Les effets de la houle sur le comportement de
la digue de Monaco
Camille CAR Ê ME (setec tpi) et David LAJOIE (Hydro GC)
Colloque Le Pont 2021 : 28 et 29 septembre
Sommaire
1. Pr é sentation de l ’ ouvrage
2. Evolutions climatiques et temp ê te Adrian 3. Les mod è les d ’ analyse de la Digue
4. Instrumentation et nouveaux outils : M é thodologie et
premiers r é sultats
Pr é sentation 01.
de l ’ ouvrage
LA GRANDE DIGUE SEMI FLOTTANTE DE MONACO
LA GRANDE DIGUE SEMI FLOTTANTE DE MONACO
La digue a é t é construite à Alg é siras (Espagne) et remorqu é e à travers la
M é diterran é e jusqu ’ au port de Monaco.
LA GRANDE DIGUE SEMI FLOTTANTE DE MONACO
LA GRANDE DIGUE SEMI FLOTTANTE DE MONACO
Une rotule de 770 tonnes relie la digue au
terre plein :
LES MISSIONS DE SETEC ET HYDRO GC
Anciennes missions
•
Etudes d’exécution de la digue de 1999 à 2002 pour le constructeur espagnol, en phases de service et de remorquage
•
Etudes d’exécution de la contre-jetée de 2000 à 2002
•
Missions d’aménagement du port de Monaco
•
Etude du re-ballastage de la digue en 2011
Depuis 2018 : expertise et assistance à ma î trise d ’ ouvrage suite aux évènements climatiques hors normes subis par la digue
La tempête Adrian du 29 octobre 2018 a engendré quelques dégâts superficiels sur la digue de Monaco. Une mission d’expertise et de diagnostic a été réalisée par setec tpi et HydroGC :
•
Etat des lieux de l’état la digue, qui a démontré sa robustesse malgré les sollicitations exceptionnelles
•
Identification et explication des mouvements de la digue
•
Aide à la définition des procédures d’exploitations en cas d’évènements climatiques importants
Ces nouvelles études visent d’une part à assurer l
’int
égrit
éde la structure en b
éton pr
écontraint,
et d’autre part à vérifier l’amplitude des mouvements de la digue sous l’effet de la houle.
Evolutions 02.
climatiques et
temp ê te Adrian
E VOLUTIONS CLIMATIQUES
Hs=4.0m, Tp=10s, N195 31 octobre 2003
30 novembre 2008 14 décembre 2008 13 mars 2011 8 novembre 2011 4 novembre 2014 5 mars 2016
11 décembre 2017
29 octobre 2018 (Adrian) 23 novembre 2019
Hs=3.5m, Tp=11s, N205 Hs=3.5m, Tp=10s, N195 Hs=3.6m, Tp=9.5s, N185 Hs=3.7m, Tp=9.5s, N185 Hs=4.2m, Tp=9s, N185 Hs=3.0m, Tp=7.5s, N185 Hs=4.2m, Tp=10.5s, N205 Hs=4.0m, Tp=10.5s, N160 Hs=3.9m, Tp=8.5s, N180 20 décembre 2019 Hs>4.3m, Tp≈9s, N190
Analyse « théorique » sur 27 ans entre 1992 et 2018 Occurrence décennale Hs ≈4.1m
Occurrence centennale Hs ≈ 5.4m
Succession de tempêtes « décennales » ces dernières années
Caractéristiques des tempêtes (sur 3 heures) au niveau de la bouée
Candhis de mesure des états de mer au large de Monaco
E VOLUTIONS CLIMATIQUES
Tentative d’extrapolation des données de mesure depuis 2014 (source CEREMA
)Incertitude manifeste associée à la répétition des évènements
« autrefois » supposés rares
E VOLUTIONS CLIMATIQUES
Caractère exceptionnel supplémentaire de la tempête ADRIAN : sa provenance Sud-Sud-Est, pénalisante à l’approche de la digue
Adrian
Houles fortes
habituellement observées
Les mod è les 03.
d ’ analyse de la
Digue
L ES MODÈLES D ’ ANALYSE DE LA DIGUE
Modèle structure ANSYS
Modèle hydrodynamique
Sollicitations globales Autres charges
Ballast Houle Modèle Grasshopper Géométrie
Chargement Déplacements,
déformations
Déformations observées
Objectif de la mission d’expertise de 2018-2019 :
- Déterminer l’origine des mouvements suite à la tempête Adrian
- Proposer des procédures d’exploitation de la digue en cas de situation exceptionnelle :
Organisation du processus de calcul : mise en œuvre de plusieurs modèles de simulation numérique
L ES MODÈLES D ’ ANALYSE DE LA DIGUE
Animation : mouvement de roulis de la digue
Modèle géométrique GrassHopper
Réalisation avec l’outil Grasshopper
Les mouvements correspondent à des rotations importantes à la rotule, principalement en roulis.
Les structures principales de la digue n’ont pas été endommagées, seules les superstructures
secondaires ont été touchées.
L ES MODÈLES D ’ ANALYSE DE LA DIGUE
Modèles de calcul structure et hydrodynamique
Modèle hydrodynamique
Modèle ELFI ANSYS
L ES MOD È LES D ’ ANALYSE DE LA DIGUE
Conclusions principales de la mission d’expertise de 2018-2019 :
Origine des mouvements suite à la tempête Adrian :
Les désordres sont liés à un roulis excessif, mais n’ont pas concerné la structure principale de la digue qui a démontré sa robustesse.
Ce roulis n’est pas directement explicable par les effets de la houle de premier ordre, il s’agit d’un phénomène de résonnance sous des trains de houles de second ordre
Cette résonnance doit apparaître autour de la période propre du système digue-rotule-mer, calculée à l’aide du modèle hydrodynamique à T=20 secondes
Procédures d’exploitation de la digue en cas de situation exceptionnelle :
Les modèles obtenus ont été exploités pour définir les conditions limites permettant de respecter les rotations de la rotule définies lors de sa conception.
Limites de l’étude
La réponse de la digue sous effets de houle du premier ordre est correctement calculée par le modèle
hydrodynamique, mais les mouvements importants de roulis liés à des phénomènes non-linéaires de second ordre sont très délicats à reproduire par simulation numérique et nécessitent un calage fin du modèle.
Il est donc nécessaire de disposer d’une instrumentation permettant de connaître de façon précise le comportement de l’ouvrage sous différents évènements climatiques pour fiabiliser les calculs et améliorer le logigramme
04.
Instrumentation et nouveaux
outils –
M é thodologie
C ONTEXTE DE L ’ É TUDE
Tempête de décembre 2019 et instrumentation de la digue
Forte opportunité d’amélioration des études par une meilleure connaissance du comportement r é el de l ’ ouvrage existant
Enjeux scientifiques et techniques li é s à la nature et au volume de ces donn é es, recherche de solutions innovantes dans les domaines du « Big Data » et du « Machine Learning »
Proposition d’une méthodologie en plusieurs phases pour l’exploitation optimale de ces En 2019, une campagne d
’instrumentation de la digue a été
entreprise par la DTP de Monaco, permettant d’accéder en temps réel aux mouvements de la digue et aux efforts dans la rotule.
Une nouvelle temp
ête d
’importance a eu lieu le 20 d
écembre 2019
engendrant des déplacements significatifs de la digue. Ces
mouvements ont été entièrement enregistrés par les capteurs
installés sur la digue.
M É THODOLOGIE G É N É RALE POUR L ’ EXPLOITATION DES DONN É ES
Modèle hydrodynamique
Logigramme d’exploitation
Effets de la houle et du vent sur
la digue
Lois de propagation Géométrie de site
Paramètres de modèle
Principe des études
hydrodynamiques classiques
M É THODOLOGIE G É N É RALE POUR L ’ EXPLOITATION DES DONN É ES
Modèle hydrodynamique
ajusté
Logigramme d’exploitation
Effets de la houle et du vent sur
la digue fiabilisés
Lois de propagation Géométrie de site
Paramètres de modèle
Instrumentation de la digue
mesures synchrones de la houle (H), du vent (V), des déplacements (d), des rotations (𝜃)…
Traitement des données
Full-scale Validation
Calage des paramètres de modèle
Première phase d’exploitation des données
Objet de l’étude 2020
M É THODOLOGIE G É N É RALE POUR L ’ EXPLOITATION DES DONN É ES
Modèle hydrodynamique
ajusté
Logigramme d’exploitation optimisé
Lois de propagation Géométrie de site
Paramètres de modèle
Instrumentation de la digue
mesures synchrones de la houle (H), du vent (V), des déplacements (d), des rotations (𝜃)…
Traitement des données
Full-scale Validation
Calage des paramètres de modèle
Modèle prédictif statistique
Machine Learning
Tableau de bord d’aide à la décision pour l’exploitation de la Digue
Phases suivantes d’exploitation
des données
Effets de la houle et du vent sur
la digue fiabilisés
M É THODOLOGIE G É N É RALE POUR L ’ EXPLOITATION DES DONN É ES
Modèle hydrodynamique
ajusté
Logigramme d’exploitation optimisé
Lois de propagation Géométrie de site
Paramètres de modèle
Instrumentation de la digue
mesures synchrones de la houle (H), du vent (V), des déplacements (d), des rotations (𝜃)…
Traitement des données
Full-scale Validation
Calage des paramètres de modèle
Modèle prédictif statistique
Machine Learning
Tableau de bord d’aide à la décision pour l’exploitation de la Digue + Structural Health Monitoring
Phases suivantes d’exploitation
des données
Effets de la houle et du vent sur
la digue fiabilisés
05.
Instrumentation et nouveaux
outils –
R é sultats
E NSEIGNEMENTS DES DONN É ES DE CAPTEURS
Analyse univariable des données de comportement de la digue
Décomposition des signaux temporels représentant le roulis, lacet, tangage et efforts à la rotule :
RoulisSignal @ 20-12-19_15h30: BF RoulisSignal @ 20-12-19_15h30: HF RoulisSignal @ 20-12-19_15h30: MF RoulisSignal @ 20-12-19_15h30: Total
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
°
700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100
s
RoulisDensite @ 20-12-19_15h30: BF RoulisDensite @ 20-12-19_15h30: MF RoulisDensite @ 20-12-19_15h30: HF
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Degr²s
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20
Hz
RoulisBFMin RoulisBFMoy RoulisBFMax RoulisMFMin RoulisMFMoy RoulisMFMax
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
°
RoulisHFMin RoulisHFMoy RoulisHFMax
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
°
RoulisTotalMin RoulisTotalMoy RoulisTotalMax
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
°
20/12, 12h 20/12, 16h 20/12, 20h 21/12, 0h 21/12, 4h 21/12, 8h 21/12, 12h 19
Date, h
RoulisBFEtype RoulisMFEtype RoulisHFEtype RoulisTotalEtype
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60
°
20/12, 12h 20/12, 16h 20/12, 20h 21/12, 0h 21/12, 4h 21/12, 8h 21/12, 12h 19
Date, h
Roulis extrême vers le large
Roulis extrême vers le port 0.99°
-2.17°
20/12/2019 15:30:00
20/12/2019 16:00:00
Evolution du roulis au cours de la tempête. Valeurs minimale, moyenne, maximale par plage d'une 1/2 heure
Evolution du roulis au cours de la tempête. Ecarts Types par plage d'une 1/2 heure Décomposition suivant le domaine des Basses Fréquences (BF, en bleu), des Moyennes Fréquences (MF, en orange) et Hautes Fréquences (HF, en rouge).
Ecarts Types du signal complet (Total, en noir)
Domaine temporel
Domaine fréquentiel :
Densité spectrale de puissance par épisode de 30 minutes
Identification des plages de plus grande
énergie par type de mouvement Synthèse par plage de fréquence sur toute la durée de la tempête
E NSEIGNEMENTS DES DONN É ES DE CAPTEURS
26
Analyse univariable des données de comportement de la digue
Principaux enseignements :
Roulis
L’existence d’un mode propre en roulis autour de 20s est confirmé par le pic d’énergie autour de cette période.
Ce mode est en dehors des périodes d’énergie primaire de la houle (7s à 12s). Il est activé par les termes résiduels de second ordre.
Lacet
Densité d’énergie prédominante dans la plage des basses fréquences, avec une période d’oscillation mesurée d’environ 2 minutes. Par ailleurs la digue au repos est légèrement décalée vers le large par rapport à l’azimut théorique initial. Ces observations sont cohérentes avec les résultats précédents et permettent d’ajuster les hypothèses sur les chaînes d’amarrage.
Tangage
Valeurs très faibles sur la plage des hautes fréquences de houle. Le tangage n’est pas le sujet critique au regard des contraintes d’exploitation.
Efforts sur la rotule :
Densité d’énergie prédominante dans la plage des hautes fréquences, directement associées aux sollicitations de houle de premier ordre.
Ces mesures confirment que les effets du second ordre entrainent un mouvement de roulis excessif mais pas d’effort supplémentaire à la rotule. 28/09/2021 Colloque le Pont - setec tpi / Hydro GC
E NSEIGNEMENTS DES DONN É ES DE CAPTEURS
Etudes des corrélations entre variables
Nous inspirant des lois physiques régissant les phénomènes hydrodynamiques de second
ordre, nous recherchons un lien entre les variables de rotation de la digue et le carré
de la hauteur de houle.
C ONVERGENCE DU MOD È LE HYDRODYNAMIQUE
Apr è s calage de param è tres cibl é s (Second ordre d ’ excitation, amortissement visqueux), des simulations ont é t é men é es pour reproduire l ’é v è nement majeur observ é le 20 d é cembre 2019 :
Roulis simulé et mesuré lors de la tempête de décembre 2019 Lacet simulé et mesuré lors de la tempête de décembre 2019
Le mod è le hydrodynamique recal é repr é sente correctement les é v è nements analys é s
06.
Conclusion
CONCLUSION
Des tempêtes « décennales » de plus en plus fréquentes
Il s’agit d’un simple constat sur ces six dernières années au regard des conditions historiques bien connues depuis près de trente ans
La Digue flottante de Monaco : Une structure robuste malgré des sollicitations exceptionnelles
Lors de la tempête Adrian, la digue a subit des mouvements d’amplitude importante, sans que les structures principales en béton précontraint ne subissent de désordres.
Conception et Expertise : Une large gamme d’outils de simulation
La mise en œuvre des modèles géométrique, structurel et hydrodynamique permet de mettre en interface les différentes spécialités pour réaliser une analyse complète du comportement de la digue.
Evolution des méthodes d’analyse : Le changement climatique force l’ingénieur à être plus réactif et à inventer de nouveaux outils capables de s’adapter aux données rapidement et de plus en plus finement.
Instrumentation et exploitation des données pour les ouvrages existants - Calage fin des modèles de calcul d’après le comportement réel de l’ouvrage
- Utilisation du Machine Learning pour créer des modèles prédictifs statistiques d’adaptant rapidement aux nouvelles conditions climatiques ou d’exploitation
Optimisation de l’exploitation et de la durée de vie
- Aide à la décision dynamique, prenant en compte les prévisions météo en temps réel - Maintenance prédictive
