Stabilité structurale 3D des ouvrages hydrauliques en béton : développement et applications d'éléments fibres hydromécaniques

 Research Problem: Three-dimensional methods for structural analysis of unreinforced concrete spillway piers can be divided into three categories of increasing complexity: (1) Gravity Method (GM); (2) 3D fiber elements; (3) 3D Finite Element Method (FEM). The GM, which assumes a linear distribution of bending stresses, is frequently used in practice based on the Euler-Bernoulli (EB) hypothesis of "plane sections which remain plane" after loading. However, the warping effects of torsion and shear are ignored. The FEM 3D captures the warping effects of deep sections due to torsion and shear forces. Yet, the FEM in nonlinear computation (1) requires a lot of expertise, (2) often suffers from convergence problems, (3) requires long computational time, and (4) requires the development of comprehensive post-processing tools to calculate structural stability indicators (sliding safety factor, position of the force resultant, etc.…). The 3D fiber element method using the familiar parameters of beam theory, leads to more precise results than the GM and with less complexity than nonlinear 3D FEM in terms of engineering resources and interpretation of the results to take decisions on the adequacy of stability indicators in relation to regulatory requirements. The fiber element method therefore has several advantages over the 3D MEF,especially for industrial applications. Realistically, spillway piers are structures with deep sections whose warping effects are not negligible, which are subjected to 3D loads originating from the impact of floating ice inducing significant torsion, seismic forces along the weak axis, and the presence of uplift pressures (UP) in cracks.

Résumé

Problématique : Les méthodes tridimensionnelles d'analyse structurale des piliers d'évacuateurs de crues en béton non armé peuvent être divisées en trois catégories de complexité croissante: (1) méthode de gravité (MG); (2) méthode d'éléments fibres et (3) méthode d'éléments finis 3D solides (MEF 3D). La MG, qui fait l'hypothèse d'une distribution linéaire des contraintes de flexion, est utilisée fréquemment dans la pratique en se basant sur l'hypothèse d'Euler-Bernoulli (EB) des « sections planes qui restent planes » après le chargement. Par ailleurs, les distorsions de gauchissement de la torsion et du cisaillement sont ignorées. La MEF 3D permet de capturer l'effet du gauchissement des sections profondes due au cisaillement et à la torsion. Cependant, l'utilisation de la MEF 3D en calcul non linéaire requiert (1) beaucoup d'expertise, (2) souffre souvent de problèmes de convergence, (3) demande de longs temps de calcul et (4) demande le développement d'outils de post-traitement exhaustifs afin de déterminer les indicateurs de la stabilité structurale (facteur de sécurité au glissement, position de la résultante des forces …). La méthode d'éléments fibres utilisant les paramètres familiers de la théorie de poutre, conduit à des résultats plus précis que la MG et avec moins de complexité que la MEF 3D non linéaire en termes de ressources d'ingénierie, temps de calcul et ressource d'interprétation des résultats pour prendre des décisions sur l'adéquation des indicateurs de stabilité par rapport aux exigences réglementaires. La méthode des éléments fibres présente donc plusieurs avantages par rapport à la MEF 3D, tout particulièrement pour les applications industrielles.