Étude du comportement dynamique en 3D des barrages en enrochement situés dans l'Est du Canada

Autor: Verret, Daniel
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2022
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Druh dokumentu: Texte::Thèse::Thèse de doctorat
Popis: La présente thèse vise à améliorer l'état des connaissances à l'égard des paramètres influençant les effets de site des barrages en enrochement. Une revue exhaustive des publications liées au comportement et à la modélisation dynamique de ce type de barrage a mis en évidence que le nombre de cas de référence est très limité dans la littérature spécifiquement orientée vers l'étude des effets de site avec des analyses en 3D de barrages en enrochement pour lesquels des données instrumentales sont disponibles. Les travaux réalisés sont très orientés vers les praticiens, car ils établissent des lignes directrices pouvant les aider à évaluer les formulations et algorithmes les mieux adaptés à la réalisation d'analyses en 1D, 2D ou 3D. Ils portent sur l'étude des effets de site du barrage Denis-Perron, un grand barrage en enrochement construit dans une vallée escarpée. L'emplacement exceptionnel de cet ouvrage et le fait qu'il a été muni d'accéléromètres pendant sa construction en font un sujet d'étude particulièrement intéressant. Le premier volet des travaux a consisté à analyser les signaux détectés par les accéléromètres pendant trois petits séismes. Les résultats de cette analyse mettent en évidence qu'il est possible de déduire les caractéristiques dynamiques d'un grand barrage, et ce, même avec des signaux faibles. Les fonctions de transfert et les rapports spectraux obtenus à partir de ces séismes fournissent en fait de nouvelles connaissances sur la directionnalité des fréquences de résonance, les modes de vibration et les effets de site. Puisqu'à travers le monde, il existe très peu de barrages instrumentés dont les données sont disponibles et que les séismes de moyenne et de forte amplitude se produisant dans des zones de faible sismicité sont rares, ces données sismologiques se sont avérées très précieuses pour valider les résultats obtenus au cours des travaux subséquents. Le deuxième volet des travaux a servi à évaluer le potentiel de la technique du bruit ambiant pour déterminer les caractéristiques dynamiques du barrage Denis-Perron. Des mesures de bruit ambiant ont été prises à l'aide de vélocimètres à trois composantes adaptées aux conditions d'un grand barrage. Ces données expérimentales ont permis d'établir la fréquence des modes de vibration de ce grand barrage. Les résultats obtenus d'analyses simples effectuées pour traiter les signaux individuels sont aussi concluants que ceux provenant d'une analyse modale réalisée à partir d'un ensemble de signaux synchronisés entre eux tout en étant cohérents avec les résultats issus de l'analyse des données sismologiques. À partir de la fréquence des modes de vibration fondamentaux calculée avec les données sismologiques et expérimentales, une analyse modale numérique effectuée avec un modèle tridimensionnel a permis d'ajuster le profil de rigidité moyen par rétro-calculs représentatifs du milieu 3D. Dans le cadre du troisième volet, des analyses paramétriques ont été réalisées avec des modèles simplifiés, conçus pour étudier des aspects spécifiques en lien avec les effets de site du barrage Denis-Perron. Les résultats obtenus de ces analyses indiquent que la forme de la vallée, le contraste d'impédance ainsi que le contenu fréquentiel et l'orientation de la sollicitation sont les paramètres qui influent le plus sur les effets de site. Bien que ces résultats illustrent l'importance des effets de site du système vallée barrage étudié, ils font également ressortir certaines limitations entourant la réalisation d'analyses dynamiques en 2D et 3D pour un tel système. De plus, conformément à la littérature, ils indiquent que la forme de la vallée et le rapport entre la hauteur maximale d'un barrage et sa longueur en crête agissent fortement sur sa réponse dynamique. Après que les modèles aient été améliorés pour mieux refléter les conditions du barrage, ils ont été validés à l'aide des données sismologiques disponibles. Les signaux du séisme le plus fort de 1999 ont permis de vérifier et valider ces modèles avancés à l'aide des résultats de simulations obtenus tant dans le domaine temporel que fréquentiel, de même que de conclure qu'il n'est pas requis de recourir à une dé convolution pour ajuster des signaux à la base des modèles. Des analyses dynamiques faites à partir d'un séisme de plus forte intensité (0,3 g), représentatif de la sismicité de l'Est du Canada, a aussi permis d'extrapoler ainsi que de prévoir les phénomènes dynamiques et leurs impacts sur la stabilité et les déplacements permanents du barrage Denis-Perron.
This thesis aims at improving the state of knowledge regarding the parameters that influence the site effects of rockfill dams. A comprehensive literature review related to the behavior and dynamic modeling of this type of dam has highlighted that the number of reference cases specifically oriented towards the study of site effects with 3D analyses of rockfill dams for which seismological data are available is very limited in the literature. The research effort is very practitioner-oriented, as it establishes guidelines that can help engineers evaluate the most appropriate formulations and algorithms when performing 1D, 2D or 3D analyses. It focuses on the study of the site effects of the Denis Perron Dam, a large rockfill dam built in a steep valley. The exceptional location of this structure and the fact that it was equipped with accelerometers during its construction make it a particularly interesting case study. The first phase of the project consisted in analyzing the signals detected by the accelerometers during three small earthquakes. The results of this analysis show that it is possible to deduce the dynamic characteristics of a large dam, even with weak signals. The transfer functions and spectral ratios obtained from these earthquakes provide new insights into resonant frequency directionality, vibration modes, and site effects. Since there are very few instrumented dams worldwide for which seismological data are available and as medium and large magnitude earthquakes occurring in areas of low seismicity are rare, the available seismological data have proven to be very valuable invalidating the results obtained in the subsequent work. The second phase of the project was meant to evaluate the potential of the ambient noise technique to determine the dynamic characteristics of the Denis Perron Dam. Ambient noise measurements were recorded using three-component velocimeters adapted to the conditions of a large dam. These experimental data were used to establish the frequency of the vibration modes of this large dam. The results obtained from simple analyses conducted to process individual signals are as conclusive as those from a modal analysis based on a set of signals synchronized with each other while being consistent with the results from the analysis of the seismological data. From the frequency of the fundamental vibration modes calculated with the seismological and experimental data, a numerical modal analysis was conducted using a three-dimensional model to fit the average stiffness profile by retrofit calculations representative of the 3D medium. In the third and last phase, parametric analyses were conducted using simplified models designed to study specific aspects related to the site effects of the Denis-Perron dam. The results obtained indicate that the valley shape, impedance contrast, frequency content, and solicitation orientation are the parameters that have the most influence on the site effects. These results illustrate the importance of site effects for the studied valley-dam system, but they also emphasise some limitations surrounding the performance of 2D and 3D dynamic analyses for such a system. Further, in accordance with literature, they show that the ratio of the maximum height of a dam to its crest length and the valley shape strongly affect its dynamic response. After the models were refined to better reflect dam conditions, they were validated based on seismological data. Signals from the strongest 1999 earthquake were used to verify and validate these advanced models from simulation results in both time and frequency domains and conclude that deconvolution is not required to fit the signals at the base of the models. Dynamic analyses based on an earthquake of higher intensity (0.3 g), representative of the seismicity of eastern Canada, were conducted, from which the dynamic phenomena and their impacts on the stability and permanent displacements of the Denis Perron dam were extrapolated and predicted.
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