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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’enseignement supérieur et de la recherche scientifique Université A. MIRA de Bejaïa Faculté de Technologie Département de Génie Civil Mémoire En vue de l’obtention du Master en Génie Civil Option : Matériaux et Structures Thème MODELISATION DE L’INTERACTION FLUIDE STRUCTURE PAR LA METHODE DES ELEMENTS FINIS Encadré par : Présenté par : Mr Lyes RAMDANI Mlle BELAS Nesrine Mlle ICHELLITAN Leila Mlle ZAIDI Souad Membres du jury : Mr A. SEGHIR Mme K. LAOUBI Promotion 2013 I Je dédie ce travail à : Mes parents bien aimés, que je remercie infiniment en espérant que j’ai été à la hauteur de leurs espérances ; Mes chers frères et sœurs : Sofiane, Nadjim, Hichem, Sihem et Nesrine ; A la mémoire de mes deux grand-mères, qu’elles reposent en paix ; Mes oncles, tantes, cousins, cousines et à toute ma famille ; Mes collègues et amies Lila et Nesrine et à toute leurs familles ; Une attention particulière à YAN pour sa patience, son soutien et ses encouragements ; Toutes mes amies en particulier Tafsut, Souad, Dida ainsi qu’à toute la promotion de génie civil, étudier en leur compagnie fut un grand plaisir. Souad Je dédie ce travail : Tout d’abord à mon père à qui je suis infiniment reconnaissante et qui a toujours été un modèle, ainsi qu’a ma mère que je remercie infiniment en espérant que j’ai été à la hauteur de ses espérances ; Mes biens aimés frères et sœurs : Hasna & Kaël, Sarah et Réda ; A mes grands-parents à qui je souhaite une longue vie ; Mes oncles, tantes, cousins, cousines et à toute ma famille ; Mes collègues et amies Souad et Nesrine avec qui j’ai partagé d’inoubliables moments ; Une attention particulière à Loulou pour sa patience et ses encouragements ; Tous mes amis sans oublier Nabil et Praxédés. Lila Je dédie ce travail à : Mes parents bien aimés, que je remercie infiniment en espérant que j’ai été à la hauteur de leurs espérances ; Ma sœur Mouna et son mari Saïd et à mon frère Hamza ; A mes grands-parents à qui je souhaite une longue vie ; Mes oncles (Nabil, Salim, Samir, Bilal… et leurs épouses Assia, Zahia…) ; Mes tantes (Hayette, Salima, Soussou, Nissa … et leurs Maris Tahar, Salim, Fateh) ; Mes Cousins, cousines en particulier Amir, Reda, Cherif, Laetitia et Kenza ainsi qu’à toute ma famille ; Mes collègues et amies Souad et Lila et à toute leurs familles ; Une attention particulière à Lamine pour sa patience et ses encouragements ; A toutes l’équipe du Croissant Rouge Algériens ; Tous mes amis. Nesrine II Remerciements En premier lieu, nous tenons à manifester louange à Dieu par aisance et excellence, puisse-t-il nous guider toujours sur le droit chemin. Nous ne pouvons omettre de faire preuve de notre gratitude à nos chers parents respectifs, nous n’aurions pas pu en arriver l{ sans leur précieuse aide et leur affection. Notre entière gratitude s’adresse à notre promoteur Mr L.RAMDANI. Ce projet n’aurait pas pu être mené { terme sans l’intérêt et l’investissement dont il a fait preuve. Ses conseils attentionnés et ses interventions rapides et avisées nous ont guidées en permanence tout au long de ce travail. Travailler sous sa direction a été un honneur, un grand privilège et un immense plaisir. Nous tenons à remercier vivement, les membres du jury Mr A. SEGHIR ET Mme K. LAOUBI qui ont accepté d’examiner notre travail. Tous ceux qui ont contribué de près ou de loin a notre formation. Toute la promotion de génie civil 2013. III Résumé L’objet de cette étude est l’analyse de la réponse sismique des réservoirs de stockage, elle est menée en utilisant des modèles numériques basés sur la méthode des éléments finis intégrant les effets d’interaction fluide-structure. L’action du fluide sur le réservoir a été prise en compte par le concept de masses ajoutées. Une étude paramétrique portant aussi bien sur les vibrations libres que sur la réponse sismique a été effectuée sur des réservoirs en béton, les paramètres considérés sont la h auteur de remplissage et l’effet du ballottement de la surface libre. Les résultats obtenus ont permit de mettre en évidence l’importance de ce genre d’ouvrage et la complexité de leurs comportements sismiques. Mots-clés : réservoir de stockage, interaction fluide-structure, méthode des éléments finis, périodes propres, réponse sismique. IV Abstract The aim of this study is the analysis of the seismic response of storage tanks; the study was car out using numerical models based on finite element method incorporating the effects of fluid-structure interaction. The action of the fluid on the reservoir was taken into account by the added mass concept. A parametric study is carried out the free vibrations and the seismic response of concrete tanks; the considered parameters are the water height filling and the free surface sloshing effect. The obtained results allowed us highlight the importance of this kind of structures and the complexity of their seismic behavior. Keywords: storage tanks, fluid-structure interaction, finite elements method, vibration periods, seismic response. V TABLE DES MATIERES 0 INTRODUCTION GENERALE ..................................................................................... 10 1 CHAPITE1 GENERALITES SUR LES RESERVOIRS DE STOCKAGE .............................................................................................................................. 13 1.1 INTRODUCTION ...................................................................................................................... 13 1.2 DEFINITION ............................................................................................................................ 13 1.3 CLASSIFICATION DES RESERVOIRS ....................................................................................... 14 1.3.1 La position du réservoir par rapport au sol ................................................. 14 1.3.2 La forme de la cuve ................................................................................................. 14 1.3.3 Selon le mode de fermeture ................................................................................ 14 1.3.4 La complexité de la construction ...................................................................... 14 1.3.5 Selon l’usage .............................................................................................................. 15 1.3.6 Nature du liquide conservé ................................................................................. 15 1.3.7 Selon les caractéristiques physiques ............................................................... 15 1.3.8 Selon la matière utilisée en construction ...................................................... 15 1.4 LES EXIGENCES TECHNIQUES A SATISFAIRE DANS LA CONSTRUCTION D’UN RESERVOIR 15 1.4.1 Résistance .................................................................................................................. 15 1.4.2 Etanchéité .................................................................................................................. 16 1.4.3 Durabilité ................................................................................................................... 16 1.5 LES SOLLICITATIONS DANS LES RESERVOIRS DE STOCKAGES ............................................ 16 1.5.1 Le poids propre ........................................................................................................ 16 1.5.2 Charges due aux liquides contenus .................................................................. 16 1.5.3 Surcharges d’exploitation .................................................................................... 16 1.5.4 Variations de température et retrait (pour les réservoirs en béton) . 17 1.5.5 Fluage .......................................................................................................................... 17 1.5.6 Effet climatiques : neige et vent ........................................................................ 17 1.5.7 Influence des séismes ............................................................................................ 17 1.6 FACTEURS AFFECTANT LE COMPORTEMENT SISMIQUE DES RESERVOIRS ........................ 18 1.6.1 Effet des conditions de pose ............................................................................... 18 1.6.2 Effet de site ................................................................................................................ 19 1.6.3 Effet de l’interaction sol-structure (ISS) ........................................................ 20 1.6.4 Effet de l’interaction fluide-structure (IFS) .................................................. 21 1.7 MODES DE RUPTURE DES RESERVOIRS SOUS EXCITATION SISMIQUE ET ANALYSES DES RISQUES ............................................................................................................................................... 22 1.7.1 Modes de rupture et d'endommagement ...................................................... 22 1.7.2 Analyses de risque pour des réservoirs soumis à un séisme ................. 23 1.8 CONCLUSION .......................................................................................................................... 24 VI 2 CHAPITRE 2 MODELISATION DE L’INTERACTION FLUIDE- STRUCTURE ........................................................................................................................... 25 2.1 INTRODUCTION ...................................................................................................................... 25 2.2 INTERACTION FLUIDE STRUCTURE SELON LA FORMULATION (U, P) ................................. 26 2.2.1 Modèle de masses ajoutées (sans ballotement): ........................................ 30 2.2.2 Modèle de Housner ................................................................................................ 33 2.3 LOGICIELS DE CALCUL ........................................................................................................... 35 2.3.1 Description de SAP2000 : .................................................................................... 36 2.3.2 Description d’ABAQUS : ........................................................................................ 36 2.4 CONCLUSION .......................................................................................................................... 37 3 CHAPITRE 3 APPLICATION AU CAS D’UN RESERVOIR RECTANGULAIRE SANS LA PRISE EN COMPTE DU BALLOTTEMENT ................. 38 3.1 INTRODUCTION ...................................................................................................................... 38 3.2 PRESENTATION DES DEUX MODELES ................................................................................... 39 3.2.1 Présentation du modèle 1 .................................................................................... 39 3.2.2 Présentation du modèle 2 : ................................................................................. 40 3.2.3 Caractéristiques mécaniques et géométriques ........................................... 41 3.3 ANALYSE DES VIBRATIONS LIBRES ...................................................................................... 42 3.3.1 Influence de la hauteur de remplissage ......................................................... 44 3.3.2 Influence de interaction sol-structure ............................................................ 46 3.4 ANALYSE DE LA REPONSE SISMIQUE : .................................................................................. 48 3.5 EXCITATION SISMIQUE CONSIDEREE .................................................................................... 49 3.6 ANALYSE ET RESULTATS : ..................................................................................................... 50 3.6.1 Réponse sismique du réservoir vide : ............................................................. 50 3.6.2 Reponse du système avec IFS : .......................................................................... 51 3.7 CONCLUSION .......................................................................................................................... 52 4 CHAPITRE 4 APPLICATION AU CAS D’UN RESERVOIR RECTANGULAIRE AVEC LA PRISE EN COMPTE DU BALLOTTEMENT ................. 53 4.1 INTRODUCTION ...................................................................................................................... 53 4.2 PRESENTATION DU SYSTEME ETUDIE .................................................................................. 54 4.3 ANALYSE DES VIBRATIONS LIBRES ....................................................................................... 56 4.4 ANALYSE DE LA REPONSE SISMIQUE .................................................................................... 58 4.5 COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS AVEC SPECTRE ET ACCELEROGRAMME ......... 60 4.6 COMPARAISON DE L’EFFORT TRANCHANT A LA BASE AVEC ET SANS BALLOTTEMENT ... 60 4.7 CONCLUSION .......................................................................................................................... 61 5 CONCLUSION GENERALE ........................................................................................... 62 6 BIBLIOGRAPHIE ........................................................................................................... 64 VII TABLE DES FIGURES Figure 1.Déformation élastique. Figure 2.Flambement au sommet des murs (due au ballottement). ............................................................................................. 18 Figure 3. Flambement plastique. ................................................................................................ 18 Figure 4. Domaine fluide structure et distribution de la pression hydrodynamique . 26 Figure 5. Représentation de la masse-ajoutée de Westergaard. ................................... 31 Figure 6. Dimensions du réservoir ............................................................................................ 32 Figure 7. Comparaison des pressions hydrodynamiques par la variation du rapport (H/2L) ................................................................................................................................... 33 Figure 8. Modèle de Housner ...................................................................................................... 34 Figure 9. Géométrie du modèle 1 ............................................................................................... 40 Figure 10. Maillage du modèle 1 ............................................................................................... 40 Figure 11. Maillage du modèle 2 ................................................................................................ 41 Figure 12. Représentation du modèle 2 .................................................................................. 41 Figure 13. Les quatre premiers modes du réservoir vide............................................... 45 Figure 14. Les quatre premiers modes du réservoir avec IFS (0.95Hr) (modèle1) 45 Figure 15. uploads/Ingenierie_Lourd/ modelisation-de-l-x27-interaction-fluide-structure-par-la-methode-des-elements-finis.pdf