Modélisation du comportement géo-mécanique d’une conduite de transfert et évaluation de sa performance en contexte incertain.

Modeling of the geo-mechanical behavior of a feeder and evaluation of its performance in uncertain context.

• Auteur / Autrice : Ghina Darwich
• Direction : Sidi Mohammed Elachachi, Humberto Yáñez-Godoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 27/06/2019
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Nadia Saiyouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sidi Mohammed Elachachi, Humberto Yáñez-Godoy, Fadi Hage Chehade, Emilio Bastidas-Arteaga, Philippe Bressolette
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fadi Hage Chehade, Emilio Bastidas-Arteaga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tuyaux d'eau

Mécanique des sols

Simulation, Méthodes de

Interaction sol-structure

Mots clés libres

Interaction sol-Structure

Incertitudes

Eau potable

Variabilité spatiale

Outil numérique

Fiabilité

Soil-Structure interaction

Uncertainties

Drinking water

Spatial variability

Numerical tool

Reliability

Résumé

L’objectif principal de cette thèse est de mieux appréhender les mécanismes qui contrôlent le comportement géo-mécanique d’une conduite de transfert en vue d’évaluer sa performance en contexte incertain. Elle s’articule autour de quatre points principaux :Le premier point est relatif à l'interaction sol-conduite : Dans le cas des conduites enterrées, le sol a une influence déterminante sur la répartition des efforts, des déplacements et par conséquent des contraintes et des déformations de la conduite. Le modèle simplifié de Winkler a été choisi pour représenter l'interaction sol-conduite dans notre étude. Ce modèle, approprié pour les ouvrages géotechniques, a l'avantage de ne nécessiter qu'un seul paramètre (le coefficient de réaction du sol) pour caractériser les réponses du sol et de la structure sous chargement.Le deuxième point concerne la modélisation numérique : Une modélisation 1D dans le sens longitudinal, qui considère la conduite comme une poutre sur appuis élastiques, n’est pas suffisante pour traduire le comportement « réel » de cette conduite. La modélisation en plan 2D, qui ne considère la conduite que par sa section transversale, est également insuffisante pour représenter « la réalité ». La modélisation 3D, quant à elle, demeure très coûteuse vis-à-vis du temps de calcul dans un contexte d’analyse probabiliste. Dans le cadre de notre étude, des conduites enterrées en béton armé à âme en tôle d’acier, transportant de l’eau potable sous pression élevée, sont considérées. Pour tenir compte des effets de la pression interne et du chargement complexe en surface, ainsi que de ceux du sol (dans les deux sens : longitudinal et transversal), nous faisons appel à une «modélisation 2,5D». Elle consiste à combiner la réponse géo-mécanique dans la section transversale, obtenue à partir d’un modèle 2D, et celle d’un modèle simple 1D, de façon à obtenir le profil des tassements et celui des contraintes dans la section tout au long de la conduite.Le troisième point concerne la prise en compte des diverses incertitudes et de la variabilité spatiale du sol : Le comportement géo-mécanique des conduites enterrées est entaché d’incertitudes aléatoires -liées à la variabilité intrinsèque des propriétés des matériaux et leur hétérogénéité- et épistémiques -résultant d’une méconnaissance partielle voire totale du mécanisme étudié-. La variabilité longitudinale du sol est considérée au travers de la théorie des champs aléatoires de VanMarcke.Enfin, le quatrième point est consacré à l’application de l’approche développée dans un contexte de gestion patrimoniale d’un réseau d’eau par la définition et la quantification d’indicateurs de criticité permettant, par les méthodes d'analyse en fiabilité, d’évaluer la performance de la conduite vis-à-vis d’états limites préalablement définis en lien avec l’inspection, la maintenance ou le renouvellement.

The main objective of this thesis is to better understand the mechanisms that control the geo-mechanical behavior of a feeder in order to evaluate its performance in uncertain context. It is focused on four main points:The first point is related to the soil-pipe interaction: In the case of buried pipelines, the soil has a decisive influence on the distribution of forces, displacements and consequently stresses and deformations of the pipe. The simplified Winkler model was chosen to represent the soil-pipe interaction in our study. This model, which is appropriate for geotechnical structures, has the advantage of requiring only one parameter (the coefficient of subgrade reaction) to characterize the response of the soil and the structure under loading.The second point concerns numerical modeling: A 1D modeling in the longitudinal direction, which considers the pipe as a beam on elastic springs, is not enough to translate the "real" behavior of this pipe. 2D plane modeling, which considers the pipe only by its cross section, is also insufficient to represent "reality". 3D modeling remains very expensive vis-à-vis the calculation time in a probabilistic context. In our study, buried reinforced concrete pipes (with steel core) carrying drinking water under high pressure, are considered. To account for the effects of internal pressure and complex surface loading, and those of the soil (in both longitudinal and transverse directions), we use a "2.5D modeling". It consists in combining the geo-mechanical response in the cross section, obtained from a 2D model, and that of a simple 1D model, so as to obtain the profile of the settlements and that of the stresses in the section all along the pipe.The third point concerns the various uncertainties and the spatial variability of the soil: The geo-mechanical behavior of the buried pipelines is tainted with random uncertainties - related to the intrinsic variability of the materials properties and their heterogeneity - and epistemic uncertainties - resulting from a partial or total ignorance of the studied mechanism. Longitudinal soil variability is considered through VanMarcke's Random Field Theory.Finally, the fourth point is devoted to the application of the developed approach in the context of asset management of a water network by defining and quantifying criticality indicators allowing, through reliability analysis methods, evaluating the performance of the pipe vis-à-vis previously defined limit states related to inspection, maintenance or renewal.