Edited by J. Baroth, D. Breysse & F. Schoefs

Co-author B. Capra⁽¹⁾ on maintenance and ageing of infrastructures

Goy R.⁽¹⁾, Thillard G.⁽¹⁾, Yanez-Godoy H.⁽¹⁾

Within the framework of many consulting assignments about risk and lifecycle management of existing civil engineering infrastructures, OXAND’s analyses relied on structures assessment taking into account the structure’s state of deterioration, the quantitative estimate of its residual bearing capacity and the future progression of this capacity over time. The structure assessment can be carried out considering different methods. In a general manner, three main axes allow to characterize the method of assessment: behaviour modelling, origin of input data, uncertainties consideration. In this three dimensional basis, several assessment methods levels can be defined from purely regulatory calculation, using standard or design input data, to realistic and probabilistic approaches. According to the results of the first assessment levels, it is possible to refine the calculations by moving to higher levels. This methodology will be illustrated by an example which consists of networks of reinforced concrete beams subjected to a rapid increase in their mechanical stresses. The risk of a beam failure was brought under control by setting up a maintenance procedure, which unfortunately created a risk of unavailability of these infrastructures. Higher levels of assessment represent potential ways to reduce this risk of unavailability by taking full advantage of the real properties of the structures.

Thillard G.⁽¹⁾, Auge L.⁽¹⁾, Baillis C.⁽²⁾, Filippi R.⁽²⁾

In many industrial sectors, owners study how to extend the working lifetime of strategic ageing facilities and more particularly the reinforced and prestressed concrete civil works. The decision to extend the operation of civil works requires making a diagnosis of the current state and a prognosis of future changes (related to the operation conditions, the regulatory requirements, the environment, etc.). A risk analysis may be a solution to manage such an issue. Indeed, a risk analysis identifies the structure weaknesses by ranking the failure modes according to a probability of occurrence (frequency) and a level of consequences (severity). For this, numerical simulations are useful, even necessary, to assess some complex phenomena such as the global mechanical behaviour of a structure subjected to an aircraft crash.

However, if the risk analysis is performed in a generic process of quality assurance, the use of simulations should also be realized according to an equivalent methodology. Such a methodology aims at ensuring to satisfy the owner’s needs and helping the engineers’ works in spite of the project constraints (time, costs, etc.). In particular, the two main principles of the methodology are (i.) identifying the model assumptions (and limitations) for the structure, static operating loads and dynamic crash accidental loads and (ii.) estimating the model precision (complexity) that should be necessary and sufficient to answer questions.

Such a methodology has been implemented during a main risk analysis applied on an existing prestressed and reinforced concrete structure. The risk analysis has highlighted that the characteristics of the civil aviation fleet (payload, etc.) have been increasing since the design and commissioning of the structure. In other words, it is likely that a bigger and larger aircraft than one considered during the design crashes on the structure. Therefore, numerical simulations are performed with ABAQUS (explicit dynamic solver) in order to analyze the consequences of new scenarios of aircraft crash on different parts of the structure. Then, the direct results of the numerical simulations are analysed to evaluate the crash effects on the main functions of the structure as “the global mechanical stability” or “the local mechanical strength”, etc. Finally, the results contribute to the risk analysis to compare the event of aircraft crash with others about operating or accidental events (earthquake) and help owners to make relevant and resonate decision.

Borot A.⁽¹⁾, Auge L.⁽¹⁾, Ghafoury W.⁽¹⁾, Frenette R.⁽²⁾

Face aux coûts de construction élevés ou un contexte politique difficile, de nombreux maîtres d’ouvrages envisagent la prolongation de durée de vie ou la réhabilitation de leurs ouvrages. Lorsque ces ouvrages côtoient des infrastructures à forts enjeux, ces maîtres d’ouvrages se doivent de fournir la preuve qu’ils maîtrisent les risques associés à l’exploitation de l’ouvrage considéré. Nous présentons dans cette communication l’exemple d’une conduite de gaz, suspendue à un pont stratégique à forts enjeux, qui a été fermée il y a quelques années pour des raisons de sécurité. Le gestionnaire du pont est prêt à accepter la réouverture de la conduite si la démonstration de la maîtrise des risques associés à l’exploitation de la conduite est réalisée.

Cette article décrit la méthodologie employée pour la réalisation d’une première analyse qualitative afin de statuer sur les risques acceptables en l’état, de mettre en évidence les risques les plus critiques et enfin d’établir un plan d’actions conduisant à la maîtrise des risques et/ou des incertitudes inacceptables, le cas échéant.

Cette analyse consiste en l’étude des causes possibles de défaillance de la conduite, puis à estimer qualitativement les conséquences de ces défaillances (durée d’inflammation, taille de flamme…) ainsi que les impacts structuraux potentiels sur le pont. La hiérarchisation des risques est ensuite réalisée à partir des niveaux de probabilité des défaillances identifiées et de leur impact sur les enjeux considérés, notamment la sécurité des personnes et la disponibilité du pont. Enfin, selon le niveau d’acceptabilité de risques défini par le gestionnaire du pont, des pistes d’amélioration réalisables par les deux parties sont proposées. Elles sont organisées dans un plan d’actions risques garantissant leur performance (réduction des risques) et leur efficacité (temps, coût). L’objectif final étant de statuer sur la réhabilitation possible de la conduite dans le contexte d’exploitation du point ou sur la nécessité d’une solution alternative.

⁽¹⁾Oxand France ⁽²⁾Oxand Canada

Provost M.⁽¹⁾, Crouïgneau S.⁽¹⁾, Capra B.⁽¹⁾, Proust J.⁽¹⁾

De nombreux ouvrages industriels requérant des fonctionnalités de confinement sont constitués d’une enceinte en béton précontraint bi-axialement (ex : réservoirs de stockage de Gaz Naturel Liquéfié – GNL –, enceintes de confinement nucléaires, etc.). Les maîtres d’ouvrages de ces structures sont responsables de leur intégrité pendant toute leur durée d’exploitation. Cette durée est en général de plusieurs dizaines d’années (40 ans en moyenne prévus à la conception). Dans un contexte de développement durable, la prolongation de cette durée initiale d’exploitation est aujourd’hui devenue une problématique majeure.

Le retour d’expérience montre que l’un des principaux modes de vieillissement susceptibles d’impacter la durée de vie de ces ouvrages est la perte de précontrainte dans le temps, qui peut entrainer une perte de confinement. Les approches réglementaires tenant compte de ce mécanisme peuvent être affinées en utilisant des modèles de comportement plus réalistes, intégrant notamment les déformations différées (fluage du béton, retrait, etc.), les contraintes environnementales de température et d’humidité. Un système d’instrumentation robuste et pérenne, ainsi que certains essais de caractérisation des matériaux, peuvent permettre de conforter ces pronostics, de réduire les incertitudes et d’ajuster les modèles de prédiction tout au long de la vie des ouvrages.

En partant de ces constats, un système original est présenté dans cet article afin de mieux suivre et de mieux pronostiquer l’état d’ouvrages précontraints, en combinant un monitoring in situ et un modèle « réaliste » de simulation du comportement des ouvrages dans le temps. Ce système permettra aux exploitants et maîtres d’ouvrages de mieux répartir leurs coûts de maintenance (OPEX), de mieux anticiper leurs besoins en investissements (CAPEX), et de mieux communiquer sur le comportement actuel et à venir de leurs ouvrages.

⁽¹⁾Oxand France

Cornish-Bowden I.⁽¹⁾, Capra B.⁽¹⁾

Les exploitants de sites industriels doivent gérer des systèmes hétérogènes dont des ouvrages de génie civil qui présentent un vieillissement difficile à anticiper mais qui entraîne des coûts de maintenance potentiellement élevés. L’optimisation des actions de suivi et de gestion du vieillissement des structures de génie civil est un enjeu important pour les maîtres d’ouvrages : elle passe par la définition de spécifications adaptées aux mécanismes de vieillissement les plus critiques et par un pronostic permettant de planifier au mieux les actions de suivi et de maintenance. L’analyse de risques peut permettre de formaliser les besoins du maître d’ouvrage de manière à prioriser les actions nécessaires sur son ouvrage : des mécanismes de vieillissement prépondérants sont mis en évidence (par exemple la corrosion), ce qui permet de cibler les investigations nécessaires pour confirmer le diagnostic sur l’état de l’ouvrage et le pronostic concernant la durée d’exploitation possible

⁽¹⁾Oxand France

Jason L.⁽²⁾, La Borderie C.⁽³⁾, Giry C.⁽⁴⁾, Richard B.⁽⁵⁾, Chambart M.⁽⁶⁾, Thillard G.⁽¹⁾

This contribution presents a part of the benchmark that was launched during the first year of the French national project CEOS.FR. It consists in modeling the behavior of reinforced concrete ties and in simulating the evolution of the crack opening during loading. Different approaches are compared. The global mechanical behavior is generally well reproduced whereas the simulation of the crack evolution gives en-couraging results (appropriate order of magnitude) but needs to be improved.

⁽¹⁾Oxand France, ⁽²⁾CEA Saclay, Gif sur Yvette, France, ⁽³⁾LaSAGeC, Anglet, France, ⁽⁴⁾Laboratoire 3SR, Grenbole, Francre, ⁽⁵⁾LCPC, Paris, France, ⁽⁶⁾LMT, Cachan, France

Capra B.⁽¹⁾, Descellier C., Soize C.

In the case of structures with important stakes at the design level; or for existing structures for which the question of the extension of service life is a major concern, it is important to assess the risks related to the durability. Reliability approaches allow structure owner to have more information taking into account uncertainties compared to a deterministic approach. If these approaches become more and more usual, one key point is related to the available data and the way uncertainties are estimated. This article presents a methodology, based on the maximization of entropy theory, able to maximize uncertainties according to the level of knowledge related to the different parameters of the model. An application is presented for the chloride and carbonation-induced corrosion of reinforced concrete structures.

⁽¹⁾Oxand France

Gerard B.⁽¹⁾, Capra B.⁽¹⁾

Many researchers have been working on providing excellence in the understanding of concrete structure behavior. During the last 20 years, a large amount of papers have been published concerning durability of these structures. How this research has been used from an owner point of view for decision making? Owners have to make decisions for life extension, for design of new infrastructures looking for more sustainability. Risk management is an efficient methodology for evaluating scenarios of design or maintenance actions. During last years, this methodology has been promoted to civil engineering community. In the context of sustainability of infrastructures, studies have been performed to make a bridge between science and decision makers. This paper will introduce how such bridges have been built and applied to practical industrial applications. In particular, the authors will analyze how ageing can impact structures under dynamic loads and long term risk evaluation. Conclusions in terms of maintenance management or design will be discussed.

⁽¹⁾Oxand France