Génie Civil : structure en béton

Le béton est un des matériaux le plus utilisé au monde et les simulations numériques sont donc d’une très grande importance pour l’étude de la durabilité et de l’aptitude au fonctionnement des structures en béton (ouvrages de génie civil, centrales nucléaires, réservoirs de gaz, etc.). Les déformations différées ainsi que les conditions d’expositions peuvent être à l’origine de fissurations, de pertes de précontrainte, de redistributions d’efforts vers des zones fragiles et même de la ruine de l’ouvrage.

Les outils actuels de simulation permettent d’analyser le comportement mécanique d’une structure complète en béton en prenant en compte les armatures, la précontrainte, le phasage de construction, les conditions environnementales et l’utilisation de l’ouvrage.

Deux familles d’études indépendantes ou complémentaires peuvent être menées :

L’évolution dans le temps

Comme tous les matériaux à matrice cimentaire, le béton subit, dès les premières heures qui suivent sa fabrication, des variations de volume significatives provoquées par l’hydratation du ciment, les conditions d’environnement extérieur (température et hygrométrie) et les chargements (poids propre d’un ouvrage de grande hauteur, précontrainte, …). En pratique, il arrive que ces changements volumétriques soient si importants qu’ils mènent à la fissuration prématurée de l’ouvrage lorsque le matériau est en conditions de retrait restreint (coffrage, armature, surface extérieure d’un ouvrage, …).

Bien que la fissuration puisse être associée, dans certains cas, à de mauvaises pratiques sur chantier, ce phénomène se manifeste également dans des ouvrages pour lesquels les opérations de production, de mise en place et de mûrissement du béton ont été faites selon les règles de l’art.

Simulation des déformations différées d’une structure en béton

Il n’existe pas à l’heure actuelle de méthode universelle donnant une évolution des déformations différées (fluage et retrait) en fonction d’un béton. Cependant, de nombreux travaux ont été publiés sur l’analyse de l’amplitude et de la cinétique de ces déformations différées (résultats expérimentaux, modèles réglementaires, équations analytiques, …). Ces différentes études ont permis d’identifier et de caractériser l’importance de certains paramètres de composition du béton. La cinétique et l’amplitude des déformations différées dépendent également des conditions environnementales : température, hygrométrie et chargement. Ces différentes analyses ont permis l’élaboration de certaines lois de fluage et de retrait qu’il faut caler en fonction des résultats expérimentaux.

Simulation du séchage d’éprouvette en béton

Grâce à la simulation numérique, la prévision de l’évolution des déformations différées en prenant en compte les phénomènes majeurs permet soit d’établir un plan de maintenance approprié, soit d’estimer la résistance résiduelle de l’ouvrage par l’analyse des états ultimes. La conséquence de ces évolutions peut affecter la tenue mécanique de la structure. 

La résistance ultime initiale ou résiduelle

La deuxième famille d’étude concerne l’analyse de la résistance ultime qui peut être effectuée sur les ouvrages à l’état initial ou bien après vieillissement dans le temps (couplages avec l’analyse des déformations différées de l’ouvrage). 

Simulation de la rupture d’une structure en béton armé précontraint

Ces analyses requièrent des modèles adaptés permettant de reproduire le comportement spécifique du béton et tout particulièrement la fissuration (anisotropie entre la traction et la compression) sur des chargements monotones ou cycliques.

Les principaux cas de charge sont les conditions extrêmes liées au fonctionnement et au climat, le séisme ou les conditions externes accidentelles telles que la chute d’un aéronef.

Simulation d’un essai de retrait restreint

Ingénierie du soudage et des traitements thermiques

Simulation numérique du soudage (SNS)

Pour accompagner les industriels dans toutes les problématiques d’assemblage de composants soudés simples ou complexes, EC2 développe depuis 2005 une expertise dans :

• La modélisation du soudage et de ses conséquences mécaniques (distorsions, transformations métallurgiques, contraintes résiduelles…)
• La modélisation des traitements thermiques ou mécaniques de mitigation
• L’analyse de la durée de vie des assemblages soudés

Animation : cliquer ici

Prédire la fatigue, la corrosion voire la rupture dans les zones soudées : un enjeu industriel

Les structures soudées sont omniprésentes dans l’industrie, et bien que la résistance immédiate d’un joint soudé soit généralement égale ou supérieure à celle du métal de base, les soudures constituent à plus ou moins long terme des talons d’Achille dans les structures.

Le soudage génère des modifications locales de propriétés mécaniques dans et au voisinage des joints soudés (modifications métallurgiques, durcissement, fragilisation…) exposant les soudures aux phénomènes de fatigue et de corrosion . La Zone Affectée Thermiquement (ZAT) constitue donc une zone de fragilité en raison des conséquences métallurgiques de l’opération de soudage.

De plus, les soudures sont rarement exemptes de défauts de natures diverses : présence de porosités ou d’inclusions, singularités géométriques locales, qui entraînent des concentrations locales de contraintes pouvant conduire à l’apparition de fissures se propageant en fatigue, voire à des ruptures brutales à court terme.

De même, les changements de forme locaux non désirés liée aux distorsions thermiques peuvent parasiter le bon fonctionnement mécanique des assemblages, ou poser des problèmes de tolérances dimensionnelles après réalisation.

Enfin, les fortes contraintes résiduelles induites par le soudage, qui s’ajoutent aux contraintes en service, contribuent également à réduire la durée de vie ou la performance mécanique des assemblages soudés.

Ces problèmes concernent tous les types de soudures, des assemblages mécano-soudés de faibles dimensions aux panneaux soudés de grandes dimensions et aux soudures de circuit primaire de centrales nucléaires.

Notre expertise dans la modélisation numérique et l’analyse de la tenue mécanique des assemblages soudés

Notre savoir-faire dans l’analyse mécanique des assemblages soudés s’appuie sur différents types de modélisations, plus ou moins complexes selon les objectifs visés :

• La simulation des phénomènes thermiques afin d’estimer les gradients de température dans la ou les pièces pour mettre au point les paramètres de soudage ou éviter les problèmes de surchauffes
• La simulation des transformations de phases métallurgiques à l’état solide, susceptibles de se produire dans le cas des aciers faiblement alliés, des alliages de titane ou d’aluminium, afin d’estimer la chute de résistance mécanique ou la fragilisation liée aux transformations.
• La détermination des contraintes résiduelles par des estimations forfaitaires (issues de bases de données) ou bien par une simulation thermo-métallo-mécanique transitoire non linéaire
• Le calcul des déformations engendrées par le soudage. Dans le cas de structures de grandes dimensions, des méthodes simplifiées (type déformations inhérentes) peuvent également être utilisées.
• La simulation du soudage multipasses, même dans le cas d’un grand nombre de passes (>100), en introduisant différentes méthodes simplifiées
• La simulation de procédés de type traitements thermiques (modélisation de la relaxation des contraintes lors de traitements de détensionnement par viscoplasticité, modélisation des phénomènes métallurgiques et mécaniques générés lors de la trempe de pièces massives, modélisation de procédés de traitements de surface…)
• L’intégration des contraintes et distorsions de soudage dans des calculs mécaniques avals sous divers types de chargement

Parallèlement à la simulation du procédé de soudage lui-même et de ses conséquences, EC2 réalise des analyses de tenue mécanique et de durée de vie des assemblages soudés, en conformité avec les principaux règlements et codes de construction (Eurocode, CODAP, CODRES, RCCM…). EC2 apporte également une expertise sur les problèmes de nocivité de défauts dans les soudures. Ces analyses peuvent associer des calculs éléments finis et des modèles analytiques et peuvent faire intervenir des géométries et des chargements complexes.

Formation à la simulation numérique du soudage (SNS)

EC2 propose une formation sur la simulation numérique du soudage, ainsi qu’une formation sur les approches éléments-finis en mécanique de la rupture.

Exemples de Simulation Numérique du Soudage :

Simulation des procédés de fabrication additive métallique

La fabrication additive ou impression 3D dans son appellation grand public occupe désormais dans l’industrie une place de plus en plus importante en complément des procédés de fabrication et d’usinage classiques. Forte d’une expérience de près de 15 ans en simulation numérique du soudage et en analyse des traitements thermiques, EC2 Modélisation propose depuis 2018, une expertise dans des méthodes numériques pour la simulation thermomécanique de procédés de fabrication additive métallique.

Des problématiques industrielles propres à la fabrication additive métallique

La réalisation de pièces industrielles par fabrication additive 3D nécessite un ajustement à des contraintes de réalisation spécifiques : l’impression couche par couche détermine un comportement particulier qu’il est indispensable d’anticiper pour optimiser le procédé et éviter de trop fortes contraintes ou distorsions. Des traitements thermiques doivent généralement être appliqués pendant ou après la fabrication et ce processus doit être particulièrement bien suivi pour garantir la bonne tenue mécanique du produit final.

Modélisation des processus de fabrication additive

Les enjeux de la modélisation des procédés de fabrication additive sont la prédiction des évolutions thermiques, métallurgiques, et mécaniques lors de la fabrication, en particulier la prédiction des contraintes et distorsions résiduelles des pièces, de même que la prédiction de leurs propriétés matériau après fabrication. Dans le cas des procédés de fabrication de type fusion sur lit de poudre, ou bien par dépôt de métal, une transposition des développements concernant la simulation des procédés de soudage, parvenus à maturité depuis quelques années, est désormais envisageable. Ces aspects sont parfaitement connus et maîtrisés par notre bureau d’études, qui s’appuie sur une connaissance experte de plus de 10 ans en simulation numérique du soudage. (lien vers page compétence soudage).

Ces simulations considèrent l’évolution transitoire des champs de température, de proportions de phases métallurgiques, de contraintes et de déformations au cours du dépôt de métal. Elles permettent en particulier d’obtenir des contraintes et déformations résiduelles dans les pièces durant tout le processus de fabrication, pour une séquence de dépôt et des paramètres de soudage donnés, ce qui permet d’optimiser et/ou de corriger les procédures de dépôt.

Ces méthodes sont particulièrement adaptées pour la fabrication additive métallique par certains types de procédés tel que la fusion par laser (Selective Laser Melting - SLM), le dépôt de fil fondu par laser ou à l’arc (Fused Deposition Modeling - FDM) ou encore la fusion par faisceau d’électrons (Electron Beam Melting - EBM). De même un large panel de matériaux métalliques peuvent être mis à l’étude tels que les aciers (austénitiques, martensitiques…), les alliages de titane ou à base nickel (Inconel) et de manière plus marginale, les aluminiums.

Notre expertise permet de répondre à différentes problématiques industrielles, et permet de :

• Réduire les pertes de fabrication grâce à la caractérisation des contraintes résiduelles dans la pièce et l’optimisation des zones finales à usiner pour les réduire
• Optimiser les séquences de dépôts et les conditions de bridage tout au long du processus de fabrication grâce à l’anticipation des distorsions et contraintes
• Réduire les temps de fabrication en quantifiant l’influence du préchauffage/refroidissement éventuel des supports, et en déterminant les temps optimaux entre deux passes.
• Améliorer et optimiser les processus post-fabrication en quantifiant l’influence sur les contraintes et déformations de traitements thermiques de détensionnement

Les avantages apportés par la modélisation permettent aux industriels une réelle maîtrise de toute la chaîne de production sans avoir à effectuer de longs et coûteux plans d’expérience expérimentaux.

Exemples de simulation de procédés de fabrication additive :

Flambage

Stabilité des structures minces

EC2 Modélisation possède une série d’outils numériques à même de mener à bien l’ensemble de ces analyses et commercialise un logiciel spécifiquement dédié à l’analyse de la stabilité des coques : STANLAX.

Images issues de simulations numérique de flambage :

Photographies de flambage de structures :