Soutenance mémoire
Le site de Flamanville
Lacentrale nucléaire de Flamanville est située sur la commune de Flamanville(Manche),sur la côte Ouest de la péninsule du Cotentin, au pied d’une falaise granitique haute de 70 mètres, à 25 km à l’ouest de Cherbourg et à 20 km au sud de l’usine de retraitement de la Hague. La localisation en bord de mer est plus favorable que le bord de rivière du point de vue thermodynamique (source froide plus importante et minimisation de l’impact d’une éventuelle nouvelle canicule).
Bien qu’étant d’une conception des plus sécuritaires, l’EPR de Flamanville n’en est pas moins un prototype, la géographie du Cotentin permettrait une gestion de crise facilitée en cas d’incident (voie d’accès terrestre limité donc facilement contrôlable).
Ses atouts
Le site de Flamanville avait été prévu pour accueillir quatre tranches mais seulement 2 unités de production ont été réalisées sur le site laissant la possibilité de construire un nouveau réacteur avec des travaux de terrassement réduits (Flamanville 3, la tranche EPR). Les tranches 1 et 2 déjà existantes sont de type REP (réacteur à eau pressurisée) d’une capacité de 1300 MW mise en service respectivement en 1986 et 1987.
Un réseau électrique de grande capacité capable de recevoir encore plus de courant était déjà existant, il ne restait plus qu’à le raccorder sur une nouvelle unité de production électrique.
De plus sa proximité avec la Bretagne permettra de fournir de l’électricité à cette région qui est pour le moment « en bout de réseau » et doit quelque fois faire face à des risques de coupures électriques les jours de forte consommation.
La technologie EPR
Présentation
L’EPR est un réacteur à eau pressurisée (REP). Il est considéré comme un réacteur de 3 ème génération, cependant, il est évolutionnaire et non révolutionnaire. Techniquement, il s’appuie sur les concepts de type N4 et Konvoi (modèles de réacteurs nucléaires REP de la gamme des 1 400 MW respectivement français et allemand) mais apporte un grand nombre d’avancées technologiques et sécuritaires dans le domaine des réacteurs REP électrogènes à boucles.
Les performances techniques et économiques
Avec une puissance estimée à 1600MW contre 1450 MW pour les REP les plus récents, l’EPR devrait être le réacteur le plus puissant du monde, de plus avec un rendement global de 36% contre 33% actuellement, un taux de disponibilité de 91% (grâce à une réduction de la durée moyenne des périodes d’arrêt pour rechargement du combustible, à sûreté équivalente),une baisse de 17% de la consommation de combustible par KW produit par rapport aux réacteurs 1300 MW et une durée d’exploitation de 60 ans contre 40 ans pour les centrales actuelles, il devrait permettre d’augmenter de 36% la production annuelle d’électricité d’une tranche tout en réduisant le coût d’exploitation.
Une protection de l’environnement renforcée
L’EPR permettra de produire une énergie non émettrice de gaz à effet de serre. Les objectifs de conception et d’exploitation de l’EPR permettent notamment une utilisation plus efficace du combustible, à production d’électricité constante, une réduction sensible des rejets d’effluents radioactifs liquides et gazeux par rapport aux meilleures unités de production du parc nucléaire français (- 30 %, hormis pour le carbone 14 et le tritium, pour lesquels les quantités restent équivalentes aux réacteurs actuellement en fonctionnement), une production de déchets radioactifs réduite de 30 %.
Un très haut niveau de sûreté
Les évolutions par rapport à la filière précédente, demandées par les autorités de sûreté nucléaire (française et allemande) qui l’ont certifié, sont supposées limiter les risques d’accidents et notamment le risque de fusion du cœur du réacteur qui contient l’uranium enrichi, à réduire les doses de radiations susceptibles d’affecter le personnel, et à diminuer les émissions radioactives dans le milieu environnant.
Le réacteur EPR est doté d’un niveau de protection actif et passif très élevé contre les accidents (Tchernobyl 1986, Three Mile Island 1979 et Fukushima 2011) ainsi que pour les risques terroristes (événements du 11 septembre).
En particulier quatre systèmes de refroidissement d’urgence indépendants, chacun étant capable de refroidir le réacteur après son arrêt, fonction de sûreté essentielle pour protéger l’homme et l’environnement en toutes, un conteneur de fuite radioactive autour du réacteur, une enceinte de confinement en cas de fusion du cœur et des murs faits de deux épaisseurs séparées, totalisant 2,6 m d’épaisseur totale. Mais cela suffirait-il pour des événements non prévu ?
Intérêts et objectifs de l’étude
Présentation de l’étude : les ossatures secondaires :
Les ossatures secondaires de la centrale nucléaire de Flamanville est le plus gros contrat (35 millions d’euros soit 1% du budget total initial du projet EPR) signé par la société Baudin Châteauneuf à ce jour. Ces structures sont réparties dans l’ensemble des bâtiments de la tranche EPR.
D’un tonnage théorique de 5000 Tonnes d’acier et réparti sur plus de 4300 ossatures dites « affaires », elles représentent des milliers d’heure de travail en étude, fabrication et montage, permettant d’assurer la pérennité de l’entreprise.
Ces structures peuvent être des planchers, des plateformes, des échelles, des maincourantes et des garde-corps pour la circulation du personnel, des monorails et des anneaux de levage pour la manutention des matériels, des podiums et des passerelles pour l’accès aux appareils de commande et de contrôle.
La prévention face aux risques nucléaires
La catastrophe de Fukushima au Japon a démontré qu’il était impossible de rendre une installation nucléaire « sure », qu’une conjonction d’événement même improbable n’amène pas à un risque nul. C’est dans cette optique que les bureaux d’études EDF travaillent à réduire encore et encore la probabilité d’un risque d’accident nucléaire.
Pour répondre à cette objectif, EDF a choisi la société Baudin Châteauneuf (BC), dans un premier temps elle a obtenu le marché de l’étude et la fabrication de la salle des machines (première salle des machines à avoir une structure 100% métallique en France) et dans un second temps celui des ossatures secondaires.
Depuis des dizaines d’année BC travaille à répondre aux demandes de cette entreprise en réalisant un travail de qualité, proposant des solutions techniques avantageuses, lui conférant une grande reconnaissance dans le domaine de la charpente métallique, l’amenant à être un acteur de premier ordre et être consulté sur la plupart des grands chantiers EDF.
Objectif de l’étude
L’objectif de cette étude est de démontrer le savoir faire de BC sur les normes européennes «Eurocode 3 » afin de garder la confiance de cet important client. Récemment mis en place, celles ci devraient à terme devenir la référence pour le calcul des structures métalliques remplaçant les normes françaises depuis longtemps établies comme les CM66.
Pour cela, il faudra dans un premier temps démontrerquele logiciel que nous utilisons répond au critère fixé par EDF, ensuite mettre en place un modèle et une méthodologie de calculs fiables, rapides et sécuritaires, permettant de fournir les notes de calculs nécessaire à la vérification de l’ensemble des structures, en particulier celles servant à la manutention des matériels.
Ce projet devrait me permettre de me confronter à de nouveaux sujets, comme faire de la gestion de projet, comprendre et acquérir les différentes méthodes de calculs au sein d’une équipe pluridisciplinaire de grande qualité et enfin d’être reconnu comme étant capable d’être ingénieur d’études ou ingénieur d’affaires.
Conclusion
Justification du logiciel SCIA Engineer
Onpeut constater d’après le tableau et les graphiques, que le logiciels SCIA Engineer 2009 donne des résultats cohérents avec les différentes études théoriques. Les petites différences parfois trouvées viennent des paramètres et de la méthode de calculs utilisée et seront explicitées dans le paragraphe suivant.
De plus la comparaison avec le logiciel EFFEL déjà agréé, nous montre des résultats très proche entre les 2 outils informatiques avec une petite différence sur le facteur de contrainte de flexion f k venant des hypothèses de calculs (cf. annexe A).
Le logiciel SCIA Engineer 2009 répond à tous les critères pour être agréé par le bureau d’études EDF. Nous pouvons donc l’utiliser pour la poursuite de cette étude.
Avantage et inconvénient de chaque méthode théorique
Laméthode analytique permet de trouver des résultats précis sans être obligé par exemple d’augmenter le nombre d’éléments du modèle pour la méthode discrétisée ou le nombre des fonctions de base pour la méthode de Ritz.
La méthode de Ritz ne prend pas en compte la discontinuité de l’effort tranchant, on peut se rapprocher du résultat de la méthode analytique mais il faut pour cela augmenter considérablement le nombre de fonctions de base.
Une autre solution pour obtenir des résultats plus précis est de choisir des fonctions de base correspondant mieux au modèle de calculs étudiés.
La méthode discrétisée permet d’obtenir les efforts extérieurs entre chaque tronçon, cependant, il n’est pas possible d’obtenir directement les efforts intérieurs au même endroit.
Cette méthode est utile quand on cherche à définir les sollicitations dans les liaisons.
Justification des ossatures
Contexte
Les structures étant montées dans des bâtiments sensibles, dont la sécurité est prioritaire, une grande partie de ces affaires doivent faire l’objet de vérifications par le calcul. Celles-ci reprennent des sollicitations statiques, dynamiques, sismiques et thermiques très contraignantes afin que le projet EPR puisse être transposable partout dans le monde sans modification majeure des structures.
Du fait de l’espace restreint et la quantité des matériels à mettre en place (structures,appareils, câbles électriques, tuyauterie,…) EDF pré-dimensionne toutes ses structures interdisant la modification des profilés sans demande préalable et classe les affaires suivant 3 types.
Les affaires de type 1 : elles doivent faire l’objet d’une justification complète, la structure et les attaches doivent être vérifiées.
Les affaires de type 2 : il est possible par une seule note de calculs de justifier plusieurs affaires ayant les mêmes caractéristiques.
Les affaires de type 3 : ayant été préalablement pré-dimensionnées par le bureau d’études EDF, seul les attaches doivent être justifiées
Mon projet s’est essentiellement concentré sur les affaires de manutention de type monorail dont la configuration était considérée spéciale ou de type 1.
Il existe un nombre important de ces ossatures avec des formes, des CMU et des configurations différentes. Il m’a donc fallu mettre en place une méthodologie de calculs pouvant être reprise par toutes ces affaires.
Règles et normes utilisées
Les règles CM66 additif 80
Issues du développement des règles de l’art, les règles de Construction Métallique ont vu le jour en 1946 grâce aux travaux d’un groupe d’étude. Les règles CM46 entrait comme référence dans le domaine de la construction métallique, dans la continuité, en 1956, les règles CM56 firent leurs apparitions, M Jean Dutheil alors président de la commission et fin visionnaire avait dit qu’il ne s’agissait que d’une évolution et que les règles CM56 n’étaient pas plus définitives que ne l’était les règles CM46.
Les règles CM66 furent adoptées en décembre 1966 par le groupe de travail des Documents Techniques Unifiés (DTU), grâce à l’avancé des techniques de construction à l’amélioration des aciers et au retour d’expérience, elles se sont appuyées sur le caractère probabiliste de la sécurité des constructions soit par la considération de contraintes admissibles minorés, soit par l’introduction de coefficient de pondération appliqués aux sollicitations, chaque nature de sollicitations ayant un coefficient propre à la combinaison des charges et surcharges aléatoires considérés (règles de vérification complémentaire).
De plus de nouvelles dispositions très importantes ont été introduites comme la vérification de la stabilité des ossatures au montage, les assemblages par boulons précontraints et la stabilité des éléments minces. Le DTU reconnait dans ces règles l’intérêt du calcul à l’état limite et certaines nouveautés dans le calcul des déversements et flambements.
L’additif 80 comme son nom l’indique a été ajouté suite à une commission d’études composée de nombreux acteurs de la construction métallique comme le CTICM, la SOCOTEC, le bureau VERITAS, la SNCF,…
Il ajoute aux règles CM66, des recommandations pour le calcul en plasticité des constructions en acier. Celles-ci sont issues de nombreux essais en laboratoire et du développement du calcul numérique.
Méthodologie et hypothèses de calculs
Afin de calculer et de justifier efficacement les structures, il a donc fallu mettre en place les hypothèses de calculs, les combinaisons suivant les états limites de services (ELS), les états limites ultimes (ELU) et les états limites accidentels (ELA), en faisant la synthèse des cas les plus défavorables des normes CM66-Additif 80, des Eurocodes, de la FEM et de l’ETCC.
Il a aussi fallu mettre en place des critères de modélisation des structures, de vérifications et de justifications des ossatures.
Hypothèses de calculs
Les structures sont par défaut en acier S 235 JR (anciennement E24-2), S signifie que c’est unacier de construction, 235 représente la résistance élastique en MPA et JR signifie qu’il résiste à un essai de résilience de 27J à 20°C. La boulonnerie est de classe 8-8, résistance élastique de 640MPa et résistance plastique de 800MPa.
Les charges permanentes seront :
le poids propre de la structure (Sgs),
le poids propre du chariot et du porte palan (Sgki).
Les surcharges seront :
la charge de service aussi appelé CMU (Sli),
la sollicitation dynamique horizontale créée par le chariot porte palan (SHxi),
la sollicitation thermique engendrée par les variations de température (STi),
la sollicitation sismique (Ssi) (i indique la direction du séisme)
Pour la détermination des sollicitations sismiques, les cas de charge Sgs et Sgki sont transformés en masse X, Y, Z, il faut ensuite rechercher le nombre de mode propre nécessaire afin d’obtenir une masse participante de 90% de la masse totale et en entrant les spectres sismiques du bâtiment concerné dans le logiciel de calculs (amortissement de 7% pour les structures boulonnées et 2% pour les structures soudées), celui-ci va générer des sollicitations suivant X, Y et Z qui seront ensuite transformé en cas de charge Ss avec une combinaison quadratique (superposition quadratique ou SRSS) de Newmark conformément à l’ETCC.
Critère de modélisation
Lamodélisation parfaite d’une structure reflétant exactement la réalité n’existe pas. Il a donc fallu trouver un compromis fiable et acceptable afin de reproduire le plus fidèlement possible les affaires et les sollicitations qui lui sont appliquées et obtenir un modèle de calculs reflétant le plus possible la structure.
Le logiciel de calculs SCIA Engineer utilise un modèle filaire composé de nœuds, de barres, qu’il discrétise pour ensuite effectuer un calcul par éléments finis avec la théorie de Timoshenko.
Ce type de modélisation a le défaut de ne pas prendre en compte la hauteur des profilés, c’est à dire que pour une liaison suspente sur monorail, il faut ajouter un élément de raideur infini et de densité nulle afin d’obtenir les efforts au droit de l’attache « suspente sur monorail » correspondant aux sollicitations réelles.
Classification des sections transversales
L’Eurocode 3 a mis en place une classification des sections permettant de choisir la méthode de calculs (analyse plastique pour les classes 1 et 2 ou élastique pour les classes 3 et 4) afin de prendre en compte l’importance de l’élancement géométrique de ses parois qui n’avait jusqu’alors pas été pris en compte. Cela permet le traitement de tous les types de section. Les profilés sont répartis suivant 4 classes correspondant à l’importance de l’influence du voilement local dans l’ordre croissant de la :
classe 1 où les parois comprimés sont suffisamment rigides pour qu’en aucun cas le voilement local n’apparaisse avant plastification complète de la section et développement des grandes déformations propres au fonctionnement d’une rotule plastique au sein de cette section.
classe 2, pour les sections où la ruine par voilement local se manifeste lors du développement de déformations plastiques, après atteinte de la capacité plastique de la section.
classe 3, pour les sections dont la ruine par voilement local intervient après le seuil de résistance élastique mais avant d’atteinte de la capacité plastique et donc empêche le développement du moment résistant plastique.
classe 4, pour les sections qui présentent une ruine prématurée par voilement local et limite le moment résistant, avant même que la fibre la plus défavorisée ne subisse une contrainte du niveau de la limite d’élasticité.
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Table des matières
1. PRESENTATION DE L’ENTREPRISE
1.1. HISTORIQUE
1.2. CHIFFRES CLES
1.3. IMPLANTATION GEOGRAPHIQUE
1.4. LES POLES D’ACTIVITES
1.5. LESITE DE CHATEAUNEUF SUR LOIRE
1.6. LESERVICE GRANDS PROJETS
1.7. L’ENGAGEMENT QUALITE,SECURITE ET ENVIRONNEMENT
2. LE REACTEUR A EAU PRESSURISEE EUROPEEN : L’EPR
2.1. PRESENTATION
2.2. FONCTIONNEMENT D’UNE CENTRALE NUCLEAIRE
2.3. LESITE DE FLAMANVILLE
2.4. LATECHNOLOGIE EPR
3. INTERETS ET OBJECTIFS DE L’ETUDE
3.1. PRESENTATION DE L’ETUDE:LES OSSATURES SECONDAIRES
3.2. LA PREVENTION FACE AUX RISQUES NUCLEAIRES
3.3. OBJECTIF DE L’ETUDE
4. QUALIFICATION DU LOGICIEL SCIA ENGINEER 2009 PAR EDF
4.1. CONTEXTE
4.2. DEMARCHE DE QUALIFICATION
4.3. MODELES ET METHODES UTILISEES POUR LA QUALIFICATION
4.4. COMPARAISON ET ANALYSE DES RESULTATS
4.5. CONCLUSION
5. JUSTIFICATION DES OSSATURES
5.1. CONTEXTE
5.2. REGLES ET NORMES UTILISEES
5.3. METHODOLOGIE ET HYPOTHESES DE CALCULS
5.4. CRITERE DE MODELISATION
5.5. CRITERE DE DILATATION THERMIQUE
5.6. COMBINAISONS DE CHARGES ET DE CALCULS
5.7. CRITERE DE CHARGEMENT DES STRUCTURES:
5.8. CRITERE DE VERIFICATION DES STRUCTURES
5.9. VERIFICATION DE L’AILE INFERIEURE DU MONORAIL
5.10. VERIFICATION DE LA FLECHE DU MONORAIL
6. VERIFICATION DES ASSEMBLAGES
6.1. PRESENTATION
6.2. INTERFACE DES STRUCTURES ET DU GENIE CIVIL
6.3. CRITERE DE VERIFICATION DES ASSEMBLAGES
7. BILAN
7.1. TECHNIQUE ET SCIENTIFIQUE:
7.2. PERSONNEL
7.3. HUMAIN
7.4. PERSPECTIVES
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