Effet des incertitudes mécaniques et géométriques sur la conception des pipelines en composite

International audienceAfin de réduire les contraintes circonférentielles engendrées par un chargement mécanique d'un pipeline en composite, nous avons proposé un modèle analytique basé sur la formulation de Tsai. Une étude paramétrique a été proposée pour valoriser ces contraintes à travers l'épaisseur du pipeline. Pour mettre en valeur la variabilité des incertitudes causées par des défauts de fabrication, des erreurs de manipulation en service ou des endommagements statiques ou cycliques du matériau, nous avons proposé une étude fiabiliste qui cerne la sensibilité des paramètres les plus importants lors de la conception d'un pipeline en composite. En se servant de la méthode de Monte-Carlo, nous avons estimé l'effet des incertitudes dues à la variation des caractéristiques mécaniques et géométriques du pipeline ainsi que la charge appliquée. A partir des résultats obtenus, il a été constaté que pour des coefficients de variation bien contrôlés, les paramètres les plus dominants sont l'épaisseur et la charge appliqué

Weibull Probabilistic Model of Moisture Concentration Build Up in a Fiber Graphite/Epoxy Polymer Composite under Varying Hydrothermal Conditions

Advanced mechanical and structural applications require accurate assessment and better knowledge of the damage state during elaboration and service. The development of life prediction methodologies for Glass Fiber Reinforced Polymers (GFRPs) has increased with the use of composites in different industries. It is important to develop through thickness degradation analyses due to ageing in order to predict its effect on the lifetime of composite structures. This study aims to model the moisture absorption, the concentration of the absorbed fluid and the reduction of mechanical properties in the through the thickness direction of a GFRPs structure. The water absorption behavior of woven glass fiber reinforced cyanate ester composites used in the plenum of the air conditioning pack of aircraft environmental control system has been modeled. The combined models describe the diffusion procedure primarily at material level and continuously at structure level. The amount of the absorbed moisture can be crucial for the mechanical behavior of the structure. Therefore, there is a need for a better understanding of the evolution of mechanical properties during ageing. The procedure utilizes the results of the diffusion model to calculate the moduli degradation during the water uptake process. Predictive models have been proposed by considering different sections throughout the thickness and provide a solid background for modeling the long term behavior of a structure exposed at different temperature and different time period. This work performed the numerical studies on the effect of moisture, temperature and presents some useful instructions for the evaluation of such composite structures

Variabilité du module d'Young : influence sur le comportement des voûtes en maçonnerie

International audience Le module d'Young des pierres naturelles, même issues du même massif, peut varier considérablement dans un ratio de 1 à 2 (Binda et al. 2003). Il pourrait être nécessaire d'en tenir compte dans les calculs. L'objectif de ce papier est de présenter une méthodologie permettant d'évaluer la capacité portante et de prédire le mécanisme de ruine des voûtes maçonnées avec la prise en compte de cette variabilité naturelle de la pierre de construction. En utilisant une approche probabiliste, l'étude d'une voûte composée de 16 voussoirs est présentée. Le module d'Young des voussoirs est considéré comme étant une variable aléatoire. L'approche probabiliste nécessite souvent d'effectuer un grand nombre de calculs de la réponse mécanique, un compromis a été trouvé donc entre le temps de calcul et la précision. La méthode de calcul consiste à assimiler la voûte à une ossature plane 1D formée d'éléments poutres à deux nœuds chargées en flexion et en compression. La formation de rotules est conditionnée par le théorème du tiers central. La formation de quatre rotules successives est synonyme de mécanisme de ruine. Le calcul est implémenté dans un logiciel développé à cet effet (ArcProg-Z).  Le principe consiste à affecter aux voussoirs des valeurs du module d'Young de façon tout-à-fait aléatoire. Le programme développé calcule ensuite la valeur de la charge critique ainsi que sa position et détermine le mécanisme de ruine correspondant à chaque combinaison de valeurs affectée. Le calcul est répété pour 10000 combinaisons soient 160000 valeurs du module d'Young tirées aléatoirement suivant une loi normale définie par sa valeur moyenne et son coefficient de variation. Ce même calcul est effectué en considérant 3 valeurs différentes du coefficient de variation : 5%, 10% et 20%.  Les résultats obtenus sont exploités de trois angles différents. Le premier concerne la variation de la capacité portante de la voûte en fonction des combinaisons de valeurs du module affectées aux voussoirs. Le second observe les positions des différentes rotules formées et le troisième angle étudie l'importance de la prise en compte de cette variabilité du module dans les calculs. Une relation qui relie la capacité portante de la voûte à la variation des modules des différents voussoirs est proposée. Cette relation a permis d'identifier les voussoirs dont la chute du module contribuera le plus à la chute de la capacité portante i.e. les voussoirs sur lesquels aucun défaut n'est toléré.  Les mécanismes de ruine sont identifiés dans les différents cas (déterministe, CV=5%, 10% et 20%) ainsi que leur probabilité d'occurrence. Les résultats montrent que le mécanisme observé dans le cas déterministe (modules tous égaux à la valeur moyenne de la loi) est celui qui a la plus forte probabilité. Les calculs ont montré que le nombre de ces mécanismes ainsi que leurs probabilités d'occurrence augmentent en fonction du coefficient de variation du module d'Young. Cela signifie que si une variation importante du module d'Young des voussoirs est avérée, sa prise en compte dans les calculs est impérative, que ce soit pour la détermination de la capacité portante de la voûte ou pour prédire son mécanisme de ruine.</p

Probabilistic lifetime assessment of RC structures under coupled corrosion-fatigue deterioration processes

International audienceStructural deterioration is becoming a major problem when considering long term performance of infrastructures. The existence of a corrosive environment, cyclic loading and concrete cracking cause structural strength degradation. The interaction of these conditions can only be taken into account when modeling the coupled action. In this paper, a new model to assess lifetime of RC structures subject to corrosion-fatigue deterioration processes, is proposed. Separately, corrosion leads to cross section reduction while fatigue induces the nucleation and the propagation of cracks in steel bars. When considered together, pitting corrosion nucleates the crack while environmental factors affect the kinematics of crack propagation. The model is applied to the reliability analysis of bridge girders located in different chloride-contaminated environments. Overall results show that the coupled effect of corrosion-fatigue on RC structures affects strongly its performance leading to large reduction in the expected lifetime

Modelling relative humidity effect on load duration of timber beams

Under mechanical and various climatic conditions, timber beams are subjected to deformations, damage and cracking which can drive to complete failure. A stochastic approach is used to predict (forecast) the evolutions of the air humidity which can occur in the future. The presented model firstly predicts the incubation time before cracking and secondly the time of crack propagation until the failure. Predictions of the proposed model [for stochastic variations of air humidity] are compared to delayed rupture test realized on bending of notched beams under various climatic conditions

Analyse de structures à dimension stochastique élevée (application aux toitures bois sous sollicitation sismique)

Le problème de la dimension stochastique élevée est récurrent dans les analyses probabilistes des structures. Il correspond à l augmentation exponentielle du nombre d évaluations du modèle mécanique lorsque le nombre de paramètres incertains est élevé. Afin de pallier cette difficulté, nous avons proposé dans cette thèse, une approche à deux étapes. La première consiste à déterminer la dimension stochastique efficace, en se basant sur une hiérarchisation des paramètres incertains en utilisant les méthodes de criblage. Une fois les paramètres prépondérants sur la variabilité de la réponse du modèle identifiés, ils sont modélisés par des variables aléatoires et le reste des paramètres est fixé à leurs valeurs moyennes respectives, dans le calcul stochastique proprement dit. Cette tâche fut la deuxième étape de l approche proposée, dans laquelle la méthode de décomposition de la dimension est utilisée pour caractériser l aléa de la réponse du modèle, par l estimation des moments statistiques et la construction de la densité de probabilité. Cette approche permet d économiser jusqu à 90% du temps de calcul demandé par les méthodes de calcul stochastique classiques. Elle est ensuite utilisée dans l évaluation de l intégrité d une toiture à ossature bois d une habitation individuelle installée sur un site d aléa sismique fort. Dans ce contexte, l analyse du comportement de la structure est basée sur un modèle éléments finis, dans lequel les assemblages en bois sont modélisés par une loi anisotrope avec hystérésis et l action sismique est représentée par huit accélérogrammes naturels fournis par le BRGM. Ces accélérogrammes permettent de représenter différents types de sols selon en se référant à la classification de l Eurocode 8. La défaillance de la toiture est définie par l atteinte de l endommagement, enregistré dans les assemblages situés sur les éléments de contreventement et les éléments d anti-flambement, d un niveau critique fixé à l aide des résultats des essais. Des analyses déterministes du modèle éléments finis ont montré que la toiture résiste à l aléa sismique de la ville du Moule en Guadeloupe. Les analyses probabilistes ont montré que parmi les 134 variables aléatoires représentant l aléa dans le comportement non linéaire des assemblages, 15 seulement contribuent effectivement à la variabilité de la réponse mécanique ce qui a permis de réduire la dimension stochastique dans le calcul des moments statistiques. En s appuyant sur les estimations de la moyenne et de l écart-type on a montré que la variabilité de l endommagement dans les assemblages situés dans les éléments de contreventement est plus importante que celle de l endommagement sur les assemblages situés sur les éléments d anti-flambement. De plus, elle est plus significative pour les signaux les plus nocifs sur la structure.The problem of the curse of dimensionality is frequently encountered in practical applications. It can be defined as the significant increase of the number of mechanical model calls with the number of uncertain parameters. To overcome this difficulty, a two-steps stochastic approach has been developed in this work. The first step of this approach consists in calculating the stochastic effective dimension by the means of Morris screening method. Once the most significant uncertain parameters on the variability of the mechanical responses are identified, they are modeled as random variables and the remaining parameters are fixed to their respective mean values. This allows us to reduce significantly the stochastic dimension of the problem in the second step of the approach where the decomposition method is used to estimate the statistical characteristics of the mechanical responses. The efficiency and the accuracy of this approach are evaluated through an academic problem dealing with the assessment of the integrity of a three-span five-story frame structure subjected to horizontal loads. We have demonstrate that we can reduce about 90% of the computation time required by the classical stochastic methods. Then, the proposed approach is used to the analysis of the integrity of timber roofs under seismic loading. The behaviour of this structure is described through a finite element model where the timber joints are modeled by anisotropic hysteresis law, and the seismic action is represented by eight real earthquake ground motion records. These accelerograms provided by the French institution involved in geosciences BRGM allow us to take into account different soil types according to the classification provided by the europeen design code dealing with seismic events Eurocode 8. The failure of timber roofs is reached when the damage levels in the timbers joints localized on the buckling and bracing members reach the critical value. It is shown, through a deterministic analysis, that the structure resists the seismic hazard representing the city of Le Moule in Guadeloupe. The stochastic analysis has shown that, among the 134 random variables representing the uncertainty in the nonlinear behaviour of the timber joints, only 15 have a significant effect on the variability of the structural response, which allow us to reduce the stochastic dimension in the computation of the statistical moments. According to the estimates of the mean and the standard deviation, we have shown that the variability of bracing members damage is greater than the variability of buckling members damage. Moreover, the variability of the bracing members damage is more significant for the earthquake ground motion records having the lowest collapse PGA.CLERMONT FD-Bib.électronique (631139902) / SudocSudocFranceF

Coupled reliability model of biodeterioration, chloride ingress and cracking for reinforced concrete structures

International audienceMaintaining and operating civil infrastructure systems has been recognized as a critical issue worldwide. Among all possible causes of safety reduction during the structural lifetime, deteriora- tion is particularly important. Structural deterioration is usually a slow time-dependent process controlled by safety and operation threshold specifications. This paper presents a model of RC deterioration by coupling biodeterioration (i.e., chemical, physical and mechanical action of live organisms), steel corrosion, and concrete cracking. The final purpose of the model is to compute the reduction of the concrete section and the area of steel reinforcement in order to assess the change of structural capacity with time. Given the uncertainties in both the parameters and the model, the probabilistic nature of loads, the material properties and the difussion process are taken into account to evaluate structural reliability. The model is illustrated with an example where the inelastic behavior of a pile subject to random loading is considered. The results of the analysis have shown that the effect of biodeterioration on the structural performance is significant and can cause an important reduction of its lifetime. On the whole, the paper states that modeling the effects of biodeterioration in RC structures should be included as part of infrastructure planning and design, especially, when they are located in aggressive environments

Influence of weather and global warming in chloride ingress into concrete: a stochastic approach

International audienceReinforced concrete (RC) structures are subject to environmental actions affecting their performance, serviceability and safety. Among these actions, chloride ingress leads to corrosion and has been recognized as a critical factor reducing the service life of RC structures. This paper presents a stochastic approach to study the influence of weather conditions and global warming on chloride ingress into concrete. The assessment of chloride ingress is carried out on the basis of a comprehensive model that couples the effects of convection, chloride binding, concrete aging, temperature and humidity. A simplified model of temperature and humidity including seasonal variations and global warming is also proposed in this work. Three scenarios of global warming are defined based on: gas emissions, global population growth, introduction of new and clean technologies and use of fossil sources of energy. The proposed approach is illustrated by a numerical example where it is found that the climate changes may yield to significant lifetime reductions. These results justify the implementation of countermeasures directed to (1) reduce and/or mitigate the action of global warming on weather and (2) minimize the impact of climate changes on RC structures

Probabilistic Evaluation of the Sustainability of Maintenance Strategies for RC Structures Exposed to Chloride Ingress

International audienceNowadays, multiple constraints imposed by economical, social and environmental considerations undergo maintenance planning optimization into a major challenge to designers, owners and users of infrastructure. This study presents a simplified methodology to evaluate the sustainability of maintenance strategies used in reinforced concrete structures exposed to chlorides. The proposed approach is illustrated throughout the paper with an application to large-scale maintenance of a real structure (Agri-foodstuffs terminal wharf). The repair strategy consists of demolition of the polluted concrete and rebuilding of cover by using three techniques (wet shotcrete, dry shotcrete and formed concrete). The repair times are estimated by taking the randomness of chloride ingress into account. Three criteria are used to evaluate the sustainability of the repair techniques: present value life-cost, waste production and CO2 emissions. Based on this multi-criteria comparison, a simplified decision-making scheme based on a multi-objective index is proposed