Analyse et conception antisismiques des barrages en béton

par Kianoosh Hatami, PhD, PEng

À l'échelle mondiale, on constate un intérêt de plus en plus marqué pour la construction de nouveaux barrages à cause de l'accroissement de la demande d'approvisionnement d'eau, d'irrigation et d'énergie hydroélectrique propre. La sécurité des barrages et les risques qu'ils peuvent entraîner pour la région en aval de chacun d'eux, en particulier dans les secteurs actifs du point de vue sismique, constituent des préoccupations importantes pour les gouvernements, les propriétaires de ponts qui sont des particuliers et les collectivités touchées. La charge hydrodynamique du réservoir qui subit le mouvement du sol peut augmenter pour atteindre des magnitudes comparables à la charge hydrostatique derrière le barrage et, par conséquent, compromettre la sécurité structurale du barrage. Une compréhension approfondie des effets des conditions aux limites du réservoir sur la magnitude de la charge hydrodynamique du réservoir est essentielle pour une conception sécuritaire et économique des barrages en béton dans les secteurs géographiques où le risque de séisme est élevé. Les travaux de recherche réalisés par l'auteur portaient notamment sur l'évaluation quantitative des effets de la dimension et des conditions aux limites du réservoir (y compris les effets des sédiments) sur la pression hydrodynamique dans le réservoir et la réponse sismique des barrages en béton (figure 1).

Les points saillants de la recherche menée par l'auteur sur l'analyse sismique des barrages en béton sont énumérés ci-dessous :

Figure 1 : Modèle analytique à deux dimensions d'un système barrage-réservoir-fondation avec des conditions aux limites générales pour le réservoir

1) Un programme par éléments finis a été mis au point pour calculer la pression hydrodynamique dans le réservoir et la réaction dynamique des barrages-poids en béton par rapport au mouvement du sol. Le programme a été vérifié par rapport aux résultats des solutions analytiques pour la pression hydrodynamique causée par le mouvement harmonique du sol (figures 2 et 3).

Figure 2 : Réponse en fréquence de la force hydrodynamique sur le barrage qui subit le mouvement horizontal du sol pour différents coefficients de réflexion, ab, du plafond de réservoir. (a) modélisation par éléments finis (b) solutions analytiques d'après Fenves et Chopra (1984)
Figure 3 : La réponse en fréquence de la force hydrodynamique sur le barrage assujettie au mouvement de sol horizontal pour différents coefficients de réflexion, ab, du plafond de réservoir. (a) modélisation par éléments finis (b) solutions analytiques d'après Fenves et Chopra (1984) :

La mesure réelle des amplitudes d'onde de la pression hydrodynamique dans les réservoirs de barrages choisis à l'aide de différentes techniques de vibration fournira une précieuse base de données de réactions enregistrées; cette base pourra être utilisée pour perfectionner les hypothèses des approches analytiques et pour étalonner les résultats des études de simulation numérique. Les modèles étalonnés peuvent ensuite être utilisés afin de proposer des méthodes simplifiées pour évaluer la charge hydrodynamique du réservoir pour une forme de réservoir, une dimension et des conditions aux limites données.

2) On examine actuellement la possibilité de réduire la réponse sismique des barrages avec une isolation hydrodynamique. Le concept de l'isolation hydrodynamique traite de la modification technique de la condition aux limites de l'interface barrage-réservoir afin de réduire la charge hydrodynamique transférée au parement amont de la structure du barrage. Les résultats des études de simultation analytique et numérique de l'auteur indiquent que la réponse sismique d'un barrage avec isolation hydrodynamiquie peut être sensiblement plus faible (p.ex., une baisse pouvant atteindre 35 %) que la réponse d'un barrage autrement identique et non protégé (figure 4).

Figure 4 : Contours de contrainte de traction maximale à travers la coupe transversale du bloc, le réservoir complet étant soumis à un mouvement du sol de 1940 Taft. Notes : Hauteur du barrage = 91,5 m (300 pi); valeurs de contrainte en kPa. (a) barrage non protégé; (b), (c) barrage avec isolation hydrodynamique : (b) coefficient de réflexion du parement = 2/3 (c) coefficient de réflexion du parement = 1/3

D'autres études sur le sujet, y compris une modélisation expérimentale à échelle réduite ainsi que l'instrumentation de barrages choisis qui sont en service, peuvent fournir une approche intéressante pour améliorer la sûreté parasismique des barrages d'une façon pratique et économique.

3) Un index de la réponse structurale est présenté; il fait une corrélation pertinente avec les mesures de l'intensité du mouvement du sol et peut commodément être utilisé pour évaluer le niveau de tension dans le bloc d'un barrage-poids dans différentes conditions de chargement. De plus, il peut servir d'index de conception auxiliaire pour choisir la géométrie de la coupe transversale du barrage. L'applicabilité de l'index proposé peut être élargie pour comprendre divers types de barrages et de nonlinéarité structurale. Certaines modifications dans la définition de l'index peuvent être requises pour tenir compte du comportement des matériaux non linéaires, notamment la formation et la propagation de fissures dans le barrage.

Référence

1. Fenves, GL et Chopra, AK, 1984. Earthquake Analysis and Response of Concrete Gravity Dams. Rapport no UCB/EERC-84/10, University of California, Berkeley, CA, USA.

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