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BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 256-257 JUILLET-AOÛT-SEPTEMB

BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 256-257 JUILLET-AOÛT-SEPTEMBRE 2005 - RÉF. 4573 - PP. 7-37 7 CESAR-LCPC, un progiciel de calcul dédié au génie civil Pierre HUMBERT Alain DUBOUCHET Laboratoire Central des Ponts et Chaussées Gérard FEZANS David REMAUD Itech Code général de calcul par éléments finis principalement dédié aux problèmes de génie civil, CESAR-LCPC a été développé par le LCPC afin de pérenniser et de rendre accessible un ensemble de développements issus des recherches menées dans les unités techniques. La version 4.0 du logiciel, mise en service début 2003, est décrite en détail, tant en ce qui concerne les modules de calcul du solveur proprement-dit, que les pré- et post- processeurs CLEO2D et CLEO3D. Ces derniers, réalisés en sous-traitance après appel d’offres, concrétisent l’important effort de mise à niveau fourni par le LCPC. L’utilisation d’un logiciel graphique évolué apporte une aide précieuse à l’utilisateur, en particulier pour l’exploi- tation des résultats des modèles tridimensionnels. Les principaux développements en cours sont également présentés, ainsi que la méthodologie de développement et de validation. Enfin, quelques exemples d’applications effectuées en bureaux d’études viennent compléter la présentation. DOMAINE : Sciences de l’ingénieur. CESAR-LCPC: A COMPUTATION SOFTWARE PACKAGE DEDICATED TO CIVIL ENGINEERING USES CESAR-LCPC, a general finite element computation code dedicated primarily to civil engineering problems, has been crafted by LCPC in order to introduce a number of developments stemming from research conducted by the laboratory’s various units in a way that ensures durability and accessibility. Version 4.0 of the software, launched at the beginning of 2003, is described herein with considera- ble detail, as regards both the solver’s ascribed computa- tion modules and the CLEO2D and CLEO3D pre- and post- processors. The CLEO2D and CLEO3D packages, which have been generated by subcontractors following a tende- ring process, showcase the sizable effort undertaken by LCPC to update its range of software products. Implemen- tation of an advanced graphics application has provided a valuable user’s tool, in particular for interpreting results from three-dimensional models. The key research orienta- tions currently underway will also be discussed, along with the corresponding development and validation methodology. The article will be complemented by pre- sentation of several examples of applications performed within a design setting. FIELD: Engineering sciences. RÉSUMÉ ABSTRACT La modélisation en génie civil fournit à l’ingénieur une assistance précieuse, tant dans la compréhen- sion et la maîtrise des phénomènes complexes par des modèles explicatifs, que dans la conception et le dimensionnement des ouvrages par des modèles prédictifs, en apportant une aide à la décision. Elle s’appuie sur l’analyse des phénomènes et leur représentation physico-mathématique, la résolu- tion numérique des équations correspondantes et la confrontation avec l’expérience. Le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC) s’est engagé dans ce domaine à la fin des années 1960, et, depuis une vingtaine d’années, il capitalise son effort de modélisation par le développement du pro- giciel CESAR-LCPC. CESAR-LCPC est un progiciel général de calcul, principalement fondé sur la méthode des éléments finis, et disposant de ses propres fonctionnalités de pré- et de post-traitement. L’architecture modulaire de son solveur lui permet également d’accueillir des modules fondés sur la méthode des éléments de frontière. Ce progiciel est particulièrement adapté à la résolution des problèmes du génie civil et de l’environnement : calcul de structures, mécanique des sols et des roches, thermique, hydrogéologie, etc. Outil de recherche et de développement du LCPC et de ses partenaires, CESAR-LCPC est également un progiciel à vocation industrielle, et une version stabilisée et validée est régulièrement mise à la dis- position des utilisateurs extérieurs (réseau scientifique et technique du Ministère chargé de l’Équipe- ment, bureaux d’études, milieu académique). De par son origine « recherche », CESAR-LCPC s’enrichit continuellement de nouvelles possibilités. Parallèlement, une évolution majeure au niveau de ses fonc- tionnalités et interfaces de pré- et de post-traitement vient récemment de renforcer son aspect indus- triel. Le but de cet article est de faire le point sur l’état actuel du progiciel, tant en ce qui concerne les fonctionnalités et les applications que les méthodes utilisées pour son développement et sa validation. INTRODUCTION BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 256-257 JUILLET-AOÛT-SEPTEMBRE 2005 - RÉF. 4573 - PP. 7-37 8 Rappel historique Si l’on remonte le temps à la recherche des prédécesseurs de CESAR-LCPC, une place de choix doit être attribuée au système ROSALIE [1], premier système de calcul du LCPC fondé sur la méthode des éléments finis, conçu au début des années soixante-dix (Tableau I). Avec un mode de traitement par lot comme l’imposaient les calculateurs de l’époque, ROSALIE offrait autour de ses solveurs des fonctionnalités de pré- et de post-traitements. Il est important de remarquer que, dès cette époque, mettre à la disposition de l’utilisateur, qu’il soit chercheur ou ingénieur, un pré- et un post-proces- seur spécifiques autour d’un code de calcul par éléments finis est apparu comme une nécessité, mal- gré l’effort de développement que cela pouvait représenter. Le développement du progiciel CESAR-LCPC a commencé au début des années quatre-vingt par l’ana- lyse critique du système ROSALIE, en regard de l’état de l’art, en particulier dans le domaine de l’archi- tecture des codes de calcul. Le développement du solveur de calcul CESAR a été ensuite engagé, d’une part en rédigeant de nouveaux composants logiciels, et d’autre part en restructurant les composants logiciels réutilisables de ROSALIE. Parallèlement, l’évolution des matériels et l’arrivée de normes gra- phiques (par exemple GKS) a permis le développement d’outils interactifs pour la génération des don- nées (logiciel MAX) et pour l’interprétation des résultats (logiciel PEGGY), tout d’abord en 2D, puis en 3D grâce à l’apparition des stations de travail. Cet ensemble de logiciels (MAX + CESAR + PEGGY) accompagné de la documentation d’utilisation et des jeux de données de tests a constitué la première version du progiciel CESAR-LCPC. Ce dernier a définitivement succédé au système ROSALIE dès la diffusion hors du LCPC de la version 2.0 en 1986. Ultérieurement, les versions 3.0 et suivantes ont con- crétisé les enrichissements successifs des divers composants de CESAR-LCPC [2]. La dernière évolution de CESAR-LCPC a eu pour objectif d’en faire un produit parfaitement industria- lisé, à l’ergonomie conforme à l’état de l’art actuel, et avec des fonctionnalités renforcées en pré- et en post-traitement. Sous la maîtrise d’ouvrage du LCPC, et en collaboration avec les sociétés Simulog (ges- tion de projet, assurance de la qualité) et Itech (développement des nouveaux logiciels de pré- et de post-traitement) pour la maîtrise d’œuvre, la nouvelle version 4.0 est disponible depuis janvier 2003. TABLEAU I Histoire de CESAR-LCPC en quelques dates Les composants de la version actuelle CESAR-LCPC désigne l’ensemble formé par les logiciels de pré- et de post-traitement CLEO2D et CLEO3D (respectivement pour les modélisations bi- ou tridimensionnelles, © LCPC-Itech), par le solveur fondé sur la méthode des éléments finis CESAR (© LCPC), et par la documentation (Fig. 1). Les différents programmes communiquent entre eux par l’intermédiaire d’une base de données pro- pre à chaque modélisation réalisée par l’utilisateur. de 1970 à 1983 Le système de calcul ROSALIE : – à l’origine, pour le calcul d’ouvrages souterrains. 1980 Première restructuration : développement du solveur CESAR. à partir de 1985 Le progiciel CESAR-LCPC : – solveur CESAR, pré- et post-processeurs MAX et PEGGY. – distribution par le LCPC. 1992 CESAR-LCPC version 3.0. 1994 Distribution par la société Itech. de 1995 à 1997 Le projet CESAR : – expertise du progiciel et réflexions sur son évolution. de 1998 à 2002 Le projet CLEO : – travaux de modernisation. 2003 CESAR-LCPC version 4.0. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE CESAR-LCPC BULLETIN DES LABORATOIRES DES PONTS ET CHAUSSÉES - 256-257 JUILLET-AOÛT-SEPTEMBRE 2005 - RÉF. 4573 - PP. 7-37 9 Réaliser une modélisation avec CESAR-LCPC se traduit en général par l’enchaînement des étapes suivantes : utilisation des fonctionnalités de pré-traitement des logiciels CLEO2D ou CLEO3D pour la génération des données du solveur CESAR (maillage et jeu de données) ; lancement du solveur par éléments finis CESAR pour effectuer la résolution numérique du problème étudié ; utilisation des fonctionnalités de post-traitement des logiciels CLEO2D ou CLEO3D pour l’interprétation des résultats fournis par le solveur CESAR. La documentation se répartit classiquement entre la documentation technique, la documentation d’assurance qualité et la documentation d’utilisation. Cette dernière, destinée plus particulièrement aux utilisateurs, comprend un Manuel pratique, un Manuel de référence, un Manuel théorique et un Manuel de validation. Grands domaines d’application et types d’ouvrages traités Si son caractère de code de calcul généraliste permet d’utiliser CESAR-LCPC dans un grand nombre de problèmes physiques (mécanique, diffusion, problèmes couplés), ses principaux domaines d’applications sont toutefois liés au génie civil et à l’environnement. Outil de dimensionnement et de contrôle, CESAR-LCPC est également mis en œuvre pour des expertises, et en particulier pour expli- quer des désordres et simuler différents modes de réparation. Les types d’ouvrages les plus concer- nés sont présentés ci-dessous par domaine. Mécanique des sols et des roches ¾ Tunnels et cavités souterraines, avec phasage complexe et présence d’eau éventuelle. ¾ Soutènements (parois, murs, rideaux de palplanches). ¾ Fondations complexes (risque de tassements différentiels). ¾ Interactions sol-structure. ¾ Interactions uploads/Ingenierie_Lourd/ blpc-256-257-7-37.pdf