Ce travail s'inscrit dans le contexte de l'évaluation et de la prévention des risques d'effets dominos suite à une explosion sur un site industriel. Il s'intéresse plus précisément à la vulnérabilité de réservoirs de stockage soumis à une onde de souffle. Le mode d'explosion étudié est celui de la détonation gazeuse. L’objectif est double. Il consiste d'une part à caractériser le chargement auquel est soumis le réservoir et d'autre part à prédire la réponse du réservoir à ce chargement. Des expérimentations ont été réalisées à échelle réduite, pour trois géométries caractéristiques de réservoirs, satisfaisant des conditions de similitudes énergétiques et mécaniques. Des essais sur maquettes de réservoirs rigides ont permis de caractériser le chargement issu d'une détonation : répartition spatio-temporelle de la surpression et de l’impulsion et détermination de coefficients de réflexion. Des essais sur maquettes métalliques déformables ont permis de déterminer le niveau de chargement nécessaire pour endommager la structure par flambage. Une approche semi-analytique du flambage dynamique basée sur une modélisation simplifiée du chargement de surpression de type Friedlander associée à un modèle de coque élastique surbaissée de Donnell et à la croissance d'imperfections géométriques jusqu'à une taille critique a été développée. Son application permet la construction des courbes critiques de flambage des réservoirs métalliques dans des diagrammes pression-impulsion. La confrontation entre les résultats expérimentaux et les prédictions numériques souligne l'intérêt et la pertinence de la démarche proposée. / This work is a contribution to the assessment and prevention of potential domino effects caused by an explosion in an industrial area. It focuses specifically on the vulnerability of storage tanks subjected to a blast wave. Within this context, we investigate the effects of gaseous detonation. The objective is twofold: on one hand, to characterize the blast loading and, on the other, to predict the structural response. Three representative atmospheric chemical tanks were selected. Experiments were conducted at small scale satisfying Hopkinson-Cranz and structural scaling laws. A first campaign was performed on rigid instrumented cylinders to quantify the loading in terms of time and space pressure distribution. A second campaign was performed on flexible cylinders to quantify the structural response in terms of dynamic buckling damage. Simplified semi-analytical models were developed to provide damage predictions. They are based on a Friedlander pressure-time history pulse description, shallow-shell (Donnell's) equations and critical shape imperfection amplification thresholds. These models are used to construct pressure-impulse buckling damage diagrams for atmospheric tanks subjected to blast loading. The comparison between experimental results and numerical predictions highlights the interest and the relevance of the proposed approach.

A investigacao experimental do fenomeno de vibracoes induzidas pela emissao de vortices (VIV) em modelos flexiveis longos lancados em catenaria e sujeitos a pers de correnteza variavel e ortogonais ao plano de lancamento e o tema principal desta tese de doutorado. O objetivo, neste trabalho, e identicar, descrever e discutir os comportamentos dinamicos do VIV nas catenarias sob correnteza variavel, comparando-os com aqueles exibidos por este fenomeno agindo em um cilindro flexivel vertical. Desta forma, tenciona-se contribuir para a compreensao mais geral do VIV nas linhas oceanicas utilizadas na exploracao de petroleo e gas no mar. Neste contexto, muito se sabe sobre o comportamento do VIV em cilindros rgidos montados em suportes elasticos, bem como em cilindros flexiveis nao curvados, ambos os arranjos com uma vasta literatura descrevendo nao so os comportamentos dinamicos, como tambem suas relacoes com os aspectos fluidos que lhe dao origem. Contudo, no caso dos cilindros flexiveis longos, ainda existem pontos que precisam de compreensao mais profunda, particularmente aqueles que representam condicoes mais proximas da operacao oceanica real - o lancamento em catenaria e a acao de um perfil variavel e ortogonal de correnteza. Para tanto, um dispositivo denominado braco giratorio foi projetado e construido para que experimentos com modelos de catenaria em correnteza variavel com a profundidade fossem conduzidos no tanque de provas fisico do laboratorio Tanque de Provas Numerico (TPN), caracterizando uma pesquisa inedita no tema. Como condicoes de ensaio foram consideradas diferentes configuracoes geometricas da catenaria, todas comparadas com um cilindro flexivel vertical ensaiado tanto no braco giratorio, como tambem em tanque de reboque. Tratados segundo uma tecnica de decomposicao modal, os resultados de deslocamento ao longo dos modelos nessas condicoes de ensaio permitiram a identicacao e a descricao de comportamentos dinamicos bastante parecidos nas catenarias, sempre comparados aqueles do modelo vertical, o que trouxe grande abrangencia a compreensao do VIV nas linhas flexiveis em geral. Como contribuicao adicional, este trabalho dotou o tanque de provas do TPN de um equipamento bastante interessante para ampla gama de investigacoes sobre as interacoes fluido-estruturais - o braco giratorio. / The experimental investigation of Vortex-Induced Vibrations (VIV) on long catenary models and subjected to non-uniform velocity profiles, orthogonal to the catenarys plane, it is the main subject of this doctoral thesis. As a main goal, this work search to identify, describe and discuss the dynamic behaviors of VIV on catenary lines under non-uniform velocity profiles, comparing the results with those coming from the same phenomenon acting on flexible cylinders in a vertical configuration. Thus, it is intended to help for a more general understanding of VIV in offshore lines used in the oil and gas exploration at sea. In this context, much is known about the behavior of VIV on rigid cylinders elastically supported, as well as on flexible cylinders with no curvature, both configurations counting with a large literature describing not only the dynamic behaviors, but also their relationships with hydrodynamics aspects. However, in the case of long flexible cylinders, there are still more points to be understand, particularly at those conditions closer to the offshore operations - with catenary lines under variable current profile. Under those considerations, a rotating-arm was designed and assembled in the model basin at Numerical Offshore Tank (TPN), Brazil, for model tests under non-uniform current profile, featuring itself as an unpublished research on this topic. Different catenary geometries were tested in the rotating-arm at USP and also in the towing tank at Institute for Technological Research of the State of Sao Paulo (IPT), Brazil, all of them being compared with a vertical flexible cylinder. From those conditions of test, data was analyzed according to a technique of modal decomposition, so the motion results from all the models allowed the identication and the description of a dynamic behavior quite similar in the catenary when compared to that from a vertical cylinder, which has brought great understanding about the VIV on flexible lines. As an contribution, this work has provided to the TPN\'s model basin an interesting device for a wide variety of researchs on fluid- structural interaction - the rotating-arm.

A investigacao experimental do fenomeno de vibracoes induzidas pela emissao de vortices (VIV) em modelos flexiveis longos lancados em catenaria e sujeitos a pers de correnteza variavel e ortogonais ao plano de lancamento e o tema principal desta tese de doutorado. O objetivo, neste trabalho, e identicar, descrever e discutir os comportamentos dinamicos do VIV nas catenarias sob correnteza variavel, comparando-os com aqueles exibidos por este fenomeno agindo em um cilindro flexivel vertical. Desta forma, tenciona-se contribuir para a compreensao mais geral do VIV nas linhas oceanicas utilizadas na exploracao de petroleo e gas no mar. Neste contexto, muito se sabe sobre o comportamento do VIV em cilindros rgidos montados em suportes elasticos, bem como em cilindros flexiveis nao curvados, ambos os arranjos com uma vasta literatura descrevendo nao so os comportamentos dinamicos, como tambem suas relacoes com os aspectos fluidos que lhe dao origem. Contudo, no caso dos cilindros flexiveis longos, ainda existem pontos que precisam de compreensao mais profunda, particularmente aqueles que representam condicoes mais proximas da operacao oceanica real - o lancamento em catenaria e a acao de um perfil variavel e ortogonal de correnteza. Para tanto, um dispositivo denominado braco giratorio foi projetado e construido para que experimentos com modelos de catenaria em correnteza variavel com a profundidade fossem conduzidos no tanque de provas fisico do laboratorio Tanque de Provas Numerico (TPN), caracterizando uma pesquisa inedita no tema. Como condicoes de ensaio foram consideradas diferentes configuracoes geometricas da catenaria, todas comparadas com um cilindro flexivel vertical ensaiado tanto no braco giratorio, como tambem em tanque de reboque. Tratados segundo uma tecnica de decomposicao modal, os resultados de deslocamento ao longo dos modelos nessas condicoes de ensaio permitiram a identicacao e a descricao de comportamentos dinamicos bastante parecidos nas catenarias, sempre comparados aqueles do modelo vertical, o que trouxe grande abrangencia a compreensao do VIV nas linhas flexiveis em geral. Como contribuicao adicional, este trabalho dotou o tanque de provas do TPN de um equipamento bastante interessante para ampla gama de investigacoes sobre as interacoes fluido-estruturais - o braco giratorio. / The experimental investigation of Vortex-Induced Vibrations (VIV) on long catenary models and subjected to non-uniform velocity profiles, orthogonal to the catenarys plane, it is the main subject of this doctoral thesis. As a main goal, this work search to identify, describe and discuss the dynamic behaviors of VIV on catenary lines under non-uniform velocity profiles, comparing the results with those coming from the same phenomenon acting on flexible cylinders in a vertical configuration. Thus, it is intended to help for a more general understanding of VIV in offshore lines used in the oil and gas exploration at sea. In this context, much is known about the behavior of VIV on rigid cylinders elastically supported, as well as on flexible cylinders with no curvature, both configurations counting with a large literature describing not only the dynamic behaviors, but also their relationships with hydrodynamics aspects. However, in the case of long flexible cylinders, there are still more points to be understand, particularly at those conditions closer to the offshore operations - with catenary lines under variable current profile. Under those considerations, a rotating-arm was designed and assembled in the model basin at Numerical Offshore Tank (TPN), Brazil, for model tests under non-uniform current profile, featuring itself as an unpublished research on this topic. Different catenary geometries were tested in the rotating-arm at USP and also in the towing tank at Institute for Technological Research of the State of Sao Paulo (IPT), Brazil, all of them being compared with a vertical flexible cylinder. From those conditions of test, data was analyzed according to a technique of modal decomposition, so the motion results from all the models allowed the identication and the description of a dynamic behavior quite similar in the catenary when compared to that from a vertical cylinder, which has brought great understanding about the VIV on flexible lines. As an contribution, this work has provided to the TPN\'s model basin an interesting device for a wide variety of researchs on fluid- structural interaction - the rotating-arm.

La sécurité des biens et des personnes est, de nos jours, une préoccupation première, en particulier lorsqu'elle concerne l'usage des explosifs. Afin de répondre à ces exigences de sécurité, il est nécessaire de pouvoir prédire le comportement des ondes de pression issues d'une explosion, que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur du bâtiment, et leur interaction avec leur environnement. Une importante quantité d'informations sur les ondes de choc se propageant en champ libre est disponible dans la littérature, de sorte que leur comportement est maintenant bien connu. Toutefois, il y a très peu de données disponibles en littérature ouverte sur les explosions en milieu confiné. Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s'inscrivent dans le cadre de l'étude du comportement des ondes de choc en milieu confiné multi-chambres et de l'effet de différents paramètres tels que le volume des cellules ou la largeur du couloir sur les profils de pression à l'intérieur d'un bâtiment. La propagation de l'onde de choc est analysée par l'évolution de certains paramètres du choc (temps d'arrivée, surpression maximale et impulsion positive).Plusieurs essais à échelle réduite ont été réalisés à l'aide d'une maquette modulable, représentative d'un bâtiment pyrotechnique de plein pied, composé de quatre pièces alignées et reliées entre elles par un couloir. / Security is nowadays a real and major concern, especially when explosives are involved. To address this security issue, an accurate prediction of the behavior of shock waves caused by a detonation propagating inside or outside a building and interacting with the surrounding environment is required. Extensive knowledge regarding shock waves in free field can be found in the literature so that their behavior is now well known. However, there is very few information available in the open literature for confined configuration. This study focuses on the behavior of a shock wave within a confined multi-chamber system and on the impact of different parameters such as the size of the rooms and the width of the corridor on the pressure history inside the building. The shock wave propagation is analyzed through the evolution of some of the shock parameters (arrival time, maximum overpressure and positive impulse). Several small-scale experiments have been carried out using an adjustable model of a four-roomed single-story building. The rooms are connected to a single corridor and all on the same side. This model is representative of a pyrotechnic workshop.

Cette thèse démontre expérimentalement à l'échelle du laboratoire la détection et la localisation, en transmission, d'une cible de taille de la longueur d'onde. La configuration expérimentale correspond à un guide d'ondes ultrasonique limité par deux réseaux émetteur-récepteur. Deux réseaux coplanaires enregistrent dans le domaine temporel la matrice de transfert du guide d'ondes entre chaque couple émetteur-récepteur. En invoquant le principe de réciprocité, un algorithme de Double Formation de Voies est simultanément exécuté sur les réseaux émetteur et récepteur. Ce traitement d'antennes permet de projeter les échos acoustiques plusieurs fois réverbérés en un ensemble de rayons acoustiques, qui sont définis par angles leurs angles d'émission et de réception. La comparaison réalisée entre l'amplitude de chaque rayons acoustique avec et sans cible dans le guide d'onde permet, par effet d'ombre, de détecter de la cible. La localisation est réalisée à travers la résolution d'un problème inverse en utilisant les rayons acoustiques extraits de la double formation de voies. L'utilisation de noyau de sensibilité utilisant le phénomène de diffraction pour chaque rayon acoustique fournit la localisation et une signature de la cible. Des résultats expérimentaux sont présentés en présence de vagues en surface. L'utilisation de l'effet Larsen dans la cadre de la barrière acoustique est également envisagée pour son extrême sensibilité aux variations du milieu. / This thesis demonstrates experimentally at the laboratory scale the detection and localization, in transmission, of a wavelength-sized target in a shallow ultrasonic waveguide between two source-receiver arrays in the framework of the acoustic barrier problem. Two coplanar arrays record in the time-domain the transfer matrix of the waveguide between each pair of source-receiver transducers. Invoking the reciprocity principle, a time-domain double-beam-forming algorithm is simultaneously performed on the source and receiver arrays. This array processing projects the multireverberated acoustic echoes into an equivalent set of eigenray, which are defined by their launch and arrival angles. Comparison is made between the amplitude of each eigenray without and with a target for detection in the waveguide. Localization is performed though inversion problem using all of the eigenrays extracted from double beamforming. The use of the diffraction-based sensitivity kernel for each eigenray provides both the localization and the signature of the target. Experimental results are shown in the presence of surface waves. The use of the acoustical feedback in frame of the acoustic barrier problem is also considered, for its extreme sensibility to medium variation.

Les travaux présentés dans ce mémoire de thèse s’inscrivent dans le cadre des études liées aux dégâts sur les structures et les blessures subies par les personnes à la suite d’explosions de charges explosives en milieu confiné et semi-confiné. Afin de mener cette étude, des expériences sont réalisées à petite échelle en laboratoire et sont complétées par des simulations numériques. Les ondes de choc sont obtenues grâce à la détonation d’une charge explosive gazeuse composée de propane-oxygène en proportion stoechiométrique. L’étude consiste donc à réaliser des expériences à petite échelle en laboratoire afin d’apprécier les champs de pression obtenus à la suite de la détonation d’une charge explosive au sein de deux configurations différentes. La première représente un atelier pyrotechnique et la seconde met en jeu un entrepôt de stockage de bouteilles de gaz. Les résultats expérimentaux sont ensuite confrontés à des résultats obtenus par simulations numériques réalisées grâce au logiciel AUTODYN. En complément de ces deux configuration principales, une étude est menée sur l’identification des pics de surpressions réfléchis grâce à une approche expérimentale appelée paroi par paroi. Une étude est également menée sur la détermination d’une équivalence massique entre le TNT et le mélange gazeux utilisé pour les expériences. / The goal of this study is to investigate shock waves propagation, in a geometrically complex confined and semi-confined environment, consecutive to the detonation of a spherical explosive charge. In this objective, small scale experiments are conducted in laboratory and are completed with numerical analysis. Shock waves are generated thanks to spherical detonation of a gas mixture composed of propane-oxygen in stoechiometric proportion. Two main configurations are studied: the first represents a pyrotechnic workshop and the second is a warehouse containing gas cylinder. Experimental and numerical results are then compared. Complementary studies are realised to describe blast wave propagation inside a semi-confined volume thanks to a new experimental approach named wall by wall. Finally, in order to simulate TNT charges detonation by computational means, an important study is conducted to determine a mass equivalent between TNT and gas mixture.

Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire s’inscrivent dans le cadre du projet ANR BARPPRO. Ce programme de recherche vise à étudier l’influence d’une barrière de protection face à une explosion en régime de détonation. L’objectif est d’établir des méthodes de calcul rapides de classement des zones d’effets pour aider les industriels au dimensionnement des barrières de protection. L’une à partir d’abaques, valable pour des configurations en géométrie 2D, sur des plages spécifiées de paramètres importants retenus, avec une précision de +/- 5%. L’autre à partir d’une méthode d’estimation rapide basée notamment sur les chemins déployés, valable en géométrie 2D et en géométrie 3D, mais dont la précision estimée est de +/- 30%. Afin d’y parvenir, l’étude s’appuie sur trois volets : expérimental, simulation numérique et analytique. La partie expérimentale étudie plusieurs géométries de barrière de protection à petites échelles pour la détonation d’une charge gazeuse (propane-oxygène à la stoechiométrie). Les configurations expérimentées servent à la validation de l’outil de simulation numérique constitué du solveur HERA et de la plateforme de calcul TERA 100. Des abaques d’aide au dimensionnement ont pu être réalisés à partir de résultats fournis par l’outil de simulation (3125 configurations de barrière de protection, TNT). L’étude des différents phénomènes physiques présents a également permis de mettre en place une méthode d’estimation rapide basée sur des relations géométriques, analytiques et empiriques. L’analyse de ces résultats a permis d’établir quelques recommandations dans le dimensionnement d’une barrière de protection. Les abaques et le programme d’estimation rapide permettent à un ingénieur de dimensionner rapidement une barrière de protection en fonction de la configuration du terrain et de la position de la zone à protéger en aval du merlon. / This thesis is a part of the ANR BARPPRO project. This research program studies this influence of the protection barrier during an explosion detonation. The goal of this project is to establish fast-computation methods of area classification effects to help the industrial to design the protection barrier on the SEVESO sites. One from abacus, for configurations in 2D geometry on specified parameters used, with an accuracy of +/- 5%. The other from a fast-running method based on broken lines for configurations in 2D and 3D geometries, but the accuracy is +/- 30%. This study includes three approaches: experimental, numerical simulation and analytical approaches. The experimental part studies several geometries of the protection barrier for a gaseous explosion (stoichiometric propane-oxygen mixture) at small scales. The experimental configurations used to validate the numerical simulation tool constituted of the HERA software and the TERA 100 supercomputer. The overpressure charts were able to generate from the numerical results (3125 configurations of the barrier for a TNT charge). The analysis of these results allows to establish different recommendations in the design of the protection barrier. The study of the different physical phenomena present has also helped to set up a fast-running method based on the geometrical, empirical and analytical relations. All these tools will enable an engineer to analyze and estimate the evolution of overpressure around the barrier as a function of the site’s dimensions.