Nouvelles techniques pratiques pour la modélisation du comportement dynamique des systèmes eau-structure

L'´etude des comportements dynamique et sismique des ouvrages hydrauliques est, comme pour les structures conventionnelles, primordiale afin d'assurer la protection des vies humaines. Elle a aussi pour objectif de limiter les dommages structuraux que peut engendrer un tremblement de terre et d'´eviter le cas de rupture ou d'effondrement. Ces structures particulieres subissent non seulement les d´eplacements impos´ees par les secousses sismiques, mais aussi ceux induits par les forces hydrodynamiques g´en´er´ees par l'interaction fluide-structure. Cette th`ese passe en revue les diff´erentes m´ethodes complexes et simplifi´ees existantes permettant l'analyse dynamique d'ouvrages hydrauliques. En ce qui concerne les m´ethodes complexes,une attention particuli`ere est consacr´ee aux difficult´es li´ees `a leur utilisation. Parmi celles-ci, nous insisterons sur la mod´elisation des conditions aux fronti`eres transmettantes ermettant de simuler num´eriquement l'effet de la g´eom´etrie semi-infinie du r´eservoir. En d´eveloppant une proc´edure pour estimer l'erreur qu'induisent les conditions existantes, nous montrons que celles-ci peuvent avoir un effet tr`es important sur le comportement dynamique des structures en contact avec de l'eau. Pour les besoins des ing´enieurs-praticiens, des m´ethodes simplifi´ees sont n´ecessaires afin de v´erifier le comportement dynamique des ouvrages en contact avec de l'eau. La revue des m´ethodes simplifi´ees existantes montre que celles-ci sont bas´ees sur de nombreuses simplifications qui peuvent affecter la qualit´e des r´esultats. L'un des objectifs de cette th`ese a ´et´e de d´evelopper des m´ethodes simplifi´ees plus performantes que celles existantes. Une premi`ere m´ethode a ´et´e mise au point pour la r´ealisation d'une analyse spectrale de ces ouvrages. Pour son d´eveloppement, il a ´et´e n´ecessaire de proposer une m´ethodologie pour le calcul pr´ecis de la p´eriode fondamental d'un syst`eme eau-structure. Nous montrons que cette nouvelle proc´edure est facilement programmable, avec un temps de calcul instantan´e, et que celle-ci donne d'excellents r´esultats lorsque compar´ee `a des m´ethodes complexes.

Abstract

The dynamic or seismic behavior of hydraulic structures is, as for conventional structures, essential to assure protection of human lives. These types of analyses also aim at limiting structural damage caused by an earthquake to prevent rupture or collapse of the structure. The particularity of these hydraulic structures is that not only the internal displacements are caused by the earthquake, but also by the hydrodynamic loads resulting from fluid-structure interaction. This thesis reviews the existing complex and simplified methods to perform such dynamic analysis for hydraulic structures. For the complex existing methods, attention is placed on the difficulties arising from their use. Particularly, interest is given in this work on the use of transmitting boundary conditions to simulate the semi infinity of reservoirs. A procedure has been developed to estimate the error that these boundary conditions can introduce in finite element dynamic analysis. Depending on their formulation and location, we showed that they can considerably affect the response of such fluid-structure systems. For practical engineering applications, simplified procedures are still needed to evaluate the dynamic behavior of structures in contact with water. A review of the existing simplified procedures showed that these methods are based on numerous simplifications that can affect the prediction of the dynamic behavior of such systems. One of the main objectives of this thesis has been to develop new simplified methods that are more accurate than those existing. First, a new spectral analysis method has been proposed. Expressions for the fundamental frequency of fluid-structure systems, key parameter of spectral analysis, have been developed. We show that this new technique can easily be implemented in a spreadsheet or program, and that its calculation time is near instantaneous. When compared to more complex analytical or numerical method, this new procedure yields excellent prediction of the dynamic behavior of fluid-structure systems.