Sujet de thèse IFSTTAR

 

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Fiche détaillée :

Titre : Augmentation de la durée de vie par parachèvement des assemblages soudés : application aux ponts et structures métalliques.

Laboratoire principal - Référent principal   -     
Directeur du laboratoire principal   -  
Spécialité de la thèse Matériaux, Génie Civil, Mécanique, Structures
Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal Nantes
Etablissement d'inscription Université Bretagne Loire
Ecole doctorale SCIENCES POUR L'INGENIEUR, GEOSCIENCES, ARCHITECTURE (SPIGA)
Directeur de thèse prévu DIENG Lamine  -  Université Gustave Eiffel  -  MAST - SMC
Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte et objectifs :

La fatigue est, après la corrosion, la principale pathologie des structures métalliques. Dans le cas des assemblages soudés, le phénomène de fatigue intervient de manière préférentielle au niveau des cordons de soudure en raison de la présence d’une forte concentration de contraintes et de l’existence de contraintes résiduelles créées lors des opérations de soudage. Différentes méthodes de traitement du joint soudé existent (dites méthodes de « parachèvement ») et ont pour but d’améliorer la géométrie du cordon de soudure (meulage, refusion TIG). Certaines méthodes peuvent même inverser les contraintes résiduelles présentent dans l’assemblage en introduisant des contraintes résiduelles de compression (martelage, grenaillage). Bien que l’efficacité de ces méthodes soit avérée, il est aujourd’hui difficile de quantifier et de garantir le gain en durée de vie obtenu qui pourrait, par la suite, être pris en compte dans les calculs de durée de vie des ouvrages d’art métalliques neufs ou existants. Des conditions de réalisation de ces méthodes doivent être fournies ainsi que des moyens de contrôle de la qualité de leur mise en œuvre sur site.
Le sujet de thèse proposé s’attache donc à l’étude de l’amélioration de la durée de vie en fatigue des assemblages soudés apportée par différentes méthodes de parachèvement. L’objectif principal est de proposer une démarche applicable visant à augmenter la durée de vie des structures neuves et à prolonger celle des structures existantes.

Déroulement de la thèse :

Une première partie s’attachera à la mise en place d’une large campagne expérimentale menée sur des éprouvettes en T soudées, vieillies par fatigue puis soumises aux trois techniques de parachèvement les plus utilisées : martelage, meulage et refusion TIG. Ces éprouvettes seront menées à rupture en fatigue afin de quantifier l’apport en durée de vie obtenu pour chaque technique de parachèvement. Plusieurs niveaux de vieillissement pourront également être envisagés. L’étude des contraintes résiduelles dues au soudage et au parachèvement sera réalisée par la méthode DRX disponible chez notre partenaire SONATS. Une étude paramétrique sur les conditions de réalisation des traitements sera menée en vue de déterminer l’influence de certains paramètres sur l’efficacité des techniques. Parmi ces paramètres on peut noter : la température de soudage, le nombre et l’ordre des passes, la puissance de martelage, l’énergie de refusion, l’angle d’inclinaison de la torche,…

Ce travail expérimental permettra par la suite d’améliorer et de valider les modèles numériques de soudage et de parachèvement déjà existants au sein du laboratoire SMC de l'ifsttar, en tenant compte notamment des changements de phase qui jouent un rôle prépondérant dans le développement des contraintes résiduelles. On s’intéressera dans ce cadre à la quantification de l’augmentation de durée de vie apportée par chacune des méthodes, via l’étude de la modification des contraintes résiduelles internes. Différentes situations seront comparées : le cas où le traitement est effectué au moment de la fabrication de la structure et celui où le traitement est effectué durant sa durée de vie en service.

Enfin, une dernière partie s’intéressera au contrôle et/ou monitoring sur site des phénomènes de fatigue avant et après traitement. Plusieurs méthodes de suivi de l’endommagement en fatigue seront testées en laboratoire puis classées en fonction de plusieurs critères tels que la facilité de mise en application, l'exploitation des données, leur précision, et le coût.

L’objectif final est de fournir aux maîtres d’ouvrage une démarche complète intégrant des recommandations de choix, de mise en œuvre et de contrôle du parachèvement ainsi qu’une évaluation de la nouvelle tenue à la fatigue de l’ouvrage.

Résultats attendus :

Le travail proposé doit permettre de fixer un niveau de confiance concernant l'efficacité des traitements de parachèvement effectués sur assemblages soudés déjà vieillis (historique de cycle de contraintes), mais aussi d’améliorer la compréhension des effets et mécanismes mis en jeu au cours du traitement.

Les principaux résultats attendus sont listés ci-dessous :
- Apport du « parachèvement » sur assemblages soudés vieillis vis-à-vis de leur comportement en fatigue.
- Evaluation de l’état de contraintes résiduelles générées par le parachèvement (relaxation voire inversion des contraintes) et son évolution en fonction de l’histoire et du chargement en fatigue de l’assemblage soudé.
- Modélisation du soudage et du parachèvement permettant d’optimiser l’étude paramétrique des conditions de réalisation du traitement.
- Recommandations pour la mise en œuvre (mode opératoire) des différentes méthodes de parachèvement faisant l’objet de la thèse avec pour objectif, d’améliorer la reproductibilité des opérations et donc le niveau de confiance dans le gain en durée de vie attendu.
- Solutions de monitoring en fatigue pour assemblages soudés et évaluation de la nouvelle tenue en fatigue de l’ouvrage.

Caractère innovant :

Le caractère innovant porte sur l’évaluation quantitative de l’effet bénéfique des traitements de parachèvement que ce soit dans le cas de structures neuves ou dans le cas de structures ayant déjà subi des cycles de fatigue. Les outils de modélisation développés permettront également de pouvoir bien appréhender les limites et les phénomènes mis en jeu pour les différentes méthodes de parachèvement étudiées.

Références bibliographiques :

1. K. Guiot, Stage de Master mécanique numérique des structures UFR Sciences et techniques de Nantes, Amélioration de la tenue en fatigue des assemblages métalliques soudés, 2012
2. S. Chataigner, L. Dieng, Y. Falaise, M. Grasset, (2015, December). Evaluation des contraintes résiduelles dans les assemblages soudés et amélioration de leur durée de vie par techniques de parachèvement/appraisal of residual stresses within welded assembly and increase of their fatigue life using fatigue treatment methods. In Annales du Bâtiment et des Travaux Publics (Vol. 67, No. 5, p. 14). Editions ESKA.
3. Chataigner S., Dieng L., Guiot K., Grasset M., Improving welded joint fatigue life using shot peening or grinding, TRB 2013, Washington, 2013.
4. Bernoala V., Stage Master mécanique numérique des structures UFR Sciences et techniques de Nantes, Modélisation des opérations de soudage et de parachèvement, 2013.
5. Bernoala V., Dieng L., Chataigner S., Falaise Y., Improvements of welded joints using shotpeening: modelling of the welding process to determine the initial residual stresses, Eurosteel, Naples, 2014.
6. S. Chataigner, L. Dieng, K. Guiot, M. Grasset, "Improving Welded Joint Fatigue Life Using Shot Peeningor Grinding". Proceeding Transportation Research Board 92nd Annual Meeting, Washington DC, Date: 2013-1-13 to 2013-1-17. http ://worldcat.org /oclc /13-1721
7. L. Dieng, D. Amine, Y. Falaise, S. Chataigner, “Parametric study of the finite element modeling of shot peening on welded joints” Journal of Constructional Steel Research, Volume 130, March 2017, Pages 234-247.
8. L. Dieng, J.Y. Thieuleux, S. Chataigner, Y. Falaise, Utilisation du grenaillage de précontrainte pour la remise à niveaux en fatigue de structures soudées, JOA Metz, 2017.

Insertion professionnelle potentielle :

L’étudiant devrait améliorer ses compétences sur les thématiques suivantes :
- Modélisation aux éléments finis,
- Mécanique des structures et des matériaux,
- Structures métalliques et dimensionnement à la fatigue,
- Investigations expérimentales et monitoring.

Toutes ces compétences pourront être mises à contribution dans des postes techniques du ministère, mais aussi dans des postes plus proches de la maîtrise d’ouvrage ou d’œuvre (que ce soit en termes de réalisation de nouvelles structures ou de leur réparation, en vue d’augmenter leur durée de vie).



Mots-clefs: Mots-Clés : Assemblages soudés, parachèvement, meulage, martelage, refusion TIG, fatigue.
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