Portes d’écluses, conduites, vannes, turbines ou réservoirs : de nombreux équipements hydromécaniques reposent sur des structures métalliques soumises, année après année, à des sollicitations répétées. Ces mouvements ne provoquent pas de dégradation visible à court terme. Pourtant, à force de cycles de chargement, l’acier se fatigue. Des fissures peuvent alors apparaître, se propager progressivement et finir par compromettre la fiabilité et la sécurité de l’ouvrage.
Dans les secteurs hydraulique, énergétique ou du génie civil, de nombreuses infrastructures construites après la Seconde Guerre mondiale sont toujours en exploitation. Les gestionnaires sont aujourd’hui confrontés à une question cruciale : Comment évaluer avec fiabilité la durée de vie résiduelle de ces ouvrages afin d’anticiper les besoins de maintenance, de surveillance ou de renouvellement ?
C’est à cette problématique que répond la thèse de Kamal Harb, menée au sein de la Chaire Medelia, avec l’ambition de développer de nouvelles méthodes d’analyse permettant d’améliorer la durabilité, la sûreté et la performance des ouvrages hydromécaniques métalliques.
La fatigue : une usure qui ne se voit pas
Pliez et dépliez un trombone plusieurs fois : il finit par rompre, alors qu’aucun des gestes pris séparément n’aurait suffi à le casser. Les structures métalliques des ouvrages hydromécaniques subissent un phénomène comparable. Soumises à des sollicitations répétées pendant plusieurs décennies, elles peuvent développer des fissures qui apparaissent progressivement, souvent au niveau des assemblages soudés. Les ingénieurs parlent alors de dégradation par fatigue.
Cette dégradation ne se répartit pas uniformément dans la structure. Elle se concentre au niveau de certaines singularités, notamment les cordons de soudure. Indispensables pour assembler les tôles, ils créent également des variations géométriques, des contraintes résiduelles et des modifications locales de la matière. C’est souvent à ces endroits qu’une fissure apparaît, d’abord imperceptible, puis observable, avant de devenir critique.
Une inspection permet de détecter une fissure lorsqu’elle est présente. En revanche, elle ne permet pas de prévoir quand une nouvelle fissure apparaîtra, ni à quelle vitesse elle se propagera.
Des incertitudes au cœur de l’analyse
Deux ouvrages pourtant identiques sur le papier ne vieillissent jamais exactement de la même façon. Les propriétés mécaniques de l’acier varient d’une tôle à l’autre, une soudure n’est jamais rigoureusement identique à une autre, et les sollicitations dépendent du régime d’exploitation, des vibrations ou encore des effets hydrodynamiques. Autant de paramètres qui évoluent dans le temps et restent imparfaitement connus, en particulier après plusieurs décennies de service.
Face à cette réalité, les approches classiques produisent souvent une valeur unique : une durée de vie estimée. Or cette valeur donne une impression de précision qui ne reflète pas la complexité du comportement réel de l’ouvrage.
L’approche en fatigue probabiliste adopte une autre logique. Plutôt que de fournir une date unique de fin de vie, elle évalue différents scénarios et produit des indicateurs de risque : probabilité de défaillance ou de survie, niveau de risque, indice de fiabilité, etc. Elle intègre explicitement les incertitudes liées aux matériaux, aux sollicitations et à l’état réel de l’ouvrage.
Pour un gestionnaire, la différence est fondamentale : il ne s’agit plus de se reposer sur un chiffre unique, mais d’évaluer un niveau de risque afin de prendre des décisions éclairées, qu’il s’agisse d’inspecter, de renforcer, de remplacer ou de poursuivre l’exploitation de l’équipement.
Une démarche scientifique
La thèse développe une méthodologie d’analyse en fatigue probabiliste appliquée aux structures mécano-soudées, et plus particulièrement aux organes hydromécaniques des ouvrages de vantellerie. Son objectif est de mieux prendre en compte les incertitudes qui influencent l’évolution des dommages et la durée de vie des structures.
Cette approche repose sur trois piliers complémentaires :
- Mécanique de la rupture : comprendre comment les fissures apparaissent et se propagent dans les assemblages soudés.
- Modélisation probabiliste : intégrer les incertitudes liées aux matériaux, à la géométrie, à la qualité des soudures ou encore aux conditions de chargement afin de représenter plus fidèlement la réalité des ouvrages.
- Éléments finis stochastiques : quantifier l’influence de ces incertitudes sur le comportement des structures et estimer leur durée de vie résiduelle sous la forme de scénarios probabilisés.
L’ensemble de la méthodologie est confronté à des cas d’application issus d’ouvrages réels mis à disposition par les partenaires industriels du projet. Cette validation sur le terrain vise à garantir la pertinence des outils développés pour les besoins concrets de surveillance, de maintenance et d’aide à la décision.
Impacts attendus
Pour les exploitants et les gestionnaires :
- Évaluer plus finement la durée de vie résiduelle des ouvrages hydromécaniques.
- Disposer d’outils d’aide à la décision pour construire et arbitrer les scénarios de maintenance.
- Intégrer les incertitudes liées aux matériaux, aux chargements et aux conditions d’exploitation.
- Renforcer la justification à la fatigue des structures métalliques vieillissantes.
- Prioriser les interventions sur les équipements les plus critiques.
Pour la société :
- Renforcer la sûreté des ouvrages hydrauliques et énergétiques.
- Prolonger la durée d’usage d’infrastructures existantes, plutôt que de les remplacer par précaution.
- Limiter les remplacements prématurés d’équipements lourds, coûteux en matière et en énergie.
- Contribuer à une gestion plus durable du patrimoine industriel.
- Maintenir la fiabilité d’ouvrages essentiels à la production d’énergie, à la navigation et à la gestion de l’eau.
Une recherche ancrée dans le terrain
Le projet est mené en collaboration étroite avec plusieurs partenaires industriels et académiques : Artelia / SPRETEC, la Compagnie Nationale du Rhône (CNR), EDF – EDF Hydro, TEC21, ainsi que les laboratoires 3SR et SIMaP.
Ces partenariats permettent de confronter les développements scientifiques à des cas réels, en s’appuyant sur des données d’exploitation, des retours d’expérience et des problématiques rencontrées sur le terrain. Ils garantissent que les méthodes développées répondent aux besoins concrets des exploitants en matière de surveillance, de maintenance et d’aide à la décision.
Une recherche qui se raconte : Kamal Harb, doctorant au sein de la Chaire Medelia
Kamal Harb a remporté le prix « Ma thèse en 180 secondes » lors du colloque HydroES 2025. Cette distinction récompense à la fois l’excellence de ses travaux de recherche et sa capacité à rendre des sujets complexes compréhensibles par le plus grand nombre.
« Ces ouvrages ont été conçus pour durer quelques décennies, mais beaucoup sont encore en service aujourd’hui. Mon travail consiste à évaluer leur capacité à continuer à fonctionner en sécurité, en intégrant les incertitudes inhérentes à leur vieillissement.»
– Kamal Harb, Doctorant au sein de la Chaire Medelia
L’équipe impliquée
Doctorant : Kamal Harb
Direction de thèse : Rafael Estevez (directeur), Julien Baroth (co-directeur)
Encadrement industriel : Arnaud Isaac et Vincent Michaud (SPRETEC, Groupe Artelia)
Calendrier des événements et contributions
2023 :
| 29–30 nov. | 10e Congrès Fatigue Design CETIM, Senlis, France | Participation |
2024 :
| 28–29 mai | Commission Fatigue — 40es Journées de Printemps – FIAP Jean Monnet, Paris, France | Participation |
| 17–19 juin | JFMS 2024 — 13es Journées de Fiabilité des Matériaux et des Structures – Rouen, France | Présentation orale |
| 19–20 juin | Colloque CFBR Vantellerie 2024 – Aix-les-Bains, France | Présentation orale |
| 14–15 oct. | 10e rencontre Business Hydro — Hydroélectricité & Modernisation – Alpexpo, Grenoble, France | Présentation orale |
| 2024 | Journée des doctorants ED I-MEP2 Grenoble, France | Poster |
| 2024 | Journée des doctorants Groupe Artelia – SPRETEC – Grenoble, France | Présentation orale |
2025 :
| janvier | Colloque national MECAMAT — Homogénéisation du comportement mécanique des matériaux hétérogènes – Aussois, France | Poster |
| 20–21 mars | IIW Commission XIII — Intermediate Meeting, Sub-commission A : Fatigue Testing and Evaluation of Data for Design – Darmstadt, Allemagne | Présentation orale |
| 17–19 sep. | Colloque HydroES — concours « Ma thèse en 180 secondes » – Grenoble, France | 1er prix |
| 19–20 nov. | 11e Congrès Fatigue Design — 11th Edition of the Fatigue Design International Conference – CETIM, Senlis, France | Présentation orale |
Contact
Pour toute question ou éventuelle collaboration :
| Nom | Kamal Harb — doctorant au sein de la Chaire Medelia |
| harbkamal@outlook.com | |
| Téléphone | +33 7 69 68 54 92 |
| www.linkedin.com/in/kamal-harb | |
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