INSTRUC 3 (1ère partie)
27-28 novembre 1996
R.Roche - Introduction J.Héliot - Les méthodes probabilistes pour la prévision des risques de rupture - Probabilistic methods for failure risk assessment H.Koneczny - Définition d'une base de données matériaux pour les constructions soudées lourdes par caractérisation expérimentale de la ténacité-résilience - Definition of a "materials" data base for heavy structures created by experimental characterization of touighness impact strength C.Crémona - Optimisation de la fiabilité et de la maintenance des ouvrages d'art métalliques - Optimization of reliability and maiantenance of steel engineering works C.Fournier - Dimensionnement probabiliste des structures. Application au dimensionnement de réservoirs - Probabilistic design of structures (using rule r6) desing of pressure vessels N.Devictor - Utilisation des surfaces de réponse dans le calcul de la fiabilité des surfaces mécaniques - Use of response surfaces in the computation of the reliability of mechanical components G.Pluvinage Rupture et fatigue amorcées à partir d'entailles. Application au facteur d'intensité d'entaille - Rupture and fatigue initiated from notches - application of notch intensity factor. R.Krafft -S. Mosset Méthode probabiliste pour le dimensionnement en fatigue des pièces de turboréacteur issues de la métallurgie des poudres - A probabilistic method for the fatigue design of powder metallurgy parts of aircraft engines M.Huther - Cas de rupture de la plate-forme Alexander Kielland - Synthèse des rapports d'expertise - Failure of the Alexander Kielland platform. expertise reports synthesis Introduction
par R. Roche
Une pièce, un composant. une structure mécaniques peuvent se considérer sous deux aspects. un aspect fonctionnel et un aspect structurel. Ainsi une chaise doit permettre de s'asseoir. si possible commodément et même confortablement. c'est son aspect fonctionnel. Elle doit résister sans dommage. sans se rompre au poids qu'elle supporte ainsi qu'à des charges plus élevées. à des chocs. des secousses et à bien d'autres agressions, c'est son aspect structurel. Seul ce second aspect intéresse l'intégrité des structures qui se cantonne dans le domaine de la conservation de la résistance. de la solidité. de l'aptitude à supporter les charges, et plus généralement de la prévention des ruines.
L'attention croissante portée aux risques industriels est un fait de société: les détériorations de pièces ou structures mécaniques ne sont plus tolérées. le constructeur. l'exploitant. l'ingénieur doivent être en mesure de montrer que tout a été fait pour les éviter. La pression d'une opinion publique inquiète conduit à juger sévèrement les "responsables" des ruptures. qu'elles soient catastrophiques. bénignes ou simplement possibles. Il s'ensuit un grand développement de l'intégrité des structures dans les pays industrialisés où se créent nombre de centres. services. bureaux. groupes. conseils de "Structural Integrity". tant dans les écoles, les universités, les centres de recherche. que dans les professions libérales et les entreprises.
Fidèle à sa vocation la Société Française des Mécaniciens s'est attachée à faire connaître le développement dans notre pays. aussi a-t-elle organisé sur ce sujet les premières conférences en français. les conférences INSTRUC. Les deux premières se sont tenues en 1991 et 1993. et les actes en ont été publiés dans les livraisons 1992-1. 1993-1 et 1993-2 de la Revue Française de Mécanique. Avec la présente livraison. la R.F.M. constitue ainsi une somme. un compendium en français sur l'intégrité des structures.
Si les disciplines et techniques nécessaires à l'intégrité des structures sont bien nombreuses. la politique de la S.F.M. est de mettre l'accent de chaque conférence sur l'un de ses aspects. ainsi la seconde visait la nocivité des défauts. La présente. INSTRUC 3. a porté son attention sur les risques de ruine. donc sur l'aspect probabiliste. Les probabilités sont un domaine bien difficile. et même un peu scabreux. Tout d'abord il est bien difficile de convaincre le public que le célèbre "risque zéro,> est une fumisterie de marchand de tapis, qu'il existe toujours un risque et que tout ce que l'on peut faire est de le tenir très faible. Ensuite la signification épistémologique de la notion de probabilité est floue. la définition "fréquentiste" (rapport du nombre de cas de ruine au nombre total de cas possibles) que retient par exemple la méthode de Monte-Carlo est discutable pour les très faibles valeurs. En outre on ne peut oublier que les structures mécaniques sont conçues. construites. exploitées par des hommes dont le comportement apporte une cohérence pouvant créer des corrélations entre des probabilités élémentaires que l'on considère trop vite comme indépendantes (défauts dits de mode commun pouvant simuler les bénéfices attendus de la redondance, de l'hyperstatisme). Enfin les méthodes qui peuvent être utilisées sont ou coûteuses ou simplifiées, mais en général peu aisées à présenter. Malgré ces difficultés les méthodes probabilistes se répandent, concurrencent les méthodes déterministes et il est possible (probable au sens vulgaire. subjectif) qu'elles les supplantent un jour. ce qui justifie le choix du thème principal d'INSTRUC 3.
La conférence INSTRUC 3 s'est déroulée en quatre sessions successives dont cette publication dans la RFM tente de suivre l'ordre. La première. consacrée aux "Principes et Méthodes". est une introduction riche et claire. La seconde "Approche probabiliste" insiste sur les méthodes et les applications. La troisième "Fatigue et durée de vie" se sépare du thème principal et traite de points de vue dont l'importance est très actuelle : estimation de la durée de vie et prolongation de cette durée de vie ("life extension"). préfigurant des thèmes pour de futures conférences. La dernière "Problèmes et réalités " traite de cas pratiques ou réels dont en particulier une ruine qui causât une centaine de morts.
Un trait original de cette conférence fut l'animation des discussions et débats. peu usuelle dans notre pays. Les participants en ont tiré un grand profit et si les lecteurs de ces livraisons apprendront beaucoup. ils ne pourront cependant bénéficier de tout l'ensrignement que les échanges oraux auraient pu leur apporter.
LES MÉTHODES PROBABILISTES POUR LA PRÉVISION DES RISQUES DE RUPTURE
par J. HELIOT
FRAMATOME, 92084 Paris La Défense CedexCet article présente sommairement les principales méthodes statistiques et probabilistes qui peuvent être utilisées dans les études de fiabilité des structures. Il décrit les différentes étapes d'une étude et les principales difficultés que l'on peut rencontrer dans les applications pratiques.
PROBABILISTIC METHODS FOR FAILURE RISK ASSESSMENT
The aim of this article is to describe the main features of the statistical methods and of the probabilistic methods which can be used in structural reliability analyses. It describes the successive steps of an analysis and the main difficulties which can be found in the practical applications.
DÉFINITION D'UNE BASE DE DONNÉES MATÉRIAUX POUR LES CONSTRUCTIONS SOUDÉES LOURDES PAR CARACTÉRISATION EXPÉRIMENTALE DE TÉNACITÉ/RÉSILIENCE
par H. KONECZNY, J.J JANOSCH, S. DEBIEZ
Activité Fatigue et Mécanique de la Rupture
Institut de Soudure, ZI Les Jonquières, 57365 Enner,iDans la perspective d'une application rapide et adaptée des méthodes existantes de prédiction du comportement à rupture des assemblages soudés comportant un défaut, cette étude a pour but de rassembler les données expérimentales concernant la ténacité des assemblages bout à bout utilisés pour les constructions soudées lourdes.
L'analyse des caractéristiques de ténacité, montre que la soudure et donc les différentes zones qui la composent, ont des propriétés mécaniques au minimum égales à celles du matériau de base utilisé. Bien qu'il y ait du "niobium" dans la composition chimique de l'acier E355, la soudure ne constitue pas en elle même une zone fragile de l'assemblage bout à bout. D'autre part, l'épaisseur des plaques soudées semble avoir uniquement une influence sur le comportement mécanique de la "ZAT" de la soudure. Pour des épaisseurs de 30 mm, cette zone a de loin les meilleures caractéristiques de ténacité de l'assemblage bout à bout. Enfin, il est difficile d'évaluer l'effet "bénéfique ou non" du traitement thermique de relaxation des contraintes internes car parfois "l'évolution métallurgique" dans la soudure, qui se produit pendant le cycle thermique, fragilise ou améliore la ténacité de l'assemblage bout à bout.
L'application des six modèles de prédiction de la "ténacité - température" à partir des valeurs de résilience en métal de base, ont montré que ces corrélations sont conservatives dans leur domaine de validité. Hors domaine de validité "en température", on observe que le modèle M1 (Rolf-Novak-Barsom), défini pour le palier supérieur "fin de transition - ductile", est le modèle le plus représentatif pour prédire en métal de base la valeur de la ténacité en fonction de la température.
With the prospect of a rapid and well-adapted application of the existing methods of predicting the fracture behavior of welded assemblies in the presence of a defect. this study aims at gatherin- experimental data on the toughness of butt welded assemblies used in heavy structures.
The analysis of the toughness properties shows that the weld. and hence the various zones which compose it, have mechanical properties which are at least equal to those of the base metal. Although the E355 base metal contained niobium. the field itself did not constitute a brittle zone in the welded assembly Furthermore. the thickness of the welded plates seemed to have an effect on the mechanical behavior of the HAZ only. For a thickness of 30 mm. this zone exhibits by far the highest toughness in the case of butt welded assemblies. Lastly, it is difficult to assess the beneficial or detrimental effect of the heat treatment applied for relieving the internal stresses because the metallurgical evolution in the weld. which takes place during the thermal cycle. sometimes embrittles or improves the toughness of the welded assembly
The application of the 6 models for predicting toughness as a function of temperature from the impact values of the base metal has shown that these correlations have a conservative range of validity Outside the temperature related range of validity. it was observed that Model (Rolf-Novak-Barsom). defined for the end of ductile transitions upper part was the most representative for predicting the toughness of the base metal as a function of temperature.
OPTIMISATION DE LA FIABILITÉ ET DE LA MAINTENANCE DES OUVRAGES D'ART MÉTALLIQUES
par C. CREMONA
Laboratoire Central des Ponts et Chaussées,
58 Boulevard Lefebvre, 75015 ParisCet article présente une méthodologie d'évaluation probabiliste de la fiabilité des ouvrages d'art métalliques vis à vis des risques de fatigue. L'approche est basée sur la théorie de la fiabilité des structures combinée avec une stratégie de maintenance. Elle débouche sur la définition de fonctions objectif liées au coût global du planning d'inspection; ce coût est à minimiser, tout en assurant un degré de fiabilité préfixé. La variable de décision est l'intervalle de temps entre deux inspections. Un exemple d'un assemblage métallique soudé "raidisseur-semelle" soumis au phénomène de fatigue, dont le modèle d'endommagement est basé sur la loi de Paris, sert d'illustration. Les formalismes présentés ne se restreignent pas au simple cas de la fatigue, mais sont applicables à une grande variété de mécanismes de dégradation.
OPTIMIZATION OF RELIABILITY AND MAINTENANCE OF STEEL ENGINEERING WORKS
This paper presents a probabilistic reliability assessment procedure for steel bridges damaged by fatigue. The study is based on the structural reliability theory combined with a maintenance strategy That leads to define cost functions related to the total inspection cost; this cost is then minimized with respecting the minimum acceptable reliability index. The optimization parameter is the time interval between two inspections. An example of welded joint cracked by fatigue with damaging model based on the Paris law, highlights the different concepts. The techniques presented in the paper are not restrained to fatigue problems only, but can be applied to a wide variety- of degrading phenomena.
DIMENSIONNEMENT PROBABILISTE DESSTRUCTURES
(Utilisation de la règle R6) APPLICATION AU DIMENSIONNEMENT DE RESERVOIRSpar C. FOURNIER
LIGERON S.A, Saint-Aubin, 91194 Gif-Sur-YvetteNous présentons ici les différentes étapes d'une approche probabiliste consistant à calculer la probabilité de défaillance notée Pf d'une structure mécanique.
Afin d'illustrer notre propos, nous prenons comme exemple le cas d'un réservoir sous pression. Nous calculons sa probabilité de défaillance par rapport aux deux scénarios de ruine qui sont l'effondrement plastique et la propagation de défaut. Les modèles mécaniques explicites, nécessaires au calcul de Pf, associés à ces deux modes de ruine sont déterminés à l'aide de la règle des deux critères (ou règle R6) couplée avec la méthode Js (intégrale J simplifiée) développée au CEA/Saclay. Nous effectuons une comparaison des résultats de ces modèles avec ceux obtenus par des calculs aux éléments finis.
Pour terminer, nous comparons sur cet exemple les pressions admissibles préconisées par cette approche probabiliste et l'approche déterministe utilisée au CEA/DAM.
PROBABILISTIC DESIGN OF STRUCTURES (using rule R6) DESING OF PRESSURE VESSELS
This paper describes the different stages of a probabilistic approach which can evaluate the probability of failure in a mechanical structure. The process is illustrated by the example of a pressure vessel. For this type of structure. two cases are feared : leakage and bursting. The imagined failure scenarios would be the breaking down of the plastic and the spreading of a flow. The explicit expressions of these mechanical models necessary for a reliability analysis. have been determined by two approaches. First. by the English regulations for defect assessment : procedure R6 (first produced by, the Central Electricity Generating board (CEGB) in 1976. It is now maintained by Nuclear Electric Ltd). second. by a simplified method of calculating J. named Js, (developed by R. Roche at the CEA/Saclay in 1987). We compare these results with the results obtained by finite elements.
Then. we compare the admissible vessel pressure allowed by a probabilistic approach and a deterministic approach used at the CEA/DAM
UTILISATION DES SURFACES DE RÉPONSE DANS LE CALCUL DE LA FIABILITÉ DES COMPOSANTS MÉCANIQUES
par N. DEVICTOR, M. MARQUES
CEA/DEC/SECA/LECC-CEA/Cadarache
13108 St Paul-lez-Durance Cedexet M. LEMAIRE
IFMA/LaRAMA, Campus des Cézeaux
BP 265 - 63175 AUBIERE CedexPour évaluer la fiabilité d'un composant mécanique, les méthodes FORM/SORM sont efficaces sous certaines conditions. Si le modèle mécanique est complexe, l'estimation de la fiabilité peut alors conduire à des temps de calculs trop importants. Nous proposons une méthode de surfaces de réponse itérative pour réduire le nombre de calculs mécaniques. La construction du plan d'expérience tient compte de la non-linéarité de la transformation probabiliste et des calculs mécaniques déjà réalisés. Des critères permettent de vérifier la qualité des surfaces de réponse obtenues et, par conséquent, les résultats des méthodes FORM/SORM. Cette méthode est appliquée à une plaque bimétallique fissurée au voisinage de l'interface, soumise à un chargement en traction et à un chargement thermique. Des aléas sont introduits sur les chargements, les propriétés des matériaux et les dimensions de la fissure. L'influence des différentes incertitudes est déterminée.
USE OF RESPONSE SURFACES IN THE COMPUTATION OF THE RELIABILITY OF MECHANICAL COMPONENTS
FORM/SORM methods are efficient. under some conditions, to compute the reliability of mechanical components. If the mechanical model is complex, so the assessment of the reliability could lead to large computation time. An iterative response surface method is proposed, in this paper. to reduce the number of mechanical computations. The building of experimental designs takes into account the non linearity of the probabilistic transformation and the previously done mechanical computations. Criteria are introduced to verify the quality of the response surfaces. and consequently, the results of FORM/SORM methods. The proposed method is applied to a bimetallic sheet. that contains a crack close to the interface. The sheet is submitted to a traction and a thermal load. The random variables concern the intensity of the traction. some properties of the two materials and the geometry of the crack. The influence of the different uncertainties is studied.
RUPTURE ET FATIGUE AMORÇÉES
A PARTIR D'ENTAILLES - APPLICATION
DU FACTEUR D'INTENSITÉ D'ENTAILLEpar G. PLUVINAGE
Laboratoire de Fiabilité Mécanique
Université de Metz, ENIM
57045 Metz, CedexL'analyse de la distribution des contraintes en fond d'entaille montre que dans une région proche du fond d'entaille règne une "pseudo singularité" de contraintes caractérisée par le facteur d'intensité de contraintes d'entaille Ks.
La valeur critique de ce paramètre Ksc, peut être utilisée pour la détermination de la ténacité de matériaux très fragiles à partir d'éprouvettes entaillées.
L'amplitude du facteur d'intensité de contraintes d'entaille DK, conditionne les conditions d'amorçage en fatigue sous entaille et le facteur de la sensibilité à l'entaille.
RUPTURE AND FATIGUE INITIATED FROM NOTCHES -
APPLICATION OF NOTCH INTENSITY FACTOR.The analysis of the stress distribution at -notch tip shows a pseudo stress singularity characterized by, the notch stress intensity factor (NSIF) Ks.The critical value of this parameter Kc can be used to determine the fracture toughness of very brittle materials from notched specimens. The notch stress intensity factor range DK, plays an important role on fatigue initiation emanating from notches and on notch fatigue sensitivity index.
MÉTHODE PROBABILISTE POUR LE DIMENSIONNEMENT EN FATIGUE DES PIECES DE TURBOREACTEUR ISSUES DE LA MËTALLURGIE DES POUDRES
par R. KRAFFT, S. MOSSET
SNECMA
Département Méthodes de conception et CAO
Centre d'essais de Villaroche
77550 Moissy-CramayelCette communication présente une approche probabiliste développée pour le dimensionnement en fatigue des pièces de turboréacteur obtenues par le procédé de la métallurgie des poudres. Les principaux problèmes sont tout d'abord évoqués puis les principes théoriques de la méthode sont décrits. On présente ensuite leurs implications en matière de conception et enfin les corrélations expérimentales.
L'effet d'échelle est une difficulté majeure pour l'évaluation de la durée de vie en fatigue d'une pièce issue de la métallurgie des poudres. Il ne permet plus à l'ingénieur d'études d'évaluer directement la durée de vie d'une pièce massive à partir d'une analyse de régression sur les résultats expérimentaux de petites éprouvettes de fatigue, comme on le fait classiquement. Afin de décrire correctement cet effet d'échelle, les sites d'amorçage (défauts du type inclusions de céramique) doivent impérativement être caractérisés. Il a été établi que la taille de ces défauts et leur position dans la pièce sont les paramètres les plus pertinents. De ce fait. la méthodologie développée chez Snecma intègre une description de la probabilité d'occurrence de défauts dans la pièce ainsi qu'une évaluation de la distribution de durée de vie de ces défauts en fonction de leur taille, leur position, des contraintes et de la température auxquelles ils sont soumis. Le calcul de la durée de vie d'une pièce implique une analyse de la totalité de son volume et de sa surface. Un processus itératif permet de déterminer le nombre de cycles correspondant à un niveau de fiabilité global exigé pour la pièce. L'ensemble de la méthodologie est alors validé en comparant la distribution de durée de vie calculée aux résultats expérimentaux obtenus sur des éprouvettes et des disques d'essai.
A PROBABILISTIC METHOD FOR THE FATIGUE DESIGN OF POWDER METALLURGY PARTS OF AIRCRAFT ENGINES
This paper will present a probabilistic approach developed in order to assess the fatigue life of aircraft engine parts (turbine disks) obtained by powder metallurgy technique. First of all the main issues will be pointed out and the theoretical principles of the method will be described. Then the desgni implications and the experimental correlation will be emphasized.
The scale effect is a major concern for the fatigue life assessment of a powder metallurgy part. It no longer allows the designer to directly evaluate the life of a massive part from experimental results based on small specimen fatigue tests as it is done in the classical methodology. In order to correctly describe this scale effect. incubation sites (inhomogeneities like ceramic inclusions) must be characterized, The size of these inhomogeneities and their positions in the part appeared to be the most relevant parameters. Hence the methodologies developed at Snecma integrates the scale effect scatter through a binomial probability distribution as well as a temperature and stress dependent life evaluation for each inhomogeneity size and position. The life calculation of a part implies an analysis of its whole volume and surface. An iterative process determines the number of cycles corresponding to a gIobal reliability level requirement for the part. The complete methodology is then validated by comparing the calculated initiation distribution with experimental results on small specimens and test disks.
CAS DE RUPTURE DE LA PLATE-FORME ALEXANDER KIELLAND - SYNTHESE DES RAPPORTS D'EXPERTISE
par M. HUTHER
Bureau Veritas, 92077 Paris La Défense CedexLe cas présenté, sous forme standard IIS (Institut International de la Soudure), est une rupture d'entretoises d'une plate-forme pétrolière semi-submersible de type Pentagone, rupture ayant fait l'objet du rapport IIS-XIII-1066-82. Comme l'expérience est primordiale pour l'ingénieur, nous rappellerons que l'IIS édite un ouvrage collectant sous un format standard des cas de rupture en service identifiés et analysés.
A la présentation de la structure concernée et des chargements auxquels elle a été soumise, font suite une description détaillée de l'étendue de la rupture et une synthèse des analyses effectuées et des résultats obtenus.
La présentation des études des points de vue macroscopique et microscopique, et des résultats permet au lecteur de suivre la démarche des spécialistes et voir les informations qu'il est possible d'obtenir quant à la détermination des origines d'une rupture.
Ce cas montre clairement que dans le domaine de la fatigue et de la rupture fragile, il n'existe pas de détail pouvant être déclaré secondaire ou insignifiant sur le papier, tant qu'une analyse précise n'a pas été effectuée.
FAILURE OF THE ALEXANDER KIELLAND PLATFORM. EXPERTISE REPORTS SYNTHESIS
The presented case, under the IIW (International Institute of Welding) format, is the failure of bracings of a semi-submersible offshore platform of Pentagone type, failure which has been the subject of the report IIS-IIW-1066-82. As the experience is of first importance for engineers we shall remember that the IIW publishes a book collecting under a standardized format identified and analyzed in-service failure cases.
The presentation of the concerned structure and of the applied loads is followed by a detailed description of the extent of the failure and the synthesis of the performed analysis and obtained results.
The presentation of the studies from macroscopic and microscopic point of view, and of the results allows the reader to follow the specialists working process and to see the information that are possible to obtain to determine the failure origin.
This case shows clearly that in the area of fatigue and brittle fracture, there is no details that can be considered on the paper as secondary or not signifïcant, until a precise analysis has been performed.
