Etude de la vulnérabilité de structures cylindriques soumises à une forte explosion externe

Study of the vulnerability of cylindrical structures subjected to strong external explosion

• Auteur / Autrice : Duy-Hung Duong
• Direction : Patrice Bailly, Laurent Daudeville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Energétique
• Date : Soutenance le 23/03/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (Orléans ; 2008-....) - Institut Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique, Energétique
• Jury : Président / Présidente : Mame William-Louis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrice Bailly, Laurent Daudeville, Mame William-Louis, Ahmed Mebarki, Ernesto Salzano, Jean-Luc Hanus, Mathieu Reimeringer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ahmed Mebarki, Ernesto Salzano

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flambage (mécanique)

Réservoirs de stockage

Ondes de choc

Effet de souffle

Explosions

Mots clés libres

Structures cylindriques

Risques d'effets dominos

Essais à échelle réduite.

Cylindrical structures

Potential domino effects

Small scale experiments

Résumé

Ce travail s'inscrit dans le contexte de l'évaluation et de la prévention des risques d'effets dominos suite à une explosion sur un site industriel. Il s'intéresse plus précisément à la vulnérabilité de réservoirs de stockage soumis à une onde de souffle. Le mode d'explosion étudié est celui de la détonation gazeuse. L’objectif est double. Il consiste d'une part à caractériser le chargement auquel est soumis le réservoir et d'autre part à prédire la réponse du réservoir à ce chargement. Des expérimentations ont été réalisées à échelle réduite, pour trois géométries caractéristiques de réservoirs, satisfaisant des conditions de similitudes énergétiques et mécaniques. Des essais sur maquettes de réservoirs rigides ont permis de caractériser le chargement issu d'une détonation : répartition spatio-temporelle de la surpression et de l’impulsion et détermination de coefficients de réflexion. Des essais sur maquettes métalliques déformables ont permis de déterminer le niveau de chargement nécessaire pour endommager la structure par flambage. Une approche semi-analytique du flambage dynamique basée sur une modélisation simplifiée du chargement de surpression de type Friedlander associée à un modèle de coque élastique surbaissée de Donnell et à la croissance d'imperfections géométriques jusqu'à une taille critique a été développée. Son application permet la construction des courbes critiques de flambage des réservoirs métalliques dans des diagrammes pression-impulsion. La confrontation entre les résultats expérimentaux et les prédictions numériques souligne l'intérêt et la pertinence de la démarche proposée.

This work is a contribution to the assessment and prevention of potential domino effects caused by an explosion in an industrial area. It focuses specifically on the vulnerability of storage tanks subjected to a blast wave. Within this context, we investigate the effects of gaseous detonation. The objective is twofold: on one hand, to characterize the blast loading and, on the other, to predict the structural response. Three representative atmospheric chemical tanks were selected. Experiments were conducted at small scale satisfying Hopkinson-Cranz and structural scaling laws. A first campaign was performed on rigid instrumented cylinders to quantify the loading in terms of time and space pressure distribution. A second campaign was performed on flexible cylinders to quantify the structural response in terms of dynamic buckling damage. Simplified semi-analytical models were developed to provide damage predictions. They are based on a Friedlander pressure-time history pulse description, shallow-shell (Donnell's) equations and critical shape imperfection amplification thresholds. These models are used to construct pressure-impulse buckling damage diagrams for atmospheric tanks subjected to blast loading. The comparison between experimental results and numerical predictions highlights the interest and the relevance of the proposed approach.