PRT Gavin Klehammer
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1. O KLEHAMMER J r mie INSA STRASBOURG Introduction Au cours de ce projet de recherche technologique nous avons choisi de d couvrir le logiciel de mod lisation CESAR LCPC permettant de r soudre des probl mes de g nie civil 2D ou 3D Ce choix a t motiv par la perspective d apprendre manipuler un logiciel b n ficiant d une interface graphique de capacit s de maillage labor es mais surtout d un large panel de lois de comportement Le logiciel C sar LCPC version4 nous est mis disposition l cole accompagn de succincts documents de pr sentation Cependant aucun autre document d utilisation n est disponible nous avons d nous familiariser avec le logiciel par t tonnement en suivant les conseils de M Cyrille Chazallon De par cette faible documentation la prise en main s est r v l e laborieuse nous rappellerons que le logiciel n a fonctionn que partiellement impossibilit de lancer de calculs au d but et que l on est limit des maillages basiques De part ces difficult s non r solues ce jour nous avons d limiter notre tude des sujets simples sans pouvoir explorer les nombreuses capacit s qu offre CESAR LPC Ce rapport sera articul de la mani re suivante dans un premier temps nous pr senterons le logiciel et ses applications avant de d velopper nos mod lisations sous CESAR puis enfin nous d crirons les documents de support de cours r alis s en vu de2. GAVIN Laurent INSR STRASBOURG KLEHAMMER J r mie Professeur encadrant Mr Cyrille CHAZALLON Septembre 2008 Janvier 2009 GAVIN Laurent 9 O KLEHAMMER J r mie INSA STRASBOURG Sommaire LRU UNE LS LU Ti 10 PP EE A ER a l Pr sentation du logiciel 0 0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 3 T t APIC E 3 2 PUNDI e E EE E E 4 ll NOSEIU ooer ane A E ee te PUS IS OUR n 5 D strip on er MANAGE riirn i E e a E ee T E E A TEE NEE EE NORET 5 VISUO IS QUO des CD NOIR ae ea ee EE ENEE E TAR 6 2 Plague avec inclusion infinie en tractioh s sissscsecsiisisisisrnisn derinine sa EE nE EESE 7 3 Jistitication QE l Essai Bresile Neeson donnees E see Cha A 8 4 Rideau de palplanches soumis des excavations successives essssssssesesrerrssrrererrrrsreresrrresereresrrresene 9 GESTION du phasage des DONC a on ed De 0 a et en omis 9 FONC CE CECON NAME nn nes Dan de end de Dee Donne ne De bn La dec en D de ee us 9 Presenation OU OO ee eo T E RO eo Re E ENNO RO NEEE O 10 S egduences d excavVatiONS oran ann en ee a a Oo one ne 10 Ill Supports de cours r alis s 5 D ctocnendersrs doses L1 t Dopor dep em aO aE EEE E E 11 2 Manuel d utilisation et de prise en Main eessesessesssssesesrrrssrrreressrrsssreresereresreesererssreresereresreresereeesseerese 11 CONCLUSION ae nas a naa 2 GAVIN Laurent 9
3. un nouveau chargement activation de mat riaux jusque l inexistants d sactivation de zones excav es modification de propri t s des mat riaux etc CESAR LCPC stocke ainsi l issue de chaque phase les tats de d placements contraintes et plasticit du mod le qui initialiseront la phase suivante L exploitation des r sultats est galement simple et efficace Les r sultats de toutes les phases de calcul tant contenus dans un seul fichier d tude il est ais de d clarer des coupes ou des chelles d isovaleurs sur lesquelles on observera l volution d un param tre en cours de travaux Force de d confinement Pour mod liser une excavation on applique des forces de surfaces sur l ensemble des segments devenus externes lors de la phase simulant l excavation Cette force de d confinement est fonction des contraintes initiales ainsi que d un Coefficient de d confinement compris entre O et 1 Ce coefficient permet d appliquer dans une mod lisation bidimensionnelle une fraction des forces de d confinement pour simuler la proximit ventuelle du front de taille GAVIN Laurent g KLEHAMMER J r mie e11NSR Pr sentation du mod le Un rideau de palplanches est enfonc dans un sol Nous allons proc der trois excavations successives des terres en aval du rideau et analyser le comportement des sols et de la palplanche Excavation 1 Couche 1 ATATA A REX DEV AVATARA Excav
4. E KLEHAMMER J r mie INSA STRASBOURG 4 Rideau de palplanches soumis des excavations successives Nous avons choisi de d velopper un exemple d application en g otechnique La mise en uvre de palplanches et l excavation du sol environnant provoque un d placement des terres et donc un changement d tat de contrainte du sol ainsi que de la palplanche Cet exemple nous a permis d explorer de nouvelles fonctions du logiciel notamment la gestion du phasage des travaux ainsi que la simulation des forces de d confinement Nous ne pr senterons dans ce paragraphe que les particularit s de ces fonctions tandis que l exemple sera d taill plus loin Gestion du phasage des travaux Le phasage de travaux indispensable pour la prise en compte des s quences dans la construction d un ouvrage est g r de mani re extr mement simple et intuitive dans CESAR LCPC Le principe qui consiste initialiser un calcul par le r sultat d une tape de calcul pr c dente est activ par le choix de la fonction phasage au d marrage d une nouvelle tude Le premier calcul qui est souvent d di la g n ration d un tat initial g ostatique avant d marrage des travaux sert de base toutes les phases ult rieures Les calculs suivants sont g n r s sur le m me maillage et sur les m mes hypoth ses dans lesquelles on ne viendra changer que les l ments propres la phase de calcul donn e application d
5. bloqu e en translation verticale pour repr senter la continuit du mat riau Un point de l axe de sym trie vertical est aussi bloqu afin d viter la formation d un pivot Etant donn le but de cette simulation un maillage tr s fin sera effectu la p riph rie directe du trou maillage qui sera de plus en plus grossier en s loignant de cette zone En effet il est inutile de mailler finement l ensemble de la pi ce car cela aurait pour seules cons quences de ralentir voire de fausser les calculs GAVIN Laurent E A d KLEHAMMER J r mie e11NSAR Visualisation des contraintes On peut visualiser des contraintes de deux mani res diff rentes par mappings et par graphiques On observe une importante d formation du trou c est dire un allongement suivant l axe vertical et un raccourcissement suivant l axe horizontal Dans la repr sentation ci contre nous avons aussi choisit de mettre en vidence un tat de contrainte S1 on constate une importante traction dans la partie inf rieure du trou zones en rouge Le sommet du trou n est quasiment pas sollicit en traction Le reste de la plaque 2 D tail des sollicitations en traction est lui soumis un l ger effort de traction Dans le cas d une plaque non trou e ci contre cette contrainte est concentr e sur les extr mit s de la zone de traction Il est donc vident que le trou implique une redistribution totale d
6. calcul de la position de la surface libre r solution d coulement transitoire ou permanent en milieux poreux ou non Analyse de nappes aquif res Charge hydraulique au front de taille d un tunnel GAVIN Laurent 9 E KLEHAMMER J r mie INSA STRASBOURG 2 Principales caract ristiques Fonctionnalit s de maillage puissantes e Maillages r guliers par super l ments e Extrusion translation sym trie rotation e Maillage t tra drique de volume quelconque par algorithme TetMesh Biblioth que d l ments e Volumes t tra hexa et penta driques e l ments de structures barres poutres multifibres e coques multicouches e l ments d interface et de contact comportement adh rent glissant ou frottant e l ments de renforcements homog n is s Lois de comportement e Sols et roches e Mo ohr Coulomb Drucker Prager e B ton e Crit re parabolique e Willam Warnke e Acier e Von Mises Chargements e Forces nodales e Pression uniforme ou non e Pressions hydrostatiques e Chargements diff r s e Chargements initiales Interaction sol structure e Non interp n tration e Frottement de Coulomb e Limite en traction Gestion simple du phasage chargements sp cifiques adapt s e __ Initialisation automatique des contraintes d origine g ostatique e Gestion simple des ajouts et retraits de groupes d l ments e Application automatique des forces de d confine
7. former les futurs tudiants GAVIN Laurent 9 gi KLEHAMMER J r mie INSA I Pr sentation du logiciel CESAR LCP est un code de calcul par la m thode des l ments finis d di au g nie civil Le logiciel permet d assister les ing nieurs de faciliter la compr hension de ph nom nes complexes mais aussi concevoir et dimensionner des ouvrages Il s appuie sur l analyse des ph nom nes et leur repr sentation physicomath matique sur la r solution num rique des quations correspondantes et sur la confrontation avec l exp rience Le logiciel est d velopp par le laboratoire des Ponts et Chauss es depuis une vingtaine d ann es 1 Applications CESAR LCPC Calcul des ouvrages enterr s conception des sections 2D standards ou des intersections de galeries en 3D mod lisation de fronts de taille G n ration des phases de Maillage d intersection de deux galeries construction taux de d confinement Calcul des interactions sol structures condition de glissement parfait condition d adh rence condition de frottement de Coulomb Mur de sout nement Calculs des ouvrages d art analyse statique comportement des mat riaux lin aires et non lin aires Recherche des modes de flambement Analyse dynamique superposition modale r ponse une sollicitation harmonique Mod lisation une passerelle Probl mes d hydrologie Propri t des coulements en milieux poreux
8. a r partition des efforts de traction sur l ensemble de son pourtour l inclusion rigide a donc elle aussi modifi le comportement de la plaque Longueur m 8 Evolution de la contrainte selon l inclusion GAVIN Laurent 9 gi KLEHAMMER J r mie o INSA TRASBOURG 3 Justification de l Essai Br silien L essai br silien ou essai en traction a pour but de tester la r sistance d une prouvette de b ton en traction Comme solliciter une prouvette en traction est exp rimentalement impossible sceller une attache sur le cylindre modifierait ses caract ristiques m caniques on simule cette traction par une forte compression du cylindre Nous nous proposons dans cette partie de v rifier cette hypoth se simplificatrice Nous avons donc choisi de mettre en vidence la d formation du cylindre en visualisant les vecteurs d placements de diff rents points de l prouvette de b ton La partie sup rieure proche du point d application de la charge s crase fortement tandis que toute la partie inf rieure droite aura tendance s carter vers la droite En exer ant une pression sur le sommet de l prouvette on r ussit simuler une traction lat rale Nous constatons cependant que pour g n rer une l g re traction nous devons exercer une compression importante Cependant l hypoth se de d part semble justifi e 9 Repr sentation des vecteurs d placements GAVIN Laurent 9
9. ation 2 KAATA m aa AA Excavation 3 Couche 2 Palplanche Couche 3 Ve g 10 Mod lisation du rideau de palplanches S quences d excavations e Evolution de la norme du vecteur d placement fe te be heme Da bond de baa Ste ont LI U ie bhea re openga e Jab Ja nmas PRET LUS ef m dias j dj Un 1j utequt dm anal toue Donna an FE itSae UN G benne J5 5S Bej O De _Jupneseee j ijpememima Sjrtitoya ae iomem ne j ma 0e R n aaee a D 2222 pb a 1 nt e Evolution de la d formation plastique as CN p siini a nee n n onee as s aetna DS sitis Le seso Mie Les mte s0 son poeme ttes Ve te namas ue tente nas ins iaeo 28 ue ec 14 M 2 Lu AGa catlu L gt e Sera A Sae oinei nyegat s s Sami 120143 ia NDP 1 62 NOP 1 6 1 k NOP D 1 6 1 LM m sa m a ms un 5 mm mm 2 E 440 L Ar s m w nm 27 US om en 1 A C 2 En or P ai ton 4 En 2 mes 4 m0 En ts w ox ou m 12 mor moe m cs mer a Hal mm L_ n ee gt z or e e 41 mA Me Aor a Aea DT der se Ure pot s 3 tr 24 1e E 2 emmmene 4304 bent tement ms G ant cn Pie in ve Mine meme su te 100 je meer jrma jette tient en jEr de jets on a fine sexe moi 2100 Dee ee ee gomme f ane CES t 10 GAVIN Laurent 9 2 7 izg KLEHAMMER J r mie INSA On remarque ici que la partie qui se d place le plus est toujours la partie sup ri
10. es efforts il a donc modifi les param tres de comportement m canique du mod le 3 Plaque classique en traction Il apparait clairement ici que les extr mit s du trou sont les zones les plus sollicit es Ligne de coupe coupe1 s1 MN m2 4 D finition ligne de coupe 5 Courbe des contraintes de traction Le logiciel permet aussi de connaitre la valeur d un param tre en un point pr cis ou de suivre l volution de celui ci selon une ligne de coupe pr d finie Nous confirmons ainsi que les extr mit s du trou sont tr s sollicit es en traction Mais ces courbes mettent en vidence la pr sence d une zone de tr s l g re compression au somment du trou GAVIN Laurent KLEHAMMER J r mie 2 Plaque avec inclusion infinie en traction La configuration de chargement et de maillage est identique l exemple pr sent ci dessus Cependant l inclusion est infiniment rigide ce qui justifie l encastrement du trou et le blocage en translation verticale de la base de la plaque 6 D tail de l inclusion infiniment rigide On observe cette fois ci une forte concentration de contraintes de traction sur la partie sup rieure de l inclusion alors que les extr mit s du trou ne sont que tr s peu sollicit es 7 Mappings des contraintes de traction Ligne de coupe demi cercle s1 MN m2 150 140 130 120 110 1 L inclusion tant infiniment rigide et donc ind formable il y
11. eure de la zone soumise aux forces de d confinement Une fois lib r es de la pressions des terres sup rieures les sols ont tendance s expandre En se qui concerne la d formation plastique elle apparait toujours dans la m me zone savoir l interface palplanche portion d confin e IHI Supports de cours r alis s Comme annonc au d but de ce rapport l un de nos objectifs premier tait de fournir aux tudiants de la section G nie Civil de INSA de Strasbourg un support technique leur permettant de d couvrir CESAR LCPC Ces supports serviront aussi de base pour leur formation ce nouvel outil Nous avons ainsi pu r aliser un diaporama de pr sentation g n rale du logiciel ainsi qu un manuel d utilisation adapt aux besoins des futurs travaux pratiques de M thodes des El ments Finis et de Mat riaux 1 Diaporama de pr sentation Il pourra servir lors du premier cours d initiation la mod lisation sous CESAR afin de d montrer aux tudiants l ensemble des applications que peut rev tir ce code de calcul II sera agr ment d exemples visuels de mod lisations aussi bien issues du domaine de la construction barrages ponts cath drales que d applications g otechniques telles que des murs de sout nement ou rideaux de palplanches Remarque ce document est fourni en annexe 2 Manuel d utilisation et de prise en main Il sera fourni chaque tudiant lors de la premi re s ance de programmatio
12. ment e Simulation des effets diff r s de type visco lastique du gonflement d une argile Outils de visualisation modernes e Vue 3D interactive avec d placement rotation et zoom dynamique e Affichage complet ou partiel du mod le e Transparence intensit modulable Outils d analyse des r sultats complets e D form e e interrogation des r sultats aux n uds et export e __ sovaleurs 4 A s INSA STRASBOURG GAVIN Laurent KLEHAMMER J r mie II Nos tudes Afin de nous familiariser avec l ergonomie du logiciel et ses principales fonctionnalit s nous avons au d part mod lis des l ments simples plaque trou e en traction plaque avec inclusion infinie en traction essai br silien Puis pour prendre en compte la fonction phasage nous avons mod lis le comportement d une palplanche dans un sol et tudi les r percussions d excavations successives sur le mod le 1 Plaque infinie trou e Description et maillage L objet de l tude est une plaque en acier perc e en son centre et soumise un effort de traction sur ses extr mit s Nous cherchons d terminer l impact du trou sur les r ponses m caniques de la plaque 1 D tails des conditions aux limites La plaque tant sym trique nous avons pu limiter la mod lisation un seul c t on aurait encore pu effectuer une sym trie suivant la hauteur Pour cela la partie inf rieure de la plaque est
13. n et lui permettra de d couvrir de mani re autonome le logiciel Etant bas sur les connaissances n cessaires pour la r alisation des futurs travaux pratiques ils pourront aussi d lester le professeur encadrant d un certain nombre de questions relatives aux applications les plus l mentaires du logiciels De plus ce manuel proposera un inventaire des probl mes les plus fr quemment rencontr s Remarque ce manuel est fourni en annexe 11 GAVIN Laurent 9 O KLEHAMMER J r mie ozi SA Conclusion Le Projet de Recherche Technologique doit permettre l tudiant de se mettre en situation de recherche savoir tre face une probl matique et d couvrir comment mener bien les tudes n cessaires sa r solution Dans notre cas le projet a t parfaitement conforme ces attentes la d couverte d un logiciel du calibre de CESAR LCPC et sa maitrise souvent men es par t tonnements et checs en tous genres s apparentent totalement des actions de recherche La complexit mais surtout l incroyable tendue des capacit s de ce code de programmation a t la fois un frein et un moteur pour notre tude Nous ne comptions plus les mod lisations rest es infructueuses les messages d erreurs et autres ennuis informatiques En effet la relative impression d aisance due l interface assez intuitive a vite t estomp e par la multitude d actions n cessaires une mod lisation correcte Nou
14. s avons cependant pu rester impliqu s dans ce projet notre curiosit nous poussant continuer de d couvrir les rouages et subtilit s de cet outil Notre professeur encadrant a aussi pu lors de ses interventions ou des diverses r unions d avancement nous apporter une aide en nous offrant des pistes de r flexion ou en r solvant certains probl mes de programmation Notre principal souci fut en fait d ordre purement logistique le logiciel n a correctement fonctionn qu partir de la Toussaint ce qui a occasionn un fort contretemps dans le d roulement de notre tude Il n est d ailleurs toujours pas compl tement op rationnel et les dysfonctionnements sont encore trop fr quents Malgr ces points n gatifs nous retiendrons de ce projet l opportunit offerte de d couvrir et se familiariser avec un nouveau logiciel d applications directes dans les domaines du g nie civil et de la construction et l enrichissement retir De ce point de vue nous le consid rons comme une totale r ussite 12
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