Probabilistic assessment of structural safety of gravity dams
Evaluación probabilista de la seguridad estructural de presas de gravedad
Evaluation probabiliste de la sécurité structurale des barrages-poids
Résumé
Dams are hydraulic structures of civil engineering inducing important technological risks. The regulation in France relating to the safety of the hydraulic structures is recently evolved (decree of December 11, 2007) and henceforth envisages for the large dams the realization of studies of dangers in which the probabilistic methods of evaluation of structural safety take an important place.
Structural reliability methods have acquired a significant development during these last years. However, the richness of these methods is strongly conditioned by the relevance of the probabilistic assessment of the input data, corresponding to the properties of materials and the actions. In the field of dams, the probabilistic assessment of these input data is particularly delicate because of the small quantity of experimental tests available on the strength parameters of materials and the small quantity of events observed relating to the external actions such as floods or earthquakes.
The aim of the thesis is to develop methods for the evaluation of the structural safety of a dam by an approach of reliability analysis. Our work is focused on the category of the gravity dams and proposes probabilistic methods for modeling of the properties of materials and the actions.
For the probabilistic modeling of the properties of materials, our work is focused on the body of the concrete gravity dams, in particular the Rolled Compacted Concrete (RCC) dams, while being based on the whole of information available. The developed methods include: an analysis of dispersions of the properties of materials on various spatial scales, a method of fusion of information available and the use of the physical relations between strengths of concrete for dams.
Concerning the probabilistic modeling of the actions, we focus our research on the hydraulic actions, which constitutes the principal loads acting on the dams. The developed methods present two principal aspects innovating compared to a traditional method: the taking into account of various scenarios of flood and the taking into account of the variability of the reservoir waterlevel before the occurrence of a hydrological event.
The probabilistic modeling of shearing coupled with cracking limit-state is based on traditional methods of reliability analysis, such as the approximation methods FORM/SORM and the Monte Carlo simulation methods.
The application of the developed methods is carried out on several cases of existing dams. In terms of valorization, we propose recommendations and operational tools allowing the implementation of the developed methods.
Las represas son obras de ingeniería civil que inducen importantes riesgos tecnológicos. La reglamentación en Francia relativa a la seguridad de las obras hidráulicas ha recientemente evolucionado (decreto del 11 de diciembre de 2007) y prevee desde ahora la realización de estudios de peligro para las obras de gran envergadura, dentro de los cuales los métodos probabilistas de evaluación de la seguridad estructural ocupan un lugar importante.
Los métodos de confiabilidad de estructuras han alcanzado un importante nivel de desarrollo durante estos últimos años. Sin embargo, la riqueza aportada por estos métodos resulta fuertemente condicionada por la pertinencia de la representación probabilista de los datos de entrada, correspondientes a las propriedades de los materiales y a las acciones. En el ámbito de las represas, la evaluación probabilista de estos datos de entrada es particularmente delicada debido a la pequeña cantidad de ensayos experimentales disponibles sobre los parámetros de resistencia de los materiales y de la pequeña cantidad de eventos observados respecto a las acciones externas tales como las crecidas o los sismos.
El objetivo de la tesis es de abordar la evaluación de la seguridad estructural de una represa mediante un análisis de confiabilidad. El presente trabajo se centra en la categoría de represas de gravedad y propone métodos probabilistas para la modelización de las propriedades de los materiales y de las acciones.
Respecto a la modelización probabilista de las propriedades de los materiales, el presente trabajo se concentra en el cuerpo de las represas de gravedad de hormigón, en particular, de las represas de Hormigón Compactado con Rodillo HCR, apoyándose sobre el conjunto de la información disponible. Los métodos desarrollados comprenden: un análisis de la dispersión de las propriedades de los materiales según diferentes escalas espaciales, el empleo de un método de fusión de los datos disponibles y el uso de relaciones físicas entre las propriedades de resistencia del hormigón de represas.
En lo que concierne la modelización probabilista de las solicitaciones, la presente investigación se enfoca en las acciones hidráulicas, las cuales constituyen las principales acciones presentes en las represas. Los métodos desarrollados presentan dos principales aspectos innovantes respecto a una práctica tradicional en ingeniería: la consideración de diversos escenarios de crecidas y la consideración de la variabilidad del nivel del embalse al momento de inicio de un evento hidrológico.
La modelización probabilista del estado-limite de resistencia al esfuerzo de corte, en combinación con la apertura de fisuras, se basa sobre métodos clásicos de análisis de confiabilidad, tales como los métodos de aproximación FORM/SORM y los métodos de simulación de Monte Carlo.
Los métodos desarrollados han sido aplicados a varios casos de represas en servicio. En términos de valorización, el presente trabajo propone recomendaciones y herramientas operacionales que permiten la puesta en obra de los métodos desarrollados.
Les barrages sont des ouvrages de génie civil induisant des risques technologiques importants. La réglementation en France relative à la sûreté des ouvrages hydrauliques a récemment évolué (décret du 11 décembre 2007) et prévoit dorénavant pour les grands ouvrages la réalisation d’études de dangers dans lesquelles les démarches probabilistes d’évaluation de la sécurité prennent une place importante.
Les méthodes de fiabilité des structures ont fait l’objet d’un développement important au cours de ces dernières années. En revanche, la richesse de ces méthodes est fortement conditionnée par la pertinence de la représentation probabiliste des données d’entrée, correspondant aux propriétés des matériaux et aux actions. Dans le domaine de barrages, l’évaluation probabiliste de ces données d’entrée est particulièrement délicate en raison de la faible quantité d’essais expérimentaux disponibles sur les paramètres de résistance des matériaux et de la faible quantité d’événements observés relatifs aux actions extérieures telles que les crues ou les séismes.
L’objectif de la thèse est d’aborder l’évaluation de la sécurité structurale d’un barrage par une approche d’analyse de fiabilité. Notre travail est focalisé sur la catégorie des barrages-poids et propose des méthodes probabilistes pour la modélisation des propriétés des matériaux et des actions.
Pour la modélisation probabiliste des propriétés des matériaux, notre travail se focalise sur le corps des barrages-poids en béton, notamment les barrages en béton compacté au rouleau BCR, en s’appuyant sur l’ensemble de l’information disponible. Les méthodes développées mettent en œuvre : l’analyse des dispersions des propriétés des matériaux aux différentes échelles spatiales, une démarche de fusion des informations disponibles et l’utilisation des relations physiques entre les résistances du béton des barrages.
Concernant la modélisation probabiliste des sollicitations, nous focalisons notre recherche sur les actions hydrauliques, qui constituent les principales actions agissant sur les barrages. Les méthodes développées présentent deux principaux aspects innovants par rapport à une démarche d’ingénierie classique : la prise en compte de divers scénarios de crues et la prise en compte de la variabilité de la cote de la retenue avant l’occurrence d’un événement hydrologique.
La modélisation probabiliste de l’état-limite de résistance à l’effort tranchant, couplé avec l’ouverture de fissures est basée sur des méthodes classiques d’analyse de fiabilité, telles que les méthodes d’approximation FORM/SORM et les méthodes de simulation de Monte Carlo.
L’application des méthodes développées est réalisée sur plusieurs cas de barrages en service. En terme de valorisation, nous proposons des recommandations et des outils opérationnels permettant la mise en œuvre des méthodes développées.
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