Aptitude au service des ouvrages

155 Pages·2015·29.48 MB·French

rPnl
~ Laboratoire Central
~ des Ponts el Chausséts
Sous la direction de Christian Crémona
Aptitude au service des ouvrages
Rapport de synthèse de l'opération de recherche (2002-2003)
ÉTUDES ET RECHERCHES
DES LABORATOIRES
DES PONTS ET CHAUSSÉES
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Aptitude au service des ouvrages
Rapport de synthèse de l'opération de recherche
(2002-2003)
Sous la direction de Christian Crémona
Octobre 2004
ml.lbomonCtntnl
,., dtsPonb llClllussits
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées
58, bd Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15
Ce rapport présente les résultats de l'opération de recherche " Aptitude au service des ouvrages ,,
(2002-2003).
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©2004-LCPC
ISSN 1161-028X
RAPPORT DE SYNTHESE DE L'OPERATION DE RECHERCHE« APTITUDE AU SERVICE DES OUVRAGES»
RESUME
L'opération «Aptitude au service des ouvrages» (2002-2003) présente une démarche
cohérente de l'évaluation de la perfonnance des ouvrages reposant sur la notion de phase de
performance dans un contexte probabiliste. Cette approche permet de considérer l'évaluation
non seulement sous l'angle de la sécurité structurale (états limites ultimes) mais aussi de
l'aptitude au service (états limites de service) et de la durabilité (matériau). Le cadre
probabiliste favorise la prise en compte du mieux possible des résultats d'inspection, et des
processus de dégradation pour mieux évaluer l'évolution de la performance au cours du
temps. Pour répondre à ces exigences. les objectifs de l'opération ont porté sur le
développement d'une méthodologie probabiliste de l'évaluation des ponts, sur la calibration
de coefficients partiels de sécurité pour les ouvrages existants, et sur l'introduction d'une
méthodologie basée sur la notion d'étapes ou phases de perfonnance.
L'évaluation des ponts existants est très semblable au calcul des ponts neufs, mais nécessite
des principes fondamentaux moins conservatifs afm d'éviter toute prise de décision inutile aux
lourdes conséquences fmancières. L'élimination de certaines des incertitudes, mais également
le traitement de nouvelles non prévues lors du dimensionnement est une approche rationnelle
qui peut être traitée par la théorie de la fiabilité des structures, qui exprime la sécurité
structurale en termes probabilistes.
Trois sujets ont ainsi été considérés, permettant de décliner la démarche scientifique retenue
et de traiter des problèmes à enjeux forts. Il s'agit de l'étude de l'aptitude au service des ponts
en béton armé (approche probabiliste de l'évaluation, calibration de coefficients de sécurité),
de l'analyse de la résistance résiduelle des câbles de suspension (approche probabiliste de
l'évaluation, calibration de coefficients de sécurité), et de l'évaluation et inspection des ponts
mixtes (approche probabiliste de l'évaluation).
Le rapport est divisé en quatre chapitres illustrés par quelques résultats principaux des trois
sujets précédents. La premier chapitre introduit les divers indicateurs de performance
utilisables (semi-probabiliste simple et actualisé, probabiliste simple et actualisé). Ces
indicateurs sont présentés au travers d'exemples traités au cours de l'opération, et un cadre
général d'application est également proposé. Le second chapitre traite de la notion de phases
de performance au travers de l'exemple de la corrosion des armatures de béton armé. Le
troisième chapitre a été axé sur la notion de fiabilité des résultats d'inspection et leur
traitement dans l'actualisation des probabilités de défaillance. Enfm, le dernier chapitre
regroupe les concepts probabilistes des chapitres précédents pour proposer une évaluation
globale de la performance sur la durée de maintenance d'un élément de structure. Cette
optimisation technico-économique de la maintenance est illustrée sur le cas d'un assemblage
soudé fissuré par fatigue.
Mots-clefs : Performance, durabilité, aptitude au service, sécurité structurale, fiabilité, phases
de performance, câble, ponts en béton armé, assemblage soudé, fatigue, inspection,
optimisation
RAPPORT DE SYNTHESE DE L'OPERATION DE RECHERCHE« APTITUDE AU SERVICE DES OUVRAGES»
ABSTRACT
The project "Structural performance of bridges" (2002-2003) presents a coherent approach for
the performance assessment of bridges based on the concept of performance cycle in a
probabilistic context. This approach makes it possible to consider the assessment not only
from the angle of structural safety (ultimate limit states) but also of serviceability
(serviceability limit states) and of durability (material). The probabilistic framework helps to
take into account as well as possible the inspection results, and the degradation processes for a
better understanding of the time-evolution of the structural performance. To answer these
requirements, the objectives of the project bas carried on the development of a probabilistic
methodology for the assessment of bridges, the calibration of partial safety factors for existing
reinforced concrete structures, and the introduction of a methodology based on the concept of
performance stages or cycles.
The assessment of existing bridges is very similar to the design of new bridges, but requires
less conservative principles in order to avoid useless decision-making with heavy financial
consequences. The elimination of some of uncertainties, but also the treatment of new
information not taken into account during the design phase, is a rational approach which can
be treated by the structural reliability theory, which expresses structural safety in probabilistic
terms.
Three subjects were thus considered, making it possible to apply the scientific approach and
to deal with problems with strong stakes. It is the study of the performance of reinforced
concrete bridges (probabilistic assessment approach, calibration of partial safety factors), the
analysis of the residual strength of suspension cables (probabilistic assessment approach,
calibration of safety factors), and the evaluation and inspection of composite bridges
(probabilistic assessment approach).
The report is divided into four chapters illustrated by the principal results of the three
preceding subjects. The first chapter introduces the various performance indexes (simple and
updated, probabilistic and semi-probabilistic ). These indexes are presented through examples
treated during the project, and a general application framework is also proposed. The second
chapter introduces the concept of performance cycles through the example of the corrosion of
concrete reinforcements. The third chapter deals with the concept of inspection reliability and
the use of inspection results in the updating of the probabilities of failure. Lastly, the final
chapter gathers the probabilistic concepts of the preceding chapters to propose a total
assessment of the performance over a given maintenance period for an element of a structure.
This technico-economical maintenance optimization is illustrated by the case of a welded
joint damaged by fatigue.
Keywords: Performance, durability, serviceability, structural safety, reliability, performance
cycles, cab le, reinforced concrete, welded joints, fatigue, corrosion, inspection, optimization
TABLE DES MATIERES
~LE
DES MATIERES
~LE
DES MATIERES •••••.••••..•••••••••••••••..•••••••••••••••.•..••.•••••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••• !
~ODUCTION
•••..•.•... -····-······························································································ 5
1. DE L'IMPORTANCE DU PROCESSUS D'EVALUATION ........................................................ 5
2. DE LA NOTION DE CYCLE DE VIE OU DE PERFORMANCE •.•••.•..••.•..••.•...•...•.••...........•........ 6
2. 1. Retour sur les objectifs de/ 'opération ................................................................... 6
2.2. Sujet 1 : Aptitude au service des ponts en béton armé ........................................... 7
2.3. Sujet 2 : Résistance résiduelle des câbles de suspension ....................................... 7
2.4. Sujet 3 : Evaluation et de /'inspection des ponts mixtes ........................................ 8
2.5. Une démarche fédératrice: la notion d'étapes ou de phases de performance ...... 9
~ORMANCE
DES OUVRAGES' CONCEPTS,
MESURES ET INDICATEURS •...•..•..•...................................•..•..•.•....••.....•.••..•..••.•..• 13
1. DE LA NOTION DE FONCTION A LA NOTION DE PERFORMANCE ...............•.......••.••.••••••••. 13
1. 1. Changement de fonction ....................................................................................... 14
1.2. Extension de la durée d'utilisation ....................................................................... 14
1.3. De la performance ................................................................................................ 15
1.3.1. Sécurité structurale ............................................................................................ 15
1.3.2. Aptitude au service ........................................................................................... 15
1.3.3. Durabilité .......................................................................................................... 15
1.4. Quelques mesures de performance ...................................................................... 17
1.5 . Evolution de la performance et conséquences ..................................................... 17
1. 6. Indicateurs de performance ................................................................................. 17
2. APPROCHE SEMI-PROBABILISTE SIMPLE •................................•••••••......................••.•.•... 20
2.1. Principe ................................................................................................................ 20
2.2. Exemple 1 : Etude de la fiabilité de sections en béton armé dégradées (sujet N°1)
.............................................................................................................................. 20
2.2.1. Contexte de la dégradation des armatures ........................................................ 21
• 1 •
TABLE DES MATIERES
2.2.2. Modélisation de la phase d'initiation ................................................................ 24
2.2.3. Seuils critiques de durabilité ............................................................................. 25
2.2.4. Propagation de la corrosion .............................................................................. 26
2.2.5. Effets de la dégradation des armatures ............................................................. 27
2.2.6. Performance d'une section en béton armé à l'état limite ultime ...................... 28
2.2.7. Introduction de la corrosion .............................................................................. 32
2.3. Exemple 2: Fissuration par fatigue des assemblages soudés (Sujet N°3) .......... 35
2.3.1. Pratique actuelle de la vérification à la fatigue ................................................. 35
2.3.2. Modélisation du processus de fatigue ............................................................... 38
2.3.3. Modèle de propagation de fissure ..................................................................... 40
2.3.4. Détermination de la profondeur de fissure critique .......................................... 42
2.3.5. Marge de sécurité et probabilité de défaillance ................................................ 44
2.4. Description probabiliste de/ 'endommagement au cours du temps ..................... 46
2.4.1. Le modèle par chaînes de Markov .................................................................... 4 7
2.4.2. Détermination de la matrice de transition de probabilités ................................ 49
2.4.3. Méthode markovienne fiabiliste ....................................................................... 50
3. APPROCHE SEMI-PROBABILISTE ACTUALISEE .•.••.•.•••....•••..................•.•••..•••..............••• 53
3.1. Principe ................................................................................................................ 53
3.2. Exemple 3: Evolution du coefficient de sécurité d'une suspension de pont. ....... 53
3.2.1. Loi de comportement d'un fil ........................................................................... 54
3.2.2. Introduction de la corrosion .............................................................................. 57
3.2.3. Loi de comportement globale d'un tronçon de toron ........................................ 59
3.2.4. Comportement global du câble ......................................................................... 62
3.2.5. Application au calcul du coefficient de sécurité ............................................... 64
3.3. Exemple 4 : Calibration de coefficient partiels de sécurité pour des ponts
en béton armé dégradés ........................................................................................ 66
4. APPROCHE PROBABILISTE ACTUALISEE ........................................................................ 70
5. PRINCIPES DE BASE POUR L'EVALUATION DES OUVRAGES EXISTANTS ••.•.•.•...••...•......... 73
~OTION
DE PHASES DE PERFORMANCE·······················-··-·-·-······················· 77
1. INTRODUCTION •....••.........................••...•...•.•.••••••.••.••••.••.............................................. 77
2. ANALYSE DES CYCLES DE PERFORMANCE D'UNE FAMILLE D'OUVRAGES ...............•...... 77
2.1. Apparition d'une fissure ....................................................................................... 77
2.2. Propagation d'une fissure .................................................................................... 79
-2-
TABLE DES MATIERES
3. PREDICTION DES ETAPES DU CYCLE DE VIE DES POUTRES D'UN PONT .....•.•••.•••.•.••........ 80
4. PREDICTION DES ETAPES DE PERFORMANCE POUR UNE FAMJLLE DE PONTS .................. 83
5. CONCEPTION ET ANALYSE DE SOUS-FA MJLLES BASEE SUR LA F AMJLLE DE PONTS ......•. 87
6. EN CONCLUSION .....................................................•..•...••••...••••••••..••.•••••.•.....••...........•. 93
DFIABILITE DES RESULTATS D'INSPECTION. .................................................... 95
1. FIABILITE DES RESULTATS D'INSPECTION. .................................................................... 95
2. PRINCIPES ..........................................................................•............••.•••.....•....•••••.••••.•. 96
2.1. Probabilité de détection ....................................................................................... 97
2.2. Précision de la mesure ......................................................................................... 99
2.3. Probabilité de fausse alarme. ............................................................................... 99
3. RELATIONS ENTRE MESURES DE PERFORMANCE DES INSPECTIONS ••••..••.••.•................ 100
4. DETERMINATION DES PROBABILITES DE DETECTION SANS DIMENSIONNEMENT DU
DEFAUT .........•.••.......................•..•••..•.................................................•...••.••...•••••................. 101
4.1. Influence du ratio signal/bruit pour la détection de.fissure ............................... 102
4.2. Remarque sur le caractère conditionnel des probabilités de détection et de fausse
alarme ............................................................................................................................ 103
5. CONCEPTION DES ESSAIS POUR L'EVALUATION DE LA FIABILITE DES TECHNIQUES
D'INSPECTION ....••............................••......••.•...•••.••........................••..••.••••••......•.••................. 105
5.1. Construction de fonctions Pv(a) à partir d'essais SE ...................................... 105
5.2. Nombre de corps d'épreuve et nombres de.fissures ........................................... 106
5.3 AnalyseSE ............................................................................................................. 106
5.3. â-analyse ......................................................................................................... 107
5.4. Sites intègres ...................................................................................................... 107
6. PROTOCOLE DES ESSAIS DU THEME V DU PN MIKTI... •••••................................•....••.. 109
6.1. Fabrication des éprouvettes ............................................................................... 109
6.2. Détermination des paramètres d'essai ............................................................... 111
6.3. Protocole d'essai ................................................................................................ 114
aPTIMISATION TECHNICO-ECONOMIQUE. .................... - ........................... 11'
1. INTRODUCTION •.••.•••.••......••........•.•••••••••••••...............•.••••••................•.....•••••••••....•...•. 119
2. TYPES DE MAINTENANCE ......•.•...........•........•.•....•.........................••..........•........•.••••.. 119
2.1. Maintenance corrective ...................................................................................... 120
2.2. Maintenance préventive ..................................................................................... 120
3. CYCLES DE PERFORMANCE ET COUTS D'USAGE ......•............••..........•.•••.....•..•.•........... 120
-3 -