Modélisation numérique tridimensionnelle de l'interaction sol-structure avec prise en compte des effets de site

Three-dimensional numerical modeling of soil-structure interaction incorporating site effects

• Auteur / Autrice : Zouhair Adnani
• Direction : Marc Bonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 25/05/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1741 -....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Semblat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Bonnet, Attilio Frangi, Geert Degrande, Stéphanie Chaillat, Vinicius Alves Fernandes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Attilio Frangi, Geert Degrande

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie mécanique

Matériaux

Mots clés libres

Effet de site

Interaction sol-Structure

Fm-Bem/fem

Site effects

Soil-Structure interaction

Fm-Bem/fem

Résumé

L'un des enjeux de l'analyse du risque sismique est de déterminer les marges de sûreté des structures. Dans cette optique, la modélisation numérique des effets de site est importante. En effet, la géométrie du site et ses propriétés lithologiques peuvent induire des amplifications ou atténuations du mouvement sismique. Les effets de site étant souvent découplés des calcul d'interaction sol-structure, à cause de la taille des domaines à considérer et de la complexité des modèles, l'objectif de cette thèse est de développer une stratégie de calcul numérique d'interaction sol-structure permettant de prendre en compte les effets de site dans un contexte industriel. Pour ce faire, un couplage entre la méthode des éléments finis (FEM) et la méthode des éléments de frontière accélérée par la méthode multipôle rapide (FM-BEM) est développé dans ce travail. La BEM permet de modéliser des problèmes dans des domaines de très grande taille ou infinis mais est gourmande en temps de calculs. Avec la méthode accélérée, il est possible de considérer des géologies plus complexes et d'accéder à des gammes de fréquences plus élevées par rapport à des approches classiques (purement FEM ou couplage BEM-FEM), grâce à l'accélération du produit matrice-vecteur dans la résolution par un solveur itératif. La mise en place de cette approche s'appuie sur le code FEM industriel Code_Aster (EDF R&D) et le code FM-BEM Coffee (CNRS) développé par S. Chaillat.La FM-BEM est d'abord utilisée pour la modélisation de cas de sols réalistes afin de valider ses paramètres pour une utilisation dans un cadre industriel. Une stratégie de couplage FM-BEM/FEM est ensuite développée à l'aide d'une technique de sous-structuration dynamique où la structure (et éventuellement le sol proche) est modélisée par la FEM, alors que le sol infini est représenté par un opérateur d'impédance et des forces sismiques, construits avec la méthode FM-BEM. L'opérateur d'impédance et les forces sismiques, qui sont calculés sur une base réduite afin d'en réduire le coût de calcul, sont validés sur des cas canoniques (demi-espace homogène, bassin à géométrie variable...). L'influence sur la réponse de la structure de la forme du bassin, de l'angle d'incidence des ondes ainsi que du rapport de célérité des ondes entre les couches est alors étudiée et la réponse de la structure comparée aux cas où les effets de site seraient absents. Enfin, la méthodologie de couplage mise en place est utilisée pour effectuer des calculs d'interaction sol-structure sur des structures dans le bassin de Grenoble.

One of the challenges of seismic risk analysis is to determine the safety margins of structures. In this perspective, the numerical modelling of site effects is important. Indeed, the geometry of the site and its lithological properties can induce amplifications or attenuations of the seismic motion. Site effects being often decoupled from soil-structure interaction computations, because of the large-scale characteristics of the considered domains and the complexity of the models, the objective of this work is to develop a numerical method to simulate soil-structure interaction, that also takes into account site effects. To this aim, a coupling strategy between the finite element method (FEM) and the fast multipole accelerated boundary element method (FM-BEM) is proposed. The BEM is well suited to deal with large-scale or infinite domains but is very expensive in terms of memory requirements or computational time. Once accelerated with the Fast Multipole Method, the FM-BEM allows to model more complex geologies and to consider a higher frequency range compared to classical approaches (purely with the FEM or with a standard BEM-FEM coupling) thanks to the acceleration of the matrix-vector product needed in the iterative solver. The implementation of this strategy is based on the FEM code Code_Aster (EDF R&D) and the FM-BEM code Coffee (CNRS) developed by S. Chaillat.In this work, FM-BEM is first used to model soils with realistic mechanical characteristics and to validate the parameters of the method in an industrial context. An FM-BEM/FEM coupling strategy is then proposed using a dynamic substructuring technique where the structure (and possibly the near soil) is modelled by the FEM, while the infinite soil is represented by an impedance operator and seismic forces, computed with the FM-BEM. The impedance operator and the seismic forces, which are computed on a reduced basis in order to reduce computational costs, are then validated on canonical cases (homogeneous half-space, basin with variable geometry ...). The influence on the response of the structure of the shape of the basin, the angle of incidence of the waves as well as the ratio of the wave velocities between the layers is then studied and the response of the structure is compared to cases where the site effects are absent. Finally, the proposed coupling methodology is used to simulate soil-structure interaction on a configuration such as structures in the Grenoble basin.