2.2.1 Enjeux et positionnement
Les travaux de modélisation des écrans de filets depuis près de 30 ans, détaillés en
1.3.4 au chapitre 1, ont presque tous été réalisés dans le même contexte et avec des
objectifs similaires. Les fabricants d’écrans de filets, pour des motivations économiques
et dans l’optique de rationaliser leur processus de conception, ont développé un modèle
numérique de leur technologie dominante à l’aide d’un outil de calcul donné. Cela a abouti
à la multiplication et à la dispersion des développements suivant une philosophie que nous
pouvons qualifier de : « 1 fabricant, 1 technologie, 1 modèle, 1 outil de calcul ». Une liste
non exhaustive des développements ainsi réalisés est rappelée Tableau 2.1.
Ces développements rendent difficile toute comparaison entre les différentes
techno-logies parce que les modélisations sont effectuées avec des hypothèses et des outils
diffé-rents. Un outil développé pour modéliser une technologie A peut ne pas être en mesure
de modéliser une technologie B. De plus, la propriété industrielle dont bénéficient ces
outils de calcul les rend inaccessibles à tout utilisateur extérieur. Enfin, ces modèles sont
Tableau 2.1 – Modèles numériques d’écrans développés suivant la philosophie « 1
fa-bricant, 1 technologie, 1 modèle, 1 outil de calcul »
Fabricant/Technologie Modèle Outil de calcul
EI Montagne [Nicot et al., 2001a, Nicot et al., 2001b] ECRANS
Geobrugg
[Grassl, 2002, Grassl et al., 2002]
FARO
[Volkwein, 2004, Volkwein, 2005]
[Escallón et al., 2014, Escallón et al., 2015] Abaqus
Maccaferri [Cazzani et al., 2002] Abaqus
[Gentilini et al., 2012]
GTS [Bertrand et al., 2012] PFC
pour la plupart utilisés afin de répondre uniquement à la problématique industrielle de
rationalisation de la conception.
Le développement d’un modèle générique d’écrans de filets a été entrepris par Chanut
et al [Chanut et al., 2012] afin de fournir un référentiel commun pour la modélisation
des écrans de filets et d’harmoniser les méthodes de calcul. Les ambitions de ce modèle
générique sont de :
– définir une description géométrique et une modélisation mécanique commune à
l’ensemble des technologies d’ouvrages ;
– construire un outil de calcul unifié et performant permettant la simulation de tout
type de sollicitations.
La modélisation générique ainsi définie devrait permettre de répondre aux trois objectifs :
scientifique, réglementaire et opérationnel, identifiés au chapitre 1. Concernant l’objectif
scientifique, l’analyse numérique du comportement des écrans de filets sous impact
de-vrait apporter une meilleure compréhension de ces structures. La capacité à modéliser
différentes technologies et les bonnes performances de calcul devraient permettre la
réali-sation d’études paramétriques et stochastiques et de répondre à l’objectif réglementaire.
Enfin, les capacités de description et de modélisation devraient permettre le prototypage
numérique d’ouvrages innovants et la vérification d’ouvrages existants afin de répondre à
l’objectif opérationnel.
2.2.2 Représentation générique des écrans de filets
Dans cette partie, nous décrivons la modélisation développée pour les écrans de
fi-lets. Dans un premier temps, nous définissons les écrans de façon générique à partir de
leurs constituants puis, dans un second temps, nous détaillons les potentialités de cette
définition dans la description d’ouvrages complexes.
2.2.2.1 Constituants principaux
Comme ceci a été décrit en 1.3.1 au chapitre 1, les principaux constituants d’un écran
de filets pare-blocs selon l’ETAG 27 [EOTA, 2013] sont :
– la nappe de filets, qui supporte le choc direct du projectile ;
– les poteaux, qui maintiennent la structure érigée ;
– les composants de liaison (câbles, dissipateurs d’énergie et agrafes), qui
main-tiennent la nappe de filets en place et transmettent les efforts aux fondations de
l’ouvrage ;
– les fondations, qui permettent de transmettre au sol les efforts découlant de l’impact.
Ces composants (nappe de filets, poteaux, dissipateurs d’énergie, câbles et ancrages)
forment le squelette de toutes les technologies d’écrans de filets. Par conséquent, un écran
de filets peut être décrit précisément et de manière générique uniquement à l’aide de ces
constituants. La description des écrans de filets comme assemblage de ces composants est
à l’origine de la modélisation générique proposée par Chanut et al [Chanut et al., 2012].
Ainsi, quels que soient les produits et les technologies utilisés, les ancrages, les poteaux, les
câbles et les dissipateurs d’énergie sont des constituants élémentaires ne nécessitant pas
un niveau de différenciation supplémentaire. Pour les nappes de filets, nous distinguons
les différents modules, ce qui permet, comme exposé au paragraphe suivant, une plus
grande liberté dans la description géométrique de l’ouvrage. Il est ainsi possible de définir
des modules de largeur différente par exemple. Au sein de chaque module, la structure
élémentaire de la nappe de filets est le motif, dont la répétition périodique engendre la
structure de la nappe de filets. Cette description (Figure 2.1) est générique dans la mesure
où elle demeure valable quelle que soit la technologie des constituants.
OUVRAGE
ANCRAGES CABLES DISSIPATEURS POTEAUX FILET
MODULES
MOTIFS
Figure2.1 – Définition de l’ouvrage générique
2.2.2.2 Assemblages et potentiel de description géométrique
Bien qu’employant des constituants principaux similaires, les conceptions et les
mé-thodes d’assemblage des écrans de filets diffèrent. En plus de décrire les constituants de
l’ouvrage, nous devons être en mesure de reproduire des assemblages complexes de ces
constituants. Dans le cadre de l’approche de modélisation développée, nous avons accordé
une forte latitude à la description géométrique de l’ouvrage. Cette latitude est détaillée
dans la suite.
Ancrages et poteaux La localisation spatiale des ancrages et des poteaux est libre
et l’inclinaison des poteaux par rapport au terrain est individualisée. Il n’y a pas de
limitation du nombre d’ancrages et de poteaux qu’il est possible de définir. Cela permet
de définir un ouvrage possédant un grand nombre de modules non nécessairement alignés
et de dimensions différentes. Il est ainsi possible de décrire des ouvrages réels en tenant
compte des adaptations au terrain.
Nappe de filets La distinction des modules au sein de la nappe de filets permet de
définir des modules dont le nombre de motifs et les dimensions diffèrent. Un module est
défini entre deux poteaux distincts mais les dimensions et l’inclinaison du module sont
indépendantes de celles des poteaux. Il est ainsi possible de positionner le filet en amont
ou en aval des poteaux. Il est également possible de décrire d’autres types de parades
comme les filets hybrides ou les filets pendus, en disposant verticalement un module de
très grande dimension à l’aval des poteaux par exemple.
Câbles et dissipateurs Le positionnement de la nappe de filets entre des poteaux
régulièrement espacés est commun à toutes les technologies d’écrans. Les principales
dif-férences entre les conceptions résident dans le câblage de l’ouvrage et le liaisonnement
de la nappe au reste de la structure. Afin de n’imposer aucune contrainte de câblage,
les dissipateurs et les câbles peuvent être tressés et attachés à n’importe quel élément de
l’ouvrage. Il est ainsi possible de décrire géométriquement le liaisonnement de toutes les
technologies d’écrans de filets pare-blocs.
2.2.3 Implémentation numérique de la structuration générique
Après avoir détaillé la description générique des écrans de filets, nous exposons
mainte-nant la représentation numérique associée à cette description. Le calcul des déformations
et des efforts au sein de la structure au cours d’impacts est effectué numériquement. Un
code de calcul dédié à la modélisation des écrans pare-blocs et reprenant la structuration
générique définie aux paragraphes précédents est développé. S’appuyant sur les travaux
de Chanut et al [Chanut et al., 2012] et Nicot et al [Nicot et al., 2001a], ce code est
développé au Cerema depuis 2011.
Cette plateforme de calcul est écrite en C++ [ISO, 2016]. L’outil de construction
auto-matique CMake [Kitware, Inc., 2012] est utilisé afin d’assurer la portabilité du code. Ce
langage de programmation orientée objet permet une structuration des données
particu-lièrement adaptée à la description générique employée grâce notamment à la classification
et au polymorphisme [Stroustrup, 2013] :
– la classification permet de définir une classe, regroupant des méthodes et des
at-tributs, pour chaque constituant principal de l’ouvrage défini précédemment. La
classe « Filet » par exemple, possède parmi ses attributs des « Modules » et parmi
ses méthodes une fonction « Créer Module » ;
– le polymorphisme permet de définir des classes filles héritant des attributs et des
méthodes de la classe mère et pouvant les spécifier ou les redéfinir. Ainsi la classe
« Filet à anneaux » par exemple, est une classe fille de la classe « Filet » dont elle
hérite des « Modules » et une méthode « Créer Module » qu’elle spécifie pour les
filets à anneaux.
Il est ainsi possible de définir une structuration générique au niveau du code de calcul
lui-même, dupliquant la représentation générique de l’ouvrage physique. Le code ainsi défini
peut être complété au fur et à mesure par la construction et l’implémentation de classes
filles, spécifiques aux éléments que nous souhaitons développer. Le programme utilise la
Méthode des Éléments Discrets (DEM) afin d’effectuer le calcul de l’impact dynamique
d’un bloc rocheux sur un écran de filets. Les différentes classes s’appuient donc sur une
bibliothèque DEM pour décrire les constituants de l’ouvrage et leurs interactions. La
méthode et la bibliothèque d’éléments utilisés sont présentées section 2.3. La description
des modèles des constituants à partir des éléments de cette bibliothèque est présentée
section 2.4.
Dans le document
Modélisation numérique discrète du comportement mécanique sous impact des structures d'écrans de filets pare-pierres
(Page 46-50)