002-le~1

7/18/2019 002-LE~1

1/8

INNOVATION

Techniques de lIngnieur11 - 2005 IN 47- 1

Le pare-blocs structurellementdissipant : une structure forte capacit de dissipationnergtiqueparFabien DELHOMME(1), Jean-Pierre MOUGIN(2), Amen AGBOSSOU(3), Pascal PERROTIN(4)

Ces ouvrages pare-blocs ont pour caractristique principale dautoriser un

endommagement tolrable de la structure pour les sollicitations extrmes deforte intensit mais de faible occurrence. Cette conception innovante permetla rduction des cots de construction et un meilleur suivi de louvrage.

1. Les chutes de blocs

1.1 Contexte et enjeuxEn France, plus de 4 500 communes sont conce-

rnes par des risques de mouvement de terrain.Parmi ces alas, les chutes de blocs et de pierres sontcaractrises par le dcrochement de volumes inf-rieurs 100 m3. Cet ala frquent et connu en zonesmontagneuses provoque de nombreux dommagessur les voies de circulation (figure 1) et peut entra-ner des pertes en vies humaines. Les interruptionsdu trafic sont dautant plus dommageables dun pointde vue conomique que la socit devient de plus enplus dpendante des moyens de communicationnotamment lors des priodes de pointe (tourismehivernal et estival).

Il devient donc indispensable de scuriser ces iti-nraires dits sensibles aux moyens de systmes deprotection. Deux techniques majeures, dpendant duvolume et de la frquence des chutes de blocs, sontutilises : soit la mise en place de filets ou de grilla-ges de protection (protection dite active), soit laconstruction douvrages pare-blocs au-dessus desroutes (protection dite passive).

1.2 Les galeries de protectionpare-blocs

La technique habituelle des galeries de protectionconsiste raliser, dans la zone expose aux chutesde blocs, une dalle recouverte dun remblai(figure 2). Pour un tel ouvrage, la couche de sol au-dessus de la dalle na quune fonction dissipative :elle absorbe lnergie dimpact [1].

La conception de la dalle en bton arm repose ainsiessentiellement sur une approche de dimension-nement statique puisque sa fonction se rsume

supporter la masse du remblai et une pression statique quivalente . Malheureusement, cette technique,trs employe jusqu prsent, engendre de nom-breux problmes au niveau des fondations cause dupoids propre important du matriau de couverture etde la structure. De plus, le remblai tant difficilementaccessible, la maintenance (vacuation des blocs res-ts sur louvrage) et la surveillance rgulire de laconstruction sont difficiles voire impossibles.

Dans lobjectif de proposer une structure moinsonreuse la construction et dentretien plus ais,un nouveau concept de galerie pare-blocs appel pare-blocs structurellement dissipant [2]at dvelopp par le bureau Tonello IngnieursConseils dAix-Les-Bains en collaboration avec leLaboratoire optimisation de la construction et ing-nierie de lenvironnement (LOCIE) de Chambry.

(1) Docteur de luniver-sit de Savoie(2) Matre de confren-ces luniversit deSavoie(3) Professeur des uni-versits. Professeur luniversit de Savoie.(4) Matre de confren-ces luniversit de

SavoieAuteur correspondantpour cet article.

Figure 1 Chute dun bloc sur un tablier de pont Motiers en 1998

7/18/2019 002-LE~1

2/8

INNOVATION

11 - 2005IN 47- 2 Techniques de lIngnieur

2. Les galeries pare-blocsstructurellementdissipantes

2.1 Principe de fonctionnementLa principale innovation des pare-blocs structurel-

lement dissipants consiste supprimer la couchede remblai et dissiper lnergie dimpact ausein de la dalle en bton arm et des appuis(figure 3). Lnergie cintique du bloc est absorbedirectement par la mise en flexion de la dalle, pou-vant aller jusqu la plastification des armatures lors-que le choc a lieu en trave, ou par le cloquagedappuis fusibles pour un impact en rive [3]. Cesappuis sont simplement constitus dun tube mtalli-que soud entre deux platines et fix la dalle. Sousforte compression, le tube va flamber et dissiper unepartie de lnergie du choc par cloquage.

La dalle nest donc plus uniquement sollicite enlasticit mais galement en plasticit pour les chocsdits exceptionnels , de forte intensit mais de fai-ble occurrence. Un certain niveau dendommage-ment entranant des dformations permanentes estalors accept. La structure est ainsi amene subir

des rparations qui sont les suivantes : pour les chocs en partie centrale, la zone

dimpact fortement endommage sera dmolie puisreconstruite ;

pour les chocs au niveau des appuis, lesappuis plastifis seront simplement changs en sou-levant la dalle laide de vrins ;

en revanche, pour les chocs ayant un niveaudnergie dit courant (impact de plus forteoccurrence), la dalle se dforme uniquement dans sondomaine lastique et ne subit aucun endommage-ment significatif ; aucune intervention de maintenancenest donc ncessaire aprs cette catgorie dimpact.

Figure 2 Galerie pare-blocs de conception classique

Figure 3 Galerie pare-blocs structurellement dissipante des Essariaux dans le Val dArly en Savoie

4,7

0m

1m

10 m

12 HA 32/m

0,7

0m

10 m

6 HA 25/m

7/18/2019 002-LE~1

3/8

INNOVATION


2.2 Points fortsLavantage principal de ce type de construction est

de rduire denviron 30 % lpaisseur de la dalle decouverture par rapport une conception classique,entranant une diminution du poids propre de lastructure. Ce gain de poids engendre des conomiessignificatives sur les fondations, souvent ralisesdans des sols de mauvaise qualit ou de mise enuvre dlicate ( flanc de montagne par exemple).Le cot de construction de louvrage est globalementdiminu de 10 25 % par rapport aux pare-blocsrecouverts dun matriau amortissant (source :bureau Tonello IC).

De plus, les chocs au niveau des appuis sont prisen compte grce aux appuis fusibles, ce qui vitelendommagement des lments (poteaux ou chev-tres) les supportant.

La maintenance et lentretien sont galement faci-lits par le fait que la dalle est accessible, les blocspouvant ainsi tre facilement vacus.

3. Validation exprimentaleLors de la ralisation du premier ouvrage, une

campagne exprimentale, finance par le SETRA(Service dtudes techniques des routes et autorou-tes), la DDE (Direction dpartementale de lquipe-ment) de Savoie et le RGCU (Rseau gnie civil eturbain), a t effectue afin de valider le principe defonctionnement et de rparation des pare-blocs

structurellement dissipants.

3.1 Campagnes dessaisLa structure exprimentale est une maquette,

lchelle un tiers, de la dalle dviatrice du pare-blocsdes Essariaux en Savoie. Elle est constitue dunedalle horizontalede 4,80 m 12 m et de 0,28 mdpaisseur, en bton ayant une rsistance moyenne la compression de 30 MPa. Elle est renforce(figure 4) par une forte densit darmatures haute adhrence de limite lastique gale 500 MPa (FeE 500) reprsentant 4 300 kg dacierpour 16 m3de bton [4].

Elle repose sur 22 appuis fusiblesforms par destubes en acier (TUE 220 A, 100 mm de hauteur,70 mm de diamtre et 2,9 mm dpaisseur) soudsentre deux plaques dacier carres de 100 mm dect et de 8 mm dpaisseur. Des essais statiques decompression ont montr que ces supports cloquaientsous un chargement statique denviron 260 kN.

Au total, six essais, lists dans le tableau 1, ont traliss diffrentes positions au cours de trois cam-pagnes exprimentales [5].

Pour tester la dalle au cours dun cycle de vie com-plet, elle a t rpare aprs lessai T2 [6]. Cetterparation a t effectue en dmolissant et enextrayant la totalit du bton fissur : cela a t ra-lis par hydrodmolition (figure6) laide dun jetdeau trs haute pression (150 250 MPa) ; lebton a ainsi t dcoup soigneusement et les

armatures mtalliques ont t mises nu sans aucundommage ; puis la zone dgage a t reconstruite laide dun bton de rsistance moyenne la com-pression de 35 MPa.

Lexamen des aciers dans cette zone a montr quecertaines armatures deffort tranchant avaient trompues par traction ce qui prouve que la charge depoinonnement avait t sous-estime. Les cadresde diamtre 8 mm ont ainsi t remplacs par despingles de diamtre 10 mm, ce qui a augment leursection de 56 %. En revanche, aucune sollicitationirrversible apparente na t observe sur les arma-tures longitudinales.

Figure 4 Coupe de la dalle dessai dans le sens transversal

4 800

4 000

19 HA 14 suprieures et infrieures

38 cadres HA 8 e= 140

8 HA 20HA 2supuprieuresieures

et inft infrieuresieures

8 HA 20HA 2supuprieuresieures

et inft infrieuresieures

8 HA 20suprieures

et infrieures

8 HA 20suprieures

et infrieures

280

400 400

HA armature de haute adhrenceLes cotes sont en millimtres

Pour simuler le choc dun rocher, la dalle estimpacte par un bloc cubique chanfrein en btonarm. Un bloc de 450 kg est lch dune grue(figure 5) dune hauteur de 15 m pour simuler unimpact dit courant (67 kJ) : essai T1, et de30 m pour reproduire un impact dit exceptionnel (135 kJ) : essais T2 T5. Unessai final destructif est galement ralis avecun bloc de 810 kg tombant dune hauteur de37 m (294 kJ) : essai T6.

7/18/2019 002-LE~1

4/8

INNOVATION


3.2 Instrumentation mise en place

La dalle a t quipe dun ensemble de capteurs

connects une centrale dacquisition dont la fr-quence dchantillonnage est de 7 000 Hz ; les cap-teurs suivants ont t mis en place (figure 7) :

jauges de dformation sur les armatures longi-tudinales suprieures et infrieures ;

jauges de dformation sur les armatures defforttranchant pour dterminer les dformations par trac-tion au moment de limpact ;

neuf capteurs de dplacement LVDT (LinearVariable Differential Transformer) de capacit50 mm, placs en sous-face de la dalle ;

sept acclromtres (500 g prs de limpact et50 g plus loin) sur la face infrieure de la dalle, ct des capteurs LVDT ;

Tableau 1 Caractristiques des diffrents essais dimpact

Campagne Essai tat de la zonedimpact avant choc nergie dimpact(kJ) Position delimpact

C1

T1 Intact 67 Zone centrale(mi-trave)

T2 Intact 135 Zone centrale(mi-trave)

T3 Intact 135 En rive

C2T4 Rpare aprs T2 138 Zone centrale(mi-trave)

T5 Endommage par T1 134 Zone centrale(mi-trave)

C3 T6 Endommage par T4 294 Zone centrale(mi-trave)

Figure 5 Chute du bloc au cours de lessai T2

Figure 6 Mthode de rparation de la dalle aprsun choc exceptionnel en trave

a hydrodmolition

b armatures de la dalle aprs hydrodmolition

7/18/2019 002-LE~1

5/8

INNOVATION


un acclromtre (5 000 g verticalement) surle bloc impactant pour mesurer les dclrationsdimpact ;

cinq capteurs de force (capacit 1 000 kN)rgulirement positionns sous une ligne dappuisfusibles.

En complment de ces capteurs, une camra ultra-rapide (1 000 images par seconde, champ de 2 msur 2 m, 256 240 pixels) a permis denregistrer lesimpacts des blocs sur la dalle (figure 8).

3.3 Comportement global de la dalleDans une premire approche, une analyse qualita-

tive des essais rvle que :

un choc courant (essai T1) na entranquun faible endommagement ne ncessitant aucunerparation et la dalle a parfaitement support undeuxime impact exceptionnel (essai T5) ;

un choc exceptionnel (essai T2) a entranun endommagement consquent de la dalle mais quireste localis la zone dimpact, donc une rparationest possible ;

le comportement de la dalle est globalementrest identique pour un choc exceptionnel avant(essai T2) ou aprs rparation (essai T4) ;

les appuis ont parfaitement rempli leur rle ensubissant un cloquage (figure 9) lors du choc en rive(essai T3), permettant ainsi de dissiper lnergiedimpact du bloc. En revanche, aucun appui na plas-tifi lors des chocs mi-trave.

Ces rsultats sont conformes au comportementsouhait et attendu et permettent donc de valider leprincipe de fonctionnement et de rparation despare-blocs structurellement dissipants.

3.4 Mcanismes dendommagementde la dalle

Dans un deuxime temps, une analyse fine desdonnes issues des capteurs montre que le transfertdnergie entre le bloc et la dalle, lors dun choc entrave, se dcompose en plusieurs phnomnes quientranent des endommagements de diffrentesnatures : dstructuration du bton de surface, poin-onnement de la dalle, mise en flexion de la struc-ture.

Dstructuration du bton

Dans une premire phase, lorsque le bloc entre encontact avec la dalle, plusieurs phnomnes mal con-nus dgradent le bton et dissipent de lnergie : par

une compaction du bton de la dalle au droit delimpact [7], par une fissuration de surface du bloc etde la dalle, par friction interne, sous forme de chaleuret dans une moindre mesure par nergie acoustique.Ces mcanismes restent localiss la zone de con-tact entre le bloc et la dalle.

Poinonnement

Lors du contact, le bloc poinonne la dalle et uncne de bton tend tre ject. Des fissures incli-nes 45(figure 10) apparaissent dans lpaisseurde la dalle et provoquent une mise en traction dubton et des armatures deffort tranchant (armaturesverticales), pouvant aller jusqu leur rupture, ainsi

Figure 7 Capteurs installs sur la dalle dessai

acclromtreb

jauge de dformation sur les armaturesa

capteur deffortd

capteurs de dplacement LVDTc

7/18/2019 002-LE~1

6/8

INNOVATION


quun cisaillement des armatures suprieures et inf-rieures [8]. Ce phnomne est caractris par leffortde percussion exerc par le bloc sur la dalle [9]. Ceteffort, variant de 3 5 MN [10] pour nos essais(dtermin partir du temps de contact et des vites-ses dentre et sortie du bloc), permet de dimension-ner les armatures deffort tranchant [11]. Lepoinonnement endommage localement fortement ladalle mais dissipe peu dnergie par rapport la miseen flexion globale de la structure.

Flexion de la dalleParalllement au poinonnement, il se produit une

mise en flexion de la dalle. Lnergie cintique dubloc est transfre la dalle sous forme dnergiecintique et de dformation. Lnergie de dforma-tion se dcompose en une nergie lastique, qui estrestitue lors de la remonte de la dalle, et une ne-rgie plastique, qui est dissipe par la fissuration dubton voire par la plastification des armatures. Lana-lyse des signaux issus des capteurs LVDT (figure 11)rvle que 12 16 % de lnergie incidente du blocest transmise la dalle (sous forme dnergie cinti-que et de dformation).

En utilisant une approche nergtique, les con-traintes maximales de flexion dans le bton et dansles armatures infrieures horizontales sont obtenues,ce qui permet de les dimensionner.

4. ConclusionLa volont croissante de scurisation des itinrai-

res montagneux contre le risque de chutes de blocsentrane un rapide dveloppement des pare-blocs

structurellement dissipants. Leurs avantagesmajeurs sont une rduction du cot de constructionpar rapport aux constructions classiques et unemeilleure gestion de la maintenance de louvrage.

Actuellement, deux ouvrages ont dj traliss : le pare-blocs des Essariaux (figure3) en1998 sur la RN 212 dans les gorges de lArly enSavoie pouvant dissiper une nergie dimpact de3 360 kJ (bloc 3,9 t tombant dune hauteur de 86 mde haut) et la galerie pare-blocs du massif de laGrande Platte (figure12), dissipant une nergiedimpact de 6 050 kJ, sur la RD 91b sur les commu-nes de Champagny-en-Vanoise et du Planay en

Figure 8 Images issues de la camra ultra-rapide lors de lessai T4

Figure 9 tat des appuis fusibles avant et aprs lessai T3 en rive

a avant choc b aprs choc

Cloquage

7/18/2019 002-LE~1

7/8

INNOVATION


Savoie. Des travaux sont galement en cours avecnotamment la galerie pare-pierres de Poniente sur laRN 212 (Savoie) qui, dans ltude initiale, tait incli-ne et pouvait dissiper une nergie allant jusqu16 600 kJ ; une purge de lescarpement a permisensuite de diminuer lnergie 5 000 kJ. Le pare-

blocs des Egratz sur la RN 205 (figure 12) est ga-lement en projet et doit pouvoir absorber un chocdune nergie de 2 700 kJ.

Une perspective dvolution des pare-blocs struc-turellement dissipants est de tester linfluence dunecouche amortissante mince de quelques centimtresdpaisseur de type bton bitumineux. Cette couchedevrait permettre de rduire lendommagement localde la dalle au niveau de la surface dimpact notam-ment pour les chocs de faible intensit. En ce quiconcerne le suivi et la surveillance, un projet dins-trumentation dun des ouvrages en construction est ltude afin dobtenir des informations priodiquessur la frquence et lintensit des impacts subis par lastructure.

Figure 10 Endommagement de la dalle aprs dmolition de la zone dimpact lors lessai T6

Armatures suprieures goujonnes

Cadre rompuBton denrobage expuls

Dalle

Bloc

45

Figure 11 Dplacement de la dalle au niveaudu point dimpact issu dun capteur LVDT lors delessai T5

600800

1 0001 200

1 4001 600

1 8002 000

20

15

10

5

0

5

10

15

Temps (ms)

Dplacement(mm)

Remerciements

Ce travail na t possible que grce au parte-nariat avec le bureau aixois Tonello IngnieursConseils et en particulier avec M. Jean Tonello.Les auteurs souhaitent remercier MichelMommessin, matre de confrences lESIGEC,la DDE 73 et le SETRA pour leurs aides finan-cires, le laboratoire CETE de Lyon pour sacoopration lors de la mise en place des jaugesde dformation ainsi que lentreprise LonGrosse pour son aide dans la ralisation de ladalle dessai.

7/18/2019 002-LE~1

8/8

INNOVATION


Bibliographie

[1] MONTANI (S.). Sollicitation dynamique de la couver-ture des galeries de protection lors de chutes de blocs.Thse de doctorat no1899 de lEPFL, Lausanne (1998).

[2] TONELLO (J.). Couverture pare-blocs structurelle-ment dissipante. Label IVOR 01.1, Mission Gnie Civil,

Ministre de lquipement, France (2001).[3] PERROTIN (P.), MOMMESSIN (M.), MOUGIN (J.-P.) et

TONELLO (J.). tude exprimentale du comporte-ment dune dalle pare-blocs. Revue franaise de gniecivil, Vol. 6, no5/2002, p. 723-734 (2002).

[4] DELHOMME (F.), HENRIET (N.), PERROTIN (P.) et MOU-GIN (J.-P.). tude exprimentale dune dalle en btonarm pour un ouvrage pare-blocs. Congrs GC2003,AFGC, Paris (2003).

[5] DELHOMME (F.), AGBOSSOU (A.), MOMMESSIN (M.),MOUGIN (J.-P.) et PERROTIN (P.). Behavior study of arock-shed slab. Proc. of the 1stInt. Conf. on Responseof Structure under Extreme Loading, Toronto, Canada(aot 2003).

[6] DELHOMME (F.), MOMMESSIN (M.), MOUGIN (J.-P.) etPERROTIN (P.). Behavior of a structurally dissipatingrock-shed : experimental analysis and study of

punching effects. International Journal of Solids and

Structures, vol. 42, Issue 14, p. 4204-4219 (juillet2005).

[7] BURLION (N.), GATUINGT (F.), PIJAUDIER-CABOT (G.)et DAUDEVILLE (L.). Compaction and tensile damagein concrete : constitutive modelling and application todynamics. Computer methods in applied mechanicsand engineering, vol. 183, no3-4, p. 291-308 (2000).

[8] CEB-FIP. Punching of structural concrete slabs. Tech-nical report, bulletin 12 (avril 2001).

[9] GOLDSMITH (W.). Impact. Londre, dition EdwardArnold (1960).

[10] PERROTIN (P.), DELHOMME (F.), MOMMESSIN (M.) etMOUGIN (J.-P.). Behaviour of an impacted reinforcedconcrete slab : percussion and punching analysis. Proc.of the 8th Int. Conf. on Structures Under Shock andImpact, Crete, Greece (mars 2004).

[11] MENTREY (P.). Synthesis of punching failure in rein-forced concrete. Cement & Concrete Composites,vol. 24, p. 497-507 (2002).

Thse

DELHOMME (F.). tude du comportement sous impactdune structure pare-blocs en bton arm. Thse de doc-torat de lUniversit de Savoie (mars 2005).

Figure 12 Pare-blocs construits ou en projet

35%

2 700 kJ

a galerie pare-blocs de Grande Platte sur la RD 91b b projet de pare-blocsdes Egratz sur la RN205

002-le~1

Documents