Characterization of wave impact loading on structures at full scale : field experiment, statistical analysis and 3D advanced numerical modeling
Caractérisation des impacts de vague sur une digue composite, mesures in-situ, analyse statistique et modélisation numérique avancée
Résumé
This thesis aims at better understanding the solicitations generated by waves on coastal structures, focusing on breaking and broken waves. The Artha breakwater, protecting the bay of St-Jean de Luz, in the southwest of France, has been equipped with high frequency pressure sensors since 2015 allowing the collection of an extensive dataset. The chosen site, is indeed characterized by very energetic wave conditions, making it a very interesting site for such measurements. Using the collected database, the thesis try to bring new knowledges on the local hydrodynamics and loading acting in-situ, from the global influence of environmental conditions to the mechanics of wave impacts. The work is divided in the three following independent parts which, each, deals with a different aspect of the problem. The first part proposes and an analysis of the data collected at the Artha breakwater. The details of the high frequency pressure measurements on the wall of the Artha western roundhead are presented as well as the simultaneous recording of offshore wave parameters, water level and local wind. Based on this database, statistical models are implemented and analyzed. These models provide predictions of the maximal pressure acting on the instrumented wall in function of the external conditions. An analysis of the pressure signal is also conducted and shows the existence of highly impulsive impacts, which nevertheless, appear as outliers. The stability of the breakwater is finally assessed. Numerous hypothesis have to be done for the estimation, leaving many unresolved questions. In particular, it appears that computing the load requires to know the maximal wave height in front of the breakwater. The study of the hydrodynamic in the vicinity of the breakwater is therefore required and is the object of the second chapter of the thesis. This chapter uses the results of measurements carried out with immersed, independent sensors in the block armour. Modulations of the significant wave height and reflection coefficient by the block armour in function of water level are detailed based on the measurements. 2DV numerical simulations with the SWASH model are also carried out to reproduce these results after calibration. Based on this model, the maximal wave height and surf zone extent are determined for ten different scenarios, allowing to estimate the maximal pressure on the wall according to the Goda formula. The predictions of Goda's theory are next compared with the predictions of the statistical model of the first chapter. The latter provides as expected weaker values compared to Goda's formula. Other parameters can nevertheless explain this difference, and in particular the circular shape of the western roundhead. In the third and last chapter, wave impact on cylinders with various radius are investigated with a Navier-Stokes VOF numerical model (i.e., the OpenFoam interFoam solver). The influence of the radius on the maximal force applied on the initially impacted line of the cylinder is shown to be non-linear. Those results are compared with the prediction of classical engineering formula which predicts a linear behavior. The severeness of the impact and the location of maximal pressure on the cylinder is also studied by sligthly shifting the initial free surface. One interesting results is that the maximal pressure is not located on the initially impacted line for the violent sloshing impacts studied.
Cette thèse vise à mieux comprendre les sollicitations générées par les vagues sur les structures côtières, en se focalisant sur les vagues déferlantes et déferlées. Dans ce but, la digue de l’Artha, protégeant la baie de St-Jean de Luz, a été équipée de capteurs de pression haute fréquence depuis 2015 permettant la collecte d'un large jeu de données. Le site choisi, est caractérisé par des conditions de houle très énergiques, ce qui en fait un site très intéressant pour de telles mesures. En utilisant la base de données collectée, la thèse tente d'apporter de nouvelles connaissances sur l'hydrodynamique locale et les forces qui agissent en nature, en s’intéressant à l'influence globale des conditions environnementales ainsi qu’à la mécanique de l'impact des vagues. Le manuscrit est divisé en trois parties indépendantes qui, chacune, traite d'un aspect différent du problème. La première partie propose une analyse des données collectées sur la digue de l’Artha. Les mesures de pression réalisées à haute fréquence sur le musoir ouest de l’ouvrage sont présentées ainsi que les données simultanées des paramètres de vagues en mer, du niveau d'eau et du vent local. A partir de cette base de données, des modèles statistiques sont mis en œuvre et analysés. Ces modèles fournissent des prédictions de la pression maximale agissant sur la paroi instrumentée en fonction des conditions externes. Une analyse du signal de pression est également menée et montre l'existence d'impacts impulsifs, qui apparaissent néanmoins en tant qu’outliers dans le jeu de données. La stabilité de la digue est enfin évaluée. De nombreuses hypothèses doivent être faites pour cette estimation, laissant de nombreuses questions non résolues. En particulier, il apparaît que le calcul de la charge nécessite de connaître la hauteur maximale des vagues devant l’ouvrage. L'étude de l'hydrodynamique au voisinage du brise-lames est donc nécessaire et fait l'objet du deuxième chapitre de la thèse. Ce chapitre utilise les résultats de mesures effectuées avec des capteurs indépendants immergés dans la carapace. Les modulations de la hauteur significative de la vague et du coefficient de réflexion en fonction du niveau d'eau sont détaillées à partir des mesures. Des simulations numériques 2DV avec le modèle SWASH sont également réalisées pour reproduire ces résultats après calibration. Sur la base de ce modèle, la hauteur maximale des vagues et l'étendue de la zone de déferlement sont déterminées pour dix scénarios différents, permettant d'estimer la pression maximale sur le mur selon la formule de Goda. Les prédictions de la théorie de Goda sont ensuite comparées aux prédictions du modèle statistique du premier chapitre. Ce dernier fournit comme prévu des valeurs plus faibles par rapport à la formule de Goda. D'autres paramètres peuvent néanmoins expliquer cette différence, et notamment la forme circulaire du musoir. L’effet du rayon de courbure sur l’intensité de l’impact est ainsi étudié dans le dernier chapitre. Dans ce chapitre, l'impact des vagues sur des cylindres de différents rayons est étudié avec un modèle numérique VOF de Navier-Stokes (c'est-à-dire le solveur OpenFoam interFoam). L'influence du rayon sur la force maximale appliquée sur la ligne initialement impactée du cylindre s'avère être non-linéaire, contrairement à ce que prévoient les formules d'ingénieries classiques. La sévérité de l'impact et l'emplacement de la pression maximale sur le cylindre sont également étudiés en déplaçant légèrement la surface libre initiale. Un résultat intéressant est que la pression maximale n'est pas située sur la ligne initialement impactée pour les impacts violents de type sloshing étudiés ici.
Domaines
Génie civil
Origine : Version validée par le jury (STAR)