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Méthodologie pour l’évaluation stochastique des performances structurelle et fonctionnelle des barrages en béton sous incertitudes

Frédéric DUFOUR, David BOUHJITI, Julien BAROTH (GRENOBLE INP)

Éditeur : Comité Français des Barrages et Réservoirs - CFBR - ISBN 979-10-96371-09-9

Colloque : Justification des barrages : état de l’art et perspectives - Chambéry, France
Année d’édition 2019

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Title : Methodology for stochastic assessment of the structural and functional performances of concrete dams under uncertainties

Résumé
La modélisation du comportement Thermo-Hydro-Mécanique (THM) des grands ouvrages en béton, en particulier ceux avec un rôle de confinement (barrages, réservoirs, etc.), doit tenir compte des hétérogénéités du matériau béton, des incertitudes associées à son comportement multiphasique complexe et de la variation spatio-temporelle intrinsèque de ses propriétés et des chargements THM appliqués. Ces aléas affectent fortement la réponse structurale des ouvrages massifs, notamment en termes de fissuration et de perméabilité, et conditionnent leur conformité aux critères réglementaires, leur réparation et leur durée d’exploitation. Dans cette contribution, une méthodologie basée sur des éléments finis stochastiques est déployée pour modéliser physiquement et efficacement les couplages probabilistes non linéaires dans le comportement THM des grands ouvrages. En particulier : (a) la fissuration du béton sous chargement THM est modélisée par un modèle d’endommagement stochastique vieillissant, local et régularisé en énergie tenant compte des effets d’échelle, (b) la distribution spatiale des propriétés du béton est introduite par des champs aléatoires auto-corrélés discrets et projetés et (c) la propagation d’incertitudes THM est analysée moyennant des approches d’analyse de sensibilité adaptatives et de couplage probabiliste basés sur les Méthodes de Surfaces de Réponses. Cela permet d’améliorer la prévision de la fissuration et de mieux prévoir, dans un temps de calcul raisonnable, le risque de non-conformité réglementaire en termes de densité et d’ouverture de fissures. Le potentiel d’une telle approche dans le contexte de la sureté des barrages en béton est important pour, entre autres, les risques (a) d’apparition d’ettringite secondaire à partir de la distribution de probabilité de pic de température au jeune âge et (b) de fissuration en pied amont de barrage avec une distribution de probabilité d’ouverture.

Abstract
The modelling of the Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behaviour of large concrete structures, especially those with a containment role (dams, reservoirs, etc.), should account for the concrete heterogeneities, the uncertainties associated with the complexity of its multi-phasic behaviour, the intrinsic spatiotemporal scattering of its properties and the variability of the applied THM loads. Such uncertainties strongly affect (a) the structural response of massive structures in terms of cracking and tightness, (b) their maintenance and repair operations’ planning and (c) their operational lifespan. In this contribution a global FE- based stochastic methodology is presented to allow physically representative and efficient non-intrusive probabilistic coupling of strongly nonlinear and numerically expensive THM models describing large concrete structures’ behaviour. In particular : (a) concrete cracking is modelled using a stochastic, local and energy regularized damage model accounting for size effects, (b) the spatial heterogeneity of properties is modelled using discretized and projected Random Fields and (c) uncertainties propagation is computed using non-intrusive probabilistic coupling based on Surface Response methods. Eventually, and without inducing hefty costs, this improves the prediction of concrete cracking risk both qualitatively and quantitatively and facilitates the reliability analysis and regulatory criteria conformity tests. The potential for such approach is clearly foreseeable for dams’ safety assessment (the risk of Delayed Ettringite Formation (DEF) based on the Cumulative Density Function of the peak temperature at early age, the risk of concrete cracking at the up-stream base of the dam and the CDF of its associated opening, etc.).

Citation
DUFOUR, BOUHJITI, BAROTH. Méthodologie pour l’évaluation stochastique des performances structurelle et fonctionnelle des barrages en béton sous incertitudes. In Colloque Justification des barrages : Etat de l’art et Perspectives. Chambéry : CFBR - 27,28 novembre 2019. ISBN 979-10-96371-09-9. doi : 10.24346/cfbr_colloque2019_a18

Voir aussi : Colloque Justification des barrages : état de l’art et perspectives

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