L’ouverture du contact béton-rocher des barrages-voûtes est un phénomène fréquemment observé, qui se traduit par une piézométrie locale caractérisée par des effets non-linéaires : effet de seuil et couplage de ses facteurs explicatifs (effets hydrostatiques, thermiques, et temporels). Afin d’interpréter les mesures d’auscultation correspondantes, il est nécessaire de tenir compte de la non-additivité de ces influences, ce que ne permettent pas les modèles physico-statistiques de type régression linéaire multiple actuellement utilisés par l’ingénierie. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont d’aboutir à une meilleure compréhension des phénomènes hydrauliques ayant lieu à l’interface béton-rocher grâce à l’analyse et interprétation des mesures d’auscultation, et de caractériser l’état de dégradation du contact, en particulier son extension spatiale, à partir de ces mesures. À cet effet, deux modèles ont été développés, l’un basé sur les réseaux de neurones artificiels, l’autre sur une formulation non-linéaire du modèle HST, permettant d’expliciter l’effet des différentes charges sur l’écoulement. L’interprétation de la piézométrie en termes d’effets réversibles et irréversibles a permis de proposer une caractérisation d’ordre géométrique de l’état du contact dans un profil amont-aval, basée uniquement sur la lecture de ces effets. Puis, un modèle analytique d’écoulement a été formulé et investigué, construit à partir de cette description géométrique du contact, qui permet d’interpréter le champ de pression en plusieurs points de mesure d’un même profil. / The aperture of the rock-concrete interface of arch dams is a frequently observed phenomenon that shows through the non-linear features it induces in the local piezometry: threshold effects, couplings between its explanatory factors (hydrostatic effects, thermal effects, temporal effects). In order to interpret the corresponding monitoring measurements, it is necessary to take into account the non-additivity of those influences. This is not feasible with the multi-linear regression models that are commonly used in engineering. In that context, the aim of this thesis is to come to a better understanding of the hydraulic phenomena that occur at the rock-concrete interface based on the analysis and interpretation of monitoring measurements. In parallel, the objective is to characterise the state of deterioration of the contact, and more particularly its spatial extent, thanks to those measurements. To that end, two models were developed, the first one based on artificial neural networks, the second one based on a non-linear formulation of HST, enabling to make explicit the effects of the different loads on the flow. The interpretation of the piezometry in terms of reversible and irreversible effects made it possible to propose a geometrical characterisation of the contact state in an upstream-downstream profile, based only on the analysis of those effects. Then, an analytical flow model was expressed and investigated, built on this geometrical description of the contact. It permits to interpret the pressure field in several measuring points in one profile.

It is essential to understand the mechanics of ice load and how it affects concrete dams located in a cold climate, such as Sweden, where the temperature becomes sufficiently cold to freeze the surface of the reservoir. The purpose of this thesis is to study ice load distribution along concrete dams, and its response during the application of an ice load. Two types of concrete dams were analysed, an arch dam and a buttress dam. For these dams, the influence from different parameters on the ice load distribution along the dams is studied. In addition to this, a study on how the ice load affects dam stability had also been performed. Stability analyses based on the finite element method were performed using both linear and nonlinear formulation of the interaction behaviour between the base of the dam and the underlying rock. A parametric study of ice sheet expansion on different dam types and geometries were performed. The expansion of the ice sheet was assumed to either be caused by a constant temperature 15 ˚C uniformly distributed over the ice thickness, or by a temperature gradient from 15 ˚C at the top surface of the ice sheet and 0 ˚C at the bottom. The parametric study also includes an investigation about influence of the shape of the reservoir beaches, where it either had a perpendicular shape towards the surface of the dam, or it had an angle of 30˚ with the dam surface. In the linear stability analysis, the structure continued to deform with increasing of the resultant pressure until it reached nonlinearity. The dam deflection had a linear relation with the applied ice load force until it reached the point when structure behaviour was nonlinear. The structure failed due to sliding, overturning or combination of both sliding and overturning. A material failure can also occur if the nonlinear material behaviour is considered, however this was not considered in this study. The parametric study showed that the ice load distribution was less near the beaches, and the distribution of the load on the concrete dam was higher near the top surface of the ice sheet. It was also shown in the study that the distribution of the ice load along the dam was as a cosine function where it had the maximum value at the buttress and the minimum at monolith connections. The result also showed that the load distribution over the thickness of the ice sheet was the same along the dam, regardless of the shape of the beaches or the length of the ice sheet. / Det är viktigt att förstå hur islasten beter sig och hur den påverkar betongdammar som är belägna i kallt klimat, som t.ex. Sverige, där temperaturen blir tillräckligt låg för att frysa ytvattnet i en flod. Syftet med detta examensarbete är att studera isbelastningsfördelningen längs en betongdamm och dess respons under en belastningen. Två olika typer av betongdammar har analyserats, vilka är valvdamm samt lamelldamm. För dessa, studerades det hur olika parametrar påverkar lastfördelningen från istrycket längsmed dessa dammar. Slutligen har det studerats hur islasten påverkar dammsäkerheten och risken för dammbrott. Inverkan från interaktionen mellan dammen och det underliggande berget som linjär eller olinjärt har studerats i stabilitetsanalyser baserade på finita elementmetoden. En parameterstudie har också genomförts för olika dammtyper och geometrier där islasten orsakades av en expansion av isytan. Denna expansion antogs vara orsakad av antingen av en jämn fördelad temperatur över istjockleken på 15 ˚C, eller en temperaturgradient över istjockleken med +15 ˚C på den övre ytan och 0 °C vid isens bottenyta. Den parametriska studien beaktar även inverkan från utformningen av stränderna, där den har definierats som antingen vinkelrät mot dammen eller med en lutande vinkel på 30 grader. I fallet med linjära stabilitetsanalyser kommer konstruktionen att fortsätta att deformeras som ett resultat av ökande resulterande tryckkraft. Dammens deformation har ett linjärt förhållande med den applicerade islasten till dess att den når en punkt då strukturens beteende övergå till olinjärt. Strukturens brottmod kan uppstå på grund av glidning, stjälpning eller i en kombination av både glidning och stjälpning. materialbrott kan uppstå om icke-lineariteterna beaktas. Dammen gick till brott på grund av glidning, vältning eller i kombinationen av dessa då. Materialbrott kan uppstå om icke-linjära materialmodeller inkluderas, men detta beaktades dock ej i denna studie. Den parametriska studien visar att isbelastningen är mindre nära stränderna och att belastningen på betongdammen är högre vid isens ovanyta. Studien visar att islastfördelningen längsmed dammen liknar en cosinusfunktion som når sitt maximum vid stödskivan och sitt minimum vid monolitanslutningen. Resultatet visar även att islastfördelningen genom islastens tjocklek har samma form längsmed dammen oavsett utformningen av stränder eller istäckets längd.

Concrete dams located in northern regions are exposed to large seasonal temperature variations. These seasonal temperature variations have resulted in cracking in thin concrete dams. Continuous monitoring and evaluation of existing dams are important to increase the knowledge about massive concrete structures and to ensure dam safety.  The aim of this degree project is to increase the knowledge about how cracking occurs in concrete dams and how it affects the dam safety. This was achieved by simulating the development of cracks in a concrete arch dam exposed to seasonal temperature variations using finite element analysis (FEA). The accuracy of the model was evaluated by comparing the results with measurements from a Swedish concrete arch dam. Finally, effect of cracks and temperature on the dam safety was investigated.  FEA was used to predict the crack pattern and displacements in the arch dam. The analyses were performed both with linear elastic and nonlinear material behavior. Two models were analyzed, in one model the dam was considered to be a homogeneous arch, the other model included contraction joints. The cracking was simulated using temperature envelopes from the location of the Swedish arch dam. To evaluate the displacements in the arch, further analyses were carried out, where the cracked arch dam was exposed to the actual temperature variations at the location. The results were compared to the crack pattern and measurements of displacements of the Swedish arch dam. To investigate the effects from the cracking on the safety of the dam, a progressive failure analyses performed.  The results show that the downstream face of the arch cracked under hydrostatic pressure. The cracks propagated further during winter when the temperature load was applied. The resulting crack pattern corresponded well with the survey of the cracks from the Swedish arch dam. The FE-models with nonlinear material developed a horizontal plastic hinge due to excessive cracking in a region halfway down from the crest. The plastic hinge affected the shape of the deflected arch. The magnitude of the displacements and the shape of the deflected arch was captured with the nonlinear models. A safety factor of 3 for internal structural failure in the arch was found in the failure analyses. The safety factor of the arch only decreased slightly due to the cracking. During a cold winter, the safety factor decreased to 2.5. / Betongdammar belägna i nordliga klimat blir utsatta för stora säsongsburna temperaturvariationer. Dessa temperaturvariationer har orsakat sprickbildning i tunna betongdammar. Kontinuerlig övervakning och utvärdering av befintliga dammar är viktigt för att öka kunskapen om massiva betongkonstruktioner och för att säkerställa dammsäkerheten.  Syftet med det här examensarbetet är att öka kunskapen om hur sprickor uppstår i valvdammar samt hur de påverkar anläggningens säkerhet. Målet är att med finit elementanalys (FEA) analysera uppsprickningen av betongen i en valvdamm som påverkas av säsongsburna temperaturvariationer. Tillförlitligheten i modellen utvärderas genom att jämföra med mätningar från en svensk valvdamm av liknande dimensioner. Slutligen utvärderas hur dammens säkerhet påverkas av sprickbildningen.  FE-analys användes för att förutsäga sprickmönstret och förskjutningarna i valvdammen. Analyserna utfördes både med linjärelastiskt och icke-linjärt materialbeteende. Två modeller användes i analysen, i ena modellen betraktades dammen som homogen och i den andra inkluderades gjutfogar. Sprickmönstret simulerades med temperaturcykler baserade på extremtemperaturer tagna intill den svenska valvdammen. För att utvärdera förskjutningarna i dammen gjordes vidare analyser där den spruckna dammen utsattes för temperaturvariationer uppmätta från samma plasts. Resultaten från analysen jämfördes med mätningar av förskjutningar och kartering av sprickor från den svenska valvdammen. För att undersöka hur säkerheten påverkades av sprickbildningen utfördes progressiv brottanalys.  Resultaten visar att dammen spricker på nedströmssidan när den utsätts för vattentryck. Sprickorna fortplantas under vintern när temperaturlasten appliceras. Sprickmönstret stämmer överens med kartering av den verkliga dammen. FE-modellerna med icke-linjärt materialbeteende utvecklade en plastisk led längs horisontella sprickor halvvägs ner från krönet. Den plastiska leden påverkade dammens utböjda form. Förskjutningarna och dammens utböjda form i de ickelinjära modellerna stämmer väl överens med de uppmätta förskjutningarna. Vid brottanalysen var säkerhetsfaktorn mot materialbrott i dammen 3. Säkerhetsfaktorn minskade något till följd av sprickorna. Under en kall vinter sjönk säkerhetsfaktorn till 2,5.

The aim of this study is to investigate how Fluid-Structure interaction is included in numerical earthquake analyses of dams. The base for this project is theme A from the 12th international benchmark workshop on numerical analysis of dams, which was held in October 2013. The focus of theme A was how to account for the fluid structure interaction in numerical earthquake analyses of dams. To highlight how engineers and researchers include this interaction in their analysis, a literature review of the modeling choices and conclusions from all participants are included. Since the workshop contains participants from seven countries, this review aims to describe of how this analysis is carried out in practice. Further, parametric numerical analyses are performed in this study, where the purpose is to isolate some important parameters and investigate how these influence the results in seismic analyses of dams. These analyses were performed through the use of the finite element method. The geometric model from the benchmark workshop was used and analysed with the commercial software Abaqus. The studied parameters are the choice of fluid element, Rayleigh damping parameters, reservoir boundaries and wave absorption in the foundation-reservoir interface. The water has a major effect on a dam's seismic behaviour and should be included in the analysis. The added mass approach gives similar results compared with a more sophisticated method. This simplified approach could be used in engineering purpose where the time is limited and the accuracy is of lesser importance, since the calculated stresses are conservative. Using acoustic finite elements provides a reasonable computation time, while also allowing for more advanced features, such as bottom absorption and non-reflecting boundaries The definition of Rayleigh damping has proven to be a very challenging task, especially as it has a large impact on the results. The choice of boundary conditions for the back end of the reservoir was the parameter that least influenced the results. The conservative approach is to use a fixed boundary where all pressure waves are reflected. The reflection coefficient for the foundation-reservoir interface has a large influence on the results, both for the participants that used this coefficient in the benchmark workshop and for the analyses presented in this study. The coefficient should therefore be used carefully. / Syftet med denna studie är att undersöka hur fluid-struktur interaktion inkluderas i numeriska jordbävningsanalyser av dammar. Detta ämne var ett av de teman som behandlades vid den 12:e internationella benchmark-workshopen för numerisk analys av dammar som hölls i oktober 2014 i Graz, österike.   För att visa hur ingenjörer och forskare tar hänsyn till denna interaktion har en litteraturstudie på bidragen till workshopen genomförts. Då workshopen lockade deltagare från universitet och konstruktionsfirmor från sju länder, är målet att kunna beskriva hur jordbävningsanalyser av dammar utförs i praktiken.   Dessutom har numeriska parameterstudier genomförts, med syfte att isolera enskilda parametrars inverkan vid seismiska anslyser av dammar. Analyserna har utförts med finita elementmetoden och analyserna är utförda med den geometriska modellen som användes i workshopen. Alla analyser har utförts i programmet Abaqus. De analyserade parametrarna är, val av fluid-element, Rayleigh dämpningsparametrar, randvillkor för reservoaren samt tryckvågsabsorption i gränsytan mellan reservoar och berg.   Vattnet har en stor inverkan på dammen och de hydrodynamiska effekterna bör inkluderas vid en jordbävningsanalys. Metoden med impulsiv massa ger liknande resultat jämfört med mer sofistikerade metoder. Denna enklare metod kan användas i samanhang där beräknings och modelleringstid är begränsad och noggrannhet är av mindre intresse så länge resultaten är konservativa. För tillämpningar där noggrannheten är viktigare kan akustiska element användas för att beskriva vattnet. De akustiska element ger möjligheter för mer sofistikerade analyser där t.ex. vågabsorption och icke reflekterande gränser kan beaktas.   Att välja Rayleigh dämpning visade sig var en väldigt utmanande uppgift, där valet hade stor påverkan på resultaten. Valet av randvillkor för reservoarens bortre ände var den parameter som hade minst påverkan på resultaten. Det konservativa valet är att välja en ''fixed'' gräns med full reflektion av tryckvågor.   Reflektionskoefficienten för interaktionen mellan vatten och berg visade sig ha en stor inverkan på resultaten, både för de deltagare i workshopen som valde att använda denna koefficient och för de analyser som presenteras i denna studie. Denna koefficient bör därför användas med försiktighet.