Renforcement et réparation des coques métalliques par matériaux composites (TFC) : étude du comportement au flambage : analyses expérimentales et numériques
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Experience has shown that, steel or reinforced concrete shells structures, exposed to severe environmental attacks such as corrosion, or to cyclic load-induced stresses greater than design stresses, or to accidental overloads, are hence subject to damage. The serious deterioration of materials, coupled to design errors or/and to accidental overload can lead to catastrophic failures; or at least, because of the propagation of the damage, to diminution of the structure’s lifetime. It is now of a fairly common practice to repair structures as it is non- expensive and non obstructive upgrading procedure. One of the common techniques for repairing and strengthening steel shells is to weld rings, stringers or local steel reinforcement. Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) has established a strong position as an effective mean for the repair and rehabilitation of infrastructures. Composite materials, thanks to their high strength, high stiffness, resistance to corrosion and low weight, can be of great interest in civil engineering structures (generally concrete beams). Their use is particularly interesting, especially in order to increase the structural performance, but also because of the ease to forming, the speed of installation, the optimization possibility (direction’s reinforcement choice) and the multifunctional (strength, anti-corrosion, tightness). However, the use of CFRP in the repair and reinforcement of steel or concrete shells is a new concept that has the potential to improve the way we repair shells. In our studies we show the benefits of using CFRP for the reinforcement of shells submitted to axial compression or combined loads like internal pressure, axial compression and bending. A large experimental and numerical study is carried out on steel cylindrical shells reinforced with the CFRP at different radius to thickness ratio. We show that the load capacity can be enhanced more than 50%. Numerical simulations are also conducted using finite element approach.
Abstract FR:
Les structures minces de type coques métalliques sont particulièrement sensibles au flambage ou instabilité géométrique. Leur dimensionnement s'opère en ayant recours à des règles simplifiées, cette approche est généralement conservative. En effet ces structures sont très sensibles à la moindre imperfection de forme (défauts géométriques initiaux). Le dimensionnement s'appuie en général sur la connaissance de l'état initial réel ou supposé. Or cette configuration évolue dans le temps, on constate généralement l'adjonction de nouveaux défauts de forme dus au fonctionnement (charges accidentelles, fluage) mais aussi à des pertes de matière localisées dans les zones corrodées. La prise en compte de ces divers dommages conduits généralement à une perte de capacité portante. Afin de préserver le potentiel de charge de la structure, il est alors nécessaire de la renforcer. Dans notre étude nous envisageons le renforcement à l'aide de matériau composite à base de fibre de carbone. Une ou plusieurs couches de composite sont simplement collées sur la coque métallique. Un large programme expérimental consacré à l'étude du flambage de coques multicouches soumises à compression axiale uniforme, nous a permis de dégager les paramètres déterminants et ceux dont l'effet est moindre. Pour l'ensemble des résultats obtenus pour les différentes campagnes d'essais, nous avons pu constaté un accroissement important de la capacité portante de la structure renforcée dés lors que certaines dispositions constructives sont respectées en ce qui concerne la couche de renfort en composite. Nous montrons en particulier pour certaines configurations, lorsque le mode de flambage est extensionnel, que la capacité portante peut être incrémentée de prés de 50% comparativement à l'état initial. Afin de pouvoir disposer d'un outil prédictif utilisable pour d'autres configurations de coques (différentes géométries, R/t et L/R) nous avons eu recours à la simulation numérique à l'aide du code ABAQUS. Les applications potentielles pour ce type de renforcement seraient les réservoirs de stockage, les silos ou bâches et les tuyaux.