Contribution à l'étude du comportement de structures libres, rigides, élancées, glissantes et basculantes sous séisme

Behavior of free-standing, slender, rigid, rocking and sliding structures under seismic motion

• Auteur / Autrice : Charlie Mathey
• Direction : Michel Fogli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 15/03/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme) - Institut Pascal
• Jury : Président / Présidente : Georges Jacquet-Richardet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Fogli, David Clair, Laurent Baillet, Cyril Feau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Jacquet-Richardet, Nikos Makris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équipement industriel

Mots clés libres

Bloc rigide

Basculement

Renversement

Séisme

Défaut

Fiabilité

Rigid block

Rocking

Overturning

Earthquake

Defect

Reliability

Résumé

Dans le cadre des études relatives à la sûreté sismique des installations industrielles, on est amené à se préoccuper de la stabilité de structures libres (des équipements, des containers, des fûts. . . ) posées à même le sol. De nombreuses méthodes ont permis d’établir des critères de sûreté réputés conservatifs, sans qu’il soit besoin de représenter finement le comportement dynamique de l’objet. Dans le cadre de cette thèse, on a cherché à analyser la capacité de prédiction par des modèles numériques du mouvement de corps rigides libres soumis à des séismes impliquant impacts et glissements. Pour cela, on s’est appuyé sur deux campagnes expérimentales qui ont été menées au laboratoire EMSI du CEA/Saclay sur des blocs parallélépipédiques en acier, élancés et disposant de 4 appuis non ponctuels usinés avec des tolérances standards. Dans un premier temps, des essais de lâcher (bloc immobile en appuis sur deux pieds, puis lâché sans source d’excitation extérieure), souvent analysés dans la littérature comme un mouvement plan, ont fait apparaître un mouvement 3D reproductible dans les premiers instants consécutifs au lâcher. L’analyse fine de ce mouvement a permis, d’une part, de conclure qu’il était dû à des défauts de géométrie des pieds et, d’autre part, d’élaborer un modèle numérique représentatif incluant ces défauts. Dans un second temps, il a été question d’étudier l’aptitude du modèle numérique à représenter le comportement dynamique au cours du temps d’un bloc rigide élancé non idéal soumis à des excitations sismiques. Les blocs ont été soumis à 100 réalisations d’un processus stationnaire (essais de variabilité) puis 100 fois à la même accélération (essais de répétabilité). D’un point de vue statistique, et malgré les incertitudes expérimentales, ce travail a permis d’exhiber une bonne adéquation entre les résultats des modèles numériques et les résultats expérimentaux. En outre, il a permis de quantifier la durée au-delà de laquelle une prédiction du comportement ne peut plus être considérée comme pertinente. Pour finir, on s’est attaché à appliquer des outils classiques de fiabilité au problème de bloc rigide soumis à des séismes, ainsi que la méthode récente des Subset Simulations.

In the field of nuclear safety, the stability of free standing structures like containers, barrels or electronical devices is considered to be an important matter. Until now, the literature written on the subject presents some stability criteria known to be conservative without needing to represent in detail the object behavior. This thesis attempts to analyse the capacity numerical models have to predict the behavior of blocks submitted to seismic acceleration, with impacts and friction. To this effect, two experimental campaigns were carried out in the EMSI laboratory (CEA Saclay, France) on slender massive prismatic steel blocks, with 4 machined (i.e. non-ideal) feet. First of all, release tests (the block is in an unsteady position on 2 feet, kept still with a wire, then the wire is cut and the block is released without any ground motion) are usually analysed as a plane motion. Our experiments have shown a reproducible out-of-plane (3D) motion during the first seconds of the release. A detailed analysis highlighted the fact that this 3D motion is induced by geometrical defects on the block feet, and allowed us to build an accurate numerical model of this behavior. The ability of this numerical model to match the dynamic behavior of a non-ideal rigid slender block has been questioned. In a second campaign, 4 blocks were subjected on the one hand to 100 realisations of a stationnary process, and on the other hand 100 times to the same excitation. This accounts for an analysis of the variability of two 100-samples of results obtained under two different input variability levels. From a statistical point of view, despite experimental uncertainties this article demonstrates a good agreement between numerical and experimental results. Finally, some classical tools of reliabily were applied to the rocking block problem, as well as a newer method called Subset Simulation.