[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le laboratoire 3S

Titre du projet

Modélisation par éléments discrets de l'impact de chute de blocs sur un ouvrage de protection en béton armé
[ rapport pdf ]

Type d'aléa
Mouvements de terrain - éboulements - chutes de blocs
Année

2004

Mots-clés
Risques gravitaires - Ouvrages de protection - Impact de blocs rocheux - Essai expérimental d’impact - Modélisation numérique - Méthode aux Eléments Discrets - Structures dissipatives multicouches
Champs disciplinaires
Géomécanique, géotechnique, ingénierie


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Laboratoire 3S
Organisme(s) associé(s)
Collaboration avec le laboratoire LOCIE à Chambéry.
Partenaire industriel : IMSRN (Ingenierie des mouvements de sol et des Risques Naturels).
Coordonnateur
Frédéric DONZÉ
Participants
Julien LORENTZ, Sébastien HENTZ


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
*
Contexte de l'étude
Les chutes de blocs sont très largement associées aux zones montagneuses de par la présence de nombreuses falaises, mais elles sont aussi très fréquentes le long des routes ou des zones d’escarpement naturel ou d’excavation. Les chutes de blocs et éboulements de petits volumes figurent parmi les mouvements de terrain les plus fréquents. Quand ces blocs atteignent des zones urbanisées ou des voies d’accès routières, ils représentent une menace directe pour les personnes.
L’implantation d’un réseau étendu d’infrastructures et d’équipements dans les territoires de montagne, marqués par des contraintes naturelles fortes dans un espace réduit, s’est intensifiée. Ces différents aménagements sont bien souvent exposés à l’impact des chutes de blocs, dont la capacité destructrice justifie que l’on puisse associer à l’espace construit la notion de vulnérabilité. Des centaines de millions d’euros sont dépensés chaque année en Europe pour la maintenance des pentes à risques ainsi que pour les infrastructures de protection.

Cette étude réalisée dans le cadre de deux thèses (Julien Lorentz et Sébastien Hentz) et du programme départemental du PGRN a pour dessein d’améliorer l’efficacité des ouvrages de protection en béton contre les chutes de pierres. Ce travail a été développé sur deux axes, dont l’un comprend la validation d’outils numériques 3D développés au sein du laboratoire 3S pour modéliser les ouvrages de protection et l’autre sur la mise en œuvre d’une campagne d’essais pour étudier la dissipation à l’impact de nouvelles structures de protection.
Programme plus vaste
*
Initiation du projet
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
10 k€
Part du CG38 - PGRN
5 %
(Co)-Financements
?
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Financement d’une partie des tests.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
1) Axe modélisation : valider les objectifs d’utilisation et évaluer la réponse et les performance du nouveau système de dalle de béton fortement armée reposant sur des cylindres métalliques agissant en tant qu’absorbeurs d’énergie (dalle conçue - par la compagnie Tonello - pour résister directement à un impact de roche qui l’endommage sur une zone locale limitée à la zone de choc).

2) Optimiser les dispositifs de dissipation à l’impact des ouvrages de protection en béton qualifiés de « légers », c’est-à-dire conçus pour des impacts de moyenne énergie (de l’ordre de 1000 kJ).
Méthodologie
1) Test en vraie grandeur (laboratoire LOCIE, Chambéry) et simulation numérique par la méthode aux Eléments Discrets du comportement de la dalle expérimentale soumise à l’impact de chutes de blocs tombant depuis une grue, puis comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux.
Pour les mesures expérimentales, des jauges de contrainte ont été placées dans la dalle, et les cellules de déplacement ont enregistré le débattement maximum de la face inférieure de la dalle à différentes positions. Dans le modèle, l’endommagement est calculé par élément et est exprimé par le nombre de liens cassés par rapport au nombre de liens initiaux.

2) Campagne d’essais en collaboration avec le laboratoire LOCIE sur des structures dissipatives multicouches constituées d’une dalle de béton armé, dont on accepte le fort endommagement voire la destruction, et qui repose sur une couche de matériaux granulaires amortissants contenus dans des pneus de voiture.
A la suite des essais expérimentaux, les efforts transmis par la structure sont quantifiés à l’aide de différents capteurs (accéléromètre, capteurs de forces et caméras rapides) reliés à une station d’acquisition (fréquence d’échantillonnage : 7000 Hz).
Résultats
1) Les résultats de la simulation sont très cohérents avec les résultats expérimentaux, qualitativement (cinématique, endommagement et déformations des fusibles) et quantitativement (déflexions maximum : les erreurs relatives au déplacement maximum sont de l’ordre de 5 à 8%).
Ces résultats confirment que cette approche discrète peut être employée comme un outil prédictif puissant pour la conception des structures de sûreté.

2) Premiers résultats (étude en cours) : Lors de l’impact, la dalle est endommagée mais n’est pas perforée (l’armature retient l’impacteur). Mise en évidence de 3 phases durant l’impact (réponse de la dalle en béton armé poinçonnée avec un effort au pic d’impact de 300 kN ; déformation globale de la structure avec un effort au pic de 90 kN ; rebond de l’ensemble de la structure avec un effort d’impact transmis de 25 kN).
Ces premiers résultats permettent de proposer une technologie innovante avec un faible coût de réalisation.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
- Concepteurs d’ouvrages de protection contre les chutes de blocs.
- IMSRN (dimensionnement des ouvrages).
- Autres bureaux d'études.
Production scientifique
- Méthodologie innovante
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Produits délivrables
Logiciel libre accessible à la communauté
Partenariats
- Préexistant
- Qui se poursuit
Retombées du projet
Les partenaires industriels rallongent pour effectuer de nouveaux tests.


5) Valorisation du projet

Publications et communications
- Lorentz J., F.V. Donzé, P. Perrotin and P. Plotto, Experimental study of the dissipative efficiency of a multilayered protective structure against rockfall impact, Revue Européenne de Génie Civil, 10-3 , 295-308, 2006. [Lien Web]

- Hentz S., F.V. Donzé and L.Daudeville, Discrete elements modeling of a reinforced concrete structure submitted to a rock impact, Italian Geotechnical Journal, XXXIX, n°4, 83-94, 2005.
Pages Web
- Logiciel libre accessible à la communauté : code SDEC, code YADE : http://yade.berlios.de/index.php?m=100
- Page éléments discrets de F. Donzé : http://geo.hmg.inpg.fr/frederic/Research_project_Discrete_Element_Software.html

 

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