Published February 12, 2021 | Version v1
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Statistical prediction of cracking paths: application to cementitious materials

Description

The ageing of French nuclear power plants raises many research issues in nuclear safety analysis. The phenomena involved in the ageing of structures are mainly due to the development of pathologies, in particular internal swelling reactions. They can lead to concrete degradation and more specifically to the cracking of the corresponding structures. In order to study these pathologies and to be able to predict further degradation, it is necessary to carry out numerical simulations using full-field mechanical codes at mesoscopic scale. However, each simulation is costly in term of computational time. This remains a strong limitation for industrial applications where a large number of simulations are often required to perform the whole mechanical analysis. Therefore, in order to circumvent this limitation, this work is devoted to the construction of a new fast-to-evaluate mathematical model to predict the cracking trajectory in a microstructure. This construction is performed in two steps. Starting from mechanical considerations, the first one concerns the introduction of indicators that provide information on the local behavior of a crack. In the second step, these indicators are integrated in a Markov Chain prediction model whose parameters are estimated from a learning set coming from computer code simulations. The model is then integrated in a cracking propagation algorithm that provides a set of trajectory realizations. This set can be exploited to derive a single cracking trajectory and to quantify the prediction uncertainty. The analysis of the performances of the new model is then conducted. It exhibits the agreement between the predictions and the computer code simulations (XPER in our study). Moreover, one can observe a significant reduction of the computational time, a few minutes on a processor to obtain the complete cracking path with a reasonable uncertainty whereas the XPER simulation can take several days on a few dozen of processors. The new model is finally applied to a three-point bending beam test. It requires coupling the model to a Finite Elements mechanical code to derive the local cracking direction based on the local stress fields. The results show that the model is able to accurately predict the crack simulated by the XPER code. Moreover, the prediction is performed in few hours whereas the simulation takes about 100 days on 81 processors. (author)

Abstract (French)

Le prolongement de la duree d'exploitation des centrales nucleaires francaises souleve de nombreuses questions de recherche sur le vieillissement des ouvrages de genie civil nucleaire. Les phenomenes intervenant lors de ce vieillissement sont principalement lies au developpement de pathologies, notamment les reactions de gonflements internes. Ces phenomenes sont susceptibles en particulier de degrader le beton et de conduire a l'apparition de fissures dans les structures touchees. Afin d'etudier les differentes pathologies et leurs consequences sur la structure, des simulations numeriques a l'aide de codes mecaniques a champ complet (a l'echelle mesoscopique) sont realisees. Cependant, chaque simulation est couteuse en temps calcul, ce qui est un frein dans les applications industrielles necessitant un grand nombre de simulations. Pour limiter les couts, on s'interesse dans ce travail a la construction d'un modele mathematique rapide a evaluer pour la prediction de chemins de fissuration. Sa construction se fait en deux etapes. La premiere consiste a definir a partir de considerations mecaniques plusieurs indicateurs apportant des informations sur le comportement local de la fissure. La seconde est le developpement d'un modele probabiliste a base de chaines de Markov integrant ces indicateurs et permettant de predire de proche en proche une trajectoire. Une fois les parametres du modele estimes a partir d'un ensemble d'apprentissage de microstructures numeriquement fissurees, ce modele est integre dans un algorithme de propagation de fissure qui determine les chemins locaux les plus probables pour la trajectoire de la fissure. Ainsi, a partir d'une microstructure donnee, il est possible de predire le chemin de fissuration et de quantifier l'incertitude associee. Une analyse des performances du modele est ensuite conduite. Elle montre la coherence entre les informations fournies par le modele et les fissures simulees par le code mecanique (XPER dans notre etude). De plus, le temps de calcul du modele est tres significativement reduit par rapport a une simulation a champs complet (XPER). Il est de l'ordre de quelques minutes sur un processeur pour l'obtention du chemin de fissuration complet avec une incertitude raisonnable alors que la simulation XPER peut atteindre plusieurs jours sur une dizaine de processeurs. Le nouveau modele est enfin applique sur une experience classique dans le domaine des materiaux cimentaires, une poutre en flexion trois points. La mise en oeuvre de cette etude necessite le couplage avec un code mecanique Elements Finis afin de determiner localement la direction de propagation de fissure. Les resultats montrent une estimation du trajet de fissure en accord avec la simulation XPER. Cette estimation est obtenue en quelques heures alors que la simulation XPER dure environ 100 jours sur 81 processeurs. (auteur)

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Original title (French)
Prediction statistique de chemins de fissuration: application au materiau cimentaire

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Imprint Pagination
108 p.
Report number
FRNC-TH--14972

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