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Travail de fin d’études

Master « Ingénieur civil des constructions »

Code TFE Code EPL si possible

Nombre d’étudiants 1

Titre Typologies structurales pour la bonne durabilité des ponts

Promoteur(s) Denis Zastavni + PatriceToussaint (Direction de l'Expertise, DG01 de la RW)

Collaborateur(s)

Description du sujet

Ce sujet est à traiter majoritairement en entreprise au sein des bureaux des services de l'Expertise des Ouvrages de la DG01, Liège

De nombreux matériaux et typologies structurales sont disponibles pour l'édification de ponts. selon les données du problème et du contexte, certaines nécessitent des réparations fréquentes et des coûts d’entretien considérables, voire des durées de vie réduites, ou au contraire produisent des ponts de grande durabilités dans le temps dont l'entretien est minime.

Le projet consiste à travailler sur – et interpréter – les bases de données de la DG01 (Direction Générale n°1 de la Région Wallonne en charge des routes et infrastructures) construites dans le cadre des campagnes d'entretien de leurs ouvrages. Le travail consiste à classifier et caractériser les ponts du réseau wallon, avec pour objectif de produire une analyse critique des typologies de ponts employées, ou d'éléments constitutifs de ces typologies. Les résultats de l'analyse pourraient prendre la forme de recommandations et, ou d'arbres décisionnels pour le choix du type de typologie à recommander pour les projets futurs, en fonction des contraintes liées à ces projets.

Un étudiant autonome avec de l’initiative est recherché pour tirer les meilleurs résultats de cette étude.

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Texte tapé à la machine

Document mis à jour le 21/04/2015

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EPL-1516-104

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Titre Robustesse structurale : paramètres et résultats des méthodes numériques déterministes et géométriques.

Promoteur(s) Denis Zastavni + Jean-François Remacle

Collaborateur(s)


La robustesse structurale est une propriété des structures qui leur permettent de résister à des circonstances imprévues sans endommagement excessif ni perte de fonctionnalité (*). La notion est liée entre autres à la bonne conception des structures, leur redondance, leur capacité de redistribuer des efforts. Elle est requise dans les codes de calcul depuis les attentats du 11 septembre 2001.

Le projet consiste à travailler sur les méthodes numériques et géométriques qui permettent d’évaluer la robustesse structurale ou certaines dimensions constitutives de celle-ci. Le travail consiste à travailler sur des études de cas en faisant usage de méthodes numériques (issues de la littérature, actuellement en code matlab) et géométrique (actuellement spreadsheat & DWG). Il s’agira de comparer les résultats et d’évaluer leur pertinence dans une optique de design. Ce travail poursuit une courte recherche qui a été publiée récemment (Deschuyteneer A., Zastavni D., Fivet, C. [2015]. "A geometrical approach to evaluating constitutive elements of structural robustness", IABSE report 103: 210-217 (IABSE Workshop Safety, Robustness and Condition Assessments of Structures, Helsinki, Finland), Zurich, 2015 (ISBN : 978-3-85748-137-6)

L’objectif final est de permettre la caractérisation par indicateurs interactifs, graphiques ou numériques, des niveaux de robustesse structurale d'ouvrages d'art et de bâtiments.

(*) (Knoll F., Vogel T. [2009]. Design for Robustness, Structural Engineering documents, IABSE, Zurich

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EPL-1516-20




Nombre d’étudiants 1 (ou 2)

Titre Reconstruction numérique de polygones de forces et d’isovaleurs de contraintes au départ de résultats analytiques d'une analyse structurale

Promoteur(s) Denis Zastavni + Jean-François Remacle

Collaborateur(s)


De nombreux logiciels de calcul permettent une analyse élastique des efforts dans des structures aux configurations variées. si les résultats de ces efforts posent problème, ces logiciels ne permettent pas de modifier la géométrie pour en ré-équilibrer les efforts. Les approches en calcul graphique le permettraient à condition de transformer les résultats de l'analyse en élément graphiques tels que polygones des forces, funiculaires et isovaleurs de contraintes.

Le projet consiste, pour différents cas de figure, à récupérer les résultats d'analyse et développer une méthode pour la génération du diagramme réciproque. L'approche peut être dérivée de celle employée pour générer les diagrammes dans l'application RhinoVault, ou adapter les approches proposées par Danie Piker (scale& translation + Rheotomic Surfaces). Le projet consiste à documenter les différentes approches, extraire des données d'analyses numériques, implémenter et tester ces approches dans différents environnements (matlab, grasshopper, javascript dans cgs).En complément, la génération automatique de chemins de charges (load path) et de treillis équivalents (schémas de bielles et tirants) à associer à une configuration structurale pourra être étudiée.

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EPL-1516-19

Proposition de travail de fin d’études 2015-2016



EPL-1516-106 Nombre d’étudiants 2

Titre Modélisation expérimentale de battage de pieux tubulaires pour des éoliennes

offshores au travers d’une couche de roche

Promoteur(s) HOLEYMAN Alain

Collaborateur(s) VICTOR Karl Henry


Les éoliennes de plus en plus puissantes exigent que leurs pieux de fondation soient battus de plus en

plus profondément, et donc à travers des bancs rocheux ou des couches de sol contenant des blocs

de roche. Le défi consiste à pouvoir installer les pieux tubulaires tout en assurant leur intégrité.

Le TFE consiste, dans un premier temps, à simuler l’installation par battage de pieux tubulaires en

présence d’une couche de roche par un modèle expérimental réduit. Dans un second temps, le pieu

tubulaire sera équipé par une tête d’ancrage (sabot de battage), des tests de battage seront réalisés

afin d’étudier l’efficacité du sabot de battage dans la protection du pieu. Un système expérimental

est disponible au sein du laboratoire de Génie Civil (LEMSC) menu d’un système d’acquisition de

données.

Figure 1: Pieu tubulaire avant battage Figure 2: Pieu tubulaire après battage

Les étapes de réalisation du TFE sont : (1) Familiarisation avec le dispositif expérimental, (2) Tests de

battage sur un modèle réduit de pieu équipé ou non d’une tête d’ancrage, (3) Revue des méthodes

analytiques permettant d’évaluer la résistance à la pénétration et (4) Analyse et comparaison des

résultats expérimentaux avec un développement analytique. Vu sa continuité par rapport aux

travaux de fin d’études précédents, ce TFE bénéficie d’une base documentaire pertinente, de

programmes Matlab développés et de résultats de simulations numériques (ABAQUS).

Références:

Holeyman, A., Technology of Pile Dynamic Testing, in Application of Stress-Wave Theory to Piles,

edited by F. Barends, Balkema, Rotterdam, 1992, pp. 195-215

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EPL-1516-107 Nombre d’étudiants 1 ou 2

Titre

Simulation numérique de l’installation d’un pieu tubulaire à travers une couche de

roche par l’expansion d’une cavité


Collaborateur(s) VICTOR Karl Henry


Les pieux tubulaires sont des fondations en acier typiquement utilisées dans les applications

portuaires et offshore. Les ouvrages concernés incluent, entre autres, des éoliennes terrestres et

offshores, les ouvrages d’art supportant les infrastructures de transport et les plateformes pétrolières.

Pour installer ces pieux à des profondeurs de plus en plus grandes, il devient de plus en plus souvent

nécessaire de transpercer des couches indurées de sous-sol, voire de roche. Il s’impose alors d’évaluer

la résistance à la pénétration du pieu tubulaire afin d’assurer le maintien de son intégrité lors de

l’installation. Cette résistance dépend en autres de l’épaisseur du banc de roche rencontré.

Le travail de fin d’étude proposé a pour objectif de modéliser numériquement l’expansion de cavités

(cylindrique, sphérique, etc.) dans une couche de roche en utilisant le critère de résistance de Hoek-

Brown, à l’aide du logiciel Plaxis ou ABAQUS.

Figure : Cavité sphérique dans une couche de roche

Les étapes de réalisation du TFE sont : (1) Etude paramétrique du critère de résistance de Hoek-

Brown, (2) Modélisation numérique de l’expansion statique d’une cavité sphérique ou cylindrique) et

comparaison avec des résultats analytiques, (3) Analyse de l’effet de l’épaisseur de la couche de roche

sur la validité des solutions analytiques, (4) Modélisation numérique l’expansion dynamique d’une

cavité dans une couche de roche, (5) synthèse et conclusions

Références

E. Hoek, C. T. (2002). EDITION, HOEK-BROWN FAILURE CRITERION-2002. Proc. NARMS-TAC Conference,

Toronto , 267-273.

R. Cudmani and V. A. Osinov (2001). The cavity expansion problem for the interpretation of cone

penetration and pressuremeter test, Canadian Geotechnical Journal, 38(3), 622–638. [disponible BST]





Titre Résistance au cisaillement non drainée de sables liquéfiés


Collaborateur(s) VERASTEGUI Daniel


Ce travail de fin d’étude se situe dans la continuité de TFEs précédents étudiant la dégradation du

sable dans lequel on vibro-fonce un pieu (Fig.). Le travail peut s’appuyer sur différents acquis : essais

de laboratoire, monotones et cycliques, sur du sable bruxellien ainsi que des simulations numériques

du pieu vibro-fonçé dans lequel le sol peut être représenté par différents modèles.

Figure: (a) Schéma du dispositif de vibro-fonçage et (b) Dégradation du sol (Holeyman, 2000)

L’amélioration que vise à apporter ce travail de fin d’étude est la caractérisation de la résistance au

cisaillement d’un sol vibro-liquéfié.

Les étapes de réalisation du TFE sont : (1) Synthèse bibliographique sur la résistance au cisaillement

des sables ayant liquéfié suite à un tremblement de terre ou à une expérience de laboratoire, (2)

Comparaison des modèles disponibles, (3) Transposition des résultats aux sollicitations imposées par

le vibro-fonçage, (4) Evaluation de la vibro-fonçabilité des palplanches suite à une meilleure

estimation de la résistance à la pénétration, (5) synthèse et conclusions

Références :

Tara, Middendorp, and Verbeek (2014), Modeling and Observations of Pile Installation using Vibro

Hammers in Fraser River Delta Soils

J.-F. Vanden Berghe (2001), Sand Strength degradation within the framework of pile vibratory driving,

PhD thesis, Université catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve. [lien]





Titre Analyse de la répartition des déformations dans une tête de pieu soumise à essai

de charge dynamique


Collaborateur(s) CAP Jean-François


La méthode de mise en charge dynamique des pieux se base sur l’analyse de la réponse

impulsionnelle d’un pieu sous l’impact d’une masse en chute libre, par exemple de 4 tonnes tombant

d’une hauteur de chute de 2 mètres. Il importe lors de la réalisation de tels essais dynamiques de

mesurer de manière fiable à la fois la force transmise au pieu et son mouvement.

La force est obtenue par la technique des jauges de déformation tandis que le mouvement est mesuré

à l’aide d’un accéléromètre. Ces instruments sont fixés sur la tête du pieu, ainsi qu’illustré sur la

Figure.

Le projet de norme européen consacré à cet essai recommande de découper des fenêtres dans le

tube en acier afin d’exposer le béton pour y fixer les instruments (Figure). Cette recommandation

pose le problème de la représentativité de la mesure en un endroit où l’on pourrait suspecter des

effets locaux et de toute façon nécessite une hypothèse concernant la coopération du tube dans les

efforts transmis.

Le but travail est de réaliser une analyse du comportement, d’abord statique, puis dynamique d’une

section cylindrique de béton fretté par un tube d’acier. On veillera à mettre en évidence la longueur

de transfert dans le cas d’une frette de longueur infinie, ainsi que les taux de coopération du tubage

dans l’effort en fonction de la longueur du tube et de la position des instruments dans l’hypothèse où

ceux-ci seraient fixés sur le tubage intact. La prise en compte des effets tri-dimensionnels dans le TFE

pourrait constituer une contribution originale au sujet. On analyserait ainsi la modification du champ

de déformations dans la zone de découpe du tubage ainsi que le champ de déformation du tubage

découpé. La répartition des déformations unitaires, spécialement en cas d’effort excentré, gagnerait à

être précisée.

Références :

CEN TC 341, Draft standard, Geotechnical investigation and testing, Testing of geotechnical structures:

Pile load test by dynamic method

Holeyman, A., Technology of Pile Dynamic Testing, in Application of Stress-Wave Theory to Piles,

edited by F. Barends, Balkema, Rotterdam, 1992, pp. 195-215.

Travail de fin d’études 2015-2016




Titre Influence of heterogeneities on infiltration patterns around cavities


Collaborateur(s) BOLLY Pierre-Yves


Le travail consiste à étudier le rôle que des hétérogénéités peuvent avoir sur la manière avec laquelle

l’eau météorique infiltrée rejoint la nappe aquifère. Il se situe dans la prolongation de thématiques

abordées par des TFEs d’Anthony Serpe et de Thierry Eloka Eloka. Alors qu’à la surface, l’infiltration

peut être idéalisée par une vitesse verticale constante, plusieurs facteurs peuvent amener les filets

liquides à se concentrer, tels des dépressions ou cuvettes affectant l’interface entre deux couches de

sol de perméabilité différente ou la présence de cavités d’origine karstique. La concentration de filets

liquides peut être également rendue responsable de la remontée de cavités vers la surface, pouvant

mener à des effondrements aux conséquences environnementales désastreuses (Siegel et al., 2013).

L’outil d’analyse permettant de modéliser les écoulement souterrains, en conditions aussi bien

saturée que non saturé est la suite GeoStudio , d’autant qu’elle intègre également la dimension

mécanique. Cette dernière peut être mise à profit pour étudier la stabilité des cavités souterraines.

Les étapes de l’évaluation peuvent suivre la progression suivante : (1) Colonne de sol (1D vertical)

simulant une stratification horizontale de couches de sols (Serpe, 2015 ; Eloka Eloka, 2015) ; (2)

Dépression de l’interface limon-sable (problème 2D) ; (3) Stabilité d’une cavité cylindrique ou

sphérique en présence d’eau stationnaire ; (4) Conditions d’écoulement au voisinage d’une cavité

cylindrique ou sphérique ; (5) Stabilité d’une cavité cylindrique ou sphérique alimentée par de l’eau

infiltrée ; (6) Ebauche de simulation du processus de remontée des cavités souterraines vers la

surface.

Figure 1. Conceptual subsurface profile in karst with an enlarging void in the residual soil (Sowers,1996).

Figure 2. Axisymmetric idealization of void in soilover rock (Drumm et al., 2009).

Une analyse bibliographique des problèmes d’écoulement et de stabilité liés à ces simulations sera

réalisée afin d’identifier des méthodes analytiques permettant de comparer les simulations

numériques à des méthodes d’ingénierie.

Références : Siegel et al. (2013), Application of stability charts and reliability concepts for simplified

analysis of a void in soil overlying karst bedrock, in Sinkholes and the engineering and environmental

impacts of karst, proceedings May 2013, Carlsbad, New Mexico

TFEs UCL: Anthony Serpe ( 2015), Thierry Eloka Eloka (2015)





Titre Granular flow in silos: modeling by means of discrete element method

Promoteur(s) Daniel Verástegui-Flores

Collaborateur(s)


Silos are widely used in industries and farms to store, feed and process bulk solids. They are mainly built from concrete, steel and aluminum. In spite of extensive experimental and theoretical studies of silo problems, silos still fail with a frequency much higher than the rate of structural failure of other industrial structures. Silo failure can be devastating as it can result in loss of the container, contamination of the material it contains, loss of material, cleanup, replacement costs, environmental damage and possible injury or loss of life. They are mainly caused by a lack of knowledge concerning characteristic phenomena of granular material flow and the interaction with the silo structure.

The objective of this study is to evaluate different granular flow patterns and the formation shear zones of spherical particles in a silo. Different geometries of silos will be studied as well as different types of granular materials. The analysis will be carried out numerically by means of discrete element methods (DEM, e.g. LIGGGHTS). DEM allows to model particle- to-particle interaction; therefore, it is more suitable than the finite element method especially for granular flow problems.





Titre Backanalysis of deformations of an embankment built on soft soil


Collaborateur(s)


The objective of this work is to compare theoretical predictions with actual measurements of settlements under an embankment built on soft soil.

Existing data includes soil compressibility properties, construction progress in time, measurements of settlements and excess pore water pressures under the embankment. A simplified 1D model will be used to take account of large deformations during soft soil consolidation.

The results will highlight the accuracy, limitations and possible lines of improvement of current prediction models.





Titre Determination of the deformation modulus of soil by means of non- destructive methods


Collaborateur(s)


The deformation modulus (at small strains) of soils is usually derived out of non destructive tests making use of bender elements. Bender elements are piezoceramic sensors that can be easily included in laboratory setups like a triaxial cell or an oedometer cell. The sensors allow monitoring the propagation of waves through a soil specimen. A wave (P or S) is introduced at one end of a soil specimen, while a propagated wave is recorded at the other end of the sample (located at a known distance from the wave source). From analysis between these two signals a travel time can be evaluated and then, the propagation velocity and the deformation modulus can be estimated.

Nevertheless, there is no consensus on the method of interpretation of the travel time. There exist in the literature numerous methods proposed but there is still no clarity about the advantages or disadvantages of their application. The aim of this work is to implement and compare the various methods of interpretation. In the context of this thesis, bender element measurements will be performed in reconstituted (cemented and non-cemented) soil samples.





Titre Deformation fields and development of slip surfaces in granular soil subjected to monotonic loading


Collaborateur(s)


The objective of this research is to investigate the development of slip surfaces and deformation patterns in granular soil subjected to monotonic loading/unloading transferred by structures such as shallow foundations, retaining walls and penetrating elements such as piles and cone penetration probes.

The study will be done through numerical modelling making use of the discrete element method (DEM). In DEM models, unlike continuum models, soil is modelled as an arrangement of discrete particles of a given shape and size for which interaction parameters are given, including stiffness and interparticle friction. An existing DEM model (e.g. LIGGGHTS or YADE) will be used and adapted to fulfill the objectives.

Preferably (but not compulsory), the student is familiar with Linux distributions and has some affinity with numerical modeling software of any kind.





Titre Determination of the coefficient of consolidation of clay by alternative interpretation methods


Collaborateur(s)


The oedometer test is one of the most widely used tests in soil mechanics. It was introduced by Terzaghi as an experimental support for his one-dimensional consolidation theory. The test produces a compression index for the evaluation of the deformation magnitude and the consolidation coefficient (cv) for the evaluation of the rate of deformation. The evaluation of cv from the measured consolidation curve is generally performed by hand-draft curve fitting, usually through Taylor’s method (Taylor 1948) and the Casagrande’s log-t method. But all the hand-draft curve fitting methods require graphical constructions that introduce undesirable subjective interpretations in the process.

The objective of this thesis is to evaluate the suitability of more recent methods proposed in the literature to estimate the consolidation coefficient of clay. The new methods feature computer assisted fitting of specific normalized variables and some of the new techniques attempt to isolate the primary from secondary consolidation to produce better results. Experiments will be carried out on clay samples of different mineralogy and the outcome will be compared and discussed.





Titre Impact of reconstitution on the compression and strength properties of clay


Collaborateur(s)


The behavior of fine-grained soils is strongly affected by the chemistry of the porewater and electrical inter particle forces that determine its soil structure. The objective of this work is to study the impact of soil fabric of reconstituted specimens on its compressibility and strength.

The work will be mainly experimental. The basic material to study will be Kaolin and Bentonite. The pore water chemistry will be characterized by different levels of salinity and pH. The specimens will be reconstituted from a completely disturbed state.

The compressibility will be studied through oedometer tests and the strength will be studied through vane tests or triaxial compression tests.





Titre Simulation of triaxial compression tests on dry granular materials


Collaborateur(s)


The objective of this research is to investigate the impact of initial density, stress and sample preparation method on the stress-strain response of dry granular material subjected to triaxial compression testing.

The study will be done through numerical modelling making use of the discrete element method (DEM). In DEM models, unlike continuum models, soil is modelled as an arrangement of discrete particles for which interaction parameters are given. An existing DEM model (e.g. LIGGGHTS or YADE) will be used and adapted to fulfill the objectives.

Preferably (but not compulsory), the student is familiar with Linux distributions and has some affinity with numerical modeling software of any kind.





Titre Contribution to the study, characterisation, monitoring, and modelling of heat

storage in an alluvial aquifer

Promoteur(s) BOLLY Pierre-Yves

Collaborateur(s) HOLEYMAN Alain


Le travail se positionne à l’aval et en complément d’un travail de fin d’études actuellement réalisé

(2014-2015) par Madame Claire PAULUS, qui consiste globalement à étudier, caractériser, suivre et

modéliser l’écoulement des eaux souterraines et le transfert de chaleur sur un site pilote situé dans

une nappe alluviale d’un ancien méandre de la Sambre. L’objectif premier est d’apprécier la

possibilité de stocker temporairement de la chaleur dans un aquifère afin de la réutiliser après

quelques unités de temps (heures ou jours). L’objectif secondaire est de contribuer à la mise au point

d’un outil de suivi spatio-temporel de panache thermique en aquifère.

L’objectif du travail de fin d’études proposé pour l’année académique 2015-2016 sera principalement

de proposer et de tester une ou plusieurs méthodes (couplage entre essais hydrogéologiques et

monitoring géophysique) afin de réaliser l’équivalent de tests de réponse thermique d’aquifère de

plaine alluviale. Cette combinaison d’essais pourrait in fine amener à la caractérisation thermique de

masses d’eau souterraine pour des applications géothermiques incluant le stockage de chaleur.

Figure 1 : Système géothermique ouvert (open-loop geothermal system)

L’étudiant contribuera à la conduite d’une expérience innovante et multidisciplinaire sur un site pilote

incluant par exemple un essai de stockage thermique via du monitoring électrique (tomographie de

résistivité électrique) afin de tester la réponse thermique de l’aquifère et ainsi le paramétrer. Enfin,

l’étudiant aura la possibilité de créer un modèle numérique simplifié de l’aquifère afin de simuler

divers scénarios de stockage et évaluer leur pertinence économique.

Références:

Vandenbohede A, Hermans T, Nguyen F, Lebbe L. Shallow heat injection and storage experiment: heat

transport simulation and sensitivity analysis. Journal of Hydrology 2011; 409:262–72.

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EPL-1516-118





Titre Assessment of pipeline lateral breakout resistance through failure yield

envelopes

Promoteur(s) Jean-François Vanden Berghe

Collaborateur(s)


Keywords: offshore pipeline, pipe-soil interaction, numerical modelling

Offshore pipelines are sometimes left unburied on the seafloor and penetrate by a fraction of the

pipe diameter. Thermal expansion and contraction of the pipeline during operation can lead to

lateral buckling. For a buckle to be initiated, the pipe must break out from the as-laid position.

Current practice relies mainly on empirical expressions to assess the lateral pipe breakout resistance.

Several researchers published results from Finite Element (FE) analyses that aim to provide a more

robust theoretical basis for the prediction of lateral breakout resistance. These FE results are used to

construct yield envelopes in the V-H load space, indicating the allowable load combinations that will

not cause the pipe to break out. These yield envelopes provide a more robust basis for routine

assessment of breakout resistance than empirical expressions.

The purpose of the study will be to complement the results available in the literature by performing

additional FE simulations to cover more design cases: a larger pipeline embedment range and more

soil types, including clay with constant and linearly increasing undrained shear strength and sand.

The tool for the study will be either Plaxis, Abaqus, FLAC or Limitstate:Geo. Simple analytical

expressions will have to be fitted to the envelopes so that results can be used in the routine

assessment of pipe lateral breakout assessment, usually performed using Excel spreadsheets. The FE

model could also be automated/scripted so that it can be used efficiently on projects to run

additional project-specific cases lying outside the applicability of developed analytical expressions.

References:

- Martin and White (2012). Limit analysis of undrained bearing capacity of offshore pipelines.

Géotechnique 62, no. 9, 847-863.

- Merifield, White and Randolph (2008). The ultimate undrained resistance of partially

embedded pipelines. Géotechnique 58, no. 6, 461-470.

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EPL-1516-122





Titre Spudcan Penetration Predictions – Comparison with Probabilistic Approach


Collaborateur(s)


Jack-up rigs play an essential role in the offshore industry, being used for drilling purposes, fixed

platform repair work or operations, offshore wind farm construction and many other applications

(Dean, 2010, Vazquez et al., 2005). Spudcans are commonly used foundation types (large inverted

cones) for independent leg jack-up rigs or mobile

offshore drilling units. The legs are jacked into seabed

and will penetrate deeper under maximum preload to

ensure safe jack-up rig operations.

Jack-up rigs are particularly exposed to risk as they move

frequently and are often used in areas that are relatively

unexplored and unknown. The consequences of

accidents can be dramatic in terms of both, life and

economic losses.

Current industry standards and guidelines (SNAME, ISO19905) provide methods for estimating

spudcan performance during installation (spudcan penetration, capacity) using conventional

bearing capacity failure mechanisms for homogenous and simply layered soils. Spudcan penetration

predictions depend on the spudcan geometry, the soil characteristics and stratigraphy, the expected

load and maximum preload on each spudcan.

A probabilistic approach to predict spudcan penetration behaviour was developed (Van Der Wal et

al., 2007). The method was developed to address number of uncertainties in calculation models and

their input parameters as well as spatial soil variability with a view to complement current industry

standard methods. The probabilistic approach is based on describing soil parameters stochastically

(by their mean values, standard deviations, trends) which are incorporated into calculations by

Monte Carlo simulation. The probability of each calculated type of failure is output and results can

be used as an add-on for conventional standard calculation methods and thus an additional

verification for the design.

This current research project will focus on performing probabilistic analyses using either man-made

or real cases data of spudcan penetrations. The results will be compared with the conventional

calculations based on industry standards and verified against real recorded penetrations if

applicable. Additionally, the statistical parameters used for the probabilistic analysis will be

reviewed and potentially improved methods will be suggested for their derivation.

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EPL-1516-123





Titre Finite Element Analysis of Pipeline Walking


Collaborateur(s)


Keywords: pipeline walking, numerical simulation, axial pipe-soil interaction, HP/HT pipelines

Deepwater high pressure, high temperature pipelines are generally susceptible to significant end

expansion and axial walking. Pipeline walking can cause cumulative axial displacement of the entire

pipeline, which can induce damage at termination units, expansion spools and riser tie-ins. The

pipeline walking phenomenon can be triggered by seabed slope, riser tension and/or thermal

transients. The rate of walking depends not only on the temperature profiles, but also on the

magnitude of axial resistance, the mobilization distance and the seabed topography.

Axial pipe-soil interaction is one of the most critical uncertainties associated with the design of high

pressure, high temperature pipelines and the prediction of end expansion and rate of walking.

Considerable capital expenditure can be saved by relatively small adjustment in the magnitude of

the expected interaction force. Recent measurements campaigns in deepwater soft clay have shown

complex non-linear axial response, including peak resistance followed by residual resistance,

unloading/reloading stiffness higher than the first loading stiffness, and evidence of cyclic

hardening.

This thesis aims to explore finite element modelling of the pipeline walking phenomenon using the

SAGE Profile software suite for offshore pipeline analysis. Pipeline walking dictated by seabed slope,

riser tension and thermal transients will be modelled and compared to analytical models and recent

Safebuck guidelines. The effects of different axial soil responses (bilinear, trilinear, cyclic hardening,

…) on the predicted end expansion and walking rates will be studied and compared.

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EPL-1516-124





Titre How full scale tests could optimise foundation design based on reliability

based approach.


Collaborateur(s)


Keywords: shallow foundation, collapsible soil, full scale test

Collapsible soils experience significant reduction in volume when wetted. Volume changes that

occur are sudden and can cause foundation failure due to increase in soil moisture content. The

increase in moisture content can be caused either by infiltration of surface water or by rising ground

water level.

Foundation design in collapsible soil is very challenging. A good way of limiting the risk and

optimising the design is to perform full scale foundation tests to assess the influence of wetting on

the foundation response. Such an approach is encouraged by the Eurocode 7 which uses model

factors to account explicitly for uncertainties of the calculation model.

The purpose of this thesis is to develop a design methodology for shallow (and/or deep) foundation

design based on the interpretation of full-scale tests results, with a particular focus on tests

performed on collapsible soils.

A proposed approach is as follows:

• Investigate the soil collapsible behaviour through literature review

• Finite element analysis of shallow (and/or deep) foundation to assess the influence of

moisture changes on the foundation response

• Comparison with full scale test results

• Derivation of a reliability based design methodology compatible with Eurocode 7

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EPL-1516-125





Titre Design of monopiles for wind turbines under cyclic lateral loading:


Collaborateur(s)


Offshore wind turbines are generally funded on monopile, pile of very large diameter. In the current

economical context, the cost of the foundation is critical for the development of offshore wind farms

and there is a need to reduce the cost by a significant amount (40%). In this process, reliability based

design combined with a risk driven approach are used to assess the lateral resistance of the

monopile to a given storm. These models take into account the type of storm (wave and wind), the

return period of the storm, the cyclic degradation of the soil resistance,… In some cases, it could

induce a significant reduction of the pile length and then of the cost of the foundation.

The objective of the thesis will be to develop a reliability based design methodology to assess the

probability of failure of an offshore windmill. The influence of the key parameters will have to be

analysed and their impact on the pile length (price) will have to be investigated. The student will

then have to compare the design obtained with this new advanced methodology with the methods

used previously.

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EPL-1516-126




Nombre d’étudiants 1 or 2

Titre Influence of pipeline plasticity on buckling behaviour:


Collaborateur(s)


Keywords: finite element analysis, plasticity modelling, buckling, verification.

Lateral buckling of an offshore pipeline is a response to compressive effective axial force and

reduces the axial carrying capacity caused by high pressure and high temperature. In the early days,

buckling was prevented by placing expensive rock dump on the pipeline. The new approach is to

take a reliability approach and let the pipeline buckle and move on the seabed.

Finite element (FE) models are routinely used in the analysis and design of subsea pipelines. But

most of them apply only elastic steel material behaviour of the pipelines. This was sufficient to verify

that the pipeline will not buckle. Today, industry reports indicate that a proper estimation of the

pipeline behaviour during buckling needs to take into account the plasticity in the steel behaviour

models.

In this project the applicant will be expected to:

• carry out a detailed literature survey of the use of plasticity models in the FE modelling of

pipelines

• scrutinize the applicable normative codes for pipeline design in relation to plasticity

modelling

• Selecting and implement a selection of plastic behaviours (in SAGE Profile, one of the FE

code for pipeline design)

• verify the implementations by designing out test scenarios in other FE software suites (or

through hand-calculation of analytical models)

• assess the impact of plasticity on buckling behaviour for a variety of test cases collected

from the literature survey

• formulate conclusions proving or disproving the need, suitability, reliability and applicability

of plasticity models for the analysis of buckling behaviour of subsea pipelines

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EPL-1516-127





Titre Tailings dam design under seismic loading: a reliability based design approach


Collaborateur(s)


.

Tailings dam are life structures that experiment every day their maximum load. In addition, they are

structure sensible to earthquake. Traditional design is based on a pseudo static approach where the

seismic load is replaced by a pseudo static force.

In some countries, the recommendations of seismic design evolved with time based on the new data

available and sometimes tailings dam designs do not satisfy the code criteria.

The proposed research aims to develop a methodology to improve the tailings dam design based on

a reliability analysis developed around Monte Carlo or FORM simulations. The key parameters

influencing the results will have to be identified and analysed. The study will have to investigate how

the key parameters could be measured/determined and what are the uncertainties related to them.

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EPL-1516-128




Nombre d’étudiants 1 ou 2

Titre Reliability based design of an offshore pipeline susceptible to lateral buckling

using Monte-Carlo analyses


Collaborateur(s)


Keywords: pipe-soil interaction, lateral buckling, reliability, Monte Carlo

Lateral buckling of an offshore pipeline is a response to compressive effective axial force and

reduces the axial carrying capacity. High Pressure and High Temperature pipelines are, from a

structural point of view, characterised by expansion due to thermal heating and internal pressure

and hence ‘usual suspects’ for lateral buckling. According to DNV-RP-F110, the integrity of a pipeline

susceptible to buckling can be assured by either restraining the pipeline (thus maintaining the large

compressive forces), or releasing the expansion forces by ‘engineering’ lateral buckles using

sleepers. This research will focus on the second approach.

Simulation of lateral buckle on a soft seabed Lateral buckle triggered at a sleeper

Determination of pipe-soil interaction parameters is of prime importance as these are intimately

related to lateral buckling phenomena. However, there is considerable uncertainty related to those

parameters. Applying Monte Carlo principles is a recognised way of dealing with the various sources

of uncertainty associated to pipe-soil interaction modelling. Ensuring the system meets acceptable

reliability targets can however lead to running over 106 simulations. Baysian methods then become

a precious help for optimizing the computational cost.

The task proposed aims to propose a reliability based design methodology of an offshore pipeline

susceptible to lateral buckling by combining Monte Carlo analyses with Bayesian methods. This will

require running finite element simulations for offshore pipeline analysis. An additional optional task

will be to investigate how the calculation time may be further reduced by running several

simulations simultaneously using parallel computational power available on the Cloud.

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EPL-1516-129





Titre Rupteur thermique pour colonne

Promoteur(s) Pierre Latteur

Collaborateur(s) Plakabeton (Dépt. R&D)


Le travail proposé entre dans le cadre de Recherche & Développement de produit.

Il faut concevoir et dimensionner un dispositif qui réalise une rupture thermique entre le sommet d’une colonne et un plancher isolé par-dessous, en assurant la continuité de l’isolation thermique. Ce dispositif doit transmettre les efforts pour assurer la stabilité de l’ouvrage, doit être facile à mettre en œuvre, doit résister au feu et être économique.

Ce travail comprend donc plusieurs aspects :

• Déterminer les efforts qui doivent être transmis, en grandeur et direction, selon différents cas d’application.

• Concevoir le dispositif, choix des matériaux et dispositions constructives pour avoir le minimum d’éléments qui traversent l’isolant.

• Dimensionner et optimiser (étude de stabilité), le dispositif lui-même et les incidences sur les structures concernées, y compris les éventuels effets locaux.

• Processus de production et procédure de mise en œuvre pour assurer l’efficacité du dispositif.

• Étude thermique comparative (avec et sans le dispositif), calcul des nœuds constructifs.

• Essai de laboratoire pour valider l’étude théorique de stabilité.

• Estimation du coût du dispositif et de sa mise en œuvre.

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EPL-1516-380

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Titre Construction avec les drones

Promoteur(s) Pierre Latteur, Caitlin Mueller (MIT/USA)

Collaborateur(s) Sebastien Goessens


L’objectif du TFE, dans la continuité de celui de Justin Leplat et Jean-Sébastien Breton, est de prouver

la faisabilité de la construction avec des drones, selon le schéma ci-dessous. Le travail pourra porter

sur les aspects CAO et/ou sur les aspects de guidage et de programmation des drones et/ou sur les

aspects de manutention et/ou sur le développement de matériaux adaptés à ce type de construction.

Les étudiants devront faire preuve de créativité et ne pas avoir peur de sortir des sentiers battus et

de travailler manuellement. Ils effectueront leur travail en collaboration avec Sébastien Goessens.

Selon la qualité du travail effectué et l’avancement des travaux, un séjour d’échange au MIT à Boston

est envisageable (frais payés).

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EPL-1516-381

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Titre Mise au point d’un système expérimental et numérique de détermination de

l’influence des fentes sur le comportement structural des éléments en bois


Collaborateur(s) Elke Mergny


Attention, avoir suivi le cours « structures bois » en GCE21MS

L’apparition de fentes dans les éléments structuraux en bois (massif et lamellé collé) est un

phénomène bien connu et observable dans de nombreuses charpentes existantes, anciennes ou

récentes. Ces fentes obligent les utilisateurs à sous classer ou même déclasser les éléments

structuraux, alors même qu’on ne connaît pas l’influence exacte de ces fentes sur leurs propriétés

mécaniques. Elles sont donc pénalisantes et responsables d’une sous-utilisation du bois dans les

constructions. Leur apparition peut être provoquée par divers phénomènes comme le séchage du

bois ou les contraintes de croissance. La figure ci-dessous montre des clichés d’une poutre en chêne,

pris à l’aide d’un scanner médical. A la vue de ces images, il est évident qu’on ne peut imaginer que

ces fentes n’aient aucune influence sur les caractéristiques mécaniques des éléments structuraux.

Quelle est cependant l’influence réelle de ces fentes ? Peut-on leur donner l’importance que certains

classements leur accordent ? Certains estiment que les fentes sont des défauts davantage

esthétiques que mécaniques et que leur rôle serait neutre. En outre, en matière de retrofiting de

structures (intervention à posteriori), de nombreuses questions restent à ce jour sans réponses, ce

qui pousse parfois les auteurs de projet au remplacement intégral (et scientifiquement non justifié)

des ouvrages existants : peut-on conserver une charpente qui présente des fentes ? Peut-on y placer

des panneaux solaires ? Peut-on restaurer et exploiter un plancher fissuré et quelle est sa capacité

portante ? Le TFE, mené en parallèle avec les recherches d’Elke Mergny, vise à combler des lacunes

existantes en matière de connaissance du comportement des éléments structuraux en bois

affectés par des fentes. Sur base de modèles numériques vérifiés par des essais expérimentaux,

elle ciblera en particulier l’élaboration d’une méthodologie permettant de déterminer la qualité

mécanique d’un élément structural fendu à partir d’une approche basée à la fois sur la

classification visuelle et des méthodes d’auscultation.

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EPL-1516-382




Nombre d’étudiants 1 GC UCL+ 1

bioing. STE ULg

Titre Faisabilité de l’aménagement de cargos comme « villes flottantes d’urgence »,

utilisables en cas de catastrophes naturelles

Promoteur(s) Pierre Latteur, Frédéric Lebeau (ULg)

Collaborateur(s)


Ce sujet sortant des sentiers battus consiste à investiguer la possibilité d’équiper et transformer des

cargos commerciaux en « villes flottantes d’urgence» afin d’abriter temporairement des populations

en détresse suite à des catastrophes naturelles.

Les aspects suivants devront être investigués par un binôme étudiant GC UCL/étudiant bioingénieur

STE de l’ULg.

- Types de cargos existants dans le monde, possibilité de récupération de vieux cargos, aspects

financiers, sélection du « cargo type »

- Recensements des besoins d’une population en détresse

- Type de structure d’habitat à prévoir, compatible avec la géométrie des cargos et avec la

possibilité de construire des structures de 10 étages, voire plus

- Disposition « architecturale » de l’habitat, de manière à favoriser les circulations, l’arrivée de

lumière, la vie en commun, l’accès aux soins, l’éducation des enfants, etc.

- Possibilités d’autoproduction d’énergie (éolien, solaire), bilan des consommations

- Possibilité d’agriculture indoor

Note : l’étudiant en charge de se mémoire devra faire preuve d’initiative et d’autonomie étant donné

que ce sujet n’a jamais été traité auparavant à l’UCL ni par des chercheurs ni par des étudiants.

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EPL-1516-383

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Titre Calcul non linéaire des structures de tenségrité


Collaborateur(s)


Les structures de tenségrité sont des structures particulières qui ne sont pas stables au premier ordre

et qui nécessitent des calculs numériques complexes. On ne connait que très peu d’ouvrages

construits dans le monde, sauf pour des sculptures, tant donné qu’elles sont très déformables et

sensibles aux actions dynamiques.

Ce TFE s’inscrit dans la continuité des TFE d’Alexis Bastien et Quentin Gravy (2013-2014) et de Marc

Eliars (2014-2015) et vise au développement d’un outil numérique de calcul et d’optimisation des

structures de tenségrité afin de prouver leur faisabilité pour des ouvrages d’art.

Le TFE de 2013-2014 a mené au développement d’un type de passerelle (voir figure ci-dessous et sur

http://podcast.uclouvain.be/AVe8eDeJWN) sur base d’un calcul approximatif au premier ordre.

Le TFE de 2014-2015 consiste à développer un outil numérique non-linéaire afin d’intégrer

l’instabilité au 1er ordre de ce type de structures.

Le futur TFE aura pour objectif de globaliser les deux approches précédentes afin de programmer un

outil numérique complet intégrant à la fois le calcul non linéaire et les méthodes d’optimisation

basées sur les indicateurs morphologiques (voir chapitre 15 du livre utilisé au cours de stabilité des

constructions).

Aptitudes nécessaires : intérêt pour la programmation et pour les éléments finis.

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EPL-1516-385

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Titre Etude du poinçonnement des panneaux en bois massif contrecollés

Promoteur(s) Pierre Latteur, Alexandre Rossignon (WOW/Ney&Partners)

Collaborateur(s)


Il s’agit d’étudier le comportement de panneaux CLT (cross laminated timber) travaillant comme des

dalles champignon et plus en particulier la résistance au poinçonnement aux droits des appuis.

Compétences

Les compétences développées sont :

- EC5 - Recherche bibliographique - Mode de rupture du bois - Eventuels essais – laboratoire - Application sur les projets : Maison Coulée ; Galatea - Utilisation d’Excel et programmation en VBA - RDM : Dalle orthotrope, comportement matériau anisotrope calcul des propriétés

Remarque importante

Prendre contact préalable pour une réunion avec Alexandre Rossignon / [email protected] / 081/414899

;





Titre Développement d’une méthode de calcul des panneaux en bois CLT utilisés pour

les toitures plissées


Collaborateur(s)


Il s’agit d’étudier le comportement des panneaux CLT lorsque le comportement en toiture plissée est

recherché pour donner de la raideur au panneau. Les portées libres potentielles semblent offrir à ce

matériau un atout fort pour ce genre d’application.

Compétences


- EC5 - Recherche bibliographique - Mode de rupture du bois - Application sur les projets : Galatea ; Port Sud Moulard - Utilisation d’Excel et programmation en VBA - RDM : Dalle orthotrope, comportement matériau anisotrope calcul des propriétés - Modélisation EF – Scia - Développement d’une feuille de calcul

Remarque importante






Titre Développement d’une méthode de calcul des panneaux en bois CLT extrudés


Collaborateur(s)


Il s’agit d’étudier le comportement des panneaux CLT travaillant à la limite des possibles du matériau.

Recherche de forme.

Compétence


- EC5 - Recherche bibliographique - Eventuels essais – laboratoire - Modes de rupture du bois - Application sur le projet : Auvent Sint Truiden - Utilisation d’Excel et programmation en VBA - RDM : Dalle orthotrope, comportement matériau anisotrope calcul des propriétés,

cisaillement roulant - Modélisation EF – Scia - Recherche de forme

Remarque importante






Titre Inflammabilité des panneaux en bois massifs : analyse critique de la classe de

réaction au feu attribuée aux panneaux en bois massifs


Collaborateur(s)


Il s’agit d’étudier le comportement des panneaux CLT au feu. Les panneaux placés verticaux ou

horizontaux se comportent-t-ils de la même manière. Vitesse de combustion des panneaux. Influence

des joints de colle.

Compétence


- EC5 - Recherche bibliographique - Essais – laboratoire - Notions de feu, réaction résistance - Application sur les projets : Tour Brunfaut ; Immeuble Inquiétude - Développement d’une feuille de calcul

Remarque importante


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EPL-1516-386





Titre Etude du potentiel des planchers bois/béton en CLT


Collaborateur(s)


Planchers collaborants et poutres reconsituées : étude du glissement.

Développement/perfectionnement d'une feuille de calculs. Etat de l'art sur les techniques. Comment

dimensionner un plancher bois/béton. Etude de la connexion entre les deux matériaux.

Compétences


- EC5 - Recherche bibliographique - Essais – laboratoire ? - Anatomie du matériau - Application sur les projets : Grand Poste - RDM - Développement d’une feuille de calcul

Remarque importante






Titre Choix du modèle approprié pour les largeurs collaborantes dans les planchers et

voiles en bois


Collaborateur(s)


Lorsque des charges sont diffusées dans un voile, quelle largeur peut-elle être considérée ? Qu’en

est-il en plancher ?

Base des planchers Kerto Ripa en caisson.

Compétences


- EC5 - Recherche bibliographique - Essais – laboratoire ? - Anatomie du matériau - Application sur les projets : Les Closières - RDM - Développement d’une feuille de calcul

Remarque importante






Titre Etude du comportement en diaphragme des structures en bois


Collaborateur(s)


Analyse critique des eurocodes. Proposition d’une méthode de calcul/analyse. Développement d’un

outil de calculs. Comportement d’une ossature en poutre. Comportement des connecteurs à long

terme.

Compétences


- EC5, EC1 - Recherche bibliographique - Essais – laboratoire - Anatomie du matériau, fluage - Application sur les projets : LLN Innovity - RDM - Développement d’une feuille de calcul

Remarque importante






Titre Prise en compte du frottement pour la reprise des efforts horizontaux dans les

structures en bois


Collaborateur(s)


Prise en compte du frottement dans les applications en bois comme reprise d'effort horizontaux.

Est-il possible d’utiliser le frottement entre les matériaux structuraux d’un bâtiment afin de

transmettre des efforts horizontaux ? (Exemple : l’appui d’un voile sur un plancher)

Compétences


- EC5, EC1 - Recherche bibliographique - Essais – laboratoire - Anatomie du matériau - Application sur les projets : Immeuble Inquiétude - Développement d’une feuille de calcul

Remarque importante


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EPL-1516-387





Titre Prise en compte du frottement pour la reprise des efforts horizontaux dans les

structures en bois


Collaborateur(s)


Etat des lieux sur les techniques (frettage, etc.) et les problématiques (fendage, etc.). Le recours au

frettage permet d’obtenir de performance élevée, mais à quel prix ? et quels en sont les risques ?

Possibilités sur des petits assemblages ?

Compétences


- EC5 - Assemblages bois - Eventuels essais – laboratoire - Recherche bibliographique - Utilisation d’Excel et programmation en VBA - Application sur les projets : Sibomat - Interface graphique - RDM

Remarque importante






Titre Modélisation du poinçonnement de dalles minces en coin de voile

Promoteur(s) Pierre Latteur, Renaud Bertin (GAMACO)



La modélisation du poinçonnement est un domaine critique dans l’étude des dalles minces, la

rupture pouvant présenter un mode de ruine non ductile.

Les codes actuels (EN 1992, Model Code) sont assez clairs au niveau du dimensionnement des cadres

reprenant l’effort tranchant pour les poteaux isolés, mais nettement moins dans le cas de voiles en

coin sortant (cas typique de la cage d’escalier ou d’ascenseur).

Le model code 2010 utilise une valeur forfaitaire de 1.5 d pour la définition du périmètre de contrôle,

mais comment définir la charge de poinçonnement ? Quelle doit être la dimension du voile

considérée pour prendre en compte les effets hyperstatiques (moment dans le voile augmentant la

réaction d’appui) ? Quelle est la colonne équivalente à prévoir (dimension, raideur) en fonction de la

géométrie de la dalle ?

Le but du mémoire est d’étudier les différents modèles de poinçonnement, et d’approcher par des

modèles éléments finis le comportement le plus réaliste dans une zone de coin ou d’extrémité de

voile, permettant de déterminer les paramètres les plus pertinents et amenant à un

dimensionnement optimal.





Titre Modélisation du retrait dans les dalles précontraintes

Promoteur(s) Pierre Latteur, Renaud Bertin (GAMACO)



Le béton se comporte de manière non linéaire dès que la fissuration est atteinte. Dans le cas de

déplacements imposés, les efforts internes dans les sections sont directement liés à la rigidité de

l’élément, elle-même influencée par la fissuration.

Les déplacements imposés peuvent être provoqués par des différences de température entre les

faces externes et internes des voiles et dalles, mais également lors de l’exécution qui induit des

retraits bridés parfois très importants.

L’objectif du travail est d’étudier les lois de comportement données par les codes (en particulier l’EN

1992-1-1), et de les incorporer dans un code élément fini en vue de permettre la modélisation de ces

effets afin d’étudier les effets de retrait dans les poutres et dalles, avec incorporation éventuelle des

effets du second ordre.

L’intérêt de la précontrainte dans la maitrise de la fissuration sera également analysée de manière

paramétrique, celle-ci influençant la raideur des sections.





Titre Méthode informatisée d’analyse visuelle de chaussées

Promoteur(s) Pierre Latteur – co-promoteur : Sébastien Houdart (SPW)

Collaborateur(s)


Développement d’une méthode informatisée d’analyse visuelle de chaussées : ex : on passe avec une caméra et par le développement d’un logiciel d’analyse d’image, on sait par exemple quelle est la longueur de fissure par mètre carré de chaussée faïencée, la répartition de ce faïençage, l’orientation des fissures au sein de celui-ci, l’ouverture des fissures, … Les résultats doivent pouvoir être exprimés sous forme de plans et de statistiques. Des méthodes existent déjà, même au stade commercial, mais la précision et l'efficacité n'est pas encore satisfaisante.

Remarque : prendre contact préliminaire avec Sébastien Houdart (0475/752720)





Titre Effet structural du décapage des colonnes, chevêtres et piles-voiles dégradées

Promoteur(s) Pierre Latteur – co-promoteur : Sébastien Houdart (SPW)

Collaborateur(s)


Quand on doit décaper les éléments d’un ouvrage d’art vieillissant pour le rénover, la mise à nu des armatures et l'enlèvement du béton présente beaucoup d’inconnues pour sa stabilité générale. Pour les éléments structuraux des ouvrages habituels, il serait intéressant de définir les limites dans lesquelles les décapages/ragréages peuvent se faire en sécurité, ainsi que des méthodes de calcul simples pour savoir, sur le terrain, ce qu’on peut et ne peut pas faire.

Remarque : prendre contact préliminaire avec Sébastien Houdart (0475/752720)

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EPL-1516-388





Titre Construction modulaire en ossature métallique légère (light steel framing)


Collaborateur(s) Hélène de Troostembergh (Be-steel)


Objectifs Etude théorique et expérimentale d’une construction modulaire avec un système d’ossature

métallique légère, produite à partir de profilés en acier formés à froid.

Domaines de connaissances nécessaires En fonction de l’étendue du mémoire : physique du bâtiment, construction métallique, détails

techniques, résistances des matériaux, architecture

Description La technologie “light steel framing” permet d’automatiser en grande partie le processus de

fabrication. La production est faite à l’aide d’une machine CNC (profileuse à froid) qui permet une

production rapide en série.

Les éléments modulaires peuvent être considérés comme des composants 2D tels que des murs,

planchers et toitures, mais également comme modules 3D entièrement transportables. Dans les deux

cas une contrainte importante est celle du transport. Le défi consiste à trouver les meilleures

solutions en prenant en compte de nombreux facteurs :

Choix du système modulaire:

- Elements 2D - Modules 3D en partant sur une combinaison d’espaces selon leur utilités (unité cuisine,

unité salle de bain, espaces de vie,…) - Modules 3D en partant sur la taille maximale de transport - Impact des modules sur l’architecture du bâtiment

Respect des normes existantes :

- Eurocodes - Normes d’isolation - Résistance au feu - Dimensions pour le transport

Solutions pratiques pour le placement/la liaison des modules sur chantier :

- Transportabilité et levage à l’aide d’une grue - Interconnexion des éléments - Assurer l’étanchéité - Eviter les ponts thermiques - Raccords des éléments techniques (HVAC, électricité, eau,…)

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EPL-1516-389





Titre Ferraillage de massifs 3D en béton armé

Promoteur(s) Pierre Latteur et Jean-François Cap



Une minorité de constructions en béton armé est caractérisée par une géométrie tridimensionnelle

pour laquelle les méthodes classiques, utilisées pour les poutres, colonnes, dalles ou voiles ne sont

pas adaptées. Il s’agit souvent d’ouvrages volumineux tels que des barrages, des massifs servant

d’ancrage à des ouvrages ayant une grande prise au vent ou des fondations d’éoliennes. Deux

méthodes se distinguent pour ferrailler ces massifs en béton armé : l’approche par contrainte et la

méthode bielles-tirants.

Pour un étudiant, le travail consiste à explorer une des deux méthodes et pour deux étudiants, les

deux méthodes seront étudiées au sein du TFE.

L’approche par contrainte

Le principe de cette méthode est de déterminer à l’aide d’une analyse aux éléments finis les 6

contraintes σx, σy, σz, τxy, τyz et τzx et de les traduire en quantité et position d’armatures. Cette

traduction n’est pas évidente. Quelques articles ont proposé des méthodes mais elles restent encore

imparfaites.

À faire : Un TFE a été réalisé pour proposer des améliorations aux méthodes existantes et nécessiterait encore des développements car le travail est restreint à des armatures de traction pour des cas 2D et quelques cas 3D.

La méthode bielles-tirants

Le principe de cette méthode est d’imaginer un schéma plausible de cheminement des forces à

l'intérieur d'une zone et d’intégrer trois éléments :

- les bielles, représentant les zones compressées, modélisées en béton

- les tirants, représentant les zones tendues, modélisées en acier

- les nœuds, établissant les connexions entre les différentes zones, modélisées en béton

Cette méthode permet ainsi de connaitre les proportions de béton et d'armature à envisager. Elle a

de nombreuses applications en 2D (un TFE a déjà été développé sur cette question par M. Cap) mais

est moins développée dans le domaine du 3D.

À faire : Développer un outil de calcul appliquant la méthode bielles-tirants en 3D pour ferrailler des volumes simples.

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Titre

Développement d’un modèle de calcul d’ouverture de fissure pour béton

renforcé de fibres (métalliques|synthétiques) sans armatures traditionnelles –

Application au calcul de voiles et coques.

Promoteur(s) Pierre Latteur | CSTC (Benoit Parmentier)

Collaborateur(s)


Absent du Model Code 2010 pour le calcul des structures en béton, un modèle de calcul d’ouverture

de fissure pour le béton renforcé de fibres sans armatures traditionnelles sera l’objet de ce TFE. Son

application sera envisagée sur le calcul de réservoirs étanches aux liquides.

Des essais expérimentaux de type « dog-bone » ou « ring tests » peuvent être utilisées pour évaluer

le comportement à long terme post-fissuration de ce type de béton soumis à une restreinte de

longue durée.

La méthode devrait permettre de réduire fortement les taux d’armatures actuellement préconisés

dans l’Eurocode 2 à ce sujet.

Prendre contact préliminaire avec Monsieur Benoit Parmentier du CSTC ([email protected])




Nombre d’étudiants

Titre Développement d’un modèle d’analyse inverse de calcul de structures minces en

béton renforcé de fibres


Collaborateur(s)


Le béton renforcé de fibres connaît une perçée considérable ces dernières années dans diverses

applications. La parution récente du Model Code 2010 (fib) permet désormais de calculer des

éléments en béton de fibres et d’assurer la robustesse de ces élements, souvent lorsque des

armatures traditionnelles sont combinées.

Une difficulté persistante reste néanmoins la mise en évidence des propriétés post-fissuration de ces

types de béton qui doivent être injectées dans les modèles de calcul. Plusieurs méthodes d’essai

peuvent être utilisées (flexion-poinçonnement sur dalles rondes, prismes entaillées, etc.) mais ces

méthodes ne permettent pas toutes de délivrer des paramètres directs utilisables dans le calcul alors

qu’elles représentent parfois mieux le comportement réel de l’élément qui sera réalisé.

Le but du TFE est de mettre au point une méthode d’analyse inverse robuste permettant de

déterminer la loi constitutive (sigma-espsilon) du matériau indépendament du type d’essai utilisé

pour caractériser celui-ci. Il disposera à cette fin de données expérimentales sur des campagnes déjà

réalisées sur différents bétons.

L’application de ce modèle à la conception d’éléments préabriqués minces (plaques/coques/profilés)

est envisagée via le recours à une méthode non linéaire de calcul aux éléments finis (NLFEM) qui

serait disponible à l’UCL. Une particularité à ce sujet à l’effet non négligeable d’orientation

préférentielle des fibres dans des structures minces. Une phase expérimentale peut également être

réalisée si des partenaires industriels peuvent être identifiés pour ces éléments particuliers.






Titre Fiabilité des structures temporaires et/ou existantes


Collaborateur(s)


Les ouvrages dont la durée de vie est limitée (échafaudages, garde-corps, supports temporaires

ponctuels, blindages, etc.) ne sont pas régis par des concepts très clairs au niveau du

dimensionnemne selon les Eurocodes.

Le fait que les sollicitations climatiques, parmi d’autres, s’appliquent sur une durée plus limitée,

impacte les facteurs de sécurité à utiliser pour le dimensionnement. Le but du TFE est de dégager

une approche commune permettant, pour n’importe quel type d’ouvrage temporaire, d’assurer sa

fiabilité à un coût maîtrisé (économique, sociétal).

L’application de l’Eurocode 0 (« Basis of design ») permettant d’identifier les scénarios les plus

adéquats en termes de cible d’indice de fiabilité cible β sera un challenge du travail. L’extension à

l’évaluation des structures existantes peut s’avérer un autre cas de figure intéressant puisque le

marché de la rénovation dépasse depuis quelques années le marché de nouvelles constructions.

L’impact de mesures réalisées sur l’ouvrage sur le « recalcul » de la structure est prépondérant et la

méthode à suivre actuellement pour l’identification du facteur β et des coefficients de sécurité

adéquats est manquant au niveau normatif européen. Un projet de publication du Joint Research

Centre à ce sujet est en gestation.


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EPL-1516-390





Titre Analyse de la robustesse des structures mixtes lors de la perte d’un poteau

Promoteur(s) O. Vassart

Collaborateur(s)


Au-delà des règles de dimensionnement générales des Eurocodes basées sur le concept d’états-

limites ultime et de service, les bâtiments doivent satisfaire à des exigences vis-à-vis d’actions

accidentelles. En effet, en fonction de leur usage, de leur situation ou de leur environnement, ces

bâtiments devront pouvoir résister à des scénarios d’incendie (EN 1991-1-2), des charges climatiques

exceptionnelles (Annexes nationales de certains pays), des actions sismiques (Eurocode 8) ou encore

des explosions ou impacts (EN 1991-1-7).

Le comportement de certaines structures lors de situations accidentelles et des recherches récentes

tendent à démontrer que la robustesse des structures permet d’empêcher une perte de stabilité

globale (progressive collapse) de celles-ci lors de la rupture d’un élément unique.

Dans le cadre des constructions acier et mixtes par exemple, la perte d’un ou plusieurs poteau(x)

suite à un feu localisé ou un impact peut être compensée par l’action membranaire des dalles mixtes

ou en béton, reportant les efforts verticaux sur d’autres éléments porteurs après développement de

déformations importantes de ces dalles.

Les recherches récentes se sont souvent focalisées sur des configurations où l’élément perdu est un

poteau central alors que le risque de rupture d’un poteau de coin ou de façade est au moins aussi

important (poteau de façade d’un bâtiment le long d’une route, par exemple).

L’objectif de ce travail est d’étudier la contribution des planchers mixtes dans un tel cas de figure et

de voir comment le dimensionnement pourrait être adapté afin d’éviter de surdimensionner

exagérément les structures. Ce travail sera réalisé en modélisant la perte de poteau(x) dans des

structures acier et mixtes par utilisation du logiciel éléments finis SAFIR, et ce dans différentes

configurations.

Une attention particulière devra également être portée à l’influence du comportement des

assemblages poutres-poutres et poutres-poteaux (résistance, raideur et ductilité) sur le

comportement de la structure en cas de perte d’un poteau de façade.





Titre Mesures courantométriques sur modèles réduits par LSPIV

Promoteur(s) Didier Bousmar

Collaborateur(s) Catherine Swartenbroekx (SPW), Céline Savary (SPW)


La caractérisation d’un champ de vitesses est un problème de base en hydraulique expérimentale. Cette caractérisation peut s’effectuer par des mesures ponctuelles, généralement au moyen de sondes plus ou moins intrusives, ou par des mesures d’ensemble par des techniques d’imagerie. Ces dernières ont l’avantage d’être non-intrusives et de permettre d’acquérir plus rapidement un grand nombre de données.

La Direction des Recherches hydrauliques du SPW (Châtelet) souhaite tester les capacités d’outils LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) pour des applications en laboratoire. Notamment, la suite open-source Fudaa LSPIV développée par IRSTEA (https://forge.irstea.fr/projects/fudaa-lspiv). Les outils présents dans cette suite ont été développés pour des mesures de débit à grande échelle sur des rivières naturelles, à partir de séquences vidéo quelconques. L’objectif du TFE serait de tester et valider l’applicabilité de cet outil à des applications en laboratoire.

Plusieurs types de mesures pourraient être effectués :

- Mesures de courantométrie de surface, sur le modèle réduit à l’échelle 1/50 du barrage de Hun (Haute-Meuse) ;

- Mesures de courantométrie dans la veine liquide, sur le modèle réduit à l’échelle 1/15 du barrage de Monsin (Meuse) ou sur le modèle réduit à l’échelle 1/17,5 de la vanne aval de la nouvelle écluse de Lanaye (Canal Albert).

Les mesures seront comparées à des mesures locales de vitesses opérées pour les mêmes conditions d’écoulement. Différentes techniques d’ensemencement de l’image (traceurs) seront testées, ainsi que différents types d’éclairages, et les performances en termes de précision et de résolution seront évaluées.

Le travail expérimental sera à réaliser au laboratoire de la Direction des Recherches Hydrauliques à Châtelet.

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EPL-1516-119





Titre Barrage d’Auvelais : étude dynamique des vibrations des vannes

Promoteur(s) Didier Bousmar, Paul Fisette, Nicolas Docquier

Collaborateur(s)


Le barrage d’Auvelais est un des barrages qui permettent de réguler les niveaux d’eau dans la

Sambre, entre Charleroi et Namur, afin de garantir des profondeurs d’eau suffisantes pour la

navigation. Ce barrage est composé de deux pertuis, chacun fermé par une vanne levante équipée

d’une hausse-clapet. Aux bas débits, l’écoulement passe par-dessus la hausse-clapet. Lorsque le débit

augmente et que la hausse est complètement abaissée, la vanne levante est progressivement levée

afin de permettre un écoulement supplémentaire sous celle-ci.

Construit en 1935, le barrage a fait l’objet d’une rénovation en profondeur en 2014, avec notamment

le remplacement des treuils qui manœuvrent les vannes. Certaines poulies ont également été

modifiées. Depuis les travaux, on observe des vibrations importantes lorsque la vanne est

partiellement levée. Ces vibrations se propagent dans les câbles et la structure et ont déjà entrainé

plusieurs avaries (rupture d’ancrages de câbles).

Le TFE aura pour objet la modélisation de ces vibrations afin d’essayer d’en comprendre le

développement et, le cas échéant, de proposer des solutions pour les résoudre. La modélisation

s’effectue sur deux niveaux : (1) une étude hydraulique sur modèle physique pour évaluer les

sollicitations auxquelles est soumise la vanne ; et (2) une modélisation multi-corps au moyen du

logiciel Robotran pour déterminer la réaction de la vanne et de ses composants.

Le modèle physique de la vanne sera réalisé au laboratoire de la Direction des Recherches

Hydrauliques du SPW (Châtelet), à une échelle à définir (probablement 1/25). Il devrait permettre

d’étudier l’écoulement à différentes ouvertures et de mesurer les fluctuations de pression liées aux

écoulements turbulents sous la vanne et par-dessus la hausse.

Le modèle multicorps comprendra la vanne levante, son guidage sur rouleaux, la hausse-clapet et

toute la transmission par câble. Les sollicitations de nature hydraulique seront identifiées

expérimentalement (cfr supra) et serviront d’input au modèle multicorps qui sera exploité en

simulation temporelle essentiellement.

Le travail est proposé pour un ou deux étudiants, GCE ou MECA, l’idéal étant un binôme couvrant les

deux disciplines. Le cas échéant, la partie expérimentale peut faire l’objet d’un stage au SPW.

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EPL-1516-130





Titre Développement d’une rotule semi-rigide d’un pont intégral

Promoteur(s) Laurent Ney

Collaborateur(s)


Dans le cadre de certains ponts intégraux il est nécessaire de réduire la raideur d’éléments

constitutifs afin de limiter les contraintes générées par des déformations imposées.

Ceci s’est effectué dans le passé en utilisant des rotules « type Freyssinet » par exemple. Ce type de

solution est interdit de nos jours.

Le but de ce travail de fin d’études est de trouver une alternative à la rotule dite « Freyssinet » en

réduisant la rigidité au maximum, tout en assurant un bon comportement à la fatigue.

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EPL-1516-120





Titre Typologie singulière de pont à structure tendu


Collaborateur(s)


Fin du 19ième, début 20ième a été une période particulièrement féconde pour l’invention de nouveaux

types de pont et de structures tendues. La plupart de ces inventions ont été supplantés par deux

types de pont, le pont suspendu et le pont haubanés. La plupart de ces typologies singulières se

basent sur la combinaison de deux ou plusieurs principes structurels. Le pont type « Gisclard » en est

un exemple.

Le but du travail d’études et de faire dans un premier temps une recherche bibliographique de ses

ponts atypiques, de comprendre leur fonctionnement statique et de voir si avec nos possibilités

actuelles de modélisation et de compréhension de la statique il est possible d’analyser les avantages

et inconvénients de telles solutions pour l’avenir.

Exemple de type de pont singulier :

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EPL-1516-121





Titre Optimisaton d’une poutre en béton précontraint d’une portée de 120m


Collaborateur(s)


Un des grands projets d’infrastructure dans la région de Mumbai est le Mumbai Trans Harbour Link

(MTHL) qui traverse la baie de Mumbai. Avec une longueur de plus de 22 km il est important de

trouver un concept structurel qui permet d’optimiser le coût de ce projet d’infrastructure.

La technique standard indienne consiste en la réalisation de caisson en béton préfabriqué par la

technique des voussoirs. Classiquement on peut atteindre des portées de 50 à 60m qui dans ce cas-ci

ne sont pas économiques.

Le but de ce travail est d’analyser la possibilité de réaliser les travées standards avec une solution de

type bipoutres avec des poutres préfabriquées en béton précontraint d’une portée de 120m.





Titre Mesures de profils de vitesses dans un écoulement transitoire sur lit mobile (rupture de barrage) par imagerie digitale

Promoteur(s) Sandra Soares-Frazão (EPL/iMMC/GCE)

Collaborateur(s) Ilaria Fent


Dans le cadre du projet européen SEDITRANS (http://www.seditrans.civil.upatras.gr/) divers travaux sont menés pour améliorer les connaissances et la description du transport de sédiments en écoulements transitoires. L’entraînement des grains est provoqué par les contraintes de cisaillement qui s’exercent sur le lit. Or, à ce jour, ces contraintes sont encore peu décrites, et diverses formulations empiriques existent qui ne sont valables que dans des situations bien particulières. Chaque formulation, utilisée dans les diverses lois de transport solide (Meyer-Peter et Müller, etc.), donne lieu à des résultats qui peuvent différer entre eux de manière significative. Par ailleurs, des effets liés au caractère fortement transitoire de l’écoulement ajoutent également une incertitude supplémentaire dans l’utilisation de ces formules.

Dans le cadre de ce TFE, il est proposé de réaliser des expériences d’écoulement consécutif à une rupture de barrage sur un lit de sédiments et de mesurer le profil de vitesses, tant dans la couche d’eau claire que dans la couche de sédiments charriés. Les techniques de mesure à utiliser durant ces expériences sont :

• Imagerie digitale (PIV) latérale pour les profils de vitesses ;

• Sondes à ultrasons pour la position de la surface libre ;

Ecoulement consécutif à une rupture de barrage : déferlement de l’onde et

champ de vitesses instantané mesuré par imagerie digitale PIV

Une fois l’expérience terminée, il conviendra de mesurer avec précision la topographie finale du lit au moyen d’un « bed profiler » ou d’une technique laser. Dans la mesure du possible, il faudra également essayer de développer et valider une méthodologie permettant de déduire le débit solide de ces mesures.

Enfin, à partir des données récoltées, les contraintes de cisaillement pourront être estimées de différentes manières, qu’il conviendra de comparer entre elles, et aux différentes théories existantes. Les résultats obtenus pourront également être comparés avec des résultats de simulations numériques réalisées au moyen d’un code de calcul développé au sein de l’équipe de recherches en Hydraulique

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EPL-1516-131





Titre Modélisation numérique de l’écoulement sur un déversoir détérioré : application au déversoir de Dory, rivière Cavaillon, Haïti

Promoteur(s) Sandra Soares-Frazão (EPL/IMMC/GCE)

Collaborateur(s) Olivier Carlier


Ce TFE s’inscrit dans le cadre d’un projet de développement (ARES-CCD) qui lie l’UCL à l’UEH (Université d’Etat d’Haïti) et qui a pour objectif notamment l’étude et la modélisation des crues sur la rivière Cavaillon (Haïti). Sur base de relevés topographiques et bathymétriques récents, un premier modèle d la rivière a pu être établi. La rivière est ainsi modélisée depuis le déversoir de Dory, qui constitue la condition limite amont du modèle, jusqu’à la mer.

Déversoir de Dory

La connaissance de la relation hauteur-débit caractérisant le déversoir de Dory devrait permettre de connaître le débit à partir d’une simple mesure de niveau d’eau. Ce type de relation est assez classique en hydraulique, surtout pour des déversoirs de forme normalisée comme c’est le cas à Dory. Malheureusement, ce déversoir a subi le passage de plusieurs crues et présente divers signes de détériorations :

• Crête à niveau variable et très irrégulière;

• Affouillement important à l’aval ;

• Envasement important en rive droite à l’amont.

Son fonctionnement ne peut donc plus être considéré comme conforme à la théorie. Dès lors, le TFE proposé a pour objectif de déterminer une relation hauteur-débit adaptée à ce déversoir, à partir de simulations numériques détaillées à réaliser au moyen du logiciel OpenFoam. La géométrie exacte du déversoir, telle que mesurée sur le terrain, devra être introduite et l’écoulement sera étudié en essayant de déterminer l’influence des différentes irrégularités du déversoir. Les résultats des simulations pourront être confrontés aux quelques mesures existantes de l’écoulement sur le déversoir.

Ce TFE convient à 1 étudiant ayant suivi au minimum le cours d’Hydraulique (LAUCE1152) et intéressé par les simulations numériques détaillées.

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EPL-1516-132





Titre Modélisation numérique de l’écoulement à travers et sur une digue

Promoteur(s) S. Soares-Frazão – D. Verastegui (EPL/iMMC/GCE)

Collaborateur(s)


Dans le cas d’une rupture de digue en terre, différents phénomènes peuvent entrer en compte :

- un écoulement de surface important par-dessus la digue, générant une érosion intense par cisaillement sur la pente aval ;

- des ruptures de berges par blocs, causées par un trop grand raidissement de la pente de la digue ou des parois de la brèche ;

- une infiltration importante à travers la digue, créant de l’érosion au pied aval, et pouvant dans certains cas créer des phénomènes de renard (piping) menant à la ruine de la digue

Bien que les écoulements de surface et les écoulements souterrains soient généralement interconnectés, ils sont traditionnellement étudiés comme deux systèmes séparés et sont analysés indépendamment. Considérer l’interaction entre ces différents phénomènes est donc nécessaire afin de vérifier la stabilité et de modéliser les processus de rupture des structures en remblai.

Modélisation de l’infiltration d’eau dans une digue

Rupture de digue par piping

L’objectif de ce TFE est de valider et d’optimiser un modèle numérique couplant écoulement souterrain, hydrodynamique de surface et transport de sédiments (TFE G. Nzungu Lubeni et X. Chaltin, 2013). Ce modèle unidimensionnel résout par une méthode de volumes finis les équations de Saint-Venant-Exner pour la partie à surface libre, et les équations de Richards pour les écoulements souterrains.

Le modèle en développement doit être validé tout d’abord sur diverses solutions analytiques d’écoulement d’eau dans le sol. Il pourra également être testé sur des cas permanents résolus à l’aide de logiciels géotechniques (par exemple Geo-slope). Ensuite, des tests sur d’autres types d’écoulement pourront être envisagés, dont principalement des écoulements à travers des digues pouvant mener à la rupture. Les données expérimentales obtenues dans le cadre de précédents TFE (V. Ferbus et T. Spitaels 2013) pourront être utilisées à cette fin. Suite à ces étapes de validation, des mesures d’amélioration du modèle pourront être implémentées, telles qu’une formulation 2D des équations de Richards.

Ce TFE s'adresse à un ou deux étudiant(s), intéressé(s) par une approche de modélisation numérique, ayant de préférence suivi le cours d’hydraulique fluviale (LAUCE2153) et/ou de géoenvironnement et hydrogéologie (LAUCE2191)

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EPL-1516-133





Titre Ecoulement en canal à lit composé : mesure du transport de sédiments fins vers les plaines d’inondations


Collaborateur(s) Bastien Mathurin


Le lit majeur des rivières est cet espace que la rivière envahit en cas de forte crue. Il joue un rôle déterminant dans l’équilibre du milieu fluvial : le volume de stockage qu’il offre aux fortes crues permet de régulariser celles-ci; il est aussi le lieu d’un écosystème très riche pour la faune et la flore. Au fil des temps géologiques, un équilibre s’est établi. Par un jeu d’érosion et de dépôts lors des crues, la rivière a façonné progressivement son lit majeur pour répondre au mieux à son régime naturel. Cet équilibre est aujourd’hui menacé de deux manières : l’exploitation humaine et les changements climatiques globaux. Les conséquences peuvent être dévastatrices (cfr. Figure 1).

Des expériences en laboratoire seront réalisées au sein du laboratoire d’Hydraulique dans un canal existant, conçu précisément pour les écoulements en rivières à lit composé (Bousmar et al., 2005). La conception du canal permet d’explorer diverses configurations géométriques (canal non-prismatique, lits croisés, etc…). Le canal est équipé de divers

instruments et automates de mesures. Les étudiants pourront en outre bénéficier d’équipements d’imagerie digitale disponibles au sein de l’institut iMMC pour la caractérisation fine des échanges entre lit mineur et lit majeur, comme illustré à la Figure 2 ci-contre, qui montre les tourbillons à axe vertical naissant à la limite entre le lit majeur et le lit mineur.

La recherche proposée ici se concentre principalement sur les aspects morphologiques des écoulements en lits composés. L'objectif est de déterminer le transport de sédiments depuis le lit mineur d'une rivière vers ses plaines d'inondation. En d'autres mots, le but est de déterminer le dépôt de sédiments sur les plaines d'inondations (cfr. Figure 3) dans le cas d'une géométrie particulière favorisant les échanges entre lits mineur et majeur : les lits croisés.

Figure 1 : Dépôt de sédiments sur les planes d'inondation : aspects expérimentaux

Le mémoire convient pour deux étudiants ayant suivi le cours d’hydraulique fluviale et qui souhaitent étendre leur formation à la modélisation expérimentale.

Figure 2 : Tourbillons à axe vertical

Figure 1 : Dépôt de sédiments sur les plaines d'inondation

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EPL-1516-134





Titre Influence des contraintes turbulentes sur un écoulement en lit composé

Promoteur(s) S. Soares-Frazão (UCL/EPL/iMMC/GCE)

Collaborateur(s) B. Mathurin


L’écoulement dans une rivière crue, débordant du lit mineur vers les plaines d’inondation, est fort

complexe. En effet le lit mineur, plus profond et moins rugueux, présente en général un écoulement

plus rapide que les plaines d’inondations, couvertes de végétation ou autres obstacles. De larges

tourbillons horizontaux se développent à l’interface entre les deux sous-sections et transfèrent de la

quantité de mouvement du lit mineur vers la plaine d’inondation, induisant au total des pertes de

charge plus importantes que le simple frottement sur le fond et les berges.

Ce travail de fin d’études a un double objectif : (1) poursuivre l’introduction des contraintes

turbulentes dans un code de calcul existant, résolvant les équations de Saint-Venant

bidimensionnelles par une méthode de volumes finis ; et (2) poursuivre la validation du code de

calcul modifié pour diverses configurations d’écoulements en rivière à lit composé, en comparant les

résultats obtenus à des données expérimentales et aux résultats produits par d’autres programmes.

Diverses formulations pour ces contraintes turbulentes sont proposées dans la littérature, avec des

degrés de complexité variables. Certaines ont déjà été testées dans le cadre de TFE précédents

(Pignon et Walraevens 2011, Colson 2012). Il est proposé de poursuivre l’amélioration du modèle en

considérant des modèles de turbulence plus complexe du type k-e.

Le nouveau modèle sera ensuite validé sur divers jeux de données issus de campagnes

expérimentales précédentes sur le canal à lit composé de l’UCL et d’autres institutions. Les résultats

pourront également comparés avec d’autres modèles : 1D, type EDM (Bousmar et Zech 1999) ; 1D+,

type ISM (Jacqmin et Wyseur 2011) ou SKM (Shiono et Knight 1991) ; 2D TELEMAC (logiciel

commercial développé par EDF et utilisé au SPW).

Ce TFE convient pour un ou deux étudiant(s) intéressé(s) par la modélisation numérique.

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EPL-1516-135





Titre Etude des plaines d’inondation de la rivière Cavaillon, Haïti

Promoteur(s) Sandra Soares-Frazão (UCL-IMMC/GCE)

Collaborateur(s) Olivier Carlier (UCL-IMMC/GCE) – Adermus Joseph (UEH)


Aggravée par un relief très accidenté, la dégradation accélérée des écosystèmes des bassins versants en Haïti a occasionné de grands changements dans le régime hydrologique des cours d’eau. On assiste dès lors à l’apparition de crues éclairs, entrainant de grandes vitesses de l’écoulement et de très hauts niveaux du plan d’eau. La situation environnementale et les conditions socioéconomiques difficiles dans lesquelles vit la population haïtienne augmentent la vulnérabilité de celle-ci face aux désastres naturels. Une bonne connaissance des cours d'eau haïtiens et de leur comportement s'avère dès lors une première étape capitale pour une meilleure gestion des bassins versants, notamment pour réduire les risques liés aux crues.

Les outils de modélisation développés au sein de l’équipe hydraulique du GCE peuvent contribuer à une meilleure compréhension de ces phénomènes. Certains modèles 1D (Soares-Frazao, 2002) permettent d’approcher le comportement de rivières réelles (Pettacia et al, 2013). Néanmoins, l’utilisation de ces modèles pour répondre à des problématiques de terrain reste anecdotique. Des travaux menés depuis un an sur la rivière Cavaillon, dans le sud d’Haïti, ont pour objectif de mieux la documenter et de permettre sa modélisation (Carlier, Joseph et al, 2015). Cependant, pour faire de ces modèles de vrais outils d’aide à la décision pour des applications sur le terrain, une prise en compte correcte des plaines d’inondation doit encore être prévue.

.

Sur base des travaux antérieurs, la création d’un modèle bathymétrique du lit mineur de la rivière Cavaillon et les premières modélisations de son comportement à l’aide du code de calcul « SV1D », l’objectif de ce TFE est d’élargir les possibilités de cette modélisation, notamment au travers de l’intégration du lit majeur. Dans un premier temps, l’étudiant se familiarisera avec le fonctionnement du code de calcul ainsi que les moyens d’y intégrer les plaines d’inondations. Un travail sur les données disponibles, tant pour les opportunités qu’elles offrent que pour les limitations qu’elles imposent sera également important. Dans un second temps, l’étudiant aura la possibilité de se rendre sur le terrain, à Haïti pour effectuer les mesures et récolter les données dont il aurait besoin.

Ce travail convient pour un étudiant ayant suivi les cours d’hydraulique appliquée et d’hydraulique fluviale, désireux d’entreprendre un TFE ayant une finalité de terrain. Les travaux effectués contribueront à l’amélioration du caractère « applicable » des outils de modélisation développés au sein de l’équipe hydraulique de l’UCL dans le cadre d’un projet de développement (ARES-CCD) qui lie l’UCL à l’UEH (Université d’Etat d’Haïti). Une partie importante du travail sera à réaliser au premier quadrimestre puisque le second quadrimestre sera consacré à la partie terrain (2-3 mois sur place). Ce TFE qui s’inscrit dans un projet plus large qui comprend différents acteurs (UCL-ULB-UEH, doctorants belges, haïtiens, étudiants haïtiens), s’adresse à un étudiant volontaire, débrouillard et prêt à se déplacer en Haïti.

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EPL-1516-136





Titre Modélisation unidimensionnelle d’écoulements autour d’îles en rivières naturelles


Collaborateur(s) Fabian Franzini


Les rivières naturelles présentent des profils en travers parfois complexes, avec des îles qui peuvent diviser le l’écoulement en deux chenaux parallèles. En fonction de la forme et de la longueur des îles, l’écoulement peut être très différent dans les deux bras. C’est par exemple le cas de la Meuse, qui compte plusieurs îles sur son cours belge (Monia, Yvoir, etc…).

Pour simuler numériquement l’écoulement dans ces deux bras au moyen d’un code de calcul unidimensionnel, deux possibilités existent :

• Adaptation des sections en travers pour tenir compte de l’aire mouillée complète, comme étant la somme de l’aire mouillée des deux bras : cette option, souvent utilisée en pratique, néglige les différences de vitesses importantes qui peuvent exister dans les deux bras ;

• Intégration de l’île dans la modélisation de la rivière : cette option, beaucoup plus précise, nécessite d’exprimer les relations de continuité et de quantité de mouvement au point de divergence des deux bras, et au point de convergence.

Dans le cadre de ce TFE, il est proposé d’adapter un code de calcul existant à la modélisation des îles selon la seconde option. Pour exprimer la conservation de la quantité de mouvement au droit des jonctions entre bras, diverses hypothèses peuvent être faites, qu’il conviendra d’étudier et de valider sur le cas de la Meuse. On peut en effet simplement considérer que les niveaux d’eaux sont les mêmes au droit de la jonction dans les différents bras. Cette hypothèse, qui semble évident, ne garantit cependant pas une égalité de charge au droit de la jonction. Cependant, imposer l’égalité des charges ne résout pas complètement le problème, puisque cela peut résulter dans une discontinuité non physique des niveaux d’eau. D’autres options intermédiaires existent qui devront être étudiées dans le cadre du TFE.

Les résultats des différentes hypothèses de modélisation seront comparés et validés à partir de mesures existantes pour la Meuse.

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EPL-1516-137





Titre GIS-based least-cost routing of submarine cables or pipelines

Promoteur(s) Benoit Spinewine (UCL)

Collaborateur(s) Kevin Stassen, Charles de Brier (Fugro)


Keywords: GIS, offshore pipelines, windfarm cables, route selection, GIS, multi-criteria decision

analysis.

Route selection or in short, routing, relates to all activities and services aiming at the selection of the

most cost-efficient route starting from one location and ending to another. Routing is a key

component to the engineering design of any linear feature linking two points of a landscape, would it

be a highway, a canal, a railway, or in the case of interest for this thesis, an offshore pipeline or

submarine cable of a windfarm.

An optimal route is generally not the straight line linking the start and end points, because the route

must also satisfy a large number of constraints: it should avoid hazardous areas, such as steep slopes,

regions prone to landslides, or obstructions. For example, currently the routing of power cables at

offshore wind farms in the D-day landing area poses challenges to avoid unexploded bombs of WWII

left exposed on the seabed. Other route constraints relate to the equipment (ships, trencher) used to

install the cable or pipeline, such as a prescribed minimum radius of curvature for the route.

Combining these various constraints into an integrated decision process typically involves engineers

with different educational backgrounds, and the relative weighting of each criteria is generally only

obtained when multiple expertise is combined.

The Dijkstra algorithm is a well-known Least

Cost Route (LCR) algorithm. It is available as an

add-in in the ArcGIS software (www.esri.com).

However it only accepts “local” constraints as

inputs; route curvature for example, which can’t

be formulated independently of the sought

solution, cannot be easily constrained using the

simple Dijkstra algorithm.

The proposed subject will consist of setting up a software add-in capable of performing least-cost

routing under a Geographical Information System such as the open-source Quantum GIS suite. The

developed add-in shall ideally be capable of dealing with curvature-constrained optimization to

obtain more realizable routes. It shall be tested on realistic cases for offshore cables and pipelines.

Illustrative least-cost routing of an offshore pipeline in an area

subject to landslide risk. Black: theoretical least-cost route with

zig-zags. Green: route with curvature constraint.

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EPL-1516-138

A proposed plan for the master thesis would be as detailed below.

1. Setup a model capable of least cost routing under a GIS framework;

2. Implement a curvature-constrained least-cost route algorithm as an

improvement to the standard Dijkstra algorithm;

3. Test and validate the model on practical test cases that will be

provided to the student(s);

4. Study at least one of the following proposed development:

a. Fully anisotropic behaviour of the least cost route algorithm

(programming skills required);

b. Identify and compare relevant aggregation techniques for

multiple elementary constraints;

c. Develop a methodology for multi-criteria classification of a

finite set of route alternatives;

d. Develop a methodology for free spanning assessment in ArcGIS.

Key References:

(2014) Haneberg et al. – Using composite cost surfaces for GIS based deep water site and route

selection

(2013) Balogun et al. - Geographic Information System (GIS) in Offshore Pipeline Route - Past, Present

and Future

(2012) Takei and Tsai. Optimal Trajectories of Curvature Constrained Motion in the Hamilton–Jacobi

Formulation. Journal of Scientific Computing.

(2007) Yildirim et al. - GIS based pipeline route selection by ArcGIS in Turkey





Titre Two-layer shallow-water modelling of submarine debris flows and

turbidity currents

Promoteur(s) Benoit Spinewine (UCL)

Collaborateur(s) Mariangela Sfouni (Fugro) ; Mathieu Cartigny (NOC Southampton)


Keywords: Numerical modelling, two-layer Saint-Venant equations, submarine debris flows,

turbidity currents, sediment transport.

The proposed topic relates to the implementation of a two-layer shallow-water framework for the

simulation of submarine sediment-laden flows triggered by submarine landslides or storm-induced

coastal sediment resuspension events.

These flows pose intense risk on the integrity of submarine cables and pipelines. Shallow-water

models, which have traditionally been developed, cannot properly account for the large degree of

vertical stratification in density and velocity that these sediment-laden flows exhibit.

Although these flows get progressively more dilute as they mix with the ambient water, a dense

basal layer may be sustained in the vicinity of the seabed over time as the flow progresses down the

slope. Such basal layer is of primary importance to assess the risk of structural failure of a laid-on-

seabed pipeline or cable as a result of flow impact.

The proposed plan is to further develop a two-layer numerical approach to account more properly

for the presence of near-bed dense sediment layers and their interaction with the overlying, more

dilute turbidity current. The numerical model shall be tested on experimental data (from NOC

Southampton) of dense sediment layers in an annular flume using Electrical Resistivity Tomography

.

Key reference:

(2015). Clare, M.A., Cartigny, M.J.B., North, L.J., Talling, P.J., Vardy, M.E., Hizzett, J.L., Sumner, E.J.,

Hughes Clarke, J.E., Spinewine, B. Quantification of Near-bed Dense Layers and Implications for

Seafloor Structures: New Insights into the Most Hazardous Aspects of Turbidity Currents. Offshore

Technology Conference.

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EPL-1516-139

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