A resistência à ruptura de materiais frágeis como o concreto de granulometria fina é fortemente dependente de sua heterogeneidade, do tamanho da amostra e da heterogeneidade das tensões. A partir de uma abordagem probabilista, fundamentada no modelo de Weibull, este trabalho trata da influência de tais efeitos sobre a resistência à tração de painéis compósitos formados por concreto de granulometria fina e telas soldadas. Desde que as armaduras se mantenham em regime elástico, mostra-se que o modelo de Weibull de dois parâmetros pode ser empregado com sucesso na previsão da ruptura dos painéis compósitos em estudo. Os parâmetros foram então identificados com medidas de ensaios de flexão em três e em quatro pontos de barras de concreto de granulometria fina de dois tamanhos diferentes. A utilização do modelo de Weibull confirmou, por outro lado, a validade da teoria de misturas como ferramenta para estimar as resistências de rupturas locais correspondentes a diferentes níveis de formação de fissuras / The rupture strength of brittle materials such as the microconcrete is strongly dependent on the microstructural heterogeneity, the sample size and the stress heterogeneity. Using a probabilistic approach, based on the Weibull distribution, this work deals with the influence of such effects on the tensile strength of composite panels formed by microconcrete and welded wire grids. Provide the reinforcements behaves in elastic regime, it is shown that the model of Weibull of two parameters can be used with success to predict the failure of the composite panels studied. The parameters were then identified from measurements of flexural tests in three and in four points of two different sizes of microconcrete samples. The feasibility of the Weibull model validates, as well, the rule of mixture as a satisfactory tool to estimate local failure strengths of related to different levels of cracking

This thesis deals with the development of a complex methodology for probabilistic analysis of reliability and durability of reinforced concrete structures, especially road bridges. An estimation of load-bearing capacity is carried out using probabilistic methods in combination with the nonlinear finite element method analysis and also with respect to reliability requirements according to standards. The current state of the structure is taken into account based on the mathematical modeling of the degradation processes, such as concrete carbonation, chloride ingress and subsequent corrosion of reinforcement. Then the load-bearing capacity and reliability is predicted over time. Attention is focused on the upgrade of the analytical models for modeling of degradation processes with regard to the effect of mechanical load on the structure or its components, the development of an artificial neural network-based response surface method for efficient approximation of the original limit state function with respect to the accuracy and a minimization the number of simulations, and an interconnection of individual processes and advanced methods in an automatic process.

Une courbe de fragilité sismique qui présente la probabilité de défaillance d’une structure en fonction d’une intensité sismique, est un outil performant pour l’évaluation de la vulnérabilité sismique des structures en génie nucléaire et génie civil. On se concentre dans cette thèse sur l’approche par simulations numériques pour la construction des courbes de fragilité sismique. Une étude comparative des méthodes paramétriques existantes avec l’hypothèse log-normale est d’abord réalisée. Elle permet ensuite de proposer des améliorations de la méthode du maximum de vraisemblance dans le but d’atténuer l’influence de l’excitation sismique lors de son processus de construction. Une autre amélioration est l’application de la méthode de simulations par subsets pour l’évaluation de la probabilité de défaillance faible. Enfin, en utilisant la méthode de calcul de l’évolution des fonctions de densité de probabilité qui permet d’évaluer la probabilité conjointe entre la réponse structurale et les variables aléatoires du système et de l’excitation, nous proposons également une nouvelle technique non-paramétrique de construction des courbes de fragilité sismique sans utiliser l’hypothèse de la loi log-normale. La validation des améliorations et de la nouvelle technique est réalisée sur des exemples numériques. / A seismic fragility curve that shows the failure probability of a structure in function of a seismic intensity is a powerful tool for the evaluation of the seismic vulnerability of structures in nuclear engineering and civil engineering.We focus in this thesis on the numerical simulations-based approach for the construction of seismic fragility curves. A comparative work between existent parametric methods with the lognormal assumption of the fragility curves is first performed. It then allows proposing improvements to the maximum likelihood method in order to mitigate the influence of seismic excitation during its construction process. Another improvement is the application of the subsets simulation method for the evaluation of the low probability of failure. Finally, using the Probability Density Evolution Method (PDEM) for evaluating the joint probability between a structural response and random variables of a system and/or excitations, a new technique for construction of seismic fragility curves was proposed. The seismic fragility curve can be derived without the assumption of lognormal law. The improvements and the new technique are all validated by numerical examples.

Les ingénieurs utilisent de plus en plus de modèles numériques leur permettant de diminuer les expérimentations physiques nécessaires à la conception de nouveaux produits. Avec l’augmentation des performances informatiques et numériques, ces modèles sont de plus en plus complexes et coûteux en temps de calcul pour une meilleure représentation de la réalité. Les problèmes réels de mécanique sont sujets en pratique à des incertitudes qui peuvent impliquer des difficultés lorsque des solutions de conception admissibles et/ou optimales sont recherchées. La fiabilité est une mesure intéressante des risques de défaillance du produit conçu dus aux incertitudes. L’estimation de la mesure de fiabilité, la probabilité de défaillance, nécessite un grand nombre d’appels aux modèles coûteux et deviennent donc inutilisable en pratique. Pour pallier ce problème, la métamodélisation est utilisée ici, et plus particulièrement les méthodes AK qui permettent la construction d’un modèle mathématique représentatif du modèle coûteux avec un temps d’évaluation beaucoup plus faible. Le premier objectif de ces travaux de thèses est de discuter des formulations mathématiques des problèmes de conception sous incertitudes. Cette formulation est un point crucial de la conception de nouveaux produits puisqu’elle permet de comprendre les résultats obtenus. Une définition des deux concepts de fiabilité et de robustesse est aussi proposée. Ces travaux ont abouti à une publication dans la revue internationale Structural and Multidisciplinary Optimization (Lelièvre, et al. 2016). Le second objectif est de proposer une nouvelle méthode AK pour l’estimation de probabilités de défaillance associées à des évènements rares. Cette nouvelle méthode, nommée AK-MCSi, présente trois améliorations de la méthode AK-MCS : des simulations séquentielles de Monte Carlo pour diminuer le temps d’évaluation du métamodèle, un nouveau critère d’arrêt sur l’apprentissage plus stricte permettant d’assurer le bon classement de la population de Monte Carlo et un enrichissement multipoints permettant la parallélisation des calculs du modèle coûteux. Ce travail a été publié dans la revue Structural Safety (Lelièvre, et al. 2018). Le dernier objectif est de proposer de nouvelles méthodes pour l’estimation de probabilités de défaillance en grande dimension, c’est-à-dire un problème défini à la fois par un modèle coûteux et un très grand nombre de variables aléatoires d’entrée. Deux nouvelles méthodes, AK-HDMR1 et AK-PCA, sont proposées pour faire face à ce problème et sont basées respectivement sur une décomposition fonctionnelle et une technique de réduction de dimension. La méthode AK-HDMR1 fait l’objet d’une publication soumise à la revue Reliability Engineering and Structural Safety le 1er octobre 2018. / Engineers increasingly use numerical model to replace the experimentations during the design of new products. With the increase of computer performance and numerical power, these models are more and more complex and time-consuming for a better representation of reality. In practice, optimization is very challenging when considering real mechanical problems since they exhibit uncertainties. Reliability is an interesting metric of the failure risks of design products due to uncertainties. The estimation of this metric, the failure probability, requires a high number of evaluations of the time-consuming model and thus becomes intractable in practice. To deal with this problem, surrogate modeling is used here and more specifically AK-based methods to enable the approximation of the physical model with much fewer time-consuming evaluations. The first objective of this thesis work is to discuss the mathematical formulations of design problems under uncertainties. This formulation has a considerable impact on the solution identified by the optimization during design process of new products. A definition of both concepts of reliability and robustness is also proposed. These works are presented in a publication in the international journal: Structural and Multidisciplinary Optimization (Lelièvre, et al. 2016). The second objective of this thesis is to propose a new AK-based method to estimate failure probabilities associated with rare events. This new method, named AK-MCSi, presents three enhancements of AK-MCS: (i) sequential Monte Carlo simulations to reduce the time associated with the evaluation of the surrogate model, (ii) a new stricter stopping criterion on learning evaluations to ensure the good classification of the Monte Carlo population and (iii) a multipoints enrichment permitting the parallelization of the evaluation of the time-consuming model. This work has been published in Structural Safety (Lelièvre, et al. 2018). The last objective of this thesis is to propose new AK-based methods to estimate the failure probability of a high-dimensional reliability problem, i.e. a problem defined by both a time-consuming model and a high number of input random variables. Two new methods, AK-HDMR1 and AK-PCA, are proposed to deal with this problem based on respectively a functional decomposition and a dimensional reduction technique. AK-HDMR1 has been submitted to Reliability Enginnering and Structural Safety on 1st October 2018.

Dans le domaine du génie civil, le dimensionnement des structures en béton armé est essentiellement basé sur des démarches déterministes. Cependant, les informations fournies par des analyses déterministes sont insuffisantes pour étudier la variabilité de la réponse de la dalle. Le manque de connaissance des charges appliquées ainsi que les incertitudes liées à la géométrie de la dalle et les caractéristiques des matériaux nécessitent donc l’utilisation d’une approche fiabiliste qui permet la propagation de ces incertitudes dans les analyses déterministes. L'approche fiabiliste est basée sur le principe de couplage mécano-fiabiliste qui consiste à coupler un modèle stochastique et un modèle déterministe. Cependant un couplage mécano-fiabiliste peut être très exigeant en temps de calcul. Dans le cadre de cette thèse, la méthodologie propre aux problématiques des ouvrages du génie civil est développée et validée tout d'abord sur un cas simple de structures en béton armé. Le cas d'une poutre encastrée en béton armée est proposé. Le système est modélisé sous CASTEM par une approche aux éléments finis de type multifibre. Puis la fiabilité d'une dalle en béton armé impactée par une masse rigide à faible vitesse est étudiée en couplant OpenTURNS à Abaqus. Enfin, une enceinte de confinement en béton précontrainte modélisée sous ASTER est étudiée d'un point de vue probabiliste. Seul le problème physique des dalles en béton armé soumises à une chute de colis dans les centrales nucléaires est examiné en détail. Deux modèles déterministes sont utilisés et évalués afin d’étudier les phénomènes dynamiques appliqués aux dalles en béton armé sous impact : un modèle par éléments finis en 3D modélisé sous Abaqus et un modèle simplifié de type masse-ressort amorti à deux degrés de liberté. Afin d’étudier la fiabilité des dalles en béton armé, nous avons couplé les méthodes Monte Carlo et simulation d’importance avec le modèle de type masse-ressort. FORM est utilisée avec le modèle par éléments finis. L’objectif de cette étude est de proposer des solutions pour diminuer le temps de calcul d'une analyse fiabiliste en utilisant deux stratégies dans le cas des dalles impactées. La première stratégie consiste à utiliser des modèles analytiques qui permettent de prédire avec précision la réponse mécanique de la dalle et qui sont moins coûteux en temps de calcul. La deuxième consiste à réduire le nombre d’appels au modèle déterministe, surtout dans le cas des modèles par éléments finis, en utilisant des méthodes probabilistes d'approximation. Ces deux stratégies sont comparées afin de vérifier l’efficacité de chacune pour calculer la probabilité de défaillance. Enfin, une étude paramétrique est réalisée afin d’étudier l’effet des paramètres d’entrées des modèles déterministes sur le calcul de la probabilité de défaillance. / Reinforced concrete structures (RC) are subjected to several sources of uncertainties that highly affect their response. These uncertainties are related to the structure geometry, material properties and the loads applied. The lack of knowledge on the potential load, as well as the uncertainties related to the features of the structure shows that the design of RC structures could be made in a reliability framework. This latter allows propagating uncertainties in the deterministic analysis. However, in order to compute failure probability according to one or several failure criteria, mechanical and stochastic models have to be coupled which can be very time consuming and in some cases impossible. The platform OpenTURNS is used to perform the reliability analysis of three different structures . OpenTURNS is coupled to CASTEM to study the reliability of a RC multifiber cantilever beam subjected to a concentrated load at the free end, to Abaqus to study the reliability of RC slabs which are subjected to accidental dropped object impact during handling operations within nuclear plant buildings, and to ASTER to study the reliability of a prestressed concrete containment building. Only the physical problem of reinforced concrete impacted by a free flying object is investigated in detail. Two deterministic models are used and evaluated: a 3D finite element model simulated with the commercial code “Abaqus/Explicit” and an analytical mass-spring model. The aim of this study is to address this issue of reliability computational effort. Two strategies are proposed for the application of impacted RC slabs. The first one consists in using deterministic analytical models which predict accurately the response of the slab. In the opposite case, when finite element models are needed, the second strategy consists in reducing the number of simulations needed to assess the failure probability. In order to examine the reliability of RC slabs, Monte Carlo and importance sampling methods are coupled with the mass-spring model, while FORM is used with the finite element model. These two stategies are compared in order to verify their efficiency to calculate the probability of failure. Finally, a parametric study is performed to identify the influence of deterministic model parameters on the calculation of failure probability (dimensions of slabs, impact velocity and mass, boundary conditions, impact point, reinforcement.

Dans le contexte énergétique qui se profile, la production d’électricité par voie solaire thermodynamique s’avère une solution prometteuse, que ce soit pour des considérations économiques, d’échelle de production ou environnementales. Une voie d’amélioration du rendement des centrales solaires à tour consiste à utiliser des cycles thermodynamiques à haut rendement type cycles combinés. Cela nécessite de pouvoir fournir un fluide de travail pressurisé à très haute température (10bar et 1000°C minimum). Ce manuscrit présente les travaux menés afin de développer et de viabiliser un concept d’absorbeur solaire surfacique modulaire en céramique (carbure de silicium) capable de répondre à ces exigences. Le choix du carbure de silicium s’est imposé pour sa résistance aux hautes températures et aux problèmes d’oxydation. Cependant, l’utilisation d’une céramique comme matériau implique un risque de casse des modules. Les céramiques sont en effet fragiles lorsqu’elles sont soumises à des contraintes de traction. C’est la connaissance et la maitrise de ce risque qui fait l’objet de cette étude. L’approche adoptée combine le développement d’outils numériques et d’études expérimentales réalisées sur le site de la centrale solaire Thémis (Targassonne, 66, France). La méthodologie desimulation développée permet de prédire le comportement thermique et le comportement mécanique de l’absorbeur. Ceci permet de réduire les risques encourus par l’absorbeur et d’en connaitre les performances. Cette méthodologie a été éprouvée à l’aide des résultats expérimentaux. / For the future, using thermodynamical solar power plant seems to be a good solution to ensure electrical production. Solar tower plants are able to produce electricity in significant amount, are environmentally friendly and economically competitive. One way to increase the yield of these plants is using high efficiency thermodynamical cycles, like combined cycle. That requires to providing a working fluid at high temperature and high pressure (10bar and 1000°C at least). This PHD thesis presents the works performed to develop and enhance a concept of modular plate solar ceramic absorber that can ensure the required air production. We chose the silicon carbide as material due to its resistance to high temperatures and oxidation problems. The drawback is ceramic modules are weak to traction stresses. The study focuses on the knowledge and the control of this phenomenon. This work combines the developments of numerical tools and experimental studies performed at Thémis power plant (Targassonne, 66, FRANCE). The numerical method permits simulations to predict the thermal behavior and the mechanical behavior of a solar module absorber. It allows the reduction of the mechanical stresses undergone by solar receiver and the prediction of its performances. This methodology was tested using experimental results.

Subject of the dissertation is a probability analysis on creation of embankment subsoil filtration deformations. Out of the broad topic of filtration deformations, the dissertation is focused at initiation of the process. At this phase, the overlying layers downstream of levee get uplifted, and eventually get breached. The process of downstream subsoil failure probability estimation is formulated using mathematical and statistical modelling. Within the scope of parametrical study the suggested method is applied onto a test environment. Results of the probability estimation are compared with results obtained using Limit state design method. The results of stochastic modelling can be used for improvement of Limit state design method precision.

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O envelhecimento de uma instalação industrial provoca o aumento do número de falhas. A probabilidade de falhar é um indicador do momento em que deve ser feita uma parada para manutenção. É desenvolvido um método estatístico, baseado na teoria não-markoviana, para a determinação da variação da probabilidade de falhar em função do tempo de operação, que resulta num sistema de equações diferenciais parciais de natureza hiperbólica. São apresentadas as soluções por passo-fracionário e Lax-Wendroff com termo fonte. Devido à natureza suave da solução, os dois métodos chegam ao mesmo resultado com erro menor que 10−3. No caso estudado, conclui-se que o colapso do sistema depende principalmente do estado inicial da cadeia de Markov, sendo que os demais estados apresentam pouca influência na probabilidade de falha geral do sistema. / During the useful life of an industrial plant, the failure occurrence follows an exponential distribution. However, the aging process in an industrial plant generates an increase of the failure number. The failure probability is a rating for the maintenance stopping process. In this paper, an statistical method for the assessment of the failure probability as a function of the operational time, based on the non-Markovian theory, is presented. Two maintenance conditions are addressed: In the first one, the old parts are utilized, after the repair this condition being called as good as old; in the second one the old parts are substituted by brand new ones this condition being called as good as new. A non-Markovian system with variable source term is modeled by using hyperbolic partial differential equations. The system of equations is solved using the Lax-Wendroff and fractional-step numerical schemes. The two methods achieve to approximately the same results, due to the smooth behavior of the solution. The main conclusion is that the system collapse depends essentially on the initial state of the Markov chain.