Laboratoire de modélisation et d’analyse de la performance des structures (LMAPS)

Tout au long de sa durée de vie, un ouvrage de génie civil subit l’effet de l’environnement dans lequel il est placé. Selon la nature de l’environnement considéré, il vivra différents types d’événements qui induiront un certain nombre d’effets sur lui. Ces événements peuvent être classés selon une constante de temps caractéristique, qui leur est propre. 

Dans le cas des constantes de temps élevées (plusieurs dizaines d’années), on peut citer les processus physico-chimiques qui vont avoir pour effet de modifier les propriétés structurales (résistance et ductilité) de l’ouvrage. Dans le cas des constantes de temps faibles (quelques secondes ou moins), on peut citer les séismes, les explosions ou encore les impacts de projectiles. Ces actions sont susceptibles d’induire une dégradation importante de la structure jusqu’à altérer son intégrité.  

Évaluer la performance d’un ouvrage à un instant donné ou encore son évolution au cours du temps passe par la détermination d’un ensemble d’indicateurs. Ces indicateurs sont le résultat de simulations ou d’essais, généralement menés sur des prélèvements ou sur des maquettes représentatives et sont donc, par nature, entachés d’incertitudes. Ces incertitudes peuvent être liées d’une part à l’écart entre une prédiction et une observation – on parle d’incertitudes aléatoires – et d’autre part, à un manque de connaissances – on parle d’incertitudes épistémiques. La prise en compte de ces incertitudes dans l’évaluation de la performance d’un ouvrage doit être appréhendée afin d’être en mesure de fournir une évaluation de la performance qui intègre l’ensemble des connaissances disponibles.

Lorsque l’évaluation de sûreté repose sur la modélisation, ce qui est par exemple le cas dans le domaine des accidents graves, l’un des enjeux majeurs est l’estimation et la maîtrise des incertitudes associées à la prévision de la performance par simulations numériques. Dans ce contexte, la vérification et la validation des modèles de calcul, ainsi que les estimateurs d’erreur, revêtent une importance toute particulière.

Thématique de recherche

Pour quantifier et vérifier la performance, en fonction du temps, d’ouvrages dont il convient d’assurer un niveau de sûreté optimal, le LMAPS porte des thématiques variées et complémentaires sur lesquelles il mène des travaux expérimentaux ou des développements numériques. À titre d’exemple, on peut citer les thèmes suivants : 

Mieux comprendre le vieillissement des structures

• Pathologies du béton, du béton armé et du béton précontraint

Collaboration avec les unités de l’IRSN : 

- Laboratoire d'étude et de recherche sur les transferts et les interactions dans les sous-sols (LETIS) du Service des déchets radioactifs et des transferts dans la géosphère
- Laboratoire expérimentation environnement et chimie (L2EC) du Service d'Etude et de Recherche EXpérimentale
- Service de l'Ingénierie et des Projets de Recherche (SIPR)
- Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) du Service de Maîtrise des Incidents et Accidents

Mieux comprendre le comportement des structures sous chargement complexe 

• Mécanique de l’endommagement, approches à discontinuités cinématiques
• Approches multi-physiques, multi-échelles (mésoscopique, macroscopique)
• Interaction sol/structure sous séisme

Collaboration avec les unités de l’IRSN :

- Bureau d'évaluation des risques sismiques pour la sûreté des installations (BERSSIN) du Service de caractérisation des sites et des aléas naturels
- Bureau des études probabilistes des accidents majeurs du Service de la conduite des réacteurs et des EPS
- Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) du Service de Maîtrise des Incidents et Accidents

Maîtriser des incertitudes

• Courbes/surfaces de fragilité
• Méthodes de propagations d’incertitudes
• Etudes probabilistes de sûreté

Collaboration avec les unités : 

- Bureau des études probabilistes des accidents majeurs du Service de la conduite des réacteurs et des EPS 
- Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) du Service de Maîtrise des Incidents et Accidents

Les activités réalisées au sein du LMAPS sont abrités par les Groupes Thématiques de Recherche (GTR) Risques Naturels et Vieillissement.

Afin d’améliorer les approches d’évaluation de la performance d’ouvrages complexes, le LMAPS est associé et contribue à des recherches selon plusieurs axes qui portent sur l’ensemble des étapes de la chaîne d’analyse de la performance, décrite sur la figure ci-dessus.

Interaction ouvrage/environnement à grande constante de temps : maîtriser le vieillissement des ouvrages

Pathologies du béton

Identification, compréhension des mécanismes et des conséquences mécaniques du développement des réactions de gonflement interne dans les matériaux cimentaires, telles que la réaction alkali-granulat (RAG) et la réaction sulfatique interne (RSI).

• Projet ODOBA
• Projet CONCRETE
• Projet H2020/ACES

Pathologie du béton armé

Identification, compréhension des mécanismes et identification des conséquences mécaniques en lien avec le phénomène de corrosion des armatures présentes dans le béton armé, qui se manifeste sous l’action d’agents agressifs, tels que les chlorures ou le dioxyde de carbone. 

• Projet VERCORS (EDF)

Interaction ouvrage/environnement à petite constante de temps : évaluer la capacité à confiner d’un ouvrage sous chargement extrême

Séisme

Contribution à des programmes expérimentaux et développement de modèles, éventuellement non linéaires, pour prédire de manière satisfaisante le comportement d’éléments de structures ou de structures en béton armé sujets à un séisme.

• Projet COBRA, actions collaboratives IRSN-CEA-EDF-FRAMATOME

Impact

Contribution à des programmes expérimentaux et développement de modèles non linéaires pour prédire de manière satisfaisante l’évolution locale des propriétés mécaniques d’éléments de structures en béton armé à la suite d’un impact. 

Incendie/explosion/accident grave

Appréhension du comportement d’éléments de structures sollicités par un incendie, une explosion ou en situation d’accident grave et identification de la possibilité de perte de confinement, notamment en ce qui concerne la troisième barrière. 

Pathologie/aléa naturel

Contribution à des programmes expérimentaux et développement de modèles non linéaires multi-physiques visant à mieux appréhender le comportement d’éléments de structures ou de structures sujets à des sollicitations, dont les constantes de temps sont d’ordre de grandeur différent.

• Actions collaboratives IRSN-CEA-EDF-FRAMATOME, projet H2020/METIS (coordonné par EDF), projet ANR/ACCROSS (coordonné par IRSN)

Evaluer la performance

Quantités d’intérêt locales et globales

Contribution à l’estimation d’indicateurs spécifiques (débit de fuite, résistance, ouverture de fissures, etc.).

• Projet CONCRETE (IRSN)
• Projet COBRA (IRSN)
• Projet H2020/METIS (coordonné par EDF)
• Projet H2020/APAL (coordonné par ÚJV Řež)

Fragilité sismique

Contribution à la détermination du risque de défaillance en cas de séisme, prise en compte de la corrélation entre plusieurs mesures d’intensité sismique à travers la construction de surfaces de fragilité.

• Projet H2020/METIS (coordonné par EDF)

Les axes de recherche sur lesquels est impliqué le LMAPS sont clairement complémentaires. On peut distinguer deux axes élémentaires (Axes 1 et 2), un axe intégrateur (Axe 3) et, enfin, un axe à finalité applicative (Axe 4).

Le LMAPS s’appuie sur des ressources, des compétences et des équipements du Pôle Sûreté Nucléaire (PSN) sur les sites de Fontenay aux Roses, Cadarache et de Saclay. En particulier, on peut citer : 

• la plateforme expérimentale ODE exploitée par le Service d'Etude et de Recherche EXpérimentale sur le site IRSN de Cadarache, qui héberge notamment le projet international ODOBA visant à améliorer les connaissances en matière d’initiation, de propagation des pathologies gonflantes sur des éprouvettes de grande échelle pour des formulations de béton représentatives de celles ayant été utilisées pour le parc en exploitation ; 
• la plateforme expérimentale MACUMBA  exploitée par le Laboratoire d’expérimentations et de modélisation en aérodispersion et confinement (LEMAC) sur le IRSN de Saclay, qui héberge notamment le projet COBRA visant à acquérir des données expérimentales pour mieux caractériser les débits de fuites en air sec (épreuve décennale) et en air vapeur (accident grave) à travers des parois en béton armé précontraint.

Pour les activités nécessitant des ressources informatiques : 

• clusters de calcul mutualisé du Pôle Sûreté Nucléaire
• logiciel aux éléments finis Cast3MlLogiciel aux éléments finis (explicite) LS-DYNA

Certaines recherches d’intérêt pour le LMAPS menées en externe IRSN utilisent les moyens d’essais suivants :

• la plateforme d’essais sismiques TAMARIS du CEA
• les moyens d’essais accélérés disponibles à l’UGE et au LMDC Toulouse
• les moyens d’essais disponibles à l’ENSTA
   

Le LMAPS a vocation à apporter des éléments de réponse aux besoins issus de l’analyse de sûreté, notamment dans les domaines du génie civil et des études probabilistes de sûreté (EPS) de niveaux 1 et 2. Pour cela, le LMAPS réalise des études supports ciblées et dont les durées sont généralement de quelques mois. Pour pouvoir réaliser ces études, le LMAPS dispose de modèles de bâtiments de sites nucléaires français et s’assure qu’ils prennent en compte les connaissances disponibles. Ces modèles fournissent au LMAPS les outils indispensables à la réalisation d’études ou contre études en support aux analyses de sûreté. Les thèmes de ces études supports peuvent être variés puisqu’ils dépendent des besoins identifiés. A titre d’exemple, le LMAPS s’intéresse aux sujets suivants :

• Interaction corium/béton
• Comportement des enceintes de confinement (simple et double paroi) 
• Comportement du bâtiment réacteur en conditions d’accidents graves 
• Comportement du tampon d’accès matériels (TAM) 
• Comportement des peaux composites 
• Etc.

Le LMAPS s’appuie sur un solide réseau, à visibilité nationale et internationale. En interne IRSN, plusieurs unités de PSN Recherche travaillent en collaboration avec le LMAPS sur les thématiques d’intérêt de ce laboratoire.
Par ailleurs, le LMAPS est impliqué dans plusieurs sociétés savantes nationale et internationale.

A l’échelle nationale

Le LMAPS est représenté dans les instances de  l’Association française du génie parasismique (AFPS) en président notamment le Comité Scientifique et Technique sur la période 2020-2024. Il a également été impliqué dans plusieurs missions post-sismiques de terrain à la suite de séismes majeurs. On peut citer le séisme d’Albanie en 2019, le séisme du Teil (France) en 2019 et les séismes de Turquie-Syrie survenu en 2023. Ces expériences de terrain ont permis à plusieurs collaborateurs du LMAPS de se former aux situations post-sismiques, d’acquérir du retour d’expérience sur le comportement de structure, d’équipements sollicités par un séisme et d’acquérir les principes de la gestion de crise (lire l'actualité : l’IRSN a co-dirigé la mission post sismique française en Turquie).

Les partenaires nationaux du LMAPS sont : 

• l’ENS Paris Saclay, Saclay
• l’ENS Ulm, Paris
• le Laboratoire Matériaux et durabilité des constructions (LMDC), Toulouse
• le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Saclay
• l’Université Gustave Eiffel (UGE), Marne la Vallée  
• le Centre scientifique et technique du bâtiment (CSTB), Marne-la-Vallée
• le Laboratoire de mécanique et acoustique (LMA), Marseille 
• l’Université de Pau et des Pays de l’Adour, Pau
• l’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA), Lyon
• l’Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées (ENSTA), Palaiseau 
• l’Ecole Centrale de Nantes (ECN), Nantes 
• Électricité de France (EDF), Framatome

Le LMAPS est membre fondateur et pilote du la structure collaborative CONCRETE, rassemblant l’UGE, le LMDC, le LMA et plusieurs unités de l’IRSN (projet CONCRETE).

A l’échelle internationale

Le LMAPS est impliqué dans l’Association Internationale de Mécanique des Structures et de Technologies de réacteurs (iASMiRT). A ce titre, depuis 2019, le LMAPS est représenté dans les instances d’organisation et de pilotage de la conférence internationale SMiRT, congrès de référence en matière de mécanique des structures appliquée à l’industrie nucléaire.

Les partenaires internationaux du LMAPS sont : 

• l’Université de Sherbrooke, Canada
• la Commission canadienne de sûreté nucléaire (CNSC)
• la Commission de réglementation nucléaire (NRC)

Le LMAPS est également très impliqué dans groupe d’experts WGIAGE – sous-groupe « séisme » de l’OCDE/AEN.

Laboratoires IRSN partenaires

• Laboratoire d'étude et de recherche sur les transferts et les interactions dans les sous-sols (LETIS) du Service des déchets radioactifs et des transferts dans la géosphère
• Laboratoire expérimentation environnement et chimie (L2EC) du Service d'Etude et de Recherche Expérimentale
• Service de l'Ingénierie et des Projets de Recherche (SIPR)
• Laboratoire de Statistique et des Méthodes Avancées (LSMA) du Service de Maîtrise des Incidents et Accidents
• Laboratoire d’Expérimentations et de modélisation en aérodispersion et confinement (SA2I/LEMAC)
• Laboratoire de réalisation d'équipements expérimentaux (LR2E)  

PI Dr David BOUHJITI, Chef de Laboratoire - Spécialité : dynamique sismique, modèles numériques multi-physiques et multi-échelles, modèles de fuite en conditions d’accident grave, probabilités/statistiques
Julien CLEMENT, Ingénieur d’étude - Spécialité : interaction sol/structure, dynamique sismique, fragilité
Dr Thomas HEITZ, Ingénieur/chercheur - Spécialité : dynamique sismique, méthodes non linéaires, techniques expérimentales appliquées à la mécanique sismique, fragilité
Dr Daniela VO, Ingénieur/chercheur - Spécialité : pathologie du béton, développement de lois de comportement complexes pour la simulation de l’initiation et de la propagation de pathologies gonflantes
Dr Georges NAHAS, Ingénieur/chercheur - Spécialité : pathologie du béton, béton armé, méthodes de vieillissement accélérées, modèles avancés pour le vieillissement
Dr Try MENG, Ingénieur/chercheur - Spécialité : développement de modèles de jeune âge du béton, simulation avancée pour le calcul enceinte en situation d’accident grave, recalage de modèles non linéaire par des techniques bayésiennes
Dr Alexandre NEHME, Post-doctorant (collaboration H2020 ACES et LMDC Toulouse) - Spécialité : développement de modèles avancés de pathologies gonflantes, évaluation de la compétition entre fluage bi-axial et réactions de gonflement interne
Rita TOUBCHOURY, Doctorante (collaboration H2020 ACES et LMDC Toulouse) - Spécialité : étude de la compétition entre fluage bi-axial et réactions de gonflement interne
Omar NAJJAR, Doctorant (collaboration ENS Paris Saclay) - Spécialité : technique d’éléments discrets, réanalyse de la fissuration discrète, technique de couplage faible éléments discrets/éléments finis

Liste des thèses en cours et publication du laboratoire

Dr Arthur PICHELIN, Doctorant  - Spécialité : développement d’indicateurs de durabilité, application à détection de pathologies gonflantes
Dr Chaymaa LEJOUAD, Post-doctorante (collaboration ENS Paris Saclay) - Spécialité : développement d’un modèle d’interface acier/béton dans un contexte d’éléments coques multicouches
Dr Thomas LANGLADE, Post-doctorant (collaboration H2020 METIS) - Spécialité : validation et vérification de modèles non linéaires en mécanique sismique, entrechoquement sismo-induit entre bâtiments 
Dr Maryam TRAD, Doctorante (collaboration INSA Lyon & EDF) - Spécialité : modélisation de l’interface acier/béton, développement de modèles à cinématique simplifiée, application à la mécanique sismique 
Dr Alexandre NEHME, Post-doctorant (collaboration H2020 ACES et LMDC Toulouse) - Spécialité : développement de modèles avancés de pathologies gonflantes, évaluation de la compétition entre fluage bi-axial et réactions de gonflement interne
Pr Abhinav GUPTA, Université de Caroline du Nord - Spécialité : mécanique sismique, mécanique et dynamique des structures, intelligence artificielle, apprentissage, techniques de SHM, pathologies gonflantes, corrosion

• Thomas HEITZ (IRSN/LMAPS) reçoit le Prix Jacques Betbeder-Matibet de l’Association Française du Génie Parasismique
• L'IRSN récompensé aux ETSON Awards 2023
• Le prix VERCORS décerné par EdF dans le cadre du troisième benchmark VERCORS

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