Vulnerability of civil engineering structures to scour

Abstract

L'affouillement est l'arrachement et le transport des sédiments du lit d'un cours d'eau sous l'action érosive d'un écoulement hydraulique. Ce phénomène est accentué par la présence d'obstacles à l'écoulement, tels que les piles et culées de ponts, ou également les quais, les éoliennes et les oléoducs offshores dans un contexte maritime. La présence de fosses d'affouillement engendre une perte de la capacité portante de la structure et menace sa stabilité. Face à ce risque hydraulique, il est crucial de suivre en continu l'évolution de la profondeur d'affouillement au droit des ouvrages d'art et d'évaluer sa conséquence sur le comportement de la structure. Cette thèse est une contribution à l'utilisation de l'analyse vibratoire pour le suivi de l'affouillement, et à la compréhension des phénomènes d'interaction sol-structure mis en jeu. La démarche scientifique retenue intègre deux approches distinctes du suivi d'affouillement: indirecte et directe. L’approche indirecte a pour objectif le développement d'un capteur de profondeur d'affouillement (scour depth sensor SDS). Des études expérimentale et numérique ont été menées afin d'évaluer l'influence de l'affouillement, d'une part sur la réponse dynamique du capteur (fréquences, déformées modales et amortissement), d'autre part sur sa réponse statique sous chargement latéral. Sur la base des résultats obtenus, un modèle théorique de poutre équivalente a été proposé afin de lier la variation de la fréquence du capteur à la profondeur d'affouillement. L’approche directe s'intéresse à l'effet de l'affouillement sur la réponse dynamique de la structure elle-même. Des campagnes d'essais ont été menées sur des modèles réduits en canal hydraulique. Un intérêt particulier a été porté aux effets de la géométrie de la pile et de l'interaction pile-tablier. Un modèle analytique a été proposé pour prédire l'évolution de la fréquence des piles avec l'affouillement. Afin de valider ce modèle, ses résultats ont été comparés aux résultats des essais expérimentauxScour is the removal of riverbed sediments by the erosive action of flowing water. Scour depth is greater near structures as a result of the obstruction to the flow by bridge piers and abutments, or docks, wind turbines and offshore pipelines in a marine environment. The existence of scour holes may decrease the bearing capacity of the structure and threaten its stability. Therefore, it is crucial to develop monitoring techniques to track the evolution of scour depth in real-time and evaluate its consequences on the behaviour of the structure. This thesis is a contribution to the use of vibration based techniques for scour monitoring and provides an insight to the soil-structure interactions involved. Two proposed approaches can be distinguished in this study: indirect and direct. The indirect approach aims to develop a scour depth sensor (SDS). Experimental and numerical studies have been conducted to evaluate the effect of scour, on the one hand, on the dynamic response of the sensor (frequencies, modal shapes, damping), on the other hand, on its static response under lateral loading. Based on the findings, a theoretical model of an equivalent cantilever beam was proposed to predict the variation of the sensor frequency as a function of scour depth. The direct approach focuses on the effect of scour on the structure itself. To this end, experimental campaigns were conducted on laboratory scale models tested in a flume. Particular attention was paid to the effect of the pile geometry and the pile-deck interaction. An analytical model was proposed to correlate the variation of the pier frequency to scour depth. Experimental and numerical results were compared to assess the model validit