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C A L C U L D E S F O N D A T I O N S S U P E R F I C I E L L E S E N Z O N E S I S M I Q U E

A V E C L A N O U V E L L E R E G L E M E N T A T I O N

Socit daccueil : Keller Fondations Spciales

PFE prsent par : DUSSOURD Alexandre

Tuteur industriel : LAMBERT Serge

Enseignant superviseur : NOWAMOOZ Hossein

Introduction

La capacit portante dun sol est la contrainte que peut reprendre le sol avant rupture par cisaillement. Plusieurs mthodes issues dessais permettent de la dterminer. Une fois calcule, il faut procder une vrification de cette capacit portante sous action statique dans un premier temps puis sous actions sismiques si il ya lieu dans un second temps. Pour ce faire, il tait commun dutiliser la rglementation du DTU13.12 et Fascicule V pour la vrification statique puis dutiliser les recommandations du PS92 pour vrifier la portance sous actions sismiques. Le sujet de ce projet de fin dtudes porte sur lanalyse de la nouvelle rglementation en vigueur pour le calcul de portance des fondations superficielles en zone sismique. La norme nationale NFP 94-261 se rfre lEC8-5 lors de la vrification de la portance en zone sismique. Cette dernire propose une expression gnrale dans lAnnexe F visant tenir compte la fois des efforts sismiques et de la force dinertie du sol. Pour ce faire, je vais dans un premier temps prsenter lAnnexe F de lEC8-5, puis jtablirai une tude comparative entre la norme nationale NFP 94-261+EC8-5 et le DTU13.12+PS92, enfin je terminerai par la validation de ladaptation de lEurocode prsent dans lAFPS dans le cas de renforcements de sols. Lors de ma prsentation jexposerai la feuille Excel tablissant lensemble des vrifications de la norme nationale NFP 94-261. 1. Prsentation de lAnnexe F de

lEurocode 8-5 LAnnexe F de lEC8-5 dfinit lexpression gnrale suivante concernant la stabilit par rapport une rupture par perte de capacit portante sismique dune fondation superficielle. Cette expression relie la rsistance du sol, les effets de laction sismique de calcul (NEd, VEd, MEd) au niveau des fondations et les forces dinertie du sol.

(1 )()

()[(1 ) ]+

(1 )()

()[(1 ) ] 1 0

=

; =

; =

0 < 1 || 1

LAnnexe F propose de distinguer deux types de sols, soit le sol est considr comme purement cohrent, soit purement frottant. Les paramtres numriques a, b, c, d, e, f, m, k, k, cT, cM, cM, , ainsi que la capacit portante Nmax et la force dinertie du sol F ont des valeurs diffrentes et formulations distinctes en fonction du type de sol.

Dans le plan ( ; ) avec = 0 pour un sol purement cohrent et purement frottant, on observe un cart relatif significatif de 54% au maximum entre les deux types de sol. Les formulations prsentes dans lAnnexe F nutilisent que la cohsion et langle de frottement. On peut donc se demander comment utiliser cette nouvelle rglementation partir des rsultats dessais pressiomtriques ou pntromtriques usuellement reus par un bureau dtude de sol. La norme nationale NFP 94-261 autorise lapplication des mthodes usuelles de dtermination de la capacit portante partir de ces essais. Cependant, il est noter que Nmax est la capacit portante ultime de la fondation sous charge verticale centre pour un encastrement nul. Dans la suite de ltude Nmax sera ainsi calcule partir de la pression limite. Force dinertie du sol Lun des principaux intrts de lAnnexe F est la prise en compte directe des effets de laction sismique (NEd, VEd et MEd) mais aussi celle des forces dinertie du sol. Ces forces dinerties du sol sont distinguer des forces dinerties de la structure. Lors dun sisme, le sol est travers par des ondes provenant de la source sismique. La propagation de ces ondes dans le sol de fondation lui impose des dformations et entrane la cration de forces dinertie dans le

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volume du sol. De plus, le mouvement du sol est transmis la fondation en engendrant dans la superstructure des forces inertielles.

Bien que lexpression gnrale intgre la force dinertie du sol, LAnnexe F indique que dans les situations les plus courantes et pour des sols

cohrents, peut tre pris gal zro. Jai donc fait varier entre 0 et 1 afin dobserver lvolution de la courbe enveloppe dans le plan ( ; ). Premirement, je limiterai la valeur de 0.50 qui est une valeur maximale suffisante et raliste dans la rgion Alsace. Aprs variation de la force dinertie du sol pour un sol cohrent, jai pu observer une faible variation de la courbe enveloppe : pour = 0.5 on obtient encore 90% de la capacit portante ultime Nmax. Dans le cas de sol frottant lcart y est plus important : pour = 0.5 on ne trouve plus que 75% de la capacit portante ultime Nmax. 2. Etude comparative entre la norme

nationale NFP 94-261+EC8-5 et le DTU13.12+PS92

Dans cette tude jai dfini une semelle filante avec encastrement nul sur un sol bicouche compos dune premire couche dargile de 6,0m (pl =0,60 MPa EM = 9,6 MPa) reposant sur une couche de sable/gravier (pl = 1,50 MPa EM = 20,3 MPa). Jai ensuite fait varier tour tour NEd, VEd puis MEd en fixant les deux autres efforts afin dobtenir pour chaque cas la largeur utile B. Jai ainsi pu tracer lvolution de la largeur utile B de la semelle en fonction de laugmentation de leffort considr. Jai galement tenu compte de la force dinertie du sol en distinguant deux cas avec F=0 et F=0.5. Plusieurs observations ont pu tre tablies partir des diffrentes courbes. Au total 3 graphiques de avec chacun 3 courbes ont t obtenus.

Rsultats & Analyse : La prise en compte des forces dinertie

ninflue que trs peu sur laugmentation

de la largeur utile

lcart entre le calcul au DTU et lEurocode crot avec laugmentation de

leffort normal. Dans tous les cas le

calcul au DTU donne des semelles

rduites.

La variation deffort normal prdomine

sur la variation de largeur utile. Leffort

horizontal et le moment nont quune

influence limite

On constate que le calcul par le DTU

offre des largeurs utiles rduites dans

lensemble des cas. LEC8-5 semble

donc plus scuritaire

Par cette tude et au vu des faibles carts, on peut ainsi valider la non prise en compte de la force dinertie du sol dans les cas les plus courants. Par ailleurs, on peut aussi constater une approche plus scuritaire dans lapplication de lEC8-5.

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Discussion En analysant lexpression gnrale prsente dans lAnnexe F, on peut mettre des rserves quant aux diffrents cas pris en compte et son utilisation au quotidien. En effet, certains aspects ne sont pas considrs tels que : une autre gomtrique que la gomtrie plane, la profondeur dencastrement de la fondation, le choix du type de sol restreint (purement cohrent ou purement frottant) et enfin les expressions de la capacit portante Nmax sont prsentes pour des semelles filantes. Des travaux complmentaires ont t effectus par M. Chatzigogos afin de rpondre la gomtrie particulire dune fondation circulaire. Ses rsultats mont sembls particulirement intressants et matire rflexion quant la formulation prsente dans lAnnexe F. Une adaptation des formulations de la capacit portante Nmax et de la force dinertie F est prsente dans la thse de M. Chatzigogos. La diffrence remarquable qui aura un impact sur les courbes enveloppes est

lintroduction un facteur dans le terme de . Cette diffrence a pour consquence des carts significatifs avec ou non la prise en compte de la force dinertie du sol. En observant le comportement de la courbe enveloppe en

fonction de la valeur de on obtient les rsultats suivants : dans le cas dun sol cohrent et pour =0.5 on se retrouve avec seulement 65% de Nmax qui sont mettre en comparaison avec les 90% obtenus en utilisant lAnnexe F. Ces travaux soulvent ainsi la question sur luniversalit de la formulation prsente dans lEC8-5, notamment dans le cas de semelles isoles. Est-on suffisamment scuritaire en appliquant lAnnexe F dans ce cas. 3. Application au renforcement de sol Lors de lutilisation de renforcement de sols tels que des colonnes ballastes, des inclusions rigides (IR) ou des colonnes modules mixtes (CMM), on se doit galement de vrifier la portance de la fondation. Lintrt dun renforcement de sol tant avant tout de rduire les efforts repris par le sol en faisant travailler le renforcement de sol au maximum. La norme nationale et lEurocode ne prsentent pas de mthodes de calcul pour une vrification de la portance sous actions sismiques dun sol renforc. Cest pourquoi lAFPS a tabli des recommandations sur lexpression gnrale de lAnnexe F. Ces recommandations portent sur les effets de laction sismique (NEd, VEd, MEd) auxquels on a retir les ractions en tte de colonne (RiEd, ViEd)

pondres par des coefficients de scurit partiels N, T. Tout ceci, sous rserve quelles soient sous la zone comprime de la semelle, et quelles restent admissibles concernant le matelas, le matriau de linclusion et la portance vis--vis du sol. Il convient pour cela de dterminer la rpartition des efforts en tte de colonne (effort normal et horizontal) partir des modles intgrant des lois de comportement appropries aux conditions sismiques.

Les quations suivantes prsentent la marche suivre pour le calcul des nouveaux efforts sismiques auxquels on aura retir les ractions en tte de colonne.

=

= 1

=

= 1

=

= 1

Ces quations ont t tablies par un groupe de travail dont M. Pecker a fait partie qui a galement particip la rdaction de lAnnexe F. Cependant, Ces quations ont t tablies sans jamais avoir t rellement valide par des essais ou modles. Il serait donc intressant de vrifier le bien-fond de ces quations. Une tude exprimentale en laboratoire a t mene conjointement entre Keller et lUniversit de Grenoble. Le modle rduit (chelle 1/10) est form dune semelle carre de 24cmx24cmx2cm reposant sur un massif dargile renforc de 4 inclusions en aluminium qui sont associes une partie suprieure souple. Des swype tests ont notamment t raliss sur les CMM afin de dterminer la combinaison des charges limites verticale V et horizontale H qui provoque la rupture de la fondation isole. Exprimentalement cela se traduit par une augmentation progressive de la charge vertical jusqu sa capacit ultime, puis on applique une force horizontale tout en bloquant la fondation verticalement. Deux essais ont t raliss : lun sur largile non renforc et le second sur largile renforc par des CMM.

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En comparant les rsultats obtenus partir des courbes enveloppes de lEurocode et les rsultats exprimentaux de ltude on constate une concordance des courbes de rupture. La tendance gnrale et les ordres de grandeur sont respects. Pour cette vrification, la capacit portante Nmax a t calcul partir de la cohsion (expression fournie dans lAnnexe F). Jai donc voulu compar ces rsultats en calculant la capacit portante partir dessais pressiomtriques comme la norme nationale nous lautorise en utilisant la corrlation cohsion-pression limite. Jobserve un cart important entre les deux mthodes de calcul de la capacit portante Nmax, les rsultats tant plus conservateur partir de la pression limite. Enfin, il tait intressant de dterminer le pourcentage de la charge reprise par le renforcement de sol afin de le confronter aux valeurs usuelles. 78% de la charge totale est reprise par les 4 CMM, soit 20% par CMM. Ces valeurs semblent quelque peu leves par rapport aux valeurs usuelles (gnralement 65-70%). Ceci peut sexpliquer par une modle ne refltant pas assez fidlement la ralit ainsi quun sol argileux trs mauvais.

Conclusion Jai pu constater que lapplication de nouvelle rglementation ne devait pas se faire sans garder une certaine distance et un regard critique. En effet, cette analyse maura permis de comparer la nouvelle rglementation et ainsi apprcier les limites du nouveau modle. De nombreux travaux sortis aprs la parution de cette norme montrent les manquements du modle fourni dans lEurocode (cf : travaux de Chatzigogos), ainsi quune adaptation quelque peu complique avec les rsultats obtenus par un bureau de sol. Tout ceci pose donc la question sur lutilisation directe de cette Annexe F au quotidien dans un bureau dtude ainsi que sur les difficults qui vont se poser quant la clart des changes avec les diffrents intervenants extrieurs.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

forc

e h

ori

zon

tale

[kN

]

force verticale [kN]

argile

argile renforc