Couplage fluide-structure pour la simulation et le diagnostic de la stabilité des ouvrages hydrauliques de protection

par Sami Kaidi

Thèse de doctorat en Sciences. Génie mécanique. Mécanique avancée

Sous la direction de Abdellatif Ouahsine et de Noureddine Igbida.

Soutenue en 2011

à Amiens , en partenariat avec Université de Technologie de Compiègne (autre partenaire) .

mots clés

• Digues -- Évaluation -- Thèses et écrits académiques
• Constructions -- Stabilité -- Thèses et écrits académiques
• Interaction fluide-structure -- Thèses et écrits académiques
• Éléments finis, Méthode des -- Thèses et écrits académiques
• Navier-Stokes, Équations de -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Cette thèse concerne l’étude de la stabilité des digues en enrochement sous sollicitations hydrodynamiques. Il s’agit de mettre en place un couplage fluide-structure pour simuler numériquement la stabilité de ces structures sous sollicitations hydrodynamiques, en tenant compte de la forme et de la disposition des blocs ; des forces de contact entre blocs ; de la nature de l’écoulement du fluide et en tenant compte des effets rétroactifs entre le fluide et le système de blocs. Dans ce couplage, la structure est supposée formée d’éléments discrets (blocs) susceptibles de se déformer. Ainsi, la modélisation des mouvements des structures est effectuée par un modèle d’éléments discrets basé sur la méthode de l’Analyse de Déformations Discontinues (DDA), tout en adoptant l’algorithme du ’Lagrangien Augmenté’ pour la prise en compte des liaisons des contacts. Pour la partie fluide, un modèle numérique en éléments finis, basé sur les équations de Navier-Stokes 2DV auxquelles nous avons ajouté une condition cinématique (pour la prise en compte de la variation de la surface libre), est utilisé pour déterminer les sollicitations hydrodynamiques qui agissent sur les blocs. La méthode DDA, permet de représenter les blocs par des polygones et leur maillage n’est pas nécessaire. Cela permet de ne traiter que les points situés aux sommets du polygone et de réduire considérablement le temps de calcul et de stockage. Elle représente donc une alternative au formules empiriques classiquement utilisées pour estimer le coefficient de stabilité d’une digue, lesquelles ne tiennent compte (i) ni de la forme géométrique des blocs, (ii) ni de contact et de frottement entre blocs etc. . . Dans le cadre de cette thèse, la DDA a été utilisée avec succès pour étudier la stabilité des digues en enrochements naturels puis artificiels de forme cubique et acropode, d’une digue soumise à un chargement sismique en déterminant les déplacements des blocs et leurs dispositions finales après le séisme. Enfin, cette méthode a été utilisée également pour étudier la résistance d’un barrage poids fissuré, aux élévations brusques du niveau d’eau, ceci en tenant compte de la nature et la position de la fissure.

Titre traduit

Fluid-structure coupling for simulation and diagnosis of the stability of hydraulic structures of protection

Résumé

In this paper, a numerical study is conducted to assess the stability of the seaward facing slope of breakwaters under hydrodynamic loading using a coupled fluid-structure interaction framework. Stability characteristics of breakwaters have traditionally been analysed using empirical approaches which do not take into account important factors such as nonlinear wave-structure effects. A modelling framework is proposed for coupling deformable discontinuous media (DDA) with a finite element method (FEM) for solving free-surface flows where the Navier-Stokes equations are solved for velocity and pressure. It is necessary to take into account contacts between different shaped blocks and this study assumes that contact constraints are imposed through an augmented Lagrangian algorithm. To illustrate the performance of the proposed framework two breakwaters consisting of cubic and acropod shaped blocks are simulated under hydrodynamic forces.