Vers une planification optimale de la maintenance des structures existantes sur la base d'une analyse de fiabilité en fonction du temps

Towards optimal maintenance planning of existing structures based on time-dependent reliability analysis

• Auteur / Autrice : Morteza Ahmadivala
• Direction : Nicolas Gayton, André Orcesi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Mattrand, John Dalsgaard Sørensen, David Clair, Thierry Yalamas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Schoefs, Alan O'Connor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle des structures (ingénierie)

Acier -- Fatigue

Mots clés libres

Maintenance structurelle

Fiabilité en fonction du temps

Maintenance basée sur la fiabilité

Analyse par éléments finis

Propagation des fissures de fatigue

Surveillance de l'état de la structure

Structural maintenance

Time-dependent reliability

Reliability-based maintenance

Finite element analysis

Fatigue crack propagation

Structural health monitoring

Résumé

Les structures de génie civil jouent un rôle important dans tout pays pour améliorer l'économie ainsi que le bien-être social et environnemental. Une défaillance indésirable peut avoir des impacts significatifs à différents niveaux pour le propriétaire de la structure et pour les utilisateurs. La fatigue est l'un des principaux processus de dégradation des structures en acier qui provoque une défaillance structurelle avant la fin de la durée de vie prévue. Pour éviter des défaillances imprévues à cause de la fatigue, une Gestion complète du Cycle de Vie structurelle (GCV) est nécessaire pour minimiser le coût du cycle de vie et maximiser la durée de vie structurelle. L'un des principaux objectifs du GCV peut être lié à l'optimisation de la planification de la maintenance structurelle. Atteindre cet objectif est une tâche difficile qui nécessite de relever certains défis tels que la prédiction de la performance structurelle dans l'incertitude, l'utilisation de données de Surveillance de l'État de la Structure (SES) pour réduire les incertitudes, la prise en compte du comportement de propagation des fissures pour des composants donnés, la fiabilité et la décision éclairée par les coûts, réalisation et effet des actions de maintenance, entre autres. En conséquence, les contributions suivantes sont prises en compte dans cette recherche pour améliorer les capacités du GCV structurel qui sont expliquées brièvement dans la suite. Développement d'une nouvelle méthode de fiabilité dépendent du temps pour l'analyse de la fiabilité en fatigue.Étudier l'efficacité des outils avancés de propagation des fissures pour étudier les problèmes de fissuration par fatigue indésirables et caractériser certaines actions de réparation possibles sur une étude de cas réel.Présentation des hypothèses et des étapes de simplification requises pour intégrer la méthode de fiabilité dépendent du temps proposé avec les modèles de propagation des fissures afin d'approximer la fiabilité de fatigue dépendent du temps.Comme première contribution de cette thèse, une nouvelle méthode de fiabilité dépendante du temps appelée AK-SYS-t est proposée. Cette méthode fournit un outil efficace et précis pour évaluer la fiabilité en fonction du temps d'un composant par rapport aux autres méthodes disponibles. AK-SYS-t relie la fiabilité en fonction du temps aux problèmes de fiabilité du système et tente d'exploiter les méthodes de fiabilité du système efficaces telles que AK-SYS pour l'analyse de la fiabilité en fonction du temps. Il convient de mentionner que l'analyse de la fiabilité en fonction du temps est nécessaire dans ce contexte, car la détérioration des performances (comme la fatigue) est un processus dépendant du temps associé à des paramètres dépendant du temps tels que le chargement de fatigue.Un autre sujet connexe est l'étude du phénomène de propagation des fissures avec des outils de modélisation avancés tels que la Méthode des Éléments Finis (MEF) et la méthode XFEM (eXtended Finite Element Method). À des fins d'illustration, la fissure à la racine d'une soudure d'angle est prise en compte (détail de fatigue courant dans les ponts avec platelage orthotropes). Une question importante étudiée ici est l'influence de la tension transversale dans la plaque de pont sur la direction de la propagation de la fissure. On montre comment l'augmentation de la tension transversale dans la plaque de pont peut modifier la propagation des fissures vers la plaque de pont. Ces fissures sont considérées comme dangereuses car elles sont difficiles à inspecter et à détecter. En fin de compte, XFEM est utilisé pour étudier l'efficacité de deux solutions de réparation possibles. (...)

Civil engineering structures play an important role in any country for improving the economy together with the social and environmental welfare. An unwanted failure might cause significant impacts at different levels for the structure owner and for users. Fatigue is one of the main degradation processes on steel structures that causes structural failure before the end of the designed service life. To avoid unexpected failures due to fatigue, a comprehensive structural Life Cycle Management (LCM) is required to minimize the life-cycle cost and maximize the structural service life. One of the main objectives within the LCM can be related to optimizing the structural maintenance planning. Achieving this goal is a challenging task which requires to address some challenges such as predicting the structural performance under uncertainty, employing Structural Health Monitoring (SHM) data to reduce uncertainties, taking into account crack propagation behavior for given components, reliability and cost-informed decision making, and effect of maintenance actions among others. Accordingly, following contributions are considered in this research to improve the capabilities of structural LCM which are explained shortly in the sequel.Developing a new time-dependent reliability method for fatigue reliability analysis.Investigating the effectiveness of advanced crack propagation tools to study unwanted fatigue cracking problems and characterizing some possible repair actions on a real case study.Introducing the assumptions and simplification steps required to integrate the proposed time-dependent reliability method with crack propagation models to approximate the time-dependent fatigue reliability.As the first contribution of this thesis, a new time-dependent reliability method called AK-SYS-t is proposed. This method provides an efficient and accurate tool to evaluate time-dependent reliability of a component compared to other available methods. AK-SYS-t relates the time-dependent reliability to system reliability problems and tries to exploit the efficient system reliability methods such as AK-SYS towards time-dependent reliability analysis. It is worth mentioning that time-dependent reliability analysis is necessary in this context since the performance deterioration (such as fatigue) is a time-dependent process associated with time-dependent parameters such as fatigue loading.Another related topic is the study of crack propagation phenomenon with advanced modeling tools such as Finite Element Method (FEM) and eXtended Finite Element Method (XFEM). For illustration purposes, the crack in the root of a fillet weld is considered (common fatigue detail in bridges with orthotropic deck plates). One important issue investigated herein is the influence of the transversal tension in the deck plate on the direction of the crack propagation. It is shown how increasing the transversal tension in the deck plate may change the crack propagation towards the deck plate. Such cracks are considered dangerous since they are hard to inspect and detect. In the end, XFEM is used to investigate the effectiveness of two possible repair solutions.A supplementary contribution is related to introducing the required steps in order to integrate the newly developed time-depend reliability method with crack propagation problems through some applicational examples. This is a challenging task since performing the time-dependent reliability analysis for such problems requires a cycle-by-cycle calculation of stress intensity factors which requires huge computational resources. Therefore, the aim here is to introduce the assumptions and simplification steps in order to adopt the AK-SYS-t for fatigue reliability analysis. Accordingly, two examples are considered. (...)