Évaluation de la sécurité sismique des prises d'eau en béton

Ce mémoire de maîtrise présente une méthodologie pour évaluer la sécurité sismique des structures de prise d'eau en béton de centrales hydroélectriques typiques. Les prises d'eau se caractérisent par de grands vides pour les conduites noyées dans le béton. Dans la pratique, la formulation Westergaard (WF), supposant une paroi rigide verticale, est souvent utilisée pour représenter les pressions hydrodynamiques. Toutefois, la validité de la WF pour les prises d'eau n'a pas été abordée dans le passé. Une analyse paramétrique est réalisée ici à l'aide de quatre structures hautes de 40 m avec un indice de vide de l'ouverture amont, χ, allant de 0% à 30% de la surface du béton en contact avec de l'eau. Des modèles d'éléments finis en trois dimensions (FEM) avec des éléments de fluides potentiels incompressibles sont utilisés lors d'analyses stationnaires et transitoires sismiques incluant l'interaction fluide-structure (FSI) de l'eau dans la conduite forcée ainsi que du réservoir. Des facteurs de modification qui dépendent du paramètre χ sont dérivés de la FEM 3D de telle sorte qu'une formulation modifiée Westergaard (WMF) est proposée pour représenter de façon adéquate la FSI. Des modèles structuraux simplifiés utilisant des éléments poutre-poteau incluant l'influence des ouvertures sur les propriétés structurales aux sections ainsi que la formulation WMF sont utilisés comme une alternative efficace aux analyses complexes 3D d'éléments finis. Des séismes possédant une période de retour de 200 à 10 000 ans sont utilisés pour évaluer la sécurité sismique d'une prise d'eau. Les forces internes et les glissements résiduels sont calculés.

Abstract

This master thesis presents a methodology to assess the seismic safety of concrete gravity water intake structures of typical hydroelectric facilities. Water intake structures are characterized by large voids for the gates and penstock embedded in concrete. In practice, the well-known Westergaard formulation (WF), assuming a vertical rigid wall, is most often used to represent hydrodynamic pressures. However, the validity of the WF for water intake structures has not been addressed in the past. A parametric analysis is performed herein using four 40m high intake structures with upstream opening void ratio, χ, ranging from 0% to 30% of the concrete surface in contact with water. Three-dimensional finite element models (FEM) with potential-based incompressible fluid elements are used in steady-state and transient seismic fluid-structure interaction (FSI) analyses to consider water in the penstock as well as in the reservoir. Modification factors which depend on χ are derived from the 3D FEM such that a Westergaard modified formulation (WMF) is proposed to represent adequately FSI. Simplified structural models using beam-column elements with section properties accounting for the presence the penstock opening and the proposed WMF are used as an efficient alternative to complex 3D FEM. A seismic safety assessment of an intake considering ground motions of return periods ranging from 200 to 10,000 years are used to assess the safety level of the intake structure.