Innovative Numerical Modeling and Experimental Simulation of the Seismic Response of Structure-Water Systems and their Appurtenant Structures

«Les systèmes structure-eau, tels que les barrages, les éoliennes en mer et leurs structures annexes, jouent un rôle clé à la fois économiquement et socialement dans les sociétés modernes. Alors que le monde se tourne vers les énergies propres en réponse au changement climatique, l’importance de ces systèmes se trouve amplifiée. Assurer leur sécurité et leur fiabilité, notamment dans les régions à forte activité sismique, est essentiel. Ces dernières années, de nombreux barrages et leurs structures annexes ont subi des dommages variés en raison des charges sismiques. Une analyse dynamique précise des systèmes eau-structure est donc cruciale pour concevoir de nouvelles structures et évaluer la performance sismique des structures existantes. Ces analyses se répartissent en deux catégories : les analyses robustes et les méthodes simplifiées. Les analyses robustes, les plus précises, utilisent des formulations analytiques avancées ou des méthodes couplées par éléments finis, mais nécessitent des logiciels spécialisés et un haut niveau d’expertise pour modéliser précisément les interactions fluide-structure. Les ingénieurs praticiens trouvent souvent ces méthodes complexes en raison de la difficulté des modèles par éléments finis. En revanche, les méthodes simplifiées reposent sur des hypothèses qui simplifient le processus d’analyse. Le concept de masse ajoutée, une méthode simplifiée couramment utilisée, suppose que la structure est rigide lors du calcul des forces hydrodynamiques. Bien que cette approche présente des limites et ne fournisse pas toujours des résultats précis, elle reste largement utilisée en ingénierie en raison de sa simplicité. Une autre méthode courante est l’analyse spectrale, qui prend en compte principalement le mode fondamental du système tout en incluant les effets des modes supérieurs par une correction statique. Cependant, pour les systèmes flexibles, négliger les contributions dynamiques des modes supérieurs peut entraîner des erreurs significatives. Il existe donc un besoin pour une méthode simplifiée mais efficace permettant de modéliser les interactions dynamiques structure-eau, tout en étant facile à mettre en oeuvre et permettant des analyses sismiques complexes sans compromettre la précision des paramètres critiques. L’évaluation expérimentale des systèmes structure-eau, via des essais sur table vibrante, offre une alternative interessante pour étudier leur réponse sismique. Ces essais sont particulièrement utiles pour valider des modèles numériques complexes nécessitant des vérifications expérimentales supplémentaires. Cependant, ils présentent des défis importants lorsqu’il s’agit d’intégrer les effets hydrodynamiques. Les essais sur table vibrante dans ce cas sont souvent limités à l’utilisation de tables immergées ou de méthodes simplifiées, comme la distribution de masses ajoutées le long de la hauteur de la structure, ou encore à l’emploi d’une longueur de réservoir réduite. Dans certains cas, les forces hydrodynamiques sont exclues pour des raisons de sécurité ou de coûts élevés. Par conséquent, une approche expérimentale intégrant de manière sûre les effets hydrodynamiques est nécessaire.»

Abstract

«Structure-water systems, such as dams, offshore wind turbines, and their appurtenant structures, play an important role both economically and socially in modern societies. As the world shifts towards clean energy in response to climate change, the importance of these systems is further magnified. Ensuring their safety and reliability, particularly in seismically active regions, is essential. In recent years, numerous dams and their appurtenant structures have experienced different levels of damage due to earthquake loads. Consequently, accurate dynamic analysis of structure-water systems is vital for designing new structures and assessing the seismic performance of existing ones. These analyses can be categorized into two main types: advanced and simplified methods. Advanced methods are generally more comprehensive, using advanced analytical formulations or coupled finite element methods, but they require specialized software and a high level of expertise to model fluid-structure interactions accurately. Practicing engineers often find these methods difficult to implement due to the complexity of finite element models and analytical formulations. On the other hand, simplified methods rely on assumptions to ease the analysis process. The added mass concept is a widely used simplified approach that assumes the structure is rigid for hydrodynamic force calculations. Although this method has limitations and may not always provide highly accurate results, it remains a common practice in everyday engineering due to its simplicity and ease of application. Another commonly used method for analyzing structure-water systems in day-to-day engineering practice is the Response Spectrum Analysis (RSA) method. This approach primarily considers the fundamental mode of the structure-water system while incorporating the effects of higher modes through a static correction technique. However, for flexible systems, neglecting the dynamic contributions of higher modes can result in significant inaccuracies in the analysis. Therefore, there is still a demand for a simplified yet effective method that models dynamic structure-water interactions while maintaining ease of implementation, enabling complex seismic analyses to be performed more efficiently without compromising the accuracy of critical response parameters. Experimental seismic evaluation of structure-water systems provides a valuable alternative approach for studying the seismic response of these systems. Experimental methods, such as shaking table tests, are particularly valuable for validating complex numerical models, especially when robust analytical or finite element methods require additional experimental verification. However, available shaking table tests face challenges when incorporating hydrodynamic effects into the experimental setup. Shaking table tests of structure-water systems are typically limited to the use of underwater shaking tables or simplified methods, such as distributing added masses along the structure’s height or employing a limited reservoir length to approximate hydrodynamic effects. In some cases, experiments have completely excluded hydrodynamic forces due to safety concerns and the high costs associated with specialized facilities. Consequently, there is a clear need for an experimental approach that can safely and effectively integrate hydrodynamic effects into the seismic testing of structure-water systems and their appurtenant structures.»