Anticiper les risques naturels et climatiques

Les productions de l’année 2017 sur cet objectif ont été particulièrement riches sur les thématiques des mouvements de terrain et du climat en milieu urbain.

Les mouvements de terrain constituent un risque important pour les populations et les infrastructures. Les sujets présentés ci-dessous se rapportent aux effondrements de cavités souterraines, aux tassements de terrain lors du creusement de tunnels urbains, aux chutes de blocs et aux séismes.

Analyse numérique discrète de l'aléa fontis et du foisonnement associés aux cavités souterraines

Thèse de Y. Ikezouhene (GERS-SRO) réalisée en collaboration avec l’INERIS.

Au cours du temps, les cavités souterraines sont soumises à un vieillissement et plusieurs types de dégradation peuvent apparaître. Les anciennes exploitations souterraines, parfois constituées d’un ou plusieurs niveaux, n’ont, sans doute, pas été conçues pour être stables à long terme. Ces mécanismes mis en jeu peuvent provoquer en surface deux types de désordres : un affaissement ou un fontis. Ils peuvent occasionner de graves dommages aux structures et aux infrastructures en surface mais aussi mettre en péril la sécurité des populations. La thèse de Yaghkob Ikezouhene avait pour objectif d’étudier le foisonnement de la roche et de modéliser la propagation du fontis dans les terrains de recouvrement afin de hiérarchiser les paramètres associés à ce phénomène. Une modélisation numérique par la méthode des éléments discrets (MED) a été choisie pour analyser l’instabilité des toits de carrières souterraines. Un Programme de Discrétisation des Massifs Rocheux (PDMR), constituant le préprocesseur du logiciel STTAR3D, et un code permettant de calculer le coefficient de foisonnement des débris de l’effondrement ont également été mis au point. Une validation sur un cas réel de la carrière de la Brasserie a été faite.

Carrière de la Brasserie_img
Affaissement en surface au-dessus de trois fontis dans la carrière de la Brasserie (Parois)

Projet FUI Newtun : méthode de prévision des tassements provoqués par le creusement des tunnels urbains et influence des présoutènements

E. Bourgeois (COSYS-LISIS) en collaboration avec Solétanche-Bachy

La méthode conventionnelle de creusement des tunnels – c’est-à-dire sans utiliser un tunnelier - est agile, flexible, bien adaptée pour traiter de faibles linéaires ou des points singuliers. Le creusement par tunnelier et les tassements qu’il provoque ne sont pas encore complètement maîtrisés. Ces sujets  ont été traités par le projet FUI Newtun.

Piloté par Solétanche Bachy (2012-2017), ce projet avait pour but d'améliorer les méthodes de creusement de tunnels et de renforcement du terrain avoisinant. De plus, les systèmes d’auscultation et de suivi des tassements ont été revus afin de développer des méthodes de vérification du dimensionnement au fur et à mesure de l’exécution du chantier.

Parmi les procédés de renforcement du terrain, le  « boulonnage » et la mise en place d’une « voûte parapluie » constituée de tubes placés au-dessus de la clé de voûte s’avèrent intéressants.

Avec les partenaires du projet, l'Ifsttar a intégré deux nouveautés au progiciel CESAR : une nouvelle loi de comportement dédiée au calcul des tassements, développée par N. Gilleron (dans le cadre d’une thèse CIFRE avec Egis) et de nouveaux modèles d’interaction sol-boulon, élaborés par le Centre de Géosciences de l’École des Mines de Fontainebleau.

Par ailleurs, Itech, diffuseur de CESAR-LCPC, a développé un logiciel métier baptisé C-Newtun. Il automatise la préparation des données, l’exécution des calculs et l’exploitation de résultats avec une application spécifique à la problématique des tassements.

Une seconde thèse (C. Klotoé) a permis de réaliser une modélisation tridimensionnelle complète du creusement de tunnel avec « boulons » et « voûte parapluie » en respectant la géométrie réelle du soutènement. Ces travaux ont également proposé une modélisation originale du procédé de compensation des tassements à partir de « manchettes » placées sur les tubes de la voûte parapluie. Les résultats permettent de valider les choix de modélisation retenus pour le logiciel C-Newtun.

« Caractérisation et dimensionnement des ouvrages au rocher » (CADOROC)

Opération de recherche conjointe Cerema – Ifsttar (GERS-SRO), en relation avec le projet national C2ROP (Chutes de blocs Risques Rocheux Ouvrages de Protection) auquel collabore EDF.

D’une durée de quatre ans, l’opération de recherche CADOROC a eu pour objectif de mieux caractériser les massifs rocheux et de veiller à optimiser le dimensionnement des ouvrages au rocher (en intégrant les dispositifs de protection pare-blocs) pour ensuite en évaluer la durabilité. Les résultats de ce projet ont contribué au Projet National C2ROP lancé un an plus tard. L’opération structurée en quatre axes a pris en compte : la caractérisation de l’évolution des massifs rocheux et de l’aléa rocheux ; la caractérisation de l’altération des interfaces entre roche et ouvrages ; le dimensionnement et la modélisation des ouvrages au rocher  et enfin l’évaluation de la durabilité des dispositifs de protection pare-blocs. Les résultats ont conduit à la rédaction d’un guide technique sur le dimensionnement des ancrages au rocher. 

Cinq thèses ont permis de préciser un certain nombre de points comme :

  • l'analyse des variations thermiques sur les instabilités rocheuses ;
  • le comportement des ancrages passifs scellés au rocher sollicités en tête en traction-cisaillement ;
  • la modélisation des écrans de filets ;
  • le comportement des sables sous sollicitation d'impact à faible vitesse - avec une application au dimensionnement de couches de sol protégeant les structures des impacts rocheux ;
  • la caractérisation de la résistance et du comportement au cisaillement des interfaces entre béton et roche de fondation des structures hydrauliques.

Un séminaire de restitution s’est tenu le 10 octobre 2017 à Aix-en-Provence.

En France comme ailleurs dans le monde, le risque sismique est une préoccupation forte qui nécessite des connaissances supplémentaires sur les phénomènes, leur prévision et la façon de mieux résister à leurs impacts destructeurs. Le projet avec l’Université de Rio de Janiero et la société Petrobras a étudié la stabilité des pentes. La thèse de Y. Abboud s’est intéressée à l’apport d’un macro-élément 3D dans le logiciel CESAR pour le comportement sismique de fondations superficielles. 

Les sollicitations sismiques constituent un risque important pour la stabilité des installations offshore avec des conséquences écologiques et économiques potentiellement dramatiques. En 2015, le laboratoire "Séismes et Vibrations", l’Université Fédérale de Rio de Janeiro et la société pétrolière Petrobras ont conclu un accord de collaboration de recherche pour étudier la stabilité sismique des pentes offshore sur la côte brésilienne. L’objectif du projet était d’évaluer l’amplification du signal sismique dans des massifs d’argile sous forme de pentes avec différentes inclinaisons. Un programme expérimental a été mis en place afin d’étudier différentes géométries de pentes à faible inclinaison ou en forme de canyon. Le projet s’est terminé en 2017. 

CADOROC_img
Stabilité sismique des pentes offshore : projet du laboratoire "Séismes et Vibrations" (GERS) en collaboration avec l’Université de Rio de Janeiro et Petrobras

Développement d’un macroélément 3D pour l’analyse du comportement sismique des fondations superficielles

Thèse de Youssef Abboud (GERS-SV) réalisée dans le cadre d’un contrat de recherche entre l’Ifsttar et l’EDF-CEIDRE

Cette thèse consistait à développer des méthodes alternatives pour la justification des fondations superficielles sous charge sismique dans le cadre du nouveau zonage sismique de la France entré en vigueur en 2011 suite à la catastrophe de Fukushima. Un modèle basé sur le concept de macroélément a été développé pour étudier l’interaction sol-structure (ISS) en prenant en compte les différentes non linéarités. Sa formulation se base sur la théorie de l’élastoplasticité et s’inspire des normes en vigueur (Eurocodes 7 et 8). Les différents mécanismes plastiques (poinçonnement, renversement, glissement) sont couplés dans le cadre de la théorie des multi-mécanismes et leurs paramètres sont définis à partir d’essais, en laboratoire ou in situ, ou à partir de simulations numériques en conditions statiques. Les coûts de calcul sont réduits car les non linéarités liées à l’interaction sol-structure sont concentrées en des points particuliers du modèle de calcul. L’avantage du macroélément réside dans une formulation en efforts et déplacements. Cela facilite son utilisation pour la justification des fondations (capacité portante, glissement, décollement, tassements, translations, distorsions et rotations). Implémenté dans le code par éléments finis CESAR LCPC, le macroélément est capable de simuler le comportement statique et sismique d’une fondation superficielle. Ainsi, il permet de réaliser des études paramétriques de la réponse sismique des structures et d’analyser le comportement statique et sismique des ouvrages réels. Des études paramétriques, réalisées sur une structure en mettant en jeu un grand nombre de signaux sismiques réels, ont pratiquement mis en évidence les capacités du macroélément.

HyClAU : processus hydrologiques et climatiques au service de l'adaptation de l'aménagement urbain

Une collaboration de recherche Ifsttar-Cerema

Animée par K. Chancibault (Ifsttar) et J. Bouyer (Cerema), la collaboration de recherche HyClAU a permis de mieux comprendre les problématiques hydrologiques et climatiques des villes pour aider à une meilleure adaptation au changement global climatique et démographique. Lancée en 2014, elle a permis d’atteindre trois objectifs : 

Des moyens de mesures et des données ont permis de mieux décrire l'impact des villes sur leur environnement : analyse de données pour faire le lien entre taux de végétation et flux de chaleur latente (évapotranspiration) ; amélioration d'une méthode de mesure locale de l'évapotranspiration ; définition d'indicateurs urbains à partir de données satellite très haute résolution (70 cm) ; calcul d'écart de température selon la classification des quartiers à l'aide de mesures mobiles.

Des développements ont permis d'améliorer la représentation des processus hydriques et climatiques dans les modèles pour mieux prendre en compte des solutions basées sur la nature : amélioration des processus d'écoulement sol-réseau dans un modèle hydro-énergétique ; développement d'une reconstruction automatique des réseaux d'assainissement à partir d'un faible nombre de données urbaines ; meilleures représentations des toitures végétalisées, des noues et des arbres de rue dans les modèles.

Les projections climatiques (DRIAS) ont été étudiées et analysées et des indicateurs spécifiques ont été développés pour mieux sensibiliser au risque canicule. Une journée de restitution organisée le 29 novembre 2017 à Nantes a permis de présenter les principaux résultats du projet.

 

Dispositif de mesure de
l’évapotranspiration pour des toitures
végétalisées.