Analyses sismiques des barrages-poids: effets de l'irrégularité de l'interface barrage-fondation sur la stabilité au glissement et de l'interaction fluide-structure sur l'amplification dynamique

This work proposes two new methodologies to perform seismic safety assessment of gravity-dams. First, special non-linear finite elements are developed to study the sliding of the dam due to non-linear behavior at the dam-rock interface. Secondly, seismic floor acceleration demands within gravity dams are analyzed using floor response spectra, taking into account various modeling assumptions of fluid-structure interaction. The special interface elements developed in this work allow the dam to slide and rock over its foundation while obeying Mohr-Coulomb failure criterium including cohesion and tensile strength at the interface. The methodology is presented so that the proposed interface elements can be efficiently implemented by practicing engineers in a commercial software. Subsequently, the developed interface elements are used to investigate the sensitivity of the seismic response of an existing gravity dam (located in Quebec) to various non-linear modeling assumptions. The gravity dam is subjected to various seismic inputs with horizontal and vertical components. The non-linear response of the dam is examined through stress distributions, sliding safety factors, cracking lengths and residual displacements at the dam-rock interface. Finally, a discussion comparing non-linear analyses to simplified methodologies to assess the safety of a gravity dam is provided.

Résumé

Le mémoire propose de nouvelles méthodologies pour réaliser deux types d'évaluations de la sécurité sismique d'un barrage-poids: dans un premier temps, des éléments innovants sont développés pour étudier le glissement du barrage occasionné par le comportement non-linéaire à l'interface barrage-fondation, dans un second temps, l'amplification de l'accélération sismique au sein d'un barrage-poids est caractérisée au moyen de la méthode des spectres de plancher, au regard des hypothèses considérées pour l'interaction fluide-structure. Les éléments d'interface spécialement conçus dans ce mémoire permettent au barrage de glisser et de se balancer au-dessus de sa fondation, tout en respectant le critère de rupture de Mohr-Coulomb, incluant les effets de la cohésion et de la résistance à la traction. La méthodologie correspondante est présentée de sorte à pouvoir être implémentée dans des logiciels commerciaux couramment utilisées par l'ingénieur en structures. Par la suite, les éléments développés sont utilisés pour étudier la sensibilité de la réponse sismique d'un barrage-poids au Québec à plusieurs hypothèses de modélisation de l'interface barrage-fondation. Les résultats des analyses sont examinés en terme de la répartition des contraintes,du facteur de sécurité au glissement, de la longueur de fissuration et du déplacement résiduel à l'interface barrage-fondation. Finalement, une discussion est proposée concernant le gain des analyses linéaires comparées aux méthodes d'analyse simplifiées, pour évaluer la sécurité sismique d'un barrage-poids.