Présentation de l’ouvrage prototype REMPARe

II.1.1. Description générale

Géométrie et matériaux

Le merlon de protection étudié a une structure composite dans le sens où sa réalisation

fait intervenir différents éléments de structures associés à plusieurs matériaux de

construction variés. Il est constitué en amont d’un parement et d’un noyau composés de

cellules élémentaires qui viennent en appui sur un remblai compacté placé à l’aval

[Figure 4-1].

Le parement et le noyau sont composés de gabions de deux ou trois mètres de longueur,

divisés en cellules d’un mètre cube par des diaphragmes. Leur largeur dans la direction

transversale est d’un mètre. L’épaisseur du remblai technique aval en crête est de deux

mètres, pour une emprise au sol de 9 m et une hauteur de H = 4 m. La pente de talus

aval est donc comprise entre 2H/1V et 3H/2V (valeurs classiques pour un remblai

compacté).

Une longueur de parement de L = 8 m a été retenue pour limiter les effets de bords lors

d’un impact au centre. Latéralement, les cellules de gabions étant auto-stables sont

laissées libres tandis que le remblai est prolongé par deux talus latéraux afin de

représenter la continuité.

T.N. Remblai Noyau Parement Impactant D = 1,60 m 2 m 7 m H= 4 m x z 2 m

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

(a) (b) (c) Figure 4-2 : Eléments constitutifs de l’ouvrage : (a) cellule de gabion avec géotextile et

tirants, (b) mélange de sable et de déchiquetas de pneus, (c) remplissage de blocs calcaires concassés [REMPARe 2010].

Les gabions mis en œuvre peuvent être qualifiés de composites, de par l’association de

l’enveloppe grillagée et du matériau de remplissage. Le garnissage est composé de

pierres concassées au parement [Figure 4-2 c] et d’un mélange de sable et de

déchiquetas de pneus, confiné par un géotextile, dans les cellules du noyau

[Figure 4-2 a et b].

Dispositif de largage et impactant

L’impactant utilisé pour ces tests est un bloc modèle de forme sphérique, constitué

d’une coque en acier remplie de béton. Son diamètre est de 1,60 m et sa masse de

6500 kg.

La procédure de lancement de l’impactant est assurée par le dispositif suivant

[Figure 4-3]:

- câble porteur en acier, ancré en haut et en pied de falaise (1),

- chariot constitué d’une poulie reposant sur le câble porteur (2),

- impactant suspendu au chariot par l’intermédiaire d’élingues en acier (3),

- treuil permettant de remonter l’impactant jusqu’à la hauteur de lâcher

souhaitée (4).

A noter que la hauteur de chute maximale disponible est de l’ordre de 30 mètres.

Les essais d’impact sont effectués sans largage de l’impactant ce qui a permis de

maitriser avec une plus grande précision le point d’impact. Cependant, la cinématique

de l’impactant induite lors de sa chute et pendant toute la durée du choc, ne correspond

pas à la réalité physique étant donné que la masse sphérique reste arrimée au câble

porteur jusqu’à son arrêt [Figure 4-4].

Largement discuté par le groupement lors de la conception du site, ce dispositif a été

retenu sachant que l’interprétation de l’effet du câble lors de l’impact restera difficile.

En effet une grande partie de la composante verticale descendante de la vitesse est

conditionnée par la mise en traction de l’élingue. De plus, en fin d’essai, la poulie

exerce par l’intermédiaire de l’élingue une tension horizontale empêchant le retour en

arrière de l’impactant, qu’il faudrait quantifier.

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

(1)

(4)

(3)

(2)

Figure 4-3 : Schéma de principe du dispositif de lancement de l’impactant.

Figure 4-4 : Photographie du système de « largage » après impact [REMPARe 2010].

Phasage d’essais et réparations

Le merlon prototype a été soumis respectivement à une succession d’impacts à des

niveaux d’énergie différents : 200, 1000, 500 et 2000 kJ. Le dispositif de largage

n’étant pas amovible, l’ensemble des impacts subis par les ouvrages a lieu au même

point (centre du parement). Mis à part le premier essai, les impacts suivants sont donc

menés sur un ouvrage qui a connu un historique de sollicitation non vierge. La réponse

de la structure est fonction des contraintes et des déformations engendrées lors des

essais précédents.

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

Pour les hautes énergies d’impact (1000 et 500 kJ) le parement a présenté un

endommagement important si bien qu’il a été nécessaire de réparer partiellement la face

amont de l’ouvrage prototype :

- Après l’essai à 1000 kJ, l’ouvrage a été réparé par remplacement des cellules

endommagées (6 cellules du parement) [Annexe 5, Figure A 9].

- Après l’essai à 500 kJ, l’ouvrage a été réparé par ajout d’une « rustine » de

grillage et d’un remplissage de pierres dans la zone d’impact

[Annexe 5, Figure A 10].

II.1.2. Systèmes de mesures et résultats des expérimentations en vraie

grandeur

II.1.2.a. Systèmes de mesures

L’instrumentation mise en place pour cet ouvrage prototype a pour but de renseigner

sur leur réponse lors de l’impact dynamique ainsi que l’état de la structure après impact.

Un grand nombre de systèmes de mesure, des plus simples aux plus sophistiqués, à

technologies différentes, a été implanté à la fois, à l’extérieur et dans l’ouvrage

d’étude :

- accéléromètres placés dans l’impactant,

- accéléromètres placés dans l’ouvrage,

- capteurs de déplacements dans l’ouvrage,

- levés topographiques au tachéomètre et levés manuels,

- inclinomètres placés dans le remblai,

- capteur de force à la base de l’ouvrage,

- géophones dans le remblai pour quantifier l’endommagement de la structure,

- enregistrement avec une caméra rapide.

Un certain nombre de mesures a été doublé pour pallier l’éventuelle défaillance d’un

système de mesures.

L’ensemble des résultats expérimentaux obtenus, représente une base de données

intéressante pour une calibration et/ou pour une comparaison avec l’approche

numérique.

A ce jour, l’ensemble des mesures expérimentales n’a pas encore fait l’objet d’une

étude comparative poussée permettant de valider ou d’écarter certaines mesures. Le

travail de doctorat d’Heymann [Heymann 2011], portant sur l’ensemble des

expérimentations réalisées dans le cadre du projet REMPARe, présente de manière plus

exhaustive la conception des ouvrages testés, leur instrumentation et l’exploitation qui

en découle. Le lecteur pourra s’y reporter pour des compléments d’information.

Dans ce travail, la confrontation des approches numérique et expérimentale n’a été

conduite que sur la base d’un nombre réduit de mesures.

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

II.1.2.b. Résultats d’essais sur merlon prototype

L’ouvrage prototype avec remblai aval a été impacté à quatre reprises pour des énergies

successives de 200, 1000, 500 et 2000 kJ. L’ensemble des essais et des mesures n’a pas

nécessairement donné lieu à des résultats exploitables, notamment pour l’essai à

1000 kJ où le système d’acquisition a été défaillant.

Accéléromètre

Deux accéléromètres triaxiaux ont été placés dans une réservation au centre de

l’impactant. Ils diffèrent par le système d’acquisition qui est soit filaire, soit embarqué.

Le traitement, l’analyse et l’interprétation de l’ensemble des données expérimentales

est en cours. Les signaux obtenus par « l’accéléromètre embarqué » fait l’objet d’une

expertise en cours. Dans ce travail, seule la mesure filaire a été exploitée.

L’acquisition de l’accélération est réalisée depuis le lâcher de l’impactant jusqu’à son

immobilisation. La mesure est disponible pour les essais à 200 et 500 kJ d’énergie

[Figure 4-5]. Les signaux exploités, lissés par une moyenne glissante pour s’affranchir

du bruit lié aux vibrations, peuvent également être interprétés en force d’impact, en

multipliant l’accélération par la masse de la sphère.

0 4 8 12 16 20 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Temps (s) A c c é lé ra ti o n (g ) Ec = 200 kJ Ec = 500 kJ

Figure 4-5 : Accélérations de l’impactant mesurées pour les impacts à 200 et 500 kJ d’énergie cinétique [REMPARe 2010].

Topographie

La topographie complète du parement réalisée grâce aux mesures au tachéomètre, n’est

pas exploitable pour cet ouvrage. La mesure manuelle, effectuée au niveau de l’impact,

après retrait de l’impactant, nous donne une information pertinente et fiable quant à

l’enfoncement de l’impactant dans l’ouvrage [Tableau 4-3]. Lors du démontage ou de

la réparation des ouvrages des levés internes ont pu être effectués manuellement.

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

Capteurs de déplacement

Des capteurs de déplacement à tige (piste plastique), ont permis de mesurer les

déplacements dans le plan d’impact, aux interfaces entre parement-noyau (3 points de

mesure) et noyau-remblai (3 points de mesure) [Annexe 6, Figure A 11]. Le relevé

automatique au cours de l’essai est complété par un relevé manuel effectué après

impact. Les évolutions temporelles des déplacements sont données [Annexe 6, Figure A

12]. Les résultats de mesures doivent cependant être nuancés par les difficultés

rencontrées expérimentalement notamment pour les essais à haute énergie d’impact :

mise en flexion des tiges, cisaillement observé des platines au sein de l’ouvrage,

oscillation de la potence qui sert de condition rigide, …

Le Tableau 4-1 récapitule les déplacements mesurés aux interfaces parement-noyau

(x = -1 m) et noyau-remblai (x = -2 m) au niveau de la hauteur d’impact (z ≈ 2 m).

Inclinomètre

Dans le plan d’impact deux inclinomètres verticaux, l’un manuel (avec 2 axes de

mesure) et l’autre automatique, ont été placés à 50 cm en retrait de l’interface

noyau-remblai (x = -2,5 m). Les déplacements cumulés obtenus dans la direction de l’impact

sont donnés en [Annexe 6, Figure A 13]. Sur le graphique, les valeurs positives

représentent un enfoncement.

Les déplacements maximaux obtenus en z = 2 m sont donnés dans le Tableau 4-1.

Mesure des déplacements horizontaux (m)

Capteurs de déplacements Inclinomètre

x = -1 m x = -2 m x = -2,5 m

Energie attendue

(kJ)

Maximum Résiduel Maximum Résiduel Résiduel*2

200 0,16 0,08 0,02 < 0 0,005

1000 - 0,19*1 - - 0,027

500 0,09 0,08 0,02 0,01 0,030

2000 0,54 0,49 0,14 0,07 0,050

*1 : Mesure effectuée par levé topographique manuel lors de la réparation du parement après l’essai à 1000 kJ.

*² : Les déplacements inclinométriques sont des déplacements cumulés.

Tableau 4-1 : Récapitulatif des déplacements horizontaux mesurés dans l’ouvrage au niveau de la hauteur d’impact (z ≈ 2 m), via les capteurs de déplacements automatiques et

l’inclinomètre manuel [

Annexe 6

].

Caméra rapide

La mise en œuvre d’un enregistrement vidéo par caméra rapide avait pour but initial, de

permettre une analyse du comportement de l’ouvrage pendant l’impact [Figure 4-6]. A

partir de ces enregistrements il nous a également été possible de déterminer le vecteur

vitesse de l’impactant et le point d’impact juste avant le choc, et d’estimer

l’enfoncement final du bloc dans l’ouvrage [Heymann 2011].

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

Figure 4-6 : Images prises à la caméra rapide pour un impact à 2000 kJ d’énergie [Heymann et al. 2010]. Energie attendue (kJ) Energie calculée (kJ) Vitesse totale (m/s) Vitesse suivant x (m/s) Vitesse suivant z (m/s) Hauteur d’impact (m) 200 140* 7* -6* -2* 1,83* 1000 1036 17,9 -16,8 -6,0 1,74 500 541 12,9 -11,5 -5,7 2,13 2000 2203 26,0 -23,7 -10,8 2,10

* : les données pour l’essai à 200 kJ sont approchées car les images sont de mauvaise qualité Tableau 4-2 : Caractéristiques cinétiques de l’impact et hauteur d’impact estimées via

l’enregistrement par caméra rapide.

Mesure de l’enfoncement de l’impactant (m) Energie attendue (kJ) topographique ^Levé manuel Enregistrement par caméra rapide 200 0,35 - *1 1000 - *2 0,66 500 0,36 0,38 2000 - *3 0,68 *1 : images sombres.

*2 : pas de mesure possible au parement (écroulements). Au démontage, la déformée à l’interface parement noyau a été estimée à environ 0,19-0,20 m.

*3 : pas de mesure possible au parement (écroulements).

Tableau 4-3 : Enfoncements en fin d’impact du bloc estimés à partir de l’enregistrement par caméra rapide, et par levé topographique manuel.

Chapitre 4 : Simulation d’impacts sur un merlon de protection pare-blocs

Dans le document Approche numérique couplée discret-continu appliquée aux ouvrages cellulaires impactés (Page 144-151)