reglement sismique futur des barages en france

8me Colloque National AFPS 2011 Ecole des Ponts ParisTech 1

Prparation dune rglementation sismique des barrages en France Daniel Loudire* Marc Hoonakker** * Vice-Prsident du Comit Technique Permanent des Barrages et des Ouvrages Hydrauliques 25 voie de Chtenay, 91 370 Chtenay-Malabry [email protected] ** Ministre de lEcologie, du Dveloppement Durable, des Transports et du Logement Bureau dEtude Technique et de Contrle des Grands Barrages 44, avenue Marcelin Berthelot 38030 Grenoble Cedex 2 [email protected] RSUM. La rglementation de la scurit en matire de barrages et douvrages hydrauliques comme en matire de sismes est un sujet trs actif en France depuis quelques annes. Le ministre de lEcologie en charge de ces questions a demand un groupe de travail anim par les deux auteurs de la communication de prparer un document susceptible de constituer un rfrentiel technique pour lvaluation de la scurit des ouvrages hydrauliques, barrages et digues, lgard des sollicitations dorigine sismique. Les ouvrages sont classs en 4 catgories dimportance , en fonction de leur taille et de leur impact sur la scurit publique. La dtermination de lala de rfrence, sisme dvaluation de scurit SES, repose sur un zonage sismique du territoire, ou des tudes spcifiques (dterministes ou probabilistes) ; il dpend des catgories, les tudes spcifiques sont obligatoires pour les ouvrages les plus importants (barrages de classe A en zones de sismicit 4 et 5). Les effets de site sont largement abords, mme si leur traitement nest pas toujours vident (topographie, remplissages alluvionnaires et liqufaction). La progressivit des tudes, des plus simplifies aux plus complexes, doit tre adapte aux enjeux. Les critres de performance ont t proposs en termes de vritables tats limites ultimes. A ct de lvaluation de la scurit stricto sensu , le rapport propose dautres mesures ainsi que des recommandations pour combler les lacunes de connaissance et de mthodologie. ABSTRACT. Legislation related to dams and levees safety on one hand and seismic safety of civil works on the other hand has benefited from an active process in France for the last five years. The Ministry o Ecology in charge of theses questions has set up a working group to prepare guidelines for dam and levee safety in relation with seismic hazards ; the authors of this paper had to organize and coordinate the tasks within the working group. Dams and levees are classified into four classes in relation with their size and impacts on public security. The level of seismic hazard is determined using a national seismic zoning or based on specific studies (deterministic or probabilistic methods) ; the choice ot the safety evaluation earthquake depends of the category of the hydraulic work ; specific studies are compulsory for the more important dams (class A in seismic zones 4 and 5). Site effects (topography, alluvial layers, liquefaction potential) are largely described, however specific recommandations are not easy to deliver. The progresion of complexity within dam safety evaluation is related to the dam importance, from basic studies to the more complex methods. Performance or acceptance criteria are proposed in relation with a situation where the damage may be significant but the water of the reservoir should not released downstream. Beyond dam safety, the report includes other recommandations to ensure hydraulic works safety, improve the methods and develop a better knowledge of all related questions to dams and levee safety in relation with seismic hazards.

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MOTS-CLS : scurit, risque sismique, ouvrages hydrauliques, barrages, digues, valuation de la scurit, recommandations franaises KEYWORDS: safety, seismic hazards, hydraulic works, dams, levees, safety evaluation, recommandations for France

1. Introduction

La communication est essentiellement base sur le rapport dun groupe de travail mis en place par le Ministre de lEcologie entre 2009 et 2011 et anim par les deux auteurs de la communication. Le travail a t initi par deux volutions rglementaires rcentes :

publication par le Ministre de lEcologie dune nouvelle carte de zonage sismique de la France par dcret du 22/10/2010. Il sagit donc de prparer larrt qui fixe les niveaux dacclrations de rfrence au rocher en fonction des zones de sismicit, pour les ouvrages hydrauliques ;

parution rcente dun important corps de textes rglementaires relatifs la scurit des ouvrages hydrauliques, dont le dcret du 11/12/2007 qui, au travers des tudes de danger , exige une valuation du risque sismique.

Est ainsi apparu le besoin dun rfrentiel technique qui serve de support llaboration dune rglementation pour la vrification des ouvrages hydrauliques vis--vis du risque sismique. La vocation pdagogique de ce document est aussi clairement affirme par la prsentation des principales connaissances scientifiques, tant sur le plan de lala que des mthodes de vrification. La rflexion du groupe de travail pluridisciplinaire a bnfici, dans un esprit consensuel, dexperts de la communaut franaise des barrages et du monde de la sismologie. Les principales parties prenantes (administration, centres de recherche, bureaux dtudes, matres douvrages) taient reprsentes.

Les recommandations du groupe concernent la fois les barrages et les digues de protection contre les inondations (dnommes digues dans la suite du rapport), les ouvrages neufs ou existants. La cohrence a t recherche avec les rglementations nationale et internationales du gnie civil (notamment lEurocode 8), avec les rglementations parasismiques des autres structures telles que les installations industrielles ou nuclaires, avec les pratiques trangres et notamment celles des pays limitrophes, avec les autres risques naturels (notamment les crues).

Les recommandations peuvent tre structures en trois grands thmes : la quantification de lala, lapproche gradue des mthodes de calcul, les critres de performance.

2. Ala sismique

En prambule, on prcise que la vrification de la scurit des ouvrages doit tre assure pour trois types dvnements :

le sisme dvaluation de scurit (SES), vnement exceptionnel pour lequel des dommages sont accepts mais sans effondrement gnral conduisant un relchement dommageable de leau de la retenue ;

le sisme de base dexploitation (SBE) pour lequel est surtout recherche lintgrit fonctionnelle des dispositifs de scurit ;

la rplique du SES (RSES), qui peut impacter certains remblais sensibles une monte de pression interstitielle.

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Les sollicitations sismiques peuvent tre values selon deux grandes familles : lapproche forfaitaire fonde sur le zonage sismique national, et les approches spcifiques, quelles soient dterministes ou probabilistes.

2.1. Lapproche forfaitaire

Le principe consiste dcrire laction sismique :

par une acclration maximale sur site rocheux, qui dpend de la zone de sismicit, mais aussi de la taille et des potentiels de danger des ouvrages, dtermins par un classement ;

par une forme spectrale dpendant essentiellement du sol de fondation. Le classement des barrages est prsent dans le tableau 1. Les digues comportent galement 4 classes, en

fonction de la hauteur des ouvrages et des populations protges.

Classe Caractristiques gomtriques (H en mtres, V en hm3) A H 20 B Barrage non A et pour lequel H2 * V 0,5 200 et H 10 C Barrage non A ou B et pour lequel H2 * V 0,5 20 et H 5 D Barrage non A, B ou C et pour lequel H 2

Tableau 1. Classement des barrages

SES SBE Zone de sismicit Classe D Classe C Classe B Classe A

1 0,4 0,5 0,7 0,9 sans objet 2 0,7 0,9 1,2 1,5 0,5 3 1,1 1,4 1,9 2,4 0,8 4 1,6 2,0 2,8 3,5 1,2 5 3,0 3,5 4,3 6,6 2,3

Tableau 2. Acclrations maximales horizontales au rocher en m/s2, dans le cas des barrages

Les acclrations proposes pour la classe D sont identiques celles adoptes pour les btiments et les ponts dont le coefficient d'importance est 1. Les chiffres proposs pour les autres classes s'en dduisent par application d'un coefficient d'importance, gal 2,2 pour la classe A. Les acclrations verticales sont obtenues par un coefficient multiplicateur de 0,8 0,9 appliqu aux acclrations horizontales. Les chiffres relatifs aux digues sont nettement plus faibles, du fait de la probabilit trs faible de concomitance entre crue et sisme ; laccent est plutt mis sur les inspections post-sismiques destines dtecter tout dsordre avant la prochaine crue.

La nature du sol de fondation est prise en compte par lintermdiaire dun coefficient multiplicateur S et une forme spectrale dfinie par les priodes de contrle, les valeurs de ces paramtres tant conformes lapplication franaise de lEurocode 8 effectue pour les btiments courants et les Installations Classes.

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2.2. Les approches spcifiques (barrages)

Le recours des tudes spcifiques est exig pour les barrages importants (classe A) et dans les zones de forte sismicit (4 et 5), en considrant que les conditions gologiques rgionales et locales peuvent ne pas tre prises en compte de manire suffisamment prcise par le zonage sismique de la France.

2.2.1. Analyse dterministe

La mthode usuellement pratique en France est celle du Sisme Maximal Historique Vraisemblable (SMHV) fonde sur des tudes sismo-tectoniques locales et rgionales, en maximisant les sismes historiques. Des majorations sont introduites dans le cas dune suspicion de faille active proche, et/ou si lenjeu scuritaire de louvrage est exceptionnellement fort (+ 0,5 1 unit MSK).

2.2.2. Analyse probabiliste

Classe du barrage A B C D

Priode de retour (annes) 5000 2500 1000 500

Tableau 3. Priodes de retour recommandes pour le SES

A noter que ces priodes de retour sont sous-jacentes aux acclrations du tableau 1, dans la mesure o elles dterminent le coefficient d'importance appliqu chaque classe de barrage.

2.2.3. Valeurs finales prendre en compte

Dans un souci de cohrence avec les valeurs forfaitaires, des valeurs minimales sont exiges. Par exemple, pour les zones de sismicit n = 2 4, la valeur obtenue par une mthode spcifique doit correspondre au minimum la valeur forfaitaire de la zone n 1. Si des carts trop importants sont constats, il doivent tre analyss avant de proposer des valeurs finales argumentes.

Les comparaisons avec les valeurs obtenues partir des rglementations des pays limitrophes montrent que la mthode forfaitaire de la carte nationale est gnralement majorante, les carts pouvant parfois tre rduits aprs application de lapproche dterministe, et en appliquant la rgle n-1 .

2.3. Rgles proposes pour le choix des acclrogrammes

Certains modles de calcul ncessitent la fourniture dacclrogrammes naturels ou artificiels. Les recommandations insistent sur un contrle minutieux de ces acclrogrammes : nombre, indpendance, critres de qualit, choix des bases de donnes, etc.

2.4. Rgles proposes pour la prise en compte des effets de site

Sont essentiellement traits les effets du relief topographique, et ceux des remplissages meubles, souvent sdimentaires. Aprs une description des phnomnes physiques damplification, les recommandations renvoient

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dune part aux valuations forfaitaires proposes notamment dans les Eurocodes, et dautre part aux approches instrumentales ou numriques, en attirant lattention sur les limites de ces mthodes. Pour ce qui concerne les effets de sol, laccent est mis sur lvaluation des profils de vitesses dondes de cisaillement.

3. Approche gradue pour les tudes dvaluation de la scurit

Lvaluation de la stabilit des barrages sous sollicitations sismiques sappuie sur de nombreuses mthodes de calcul, depuis des approches simplifies jusqu des tudes complexes. Le principe retenu dans les recommandations est dadopter une dmarche gradue, consistant choisir a priori les mthodes en fonction de la classe du barrage et de la zone de sismicit, et, en fonction des rsultats, mettre en uvre successivement des mthodes de plus en plus raffines si la stabilit sismique nest pas dmontre par les premiers calculs.

3.1. Rappel des approches classiques danalyse

Les mthodes danalyse sismique de barrages sont bien connues, et ce nest pas lobjet de cette communication den prsenter les principes. Pour les besoins des recommandations, elles ont t regroupes dans les grandes catgories suivantes :

mthode pseudo-statique mthodes pseudo-dynamiques modlisation lastique-linaire analyse modale spectrale modlisation lastique-linaire analyse temporelle modlisation non linaire analyse temporelle vrifications post-sismiques Suivant les modlisations, on considre que la fondation est rigide (cas des tudes pseudo-statiques), ou

lastique, avec ou sans masse, ou bien encore non linaire. Les pressions dynamiques transmises par leau de la retenue sont modlises soit par une approche type Westergaard ou Zangar (cas pseudo-statique), soit par lintermdiaire de masses ajoutes, soit par modlisation de la retenue en considrant leau compressible ou non.

Pour les cas de chargements, on retient la superposition des sollicitations sismiques avec les charges permanentes dues au poids propre et la pousse hydrostatique retenue normale. Il ny a donc pas de cumul du sisme avec une crue. On admet dautre part que les sous-pressions nvoluent pas pendant le sisme, sauf pour les barrages en remblai lorsque le calcul tient compte du couplage mcanique hydraulique (calculs coupls ou semi-coupls) ; pour la vrification de la stabilit et lvaluation des dplacements irrversibles, on prend en compte les champs de pression rsultant des consquences du sisme (fissurations ou accroissement des pressions interstitielles). Une vrification cote basse de retenue est demande dans le cas particulier des barrages en remblai soumis des marnages importants et frquents.

3.2. Principe de lapproche gradue

Les symboles etreprsentent les mthodes de vrification mettre en uvre : : vrification de la conformit aux rgles du gnie civil. La stabilit sismique est vrifie si le barrage

rpond aux rgles de lart actuelles de conception et si sa surveillance indique un comportement satisfaisant.

: a minima mthodes pseudo-statiques ou pseudo-dynamiques. Pour les barrages-votes, cela signifie dj le recours des modlisations tridimensionnelles.

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: Barrages rigides : a minima mthodes dynamiques avec modlisation linaire ; au cas o ces phases d'tude ne permettent pas de justifier la stabilit, on value les dplacements irrversibles par des analyses post-lastiques type Newmark et/ou kinetic blocks, ou, pour les cas les plus dlicats, des analyses non linaires. Remblais : procdure complte d'tudes gradues jusqu'aux analyses non linaires semi-couples ou couples.

Au cas o l'intgrit de la structure ou des matriaux est affecte (fissuration des barrages-poids ou pressions interstitielles dans les remblais), une vrification post-sismique est exige avec les rsistances rsiduelles. En particulier ce calcul prend tout son sens dans le cas d'une rplique du SES sur un remblai.

Barrages-poids et remblais Barrages-votes Digues Classe D C B A D C B A D C B A

Zone

de

sism

icit

1 2 3 4 5

Tableau 4. Principe des approches gradues

3.3. Cas des barrages en remblais et des digues, valuation pralable du risque de liqufaction

Ce risque concerne surtout les fondations meubles, puisque la technologie des remblais hydrauliques a t rarement utilise en France .

Classe D C B A

Zone

s de

sism

icit

1 non impos non impos non impos non impos

2 non impos non impos non impos OUI

3 non impos OUI OUI OUI

4 OUI OUI OUI OUI

5 OUI OUI OUI OUI

Tableau 5. Vrification pralable du risque de liqufaction

La vrification de labsence du risque de liqufaction repose sur :

labsence de matriau liqufiable parmi les matriaux constitutifs de la fondation ou du remblai. A contrario, la prsence de sable, silt ou grave peu compact indique un risque potentiel de liqufaction ;

la densit relative ( partir d'essais en laboratoire, ou plus simplement de corrlations utilisant les essais in situ SPT ou CPT). La prsence dun fort compactage donnant tout matriau pulvrulent une densit relative

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suprieure 75% rend la liqufaction improbable. A contrario, la prsence de sable, silt ou grave dote dune compacit faible, savoir une densit relative infrieure 50%, signifie un risque fort de liqufaction.

Si des donnes manquent pour conclure cette analyse du risque potentiel de liqufaction, un programme de reconnaissances spcifiques doit tre entrepris pour les acqurir. Lvaluation est ensuite base sur lanalyse simplifie de la liqufaction. Si le facteur de scurit la liqufaction est suprieur la valeur limite, la liqufaction est juge improbable ; dans le cas contraire, loccurrence de la liqufaction est probable localement. Une tude complte doit alors vrifier quil ny a pas de risque de rupture globale.

4. Les critres de performance

Le principe gnral de la vrification de la scurit des barrages aux sismes consiste se placer en tat limite ultime (ELU), sans rserve de scurit, en situation accidentelle sismique avec les charges courantes (poids propre et action normale de leau dans la retenue) augmentes des sollicitations sismiques dues notamment au SES.

4.1 Les barrages rigides

Le sisme dvaluation de scurit ne doit pas entraner :

le glissement du barrage sur sa fondation ou dun plot de rive avec mobilisation dun didre rocheux ; louverture de fissures ou de joints provoquant une perte deau incontrlable ; le dplacement par cisaillement ou basculement de plots ou de blocs en partie suprieure de louvrage ; lendommagement grave dun ouvrage annexe, comme lvacuateur de crue, crant une situation

potentiellement dangereuse. Les vrifications portent sur les contraintes et la stabilit d'ensemble (en particulier la rsistance l'effort

tranchant pour les barrages-poids), avec les caractristiques de rsistance dynamique des matriaux fournies par les recommandations ou values partir d'essais spcifiques. Les coefficients partiels de scurit sur les matriaux sont pris gaux 1.

Louverture de fissures est admise dans des zones limites et pour un temps limit ; par exemple, pour les barrages-poids, on exige qu'au SBE louverture de la fissure ne dpasse pas le voile de drainage en direction de laval. Au SES, la longueur de fissuration est un paramtre d'entre de la vrification post-sismique, en tenant compte d'une cohsion nulle dans la fissure.

Si le barrage nest pas stable avec les caractristiques de pic, des approches particulires de type Newmark sont recommandes pour vrifier que les dplacements irrversibles restent limits ; dans cette configuration, un dplacement centimtrique dun barrage-poids serait une valeur limite encore acceptable.

4.2 Les barrages en remblai

Par principe, les critres dvaluation de la scurit dpendent des mthodes retenues . On peut mentionner :

le facteur de scurit du risque de liqufaction suprieur ou gal 1 ; le facteur de scurit de lapproche pseudo-statique suprieur ou gal 1 ; le facteur de scurit post-sismique suprieur ou gal 1. Les coefficients partiels ou de modle sont aussi proposs ; ils varient entre 1 et 1,4 selon les risques

considrs, les caractristiques mobilises et les mthodes employes.

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Pour ce qui relve des dplacements irrversibles maximaux autoriss, une position volontariste a t adopte pour se situer rellement en ELU. Dans lhypothse dun calcul avec prise en compte des surpressions interstitielles et dtermination des dplacements irrversibles sur une surface de glissement amont-aval, on demande de ne pas dpasser :

3% de la hauteur tant pour les dplacements verticaux quhorizontaux ; un tiers de la revanche ou 1 mtre en dplacement vertical ; un tiers de la largeur du filtre en dplacement horizontal. Les recommandations limitent galement le taux d'augmentation des pressions interstitielles, ainsi que les

dformations dviatoires le long d'une ligne de rupture.

4.3 Autres aspects de lacceptabilit des ouvrages en termes de scurit aux sismes

Lanalyse de la scurit sismique dun amnagement hydraulique concerne dautres domaines :

glissement de terrain ou boulement rocheux dans la retenue conduisant un dversement sur le barrage ; croulement rocheux endommageant directement le barrage ou des organes essentiels pour sa scurit ; dtrioration de vannes dvacuateur de crue ou de vidange ; dsordres sur les ouvrages annexes tels que tour de prise, murs de bajoyers ou passerelles daccs.

5. Conception parasismique des barrages

Le retour d'exprience en matire de vulnrabilit des barrages aux sismes montre qu'une bonne conception et une bonne ralisation ont permis d'viter bon nombre de dsordres majeurs voire de ruptures. Afin de limiter les dtriorations classiques telles que fissures des btons, dformations des remblais ou liqufaction, les recommandations noncent quelques bonnes pratiques, mme si les bnfices ne sont pas tous quantifiables. Les principaux aspects sont relatifs la gologie et la topographie du site dimplantation de lamnagement, au choix du type de barrage, au traitement des fondations ainsi qu des points particuliers de la structure :

pour les barrages en remblai, le choix et le traitement des matriaux, la gomtrie des appuis, lpaisseur des filtres et des drains, la revanche et la largeur en crte ;

pour les barrages-votes, le traitement des appuis et leur gomtrie, le traitement des joints et des reprises de btonnage, la mise en place dune ceinture sismique fortement arme en crte ;

pour les barrages-poids, des formes progressives sans discontinuits marques, une largeur en crte suffisante, un fruit sensible du parement amont, un contrle de la fissuration thermique ainsi quun drainage de grande capacit, le traitement soign des reprises de btonnage et la mise en place de botes de cisaillement entre plots ;

pour les barrages contreforts ou votes multiples, la prise en compte des sollicitations sismiques de rive rive et ladoption de formes adaptes ainsi que dun contreventement si ncessaire ;

les ouvrages mixtes de rive rive ncessitent des gomtries particulires la transition ainsi que des systmes efficaces de filtres et de drains ;

les ouvrages mixtes dans le sens amont-aval de type poids en maonnerie conforts par une recharge aval en remblai meuble ou en enrochement prsentent de relles difficults de modlisation et ncessitent des zones de transition particulires.

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6. Mesures daccompagnement

6.1. Laprs-sisme

La logique mise en place vis--vis de la scurit des ouvrages conduit les exploitants dfinir un dispositif dalerte auprs dun rseau national (le Laboratoire de Dtection et de Gophysique LDG), puis, partir de la dtection dun seuil significatif de sollicitation (M = 4 en gnral), mettre en oeuvre des actions proportionnes de surveillance et dauscultation des ouvrages. Une bonne pratique consiste positionner louvrage par rapport deux cercles dinfluence autour de lpicentre, les rayons correspondant des acclrations de 0,025 g et 0,1 g.

6.2. Linstrumentation sismique

Dans le but premier damliorer les connaissances relatives la propagation des ondes sismiques jusquau site de louvrage, aux effets de site et au comportement dynamique des ouvrages, le groupe de travail recommande linstrumentation sismique dun certain nombre de barrages de classe A dans les zones de sismicit 4 et 5, moyen terme.

6.3. Les besoins mthodologiques ou de recherche

En laborant ce rfrentiel, le groupe de travail a identifi les besoins de recherche correspondant aux lacunes dans les connaissances, tant en ce qui concerne les caractristiques de la sollicitation que pour ce qui concerne le comportement des ouvrages.

Diffrents secteurs du gnie parasismique sont ainsi identifis, pour sattacher :

la dfinition du signal sismique en surface et en profondeur ; la caractrisation des proprits mcaniques des matriaux du barrage et des fondations ; le dveloppement de nouvelles mthodes simplifies de calcul ; lamlioration des lois de comportement des mthodes couples ; lamlioration des modles numriques ; la dfinition dindices de nocivit pertinents ; linstrumentation des ouvrages et lexploitation des donnes obtenues.

Conclusions

La scurit des ouvrages hydrauliques est un sujet en forte volution en France suite la loi sur leau et les milieux aquatiques du 30 dcembre 2006. Sous ce vocable, se trouvent runis les barrages et digues de canaux stockant en permanence des eaux ainsi que les digues sches de protection des populations le long des fleuves, ou en zone estuarienne ou littorale. Les barrages et les digues sont trs sensibles laction des eaux, eaux du rservoir, eaux sinfiltrant dans les fondations ou les appuis, eaux de submersion en cas de crue non contrle. Leffet des sismes est moins marqu et la pathologie correspondante est moins abondante ; toutefois la quasi- rupture des deux barrages Van Norman en 1971 lors du sisme de San Fernando et la rupture brutale dun barrage plus modeste au Japon lors du sisme de Tohoku le 11 mars 2011 ont bien montr quil ne convenait pas de sous-estimer ce risque. Le rfrentiel technique labor entre 2009 et 2011 devrait permettre de prciser et de partager pour lensemble du parc la dfinition de lala de rfrence, notamment le sisme dvaluation de scurit, les mthodes dvaluation de la scurit et les critres de performance. Le document a bnfici dapports significatifs de scientifiques et ingnieurs spcialiss en matire de sismologie, de gologie, de calcul dynamique des structures et de gnie civil appliqu aux ouvrages hydrauliques. Le document a t

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soumis pour avis aux deux associations scientifiques et techniques les plus directement intresses, lassociation franaise de gnie parasismique (AFPS) et le comit franais des barrages et des rservoirs (CFBR) ; ces deux associations avaient dailleurs largement contribu la constitution du groupe de travail qui a rdig le rfrentiel technique prsent dans la communication. La prise en compte de ce texte dans la rglementation constitue la prochaine tape vers une homognisation de lvaluation de la scurit aux sismes des ouvrages hydrauliques et une prise en compte de lala un niveau plus scuritaire.

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