use the microscopic AAR model developed at the LMDC to estimate the reliability of the Song Loulou hydropower dam. Surrogate models, based on the polynomials chaos expansion of the parameters of a sigmoid, have been constituted at several scales, in particular to reduce the computation time. At the scale of the structure, they helped to obtain displacements at the points of interest, related to the operating limits states of the spillways, and thus to estimate the residual reliability of the dam.Le barrage hydroélectrique de Song Loulou, au Cameroun, est sujet au gonflement induit par la Réaction Alcali-Granulat (RAG) à l'instar de nombreuses autres installations de ce type dans le monde. Des modèles macroscopiques de RAG ont été développés pour décrire de façon approchée les observations à l'échelle de la structure, tandis que des modèles microscopiques rendent compte précisément de la physico-chimie de la RAG, avec malheureusement des coûts de calculs prohibitifs. Cette étude propose d'utiliser le modèle microscopique de RAG développé au LMDC pour l'estimation de la fiabilité du barrage hydro-électrique de Song Loulou. Les modèles de substitution, basés sur des développements en chaos de polynômes des paramètres d'une sigmoïde, ont été constitués à plusieurs échelles, afin notamment de réduire les temps de calculs. A l'échelle de la structure, ils permettent d'obtenir les déplacements aux points d'intérêt, liés aux états limites de fonctionnement des évacuateurs, et procéder ainsi à l'estimation de la fiabilité résiduelle du barrage