Validation of a model for assessing the stability of a wall subjected to flooding

Abstract

The objective of this thesis is to develop and validate a simple model for assessing the stability of walls subjected to out-of-plane loads during a flood, across a large number of buildings.

The model proposed by Milanesi et al. (2018) is based on three sets of parameters: the geometric characteristics of the wall, the stabilizing load and the destabilizing load. It allows to determine a critical water depth beyond which the wall becomes unstable. Originally, the model was validated by numerical simulation due to a lack of a sample of real-life cases, a sample now available.

To apply this model, it was necessary to have data on the stability of walls during floods. These data were partially extracted from measurements collected in the Vesdre Valley following the July 2021 flood. Furthermore, since there were no in situ water level measurements during the event, water depths were obtained either from post-flood surveys carried out by the Walloon Public Service (SPW) with interpolation to produce a complete map, or by simulation. For this second approach, the WOLF software, developed by the HECE department of the University of Liège, was used to estimate the highest water depths reached by the walls during the flood. These simulated depths were retained for the analysis for several reasons detailed in this thesis.

This study shows that the water depths yielding the best results are those corresponding to the 25th percentile of the water depths from the simulation, i.e., the lowest values among those simulated.

The model is then tested using a sample constructed in two ways: 1) at the individual wall level – to assess the intrinsic validity of the model; 2) at the building level – by grouping walls by building, to test the model's usefulness as a high-level predictor of building damage, in the sense developed by A. Paterka (2023). The initial results show that 40% of individual walls are correctly interpreted and 44% of buildings are also correctly interpreted, which is relatively low. Based on the results, the model tends to underestimate the strength of the majority of walls, suggesting that the properties attributed to the walls were initially too weak compared to reality.

Based on these findings, improvements are made by refining the geometric characterization of the walls, which makes it possible to achieve 75% of individual walls correctly interpreted, and 72% of buildings correctly interpreted, thus validating the proposed overall approach.

L’objectif de ce travail de fin d'études est de développer et de valider un modèle simple permettant d’évaluer la stabilité des murs soumis à des charges hors plan lors d’une crue, et ce, à l’échelle d’un grand nombre de bâtiments.

Le modèle proposé par Milanesi et al. (2018) se base sur trois ensembles de paramètres : les caractéristiques géométriques du mur, la charge stabilisatrice et la charge déstabilisatrice. Il permet de déterminer une profondeur d’eau critique au-delà de laquelle le mur devient instable. À l’origine, le modèle avait été validé par simulation numérique, faute d’un échantillon de cas réels, échantillon désormais disponible.

Pour appliquer ce modèle, il est nécessaire de disposer de données sur la stabilité des murs lors d’inondations. Ces données ont pu être extraites en partie des mesures recueillies dans la vallée de la Vesdre suite à la crue de juillet 2021. Par ailleurs, n’ayant pas de mesures in situ du niveau d’eau durant l’événement, les profondeurs d’eau ont en partie pu être extraites soit par des relevés post-crue réalisés par le Service public de Wallonie (SPW) avec interpolation pour produire une cartographie complète, soit par simulation. Pour cette seconde approche, le logiciel WOLF, développé par le département HECE de l’Université de Liège, a permis d’estimer les profondeurs d’eau maximales atteintes au niveau des murs lors de l’inondation. Ces profondeurs simulées ont été retenues pour l’analyse, pour plusieurs raisons détaillées dans cette thèse.

Ce travail montre que les profondeurs d’eau donnant les meilleurs résultats sont celles correspondant au 25ème percentile des profondeurs issues de la simulation, c’est-à-dire les valeurs les plus faibles parmi celles simulées.

Par la suite, le modèle est testé à l’aide d’un échantillon constitué de deux manières : 1) au niveau des murs individuels – pour évaluer la validité intrinsèque du modèle; 2) au niveau des bâtiments – en regroupant les murs par bâtiments, pour tester l’utilité du modèle comme prédicteur de haut niveau des dommages aux bâtiments, selon le sens développé par A. Paterka (2023).

Les premiers résultats montrent 40 % de murs individuels correctement interprétés et 44 % de bâtiments également correctement interprétés, ce qui est relativement faible. Au regard des résultats, le modèle tend à sous-estimer la résistance de la majorité des murs, ce qui suggère que les propriétés attribuées aux murs étaient initialement trop fragiles par rapport à la réalité.

Sur base de ces constats, des améliorations sont apportées en affinant la caractérisation géométrique des murs, qui ont permis d’atteindre 75 % de murs individuels correctement interprétés, et 72 % de bâtiments correctement interprétés, validant ainsi l’approche globale proposée.