Fissuration thermomécanique des barrages en béton soumis aux variations saisonnières de température en régions nordiques

Au Québec, plusieurs barrages en béton sont soumis à des variations saisonnières de température pouvant aller jusque 75°C. Dans ces conditions, les changements volumétriques dans le barrage sont très souvent empêchés. Par conséquent des contraintes voire des déformations thermiques peuvent se développer dans le béton entrainant ainsi la dégradation de la rigidité et la résistance de ces barrages. De plus, les cycles saisonniers thermiques provoquent des mouvements amont-aval qui sont souvent à l'origine de la propagation des fissures horizontales et verticales au sein des barrages. Dans cette étude, une procédure de modélisation thermomécanique utilisant la méthode des éléments finis est proposée afin de bien comprendre le comportement thermomécanique des ouvrages en béton incluant la fissuration. Des analyses structurales et de transfert de chaleur ont été réalisées pour un barrage-poids (La Tuque 31 m) et un barrage-voûte (voûte 3-4 du barrage Daniel Johnson 214 m). Les conditions initiales et aux frontières ainsi que les paramètres d'entrée sont définies pour les analyses effectuées. Les équations pour évaluer les propriétés mécaniques (module d'élasticité, résistances à la traction et à la compression, énergie de fissuration et coefficient de Poisson) du béton en fonction de la température sont définies. Les modèles constitutifs de fissuration du béton utilisés pour les analyses thermomécaniques ainsi que les hypothèses de calculs des logiciels d'éléments finis utilisés (ABAQUS et ANSYS) sont présentés. Une étude a été menée pour examiner a) l'impact, de la variation des propriétés mécaniques d'un barrage-poids en fonction de la température et b) l'effet de la pénétration de l'eau dans les fissures (ou le long des joints de construction), sur les contraintes, les déplacements et la fissuration. Il est montré que la différence au niveau des contraintes entre l'analyse où l'on fait varier les propriétés mécaniques selon la température et celle où les propriétés demeurent constantes n'est pas significative (de l'ordre de 5%). Toutefois, cette différence augmente à 20% lorsqu'on regarde les déplacements résultants. L'effet de la désintégration du béton de surface des faces exposées à l'air ambiant sur les facteurs de sécurité (glissement, renversement et soulèvement) a été étudié pour le barrage-poids. Il est montré qu'en deçà de 2 m de profondeur de désintégration, tous ces facteurs de sécurité ne sont pas significativement affectés.

Abstract

In Quebec, many dams are subjected to seasonal temperature variations going up to 75°C. Under these conditions, concrete volumetric changes in the dam are often prevented. Therefore, thermal stresses or strains can develop in the concrete leading to the long term degradation of stiffness and strength of those dams. Moreover, seasonal thermal cycles lead to upstream-downstream movements that are often the source of horizontal and vertical crack propagation in dams. In this study, a thermo-mechanical modeling procedure using the finite element method is proposed in order to assess the thermo-mechanical behavior of concrete structures including cracking. The computer programs ABAQUS and ANSYS are used in the study. Structural analyses and heat transfer were performed for a gravity dam (La Tuque 31 m) and an arch dam (arch 3-4 of the Daniel Johnson dam 214 m). The initial conditions and boundaries conditions as well as the input parameters are defined for the analyses. Equations to evaluate the mechanical properties (elastic modulus, tensile strength, compressive strength, fracture energy and Poisson's ratio) of concrete as a function of temperature are defined. The constitutive model of concrete used for thermo-mechanical analyses (fixed smeared crack model at Gauss points) and the assumptions of the finite element software used are presented. A study was conducted to see a) the impact of varying the mechanical properties of a gravity dam with temperature and b) the effect of water penetration into cracks (seeping along lift joints), on computed stresses, displacements and cracking process. It is shown that the difference in stress between the analysis where mechanical properties vary with temperature and the one where properties remain constant is not significant (about 5%). However, this difference increases to 20% when looking at the computed displacements. The effect of the disintegration of the concrete surface exposed to ambient air on the safety factors (sliding, overturning and uplifting) has been studied for the gravity dam. It is shown that below a 2 m depth disintegration, all those safety factors are not significantly affected.