Développement d'un outil d'aide à la décision basé sur les risques pour la maintenance des ouvrages en béton soumis à la corrosion

Development of a decision support tool in uncertain conditions for the maintenance of reinforced concrete structures subjected to corrosion

• Auteur / Autrice : Paulo Claude
• Direction : Frédéric Duprat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMDC - Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions de Toulouse - Laboratoire Matériaux et Durabilité des constructions / LMDC
• Jury : Président / Présidente : Ouali Amiri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franziska Schmidt, Stefanie Von Greve-Dierfeld, Thomas Stablon, Jonathan Mai-Nhu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Bonnet, Emilio Bastidas-Arteaga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton armé -- Carbonatation

Béton armé

Matériaux -- Détérioration

Mots clés libres

Modélisation

Durabilité

Maintenance

Béton armé

Carbonatation

Chlorure

Durability

Maintenance

Reinforced concrete

Modeling

Carbonation

Chloride

Résumé

L'optimisation et la supervision des structures en béton constituent l'un des principaux défis pour les parties prenantes du secteur de la construction dans un contexte fort de transition écologique. Les enjeux se situent en particulier au niveau de la réduction de l’empreinte environnemental des ouvrages en béton et intègrent la nécessité de maitriser leur durabilité. Pour les ouvrages existants, cela se traduit par la nécessité de maintenir la continuité de service en allongeant leur durée d’utilisation. Pour les ouvrages neufs, les leviers d’actions concernent à la fois la conception et le dimensionnement optimisés des ouvrages, les process de mise en œuvre et les solutions matériaux à travers l’utilisation de bétons décarbonés, par exemple en utilisant des liants à moindre teneur en clinker. La durabilité des bétons décarbonés constitue donc un enjeu majeur pour les acteurs de la construction et le sujet de nombreuses études. Ce travail de thèse vise à contribuer à l’étude et la prédiction de la phase d’initiation de la corrosion de l'acier dans les structures en béton armé, anciennes ou neuves, en intégrant les contraintes technico-économiques et les enjeux associés à la réduction de l'empreinte carbone associés à la construction et à l'entretien des infrastructures routières et maritimes. Par conséquent, les objectifs de cette thèse de doctorat sont multiples. Tout d'abord, une campagne expérimentale a permis d’acquérir les indicateurs de durabilité de bétons à base de liants décarbonés. La carbonatation, la pénétration des ions chlorure et les transferts hydriques ont été étudiés grâce à des essais naturels et accélérés. Les données obtenues ont été utilisées pour calibrer un modèle par éléments finis développé lors de deux précédentes thèses (Mai-Nhu, 2013), (Schmitt, 2019). Ce modèle, appelé SDReaM-crete, est capable de prendre en compte l'interaction des trois phénomènes mentionnés ci-dessus. La charge de calcul associée à un tel modèle complique cependant son utilisation dans un contexte opérationnel. Par conséquent, des modèles de substitution basés sur des développements en chaos polynomiaux (Crestaux et al., 2009) ont été créés à partir des résultats du modèle d'origine afin de réduire le temps d'exécution tout en conservant un niveau de précision compatibles avec les besoins des utilisateurs. Ils ont ainsi été introduits à un outil opérationnel d’évaluation de la durée de vie d'ouvrages en béton armé, et d’aide à la planification d’opérations d'entretien et de réparation. Cette application se compose d'une interface graphique développée en Python, permettant à l'utilisateur d'exécuter et de visualiser les résultats des modèles de substitution. D'autres modèles de la littérature sont également intégrés, offrant ainsi une base de comparaison plus large et la possibilité de considérer la propagation de la corrosion. Parallèlement, une méthode de fiabilité du premier ordre (FORM) (Gao et al., 2013) est intégrée et permet à l'utilisateur d'adopter une approche probabiliste pour l’évaluation de la durée de vie. Une base de données de résultats expérimentaux a été construite au cours de ces travaux à partir de la littérature et adjointe à l’application afin de faciliter la transition entre les données de formulation des bétons et les données d’entrée des méta-modèles. Un travail a notamment été réalisé concernant l’évaluation des incertitudes liées à la méthode d’obtention des données Ainsi, un indice de confiance traduit la répercussion des incertitudes des méthodes sur les prédictions probabilistes finales. Différentes validations de l’outil ont été réalisées sur des données obtenues dans le cadre d’inspection d’ouvrages, et ont permis d’éprouver les différents modèles intégrés à cette application. Celle-ci constitue un véritable outil d’aide à la décision pour les constructeurs et des gestionnaires d’ouvrages.

Optimization and monitoring of concrete structures pose significant challenges for stakeholders in the construction sector. Recent developments in the field of construction, driven by the need to reduce environmental impact, have led to a decrease in the clinker content, the primary component of Portland cement, in the design of concrete mixes. Understanding the sustainability of low-carbon concretes composed of novel materials is a major concern and has been the subject of numerous studies. Accordingly, this study aims at contributing to the knowledge and understanding of the initiation phase of steel corrosion in both old or new reinforced concrete structures, as well as to reduce the costs and carbon footprint associated with the construction and maintenance of road and maritime infrastructures.Consequently, this doctoral thesis has multiple objectives. Firstly, an experimental plan was implemented to obtain data on the durability of concrete based on low-carbon binders. Carbonation, chloride ion penetration, and water transfer were examined through both natural and accelerated tests. The acquired data was then utilized to calibrate a finite element model, named SDReaM-crete, developed in previous studies (Mai-Nhu, 2013), (Schmitt, 2019). This model can consider the interaction of the aforementioned phenomena. However, due to the computational complexity of SDReaM-crete, its practical use is challenging. To overcome this challenge, surrogate models were developed based on polynomial chaos expansions (Crestaux, 2009), using the results of the original model. These surrogate models exhibit an execution time of approximately one second, while maintaining a satisfactory level of accuracy.The last objective of this study was to develop a predictive tool for structural engineers to assess the service life of reinforced concrete structures and effectively help to plan maintenance and repair operations. The tool is comprised of a graphical user interface developed in Python, which enables the execution and visualization of surrogate models. Additionally, various models from existing literature are integrated into the tool, providing a comprehensive basis for comparison and the corrosion propagation considerations. In parallel, a first-order reliability method (FORM) (Hao, 2013) is also implemented, thereby allowing the adoption of a probabilistic approach to service life assessment. To facilitate the transition from concrete formulation data to model input data, a database of experimental results was constructed, incorporating data from the literature. Efforts were made to evaluate uncertainties associated with data acquisition methods. Thus, a confidence index reflects the impact of the method uncertainties on the final probabilistic predictions. The validation of the tool involved testing the various models utilizing data acquired from structure inspections, thereby ensuring its reliable utilization in practical scenarios.