Comparaison des méthodes explicite et implicite pour la modélisation numérique des interactions barrage-réservoir et des interfaces béton-roc

Ce mémoire propose une comparaison entre plusieurs approches de modélisation du comportement sismique des barrages poids en béton par la méthode des éléments finis couplée à des des analyses dynamiques implicites ou explicites. Cette comparaison s'articule autour de deux volets principaux de l'analyse de la sécurité sismique des barrages. Dans un premier temps, le projet s'intéresse à différentes approches et hypothèses reliées à la modélisation de l'interactions barrage-réservoir. Dans un second temps, plusieurs techniques de modélisation non-linéaire des interfaces barrage-fondation sont évaluées dans le cadre d'un exemple simple. La comparaison des approches de modélisation de l'interaction barrage-réservoir est effectuée en étudiant les effets séparés de plusieurs hypothèses. La réponse modale ainsi que les courbes de réponse en fréquence sont validées pour le barrage seul, dans le but d'éliminer les incertitudes reliées à la modélisation de la structure. Une procédure d'obtention des courbes de réponse en fréquence est décrite dans le domaine temporel, car certains outils ne permettent pas d'analyser dans le domaine fréquentiel un système barrage-réservoir. Des analyses dynamiques sismiques sont conduites avec un système barrage-réservoir. L'eau du réservoir est définie selon deux formulations : (i) lagrangienne couplée avec des analyses explicites, et (ii) eulérienne couplée avec les analyses implicites. Les spectres de plancher obtenus à la crête du barrage avec ces deux formulations du réservoir sont alors comparés. L'effet de la définition de l'interface barrage-réservoir sur la réponse sismique du système est aussi évalué, notamment en étudiant la performance de deux types d'interfaces barrage-réservoir couramment utilisées dans la littérature. La comparaison se poursuit avec l'étude de l'effet du choix des conditions frontières appliquées en amont du réservoir. Le modèle explicite proposé utilise des couches absorbantes PML (Perfectly Matched Layer). La méthode des forces effectives est présentée conjointement à l'utilisation des PML. Le spectre de plancher obtenu avec le PML est comparé avec celui obtenu pour une analyse implicite utilisant une condition aux frontières infinie.

Abstract

This thesis presents a comparison between several approaches to model the seismic behaviour of concrete gravity dams using the finite element method coupled with implicit and explicit dynamic analyses. This comparison is articulated about two main components related to the seismic safety assessment of gravity dams. The focus is first on different assumptions and approaches related to the modeling of dam-reservoir interactions. Secondly, several techniques to model the non-linear behaviour of dam-foundation interfaces are evaluated using a simple example of a concrete block sliding on a rock block. The approaches used to model dam-reservoir interactions are compared by separately investigating the effects of various assumptions. The modal response and frequency response curves are validated for the dam alone to eliminate uncertainties related to the modeling of the structure itself. A procedure to obtain frequency response curves in time domain is proposed. Dynamic seismic analyses of a dam-reservoir system are then conducted. The reservoir is defined according to two formulations: (i) a Lagrangian fluid coupled with explicit analyses (ii) an Eulerian fluid coupled with implicit analyses. The floor response spectra obtained at dam crest with these two reservoir formulations are then compared. The effects of the definition of the dam-reservoir interface on the seismic response of the system are assessed, while focusing on the performance of two types of dam-reservoir interfaces commonly used in the literature. The two approaches are also compared by investigating the effects of the selection of the boundary conditions applied at the upstream face of the reservoir. The proposed explicit model uses Perfectly Matched Layers (PML). The effective force method is applied in conjunction with the use of PML. Floor response spectra obtained using explicit analyses and the PML are compared to those using implicit analyses and an infinite boundary condition.