Modèles couplés 3D physics-based pour la réponse séismique "de la faille à la structure" : Application sur la centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa (Japon)

Coupled 3D physics-based simulations for seismic source-to-structure response : Application to the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power plant (Japan) case

• Auteur / Autrice : Michail Korres
• Direction : Fernando Lopez-Caballero, Didier Clouteau, Vinicius Alves Fernandes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 26/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des sols, structures et matériaux (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-2021)
• Partenaire(s) de recherche : référent : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Ragueneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrian Rodriguez Marek, Michael Brun, Cécile Cornou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Adrian Rodriguez Marek, Michael Brun

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interaction sol-structure

Génie parasismique

Constructions -- Effets des séismes

Mots clés libres

Couplage SEM-FEM

Modèles physics-Based 3D

Méthode de réduction du domaine

Interaction sol-structure

3D physics-Based simulations

Soil-Structure interaction

Domain reduction method (DRM)

SEM-FEM coupling

Résumé

L'objectif principal de la conception parasismique basée sur la performance (PBED) est l'évaluation probabiliste de la performance des structures en cas de séisme. Dans ce but, un cadre a été proposé par le PEER Center, basé sur la convolution de tous les niveaux de mouvement du sol, de dommages structurels et de pertes. L'un des éléments clés de cette estimation de la performance structurelle est lié à la complexité éventuelle du mouvement du champ d'ondes à définir comme donnée d’entrer de l'analyse ISS. Traditionnellement, l'estimation de la performance structurelle est découplée en deux étapes distinctes : i) l'analyse de l’aléa pour l'estimation du mouvement du sol (défini en un seul point du site), et ii) l'analyse SSI basée sur l’input sismique du même point. Cependant, une limitation de cette approche est liée à son incapacité de la prise en considération de la géologie locale sur la définition du mouvement sismique, qui peut être influencée à cause de la variabilité spatiale des signaux sismiques.Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de mettre en évidence l'impact de chaque composant sur la performance des structures, en s'appuyant sur des outils numériques de pointe pour la prédiction des mouvements du sol lors des tremblements de terre ainsi que l'évaluation des dommages pour les composants structurels ou non. L'approche proposée fait appel, d'une part, à des simulations 3D PBS pour la propagation « de la faille à la structure » afin de fournir une description précise de la variabilité spatiale des secousses au sol et, d'autre part, à des approches avancées pour l'analyse ISS, tenant compte d'une excitation 3D.En premier, et afin de pouvoir introduire un mouvement 3D complexe dans l'analyse ISS, un couplage faible SEM-FEM basé sur la méthode de DRM est implémenté et vérifié pour un cas canonique existant dans la littérature. L’implémentation permet de prendre en compte la géologie régionale et locale complexe dans les modèles SEM et FEM, via une approche de type « not-honoring ». Une procédure d'optimisation, basée sur la décimation du signal de sortie du SEM, est proposée pour accélérer le temps de calcul tout en maintenant une prédiction précise des résultats numériques.L'évaluation de l’aléa sismique dans la première étape de la méthodologie PBED est définie ici comme la prédiction numérique du mouvement du sol pour une application site-spécifique (centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa - KKNPP). Deux scénarios sismiques inspirés de répliques enregistrées de magnitude proche de 4 sont modélisés numériquement via le modèle de source cinématique RIK afin d'étudier l’impact de la source d'excitation. De plus, trois modèles géologiques sont examinés pour la région, permettant d'évaluer l'effet de la géologie régionale sur les mouvements de sol en surface. Des comparaisons sont effectuées en termes de plusieurs IMs pour le mouvement de surface sur le site de KKNPP.Suite à l'analyse de l’aléa, l'analyse structurelle est effectuée en supposant le bâtiment du réacteur de l'unité 7, une structure bien étudiée faisant l'objet de la référence internationale de l'OCDE/NEA Karisma. En plus des effets géologiques identifiés, différentes approches ISS sont examinées pour évaluer l'influence d'une excitation 3D complexe (DRM) au lieu des approches standard (onde plane à incidence verticale ou couplage BEM-FEM) sur la réponse de la structure et ses composantes.L'accélération spectrale moyenne relative est ensuite utilisée comme un IM efficace et suffisant pour l'évaluation de la réponse dynamique d'une armoire électrique hypothétique, située dans la structure d'intérêt. Étant donné le caractère chronophage de la PBS 3D, les fonctions de Green synthétiques sont déployées dans la dernière partie afin d'accélérer la chaîne de calcul et d'évaluer une série de scénarios sismiques pour la structure d'intérêt. La CCDF est calculée pour le cas de cette armoire électrique hypothétique.

The main goal of the performance-based earthquake design (PBED) is the probabilistic evaluation of the system-level performance of structures due to earthquakes. To this aim, a framework was proposed by the PEER Center based on the convolution of all levels of ground motion, structural damage, and loss. One of the key components in this estimation of structural performance is related to the possible complexity of the wave-field motion to be defined as an input to the SSI analysis. Traditionally, the estimation of structural performance is decoupled in two separate steps: i) hazard analysis for GM estimation (generally defined in a single point at the site of interest), and ii) the SSI analysis based on the point-wise definition of the input. However, a limitation of this approach is related to the absence of the "local" geology in the consideration of the seismic input motion, possibly highly influencing the spatial variability of the seismic GM and thus the input signal to be defined.With this regard, the aim of this thesis is to highlight the impact of each component on the seismic performance of critical structures, relying on state-of-the-art numerical tools for the prediction of earthquake ground motion as well as the assessment of damage for structural and non-structural components (NSCs). The proposed approach makes use, on one hand of 3D PBS for source-to-site wave propagation to provide an accurate description of spatial variability of ground shaking and, on the other hand, of systemic approaches for the evaluation of advanced SSI analysis, accounting for a complex 3D input motion excitation.As a first step, and so as to be able to introduce a realistic 3D input motion to SSI analysis, a SEM-FEM weak coupling based on the Domain Reduction Method is implemented and verified for a canonical case study existing in the literature. The implemented version allows to account for both complex regional and local geology in SEM and FEM models, via a not-honoring approach. An optimization procedure, based on the decimation of SEM output signal, is proposed to accelerate the computational time of the coupled approach while maintaining an accurate prediction of numerical results.The evaluation of seismic hazard in the first step of the PBED methodology is defined here as the numerical prediction of the ground motion for a site-specific application. The case of the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power plant (KKNPP) is considered as the case study. Two rupture scenarios inspired by recorded aftershocks of magnitude M_W close to 4 are numerically modeled via the RIK kinematic source model in order to investigate the effect of the dynamic excitation source. In addition, three geological models are examined for the region, allowing to evaluate the effect of regional and surface geology on the obtained surface ground motions. Comparisons are performed in terms of several IMs for the surface motion at the KKNPP site.Following the hazard analysis, the structural and damage analysis are performed assuming the reactor building of Unit 7, a well-studied structure subject of the international benchmark of OECD/NEA Karisma. In addition to the identified geology effects, different SSI approaches are examined at first to evaluate the influence of a complex 3D input excitation imposed via the DRM instead of standard approaches (i.e., plane wave with vertical incidence or BEM-FEM coupling) on both the structural and NSCs responses.The relative average spectral acceleration is later used as an efficient and sufficient IM for the evaluation of the dynamic response of a hypothetical electric cabinet situated in the structure of interest. Given the time-consuming character of the 3D PBS, Synthetic Green’s Functions are deployed in the last part in order to accelerate the computational chain and evaluate a series of plausible earthquake scenarios for the structure of interest. The CCDF is computed for the case of this hypothetical electric cabinet.