Probabilistic analysis of cracking and tightness of Reinforced Concrete large structures

Cette thèse porte sur le vieillissement des grands ouvrages en béton armé et précontraint dotés d’une fonction de confinement comme les bâtiments réacteurs des centrales nucléaires. Elle vise en particulier l'analyse probabiliste de l’évolution de leurs états de fissuration et de perméabilité dans le temps sous chargements Thermo-Hydro-Mécaniques (THM) simultanés et variables. L’étanchéité de telles structures est due à la faible perméabilité du béton mais reste conditionnée surtout par la maîtrise de la fissuration. Or, l'évolution de la perméabilité, l'apparition des fissures et leur propagation dépendent fortement de plusieurs aléas (les conditions de mise en œuvre, la variabilité spatio-temporelle des propriétés du béton et des chargements THM subis par la structure, etc.). Ainsi, la prise en compte de ces aléas dans les modèles numériques de vieillissement est une nécessité afin de permettre une meilleure évaluation de la performance de la structure dans son état présent et, surtout, permettre une prévision plus précise et plus fiable de son état futur. Pour y parvenir, cette thèse propose une stratégie globale de modélisation stochastique Thermo-Hydro-Mécanique avec post-traitement de la Fuite (THM-F), à l’échelle de Volumes Structurels Représentatifs, adaptée à la complexité du problème traité, au nombre important de paramètres THM-F intervenant dans les calculs et à son coût numérique. En particulier, les points suivants sont traités :(a) Modélisation du vieillissement tenant compte des effets de jeune âge : La modélisation des phénomènes de vieillissement est basée sur un modèle THM-F chaîné. En particulier, la modélisation proposée de la fissuration repose sur le couplage des lois d’échelle énergétique et des champs aléatoires autocorrélés selon une formulation locale, régularisée et vieillissante de l’endommagement. Cela permet une meilleure évaluation du risque de fissuration tant d’un point de vue qualitatif que quantitatif. Par conséquent, la prévision de l’étanchéité est aussi améliorée.(b) Identification des paramètres THM-F les plus influents : En appliquant une méthode d’analyse de sensibilité de type OFAT (One-Factor-At-a-Time) au modèle THM-F retenu, l’effet de la variabilité des différents paramètres en entrée sur la réponse numérique est quantifié. Cela permet de hiérarchiser les effets et de classifier les paramètres selon leur importance vis-à-vis du vieillissement (particulièrement en termes de fissuration et d’étanchéité).(c) Analyse de la propagation d’incertitudes THM-F : Des méthodes basées sur les surfaces de réponse (plans d’expérience adaptatifs, chaos polynomiaux) sont proposées pour construire des méta-modèles THM-F et analyser la propagation d’incertitudes moyennant un coût et une précision raisonnables. Étant donné la nature explicite des méta-modèles, la méthode de Monte Carlo est directement appliquée pour accéder à des fonctions de répartition, des indicateurs de sensibilité globaux et des analyses de fiabilité.L’applicabilité du modèle stochastique THM-F proposé aux grands ouvrages de confinement en béton armé et précontraint est évaluée en se basant sur la maquette VeRCoRs (enceinte de confinement à l’échelle 1 :3) selon des critères de représentativité physique du comportement et des mesures d’incertitudes simulés et de coût numérique.Concrete is a heterogeneous, multiphasic and ageing material. Consequently, its properties show intrinsically spatiotemporal variations. For large reinforced and prestressed concrete structures such as Nuclear Containment Buildings (NCB), these variations directly affect the kinetic of their ageing process in terms of cracking, drying, creep and tightness. They also lead, within the structure's volume, to a non-negligible spatial heterogeneity of the concrete's behavior to the applied Thermo-Hydro-Mechanical (THM) loads during the operational lifespan. Consequently, the introduction of such variations in numerical models is a mandatory step to enhance the assessment of these structures’ present behavior and the accuracy of predictive analyses of their future one. With that aim in view, the thesis suggests a global coupling strategy of THM-L models (Thermo-Hydro-Mechanical with Leakage estimation) and non-intrusive stochastic approaches adapted for the strongly non-linear and time consuming simulations of ageing phenomena and the large number of inputs they require. Applied to the VeRCoRs mock-up (1:3 scaled containment building) at the scale of Representative Structural Volumes (RSV), this thesis addresses the following issues:(a) RSV-based modeling of concrete ageing from the early age phase: The modeling of concrete’s ageing is based on a staggered Thermo-Hydro-Mechanical with Leakage evaluation (THM-L) strategy. In particular, concrete cracking is modeled according to a Stochastic Size Effect Law (SSEL) and a regularized, local, ageing and damage-based constitutive model. The spatial heterogeneity of the concrete's properties (mainly the Young's modulus) is described using Random Fields (RF). This leads to a better description of concrete cracking both qualitatively and quantitatively. Accordingly, the modeling of the structural tightness is also improved.(b) Most influential THM-L parameters: Using a 1st order sensitivity analysis strategy (One-Factor-At-a-Time OFAT perturbation method), the relative effect of the THM-F parameters on the computed behavior is quantified. The obtained results show a hierarchized list of the most influential parameters and their associated physical phenomena. A selection is then achieved to keep relevant parameters only for uncertainty propagation step and higher-order sensitivity analyses throughout the THM-L coupling path.(c) Uncertainties propagation through THM-L calculation steps: Surface Response Methods (SRM) are used to define the associated RSV-based THM-L meta-models. For the stochastic modeling of concrete’s cracking an original Adaptive-SRM-based algorithm is suggested. Whereas for continuous THM-L quantities, a Polynomial Chaos based strategy is retained. Finally, as the meta-models are explicit within a defined and bounded domain, crude Monte Carlo Method is applied, at low cost, aiming at the CDFs and the reliability analysis of the considered variables of interest.Eventually, the suggested SFEM shall lead operators to a better quantification of uncertainties related to the behavior of their strategic civil engineering structures. This remains a crucial step towards the enhancement of durability assessment and repair/maintenance operations planning