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This article was downloaded by: [Simon Fraser University]On: 13 November 2014, At: 23:55Publisher: Taylor & FrancisInforma Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954Registered office: Mortimer House, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH,UK
Revue Française de Génie CivilPublication details, including instructions forauthors and subscription information:http://www.tandfonline.com/loi/tece18
Aide à la conception defondations de bâtiments: unmodèle d'expertiseDaniel Boissier a , Eric Henry b & Cherif Boulémia ba Laboratoire LERMES/CUST , Université BlaisePascal Clermont-Ferrand , B.P. 206, F-63174,Aubière cedexb LAMH—Equipe Méthodes, Université d'Artois ,Technoparc Futura, F-62400, BéthunePublished online: 04 Oct 2011.
To cite this article: Daniel Boissier , Eric Henry & Cherif Boulémia (1999) Aide à laconception de fondations de bâtiments: un modèle d'expertise, Revue Française deGénie Civil, 3:5, 267-294, DOI: 10.1080/12795119.1999.9692253
To link to this article: http://dx.doi.org/10.1080/12795119.1999.9692253
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Aide a la conception de fondations de bitiments : un mod6le d'expertise
Daniel Boissier" - Eric Henry** - Cherif BoulCmia**
* Laboratoire LERMES/CUST, Universitk Blaise Pascal Clermont-Ferrand B. P. 206, F-63174 Aubi2re cedex * * LAMH - Equipe Mkthodes, Universile d 'Artois Technoparc Futura, F-62400 Be'thune
Rksuuk. Les travaux que nous prksentons s 'inscrivent dans le cadre du dkveloppement d'une aide informatique au concepteur de fondations de bbtiments. Notre objectifest de mettre a la disposition du concepteur les traitements et la reprksentation des donnkes adaptks ii la situation de conception du projet en cours d'ktude. Cette situation est fonction du niveau de conception du britiment, des connaissances a priori sur le sol, de la composition de I'e'quipe de conception et de la dkmarche d'ktude retenue. La ge'ne'ration de solutions de fondation faisant appel dans une large mesure au savoir-faire des concepteurs, nous avons suivi la dkmarche du recueil d'expertise et de sa formalisation. Dam cet article, nous prksentons plus particulierement la phase de formalisation. EIIe repose sur la construction d 'un modkle d 'expertise organise' en quatre niveaux de connaissances (Stratkgie, Triche, Infgrence et Dornaine). Chacun de ces niveaux et les rksultats obtenus sont ici de'taille's. A&SIS7'&("1: This paper has for general context the development of a computer assisted design tool for building foundation. Our objective is to propose at the designer's disposal the treatments and the representation of the data appropriate for the design context for the currently studied project. This design context depends on the design stage for the buiding, the available knowledge of soil properties, the design team and the design method. Since the generating process called largely upon the know how of the designers themselves, we have followed the knowledge elicitation approach with its formalisation. In the paper, we present more specijically the formalisation phase It is based on the buiding of an expertise model structured on four levels entitled (( Strategy. Task, Inference, Domain M. Each level with its specijic results has been detailed.
A401s-c~I.ti.~ : fondations de bc?timents, reconnaissance du sol, conception, modde d'expertise, systeme expert.
KLYW~MLXS : building foundation, soil investigation, design, expertise model, knowledge based system.
Revue franGaise de genie civil. Volume 3 - no 511999, pages 267 B 294
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1. Introduction
1.1. Contexte de la conception des fondations de bdtimeni
Comme dans de nombreux probkmes de conception en ingenierie, la conception des fondations est decomposable classiquement en cinq etapes : analyse du probleme, generation, evaluation et modification de solutions, choix d'une solution.
La difficulte reside dans le fait que, d'une part, ces Ctapes ne sont ni indkpendantes, ni skquentielles et que, d'autre part, lorsque I'on desire automatiser un processus de conception, le problbme n'est jamais totalement decrit, certaines donntes apparaissant et evoluant au cours de la conception [MON 871.
Le systbme de fondation est I'une des composantes du bfitiment a concevoir. Cette conception doit se faire en interaction avec celle du systeme structural et avec I'acquisition des donnees du sol. L'intensite de I'interdkpendance de ces probkmes varie tout le long du processus de conception en nature (dominant - domine) et en degre (forte - faible) [BOI 821. La decomposition simple en Ctapes ne rend pas compte de cela.
L'Cquipe de conception peut prendre en compte les interactions Fondation-Structure dans trois demarches diffdrentes [DUF 811 : - le choix de structure est preponderant. I1 faut trouver un systeme de fondation coOte que coOte ; - le terrain impose une solution de fondation. 11 faut alors trouver la solution de structure Cconomique ; - les choix de parti sont concertes : il y a recherche d'une solution Cconomique globale.
I1 y a deux acteurs principaux dans I'equipe de conception : le geotechnicien et I'ingenieur structure. Ces acteurs n'interviennent pas au mCme moment, ne poursuivent pas les mdmes objectifs et n'ont pas la mdme vision de conception. Les outils et les objets d'analyse qu'ils manipulent ne sont pas les msmes. Ainsi le geotechnicien donne un avis technique pour chacun des modes possibles de fondation. L'ingenieur structure choisit parmi les propositions techniquement satisfaisantes, la moins coateuse.
1.2. Analyse des outils existants
L'assistance informatique que nous voulons construire porte sur la conception des fondations et plus particulihement sur la phase de generation de solutions de fondation. L'analyse des outils developpes dans cette optique [HAB 901, [MAH 911
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[SEL 951, [IZA 961 a permis de dresser les quatre constats suivants : - les generateurs actuels interviennent ponctuellement dans des phases bien prCcises : en phase prdliminaire ou en phase d’Avant-Projet (AP) ; - ils utilisent une schematisation de I’environnement vu comme un contexte parfaitement defini et unique ; - ils rtduisent les probltmes techniques. Par exemple, les niveaux dassise ne sont pas proposts par I’outil informatique ; la gtnCration est faite Clement par Clement de fondation ; la dimension (( systtme de fondation )) n’est pas geree ; le probleme des tassements differentiels n’est pas suffisamment pris en compte ; - les choix de fondation sont subordonnes aux choix de structure car souvent la vision de I’ingtnieur structure predomine par rapport a celle du gtotechnicien.
A partir de I’analyse de travaux connexes aux nbtres, concernant la conception des infrastructures et celle du bitiment, nous avons retenu deux idees fortes : - les outils doivent mieux assister I’utilisateur dans le traitement des donntes brutes disponibles [BOU 931 ; - il est possible de proposer un unique outil pour plusieurs phases de conception du bitiment et a destination de plusieurs types d’utilisateurs [SAU 941.
2. Objectifs
Pour prendre en compte les differents points de I’analyse du contexte et amkliorer les performances des gtnerateurs actuels, nous avons Clargi le domaine d’application de I’outil A construire [HEN 961 : - le gtntrateur doit pouvoir s’adapter a toute situation de conception. Ces situations seront fonction du niveau de conception, des connaissances a priori, de la composition de I’Cquipe de conception et de la demarche d’etude ; - il doit pouvoir Cgalement raisonner dans un environnement courant de conception qui ne soit ni trop interprete ni trop simplifit.
Nous avons decompose notre etude en deux phases : - une phase d’analyse et de construction de modhles, - une phase de prototypage et de test.
Les travaux que nous presentons reltvent de la premitre phase.
3. Demarche d’ktude
La generation de solutions de fondation faisant appel, dans une large mesure, au savoir-faire des concepteurs, h la manipulation de termes principalement qualitatifs
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et symboliques, nous avons adopte une approche principale reposant sur la conception de systkme h base de connaissances.
Cette demarche repose sur un travail itbratif d’extraction, de modelisation et d’implementation des connaissances expertes du domaine [HEN 981.
Nous avons appliqut pour cela la mtthodologie d’acquisition des connaissances ((conduite par les modtles)) [AUS 911. Elle repose en grande partie sur la construction d’un modkle d’expertise. Ce modele organise les connaissances en quatre niveaux (Stratkgie, Tciche, Infkrence et Domaine - figurel) [SCH 931 : -1e niveau Stratkgie permet de selectionner le scenario adapte A la situation de conception du projet (en cours) et ainsi de planifier les tfiches A accomplir ; - le niveau TLiche regroupe les tfiches representatives d’objectifs intermediaires a atteindre avec leur condition de dkclenchement : determination des niveaux d’assise, qualification du comportement gkotechnique des couches ... ; - le niveau Infkrence represente le detail des tlches (sous-objectifs) ; il decrit les primitives de raisonnement, c’est-&dire les traitements elementaires transformant une information existante en une nouvelle information ; - le niveau Domaine renferme la reprdsentation de I’environnement de conception (le sol, la structure portee, les fondations).
Pour le vocabulaire particulier, le lecteur pourra se rtferer h I’ouvrage [GEN 891. Par la suite, nous presentons I’organisation des connaissances selon les quatre niveaux.
r SAVOIR-FAIRE I
Niveau de connaissances
Eldments de connaissances
WStratkgie
contr6e I 1 1
2iTBche
applique
3lInference
utilise
4IDomaine
buts et sous-buts mkta-rkgles
structures de tfiches
structures d’inferences
objets attributs relations
Figure 1. Le modde d’expertise en quatre niveaux [SCH 931
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4. La stratigie de gineration de fondations
La couche Srrurkgie aide B definir la strategic de generation la mieux adaptee au contexte de conception. Nous presentons tout d’abord, les processus traduisant les differentes strategies de generation puis, le principe de I’analyse de ce contexte. Nous avons utilise pour cela le formalisme de la methodologie KADS.
4.1. Les processus de g&nPration
Le graphe ET/OU de buts ci-aprks (figure 2) montre les differents processus de generation que nous avons identifies et que nous allons ddcrire ; i l illustre Cgalement comment le systeme definit progressivement le but atteindre. Pour notre application, (( but )) signifie (( selection du processus de gdneration A lancer n.
Ce graphe definit 15 processus de generation de fondations : - un processus Generation Impossible [O] ; il correspond par exemple :
- au cas d’une etude menant ii la proposition de fondations exceptionnelles, - zi I’absence d’dtude de sol, - B I’absence du gkotechnicien dans I’dquipe de conception si aucun avis technique
n’est disponible sur chacun des modes de fondation envisageables, - B I’absence de I’ingenieur structure dans le cas d’une structure necessitant une
analyse particulikre ... ; - un processus en phase d’etudes prealables [ I ] ; il met en euvre les tdches permettant d’aboutir A une solution de type SdFniv. 1 (cf. 7.3.3) qui se limite a la proposition du mode de fondation ; - quatre processus en phase prdiminaire que I’on peut classer en deux categories :
- une cattgorie correspondant 6 un processus primaire [2, 31, - une categorie correspondant ti un processus secondaire [4,5].
Ces quatre processus aboutissent au predimensionnement d’un element de fondation de reference sur l’hypoth&se d’un mode de rdpartition des charges.
La difference entre les deux categories de processus est liee a la connaissance du sol : - pour un processus primaire, les donnees proviennent d’une enquCte prealable (visite du site, connaissance empirique des terrains, sondages de surface) ou d’une campagne detaillee insuffisante pour cerner les difficultes du sol ; - pour un processus secondaire, elles proviennent d’une campagne detaillde.
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Cette difference implique des traitements differents pour etablir la solution ; la solution obtenue avec le premier processus est de type SdFniv2.1 (cf. § 7.3.3) ; elle est emise sous reserve des resultats de la campagne dttaillee ou compkmentaire ; la solution obtenue B partir du second processus est de type SdFniv2.2.
Chacun des deux processus (processus primaire, processus secondaire) est subdivise en deux autres pour tenir compte de la demarche d’etude adoptte : non concertke [2,4] ou concertee [3, 51 ; la concertation nkcessite la presence du maitre d’ceuvre et du geotechnicien ; elle se traduira par la possibilite de modifier les donnees de base du probkme ;
- six processus en phase d’APS, que I’on peut classer en trois categories : - une categorie correspondant B une gknkration primaire [6, 71. Si I’Cquipe de
conception est restreinte au geotechnicien ou si le sol n’est connu que par une enquCte prealable, la generation s’arrCte ti un simple predimensionnement des elements de fondation. Elle met en ceuvre les tlches permettant d’aboutir ti une solution de type SdFniv.3.1 ;
- une categorie correspondant ?I une gknkration secondaire [S, 91. A partir d’un predimensionnement, la generation se poursuit jusqu’au dimensionnement detaille ; elle est possible si I’ingknieur structure est represente dans I’equipe. Le sol doit &re connu 21 l’aide d’une campagne detaillee et jugee suffisante. Elle met en Oeuvre les tiiches permettant d’aboutir a une solution de type SdFniv.3.2 ;
- une categorie correspondant a une gknkration totale [ 10, 1 I]. La succession des deux types precedents de generation permet une generation totale ; elle correspond a la presence du geotechnicien et de I’ingCnieur structure. Le sol doit Ctre connu a I’aide d’une campagne detaillee et jugee suffisante. Cette catkgorie de processus met en ceuvre les tiiches permettant d’aboutir A une solution de type SdFniv.3.2.
Dans chacune de ces categories sont definis deux processus: I’un, selon une demarche d’etude non concertee [6,8, lo], I’autre, selon une demarche concertee
- trois processus en phase d’APD [12 (SdFniv4.1)], [13 (SdFniv4.2)], et [I4 (SdFniv4.2)]. Le principe de classification en categories est le mCme que pour la phase d’APS, sauf qu’il n’y a pas a envisager de concertation (les possibilites de concertation sont tres reduites en APD).
[7,9,111 ;
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Pour determiner ces processus, nous nous sommes places dans le cadre de la generation de (( fondations courantes. ))
(( Les fondations couruntes sont celles qui ne posent pas de problemes particuliers, du triple point de vue de la conception, du dimensionnement et de I’execution. ))
(( Les fondations exceptionnelles sont tous les autres cas de fondations, soit qu’il s’agisse de modes de fondation specifiques, soit que le cas d‘espece impose des investigations supplementaires, des moyens d‘essais puissants, des methodes de calculs inhabituelles ou des precautions d’execution particulieres. ))
Ces definitions sont inspirdes de I’ouvrage [FON 721 qui traitent des fondations de pont et que nous avons transposees aux fondations de bbtiment.
Dans I’hypothese de la generation d’ouvrages courants de fondation, I’ensemble des processus identifies parait a priori exhaustif.
4.2. Sdection d ’un processus
Le processus de generation a mettre en ceuvre est determine a I’aide de metar6gles ; elles ont ete ttablies a partir de I’analyse de I’activite des concepteurs et I’aide de tableaux d’analyse [HEN 961 ; elles ont pour but de filtrer le contexte de conception.
Ce contexte est dCfini selon : - la phase de conception du bbtiment (etudes prealables, preliminaire, APS et APD), - la phase de reconnaissance du sol (enquCte prealable, campagne detaillee, campagne complementaire) et la qualite de la campagne (completude ou non), - les acteurs que I’on veut assister ou dont on veut simuler la competence (le maitre d’ouvrage, le maitre d’ceuvre, le geotechnicien, I’ingenieur structure, le contrdeur), - la demarche d’etude retenue par I’Cquipe de conception ((( concertee )) ou (( non concertee D), - I’etat du projet de fondations et I’historique des processus deja mis en ceuvre, -certaines caracteristiques du site, du sol et de la structure (pour lesquelles le generateur n’est pas adapt6 : cas des ouvrages de fondation exceptionnels).
4.2.1. Acquisition des informations
Les informations sur le contexte sont obtenues soit par un simple questionnaire, soit par I’analyse des informations disponibles dkjh introduites.
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4.2.2. Les mktarzgles
Les ovales MRO, MRPrelim, MRAPS et MRAPD de la figure 2 correspondent aux mdtartgles CvoquCes precedemment.
Les metaregles de type MRO orientent le generateur vers le processus Impossible ou vers les quatre grandes categories de generation. Nous donnons deux rtgles de type MRO :
Si phase-ktudes = ktudes prkalables
Alors Processus-Gknkration = Impossible et gkotechnicien a composition-equipe
Si phase-etudes = APS et composition-equipe n [gkotechnicien, ingknieur structure] # 4
Alors Processus-Gknkration = Gknkration en A PS
Les rtgles de type MRPrelim, MRAPS et MRAPD precisent le processus adapt6 a la situation de conception. Nous donnons la metartgle qui declenche le but Gknkration Primaire en APS Non Concertk [6] ; elle deduit egalement que le niveau de definition des systemes de fondation a proposer est de type SdFniv3.1.
Si Processus-Gknkration = Gknkration en APS et phase-reconnaissance-sol = enqudte-prkalable el composition-kquipe = [gkozechnicien, ingkuieur structure] et concertation = non
AIors Processus-Gknkration = Gknkration-primaire-en-APS-non-concertke et Dkjnition-du-Systgme-de-Fondation = SdFniv. 3. I
La couche StratBgie permet de selectionner, parmi les 15 processus de generation identifies, celui qui est adapt6 a la situation de conception du projet en cours. A chaque but ou processus de generation, correspond une succession specifique de tdches a rkaliser.
5. Les tlches de gCnCration de fondations
Les analyses et modkles que nous prdsentons ici se situent aux niveaux Tdche du modtle d’expertise KADS.
Les tdches sont communes a plusieurs processus ou specifiques a un processus. M&me lorsqu’elles sont communes, les traitements mis en Oeuvre ne sont pas forcement les mCmes ; ils sont fonction de l’etat de definition du projet.
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Nous prdsentons un processus faisant appel ti la decomposition en tdches la plus complete (Ge‘nkration Totale en APD Concertke) ; il nous permettra : - de situer les tdches les unes par rapport aux autres, - d’expliquer les objectifs auxquels elles repondent.
Les autres processus peuvent se deduire de lui. Nous aborderons ce point par la suite.
5.1. Ddcomposition du processus de gdndration en aches
La premiere partie du processus (figure 3 - cadre A) debute par une analyse de la structure et du sol : - I’analyse de la structure (ou (( systeme p o r t e ~ ) correspond A la tdche d’interpretation de la structure, faite par I’ingenieur structure (1) ; - I’analyse du sol correspond a la tdche d’interpretation du sol, faite par le geotechnicien (2).
Ces tdches aboutissent a la definition des zones de sol et des zones de structure ; la superposition des zones de sol et des zones de structure permet de definir des zones de fondation (3) [HEN 961. La deuxieme partie aboutit au dimensionnement detail16 des fondations (cadre B).
Ainsi, pour chaque zone de fondation, le processus se poursuit par : - u n premier ensemble de tdches qui permet de determiner les niveaux d’assise possibles des fondations (4 et 5 ) ; - un deuxieme ensemble de tdches qui permet de proposer un ou des systemes de fondation (6 et 7) et de dimensionner ses elements constitutifs (8 et 9).
Des tiches d’evaluation (cadre C) s’intercalent entre les tdches de generation. Ce sont : - la tdche Evaluation Primaire (lo), qui Cvalue les premieres propositions de systemes de fondation, - la tdche Evaluation Secondaire ( 1 I), qui correspond a une evaluation technico- economique des elements de fondation.
Les tdches Intervention sur la structure (12) et Intervention sur le sol (1 3 ) (cadre D) permettent un retour arriere sur le processus et traduisent la concertation entre le geotechnicien et I’ingenieur structure (ou I’interlocuteur le plus a m&me de decider des options de systeme porte pour la phase en cours : mahre d’ouvrage, maitre d’aeuvre).
Ce processus est iteratif, comme le precise les fleches retours de la figure 3 ; i l I’est
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en fonction des modifications et amkliorations h apporter a la proposition, ou de I’elimination d’une proposition ou encore de l’incidence d’une proposition sur la structure et le sol.
du syst8me port4 reconnaissance
i I 5 Dttermination des niveaux d‘assise 1-
Figure 3. D6composition du processus en tdches. Modde des tdches
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5.2. Principes d ’daboration et remarques
5.2. I . Principes d’daboration
Le modele present6 ici repose sur une decomposition fine, en tdches, de I’activitd des concepteurs de fondation. Quatre principes sont a la base de ce modkle : - la distinction des tdches qui relevent d’activites differentes. Les activites considCrees sont I’activitC d’interprktation de l’environnement de conception, l’activite de generation de fondations proprement dite, I’activitC d’dvaluation, l’activite de concertation (retour sur le sol et la structure et Cchanges d’informations) ; - la decomposition de la structure, du sol et du plan de fondation, respectivement en zones de systeme porte, en zones de sol et en zones de fondation. Ce principe permet une prise en compte de la dimension (( systeme de fondation )) et ainsi de mieux resoudre le probleme de I’tvaluation des fondations et, en particulier, celui des tassements diffdrentiels ; - la mise en avant des tdches qui concement I’interpretation du sol et de la structure, la generation des niveaux d’assise et l’evaluation des premikres propositions de systeme de fondation. Ces tdches sont en general insuffisamment traitkes par les generateurs existants ; - le positionnement des tdches qui concement le predimensionnement, I’evaluation technico-dconomique des elements de fondation et le dimensionnement dktailld. La decomposition du processus situe la place de ces tbches, qui sont deja bien rksolues dans les generateurs existants, et facilitera par consequent leur integration.
5.2.2. Remarques
L’interpretation du sol et les tdches 3, 4, 5 et 6, sur la figure 3, sont specifiques de I’activite du gdotechnicien. L’interpretation de la structure et le detail du systkme de fondation (tdches 9 et 11) sont spkcifiques de l’activite de 1’ingCnieur structure. Les autres tdches peuvent Ctre faites soit par l’un, soit par I’autre (7, 8, 10) ou encore en concertation : c’est le cas des tbches 12 et 13.
Nos analyses sont essentiellement liees a l’etablissement de la proposition, dans une moindre mesure, aux &apes &evaluation et de modification. De plus, certaines tdches ont deja fait l’objet d’analyses et de modeles.
Ainsi, nous sommes intervenus, en particulier, sur les tdches I , 2, 3,4, 5 et 10, dans une moindre mesure, sur les tdches 6, 7, 12 et 13 et nous avons considere les tbches 8, 9, 1 1 comme dejh traitkes par d’autres auteurs.
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Le processus, que nous venons de presenter, fait appel a la decomposition en tdches la plus complete. I1 correspond au processus : Gendration Totale en APD Concertte. I1 n’a pas t t t retenu dans la liste des 15 processus (figure 2) car les possibilites de concertation en APD sont tres rkduites. Par contre, il permet de deduire les autres processus, par exemple : - il suffit de supprimer les tdches Intervention sur la structure et Intervention sur le sol, pour obtenir le processus Gknkration Totale en APD [ 141 ;
- le processus Gtnkration Secondaire en APS concertke [9] est compose des tdches d’interpretation, des tdches Proposition des tltments de fondation, Prkdimensionnement et Dimensionnement et Proposition detaillee. Les tdches d’interpretation sont tres simplifiees car, dans ce contexte, le niveau d’assise est connu, ainsi que le mode de fondation ; - le processus Gknkration Primaire en APS concertke [7], qui correspond au travail initial du geotechnicien, se dkduit du processus de reference en enlevant la tdche Dimensionnement et Proposition dktaillke et les traitements d’evaluation economique de la tdche Evaluation Secondaire ; - le processus Gtnkration en Prkalables [ I ] s’arrete a la tdche Proposition d’un ou plusieurs modes de fondation.
En ce qui concerne l’implementation, les tdches sont soit des algorithmes declenchks au moment opportun (tels les traitements &evaluation technico-economique des fondations), soit des modules de connaissances ou paquets de regles actives des que certaines conditions sont rdunies.
6. Structures d’lnfkrences et Infkrences de la tiche a Qualification des couches en assise de fondation D
Nous detaillons, par la suite, au niveau Inprence du modele d’expertise, les analyses et les modtles pour la rksolution de la tdche 4 : (( Qualrfication des couches en assise de fondation )). Cette tdche est decomposee en sous-tdches et en structures d’inference. Nous donnerons ponctuellement des regles d’inference illustrant les structures d’inference.
6.1. But
La tdche a Qualifier les couches en assise de fondation )) consiste a qualifier les couches d’un profil geotechnique, en compressibilite et en portance.
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6.2. Hypothbe et analyse
Les traitements proposes pour la resolution de cette tiche partent du principe qu’une estimation qualitative des couches en compressibilite et en portance est suffisante pour etudier les differentes possibilites de couches d’assise.
Cette hypothese, les analyses qui en decoulent et les inferences presentees plus avant sont issues de connaissances documentees [CAT 811 [CCT 921 [LOG 851 [VER 931, de I’analyse d’ttudes de sol et d’une confirmation par interview d’experts [HEN 961.
Chacune des couches du profil geotechnique doit &tre etudiee selon : - sa nature, son Cpaisseur, son homogdneite, sa profondeur, - ses caracteristiques geotechniques issues de la reconnaissance du sol, - la presence eventuelle de nappe et sa position, - les caracteristiques de la couche sous-jacente, - I’ordre de grandeur des charges. Ces diffdrents points doivent tenir compte des donnkes disponibles.
La fin du raisonnement doit donner une estimation de la qualite en assise de fondation de chaque couche, en considerant : - leur qualite en portance, - leur sensibilitk a I’eau, - leur qualit6 en compressibilite.
6.3. Rksolution de la tciche ccQuali@er les couches en assise de fondation))
Cette t k h e est composee de trois sous-tlches (figure 4) :
-une premiere sous-tiche elementaire extrait les couches une a une du profil geotechnique (sous-tiche (( Extraire Couche M) ; - une deuxieme sous-tiche qualifie chacune des couches en compressibilite et en portance dans I’hypothkse d’un projet (( normal de fondation )) (sous-tiche (( Qualrfier Couche .) ;
- une troisibme sous-tiche ajuste la qualification des couches en considerant les aspects particuliers du projet qui le diffkrencient d’un projet (( normal )) (sous-dche (( Qualrjier les Couches dans le Projil M).
Cette approche par &apes a pour but, d’une part, de degrossir le probleme (identifier les cas de trks mauvais terrain ou de trks bon terrain pour lesquels les traitements sont simplifies) et, d’autre part, d’apporter des elements de reponse dans le cas ou I’on ne dispose que de peu d’information sur le projet (etudes prealables).
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Entree - le profil geotechnique caracteristique de la zone de fondation, - les donnees de reconnaissance du sol (donntes issues d’une enquete prtalable et/ou d’une campagne dCtaillee), - les donnCes de structure (ordre de grandeur des charges, caracttristiques des tlements de structure).
Sortie
- la qualification des couches en assise de fondation.
Profil Geotechnique-APriori Profil Geotechnique-Reconnu
. ordre de grandeur ies charges L- de campagne detaillee QUALIFIER LES COUCHES
DANS LE PROFIL I - - - - - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ I
qualifie
Figure 4. Structure d’infkrence associde ir la tdche (( QualrJication des couches en assise de fondation ))
6.3.1. La sous-tdche (( Qualifer Couche ))
Cette sous-tlche qualifie les couches dans I’hypothese d’un projet (( normal )) de fondation ; elle fait appel a la qualitt intrinskque des sols et a la connaissance empirique des terrains.
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Un projet (( normal )) correspond aux hypothbes suivantes : - couches d’epaisseur suffisante et homogtnes ; - assise superficielle ; -ouvrage courant d’importance moyenne (charges ponctuelles de I’ordre de 20 a 25 t, charges lineaires de 8 B 10 t/ml).
De plus, I’information sur la presence d’une nappe ou de circulations d‘eau de surface n’est pas utilisee pour cette sous-tlche.
Nous avons retenu sept niveaux de qualification, lies au risque de compressibiliti :
- trPs bon : tres bonne portance + insensible a I’eau = compressibilite nulle, - rrPs bon h moyen : tres bonne portance + sensible h I’eau = compressibilite nulle a moderie, - bon : bonne portance + insensible a I’eau = faible compressibilite, - bon h muuvuis : bonne portance + sensible A I’eau = compressibilite faible a forte, - moyen : portance moyenne + peu sensible A I’eau = compressibilite modCree, - moyen h muuvuis : portance moyenne + sensible fi I’eau = compressibilite modkree a forte, 1 - mauvuis : portance faible (+ trts sensible 9 I’eau) = compressibilite forte.
L’obtention des niveaux de qualification se fait de deux faqons : -soit en utilisant une bibliothtque de cas de sol qui donne directement la qualification en fonction de la nature du sol, -soit, si le cas de sol n’est pas connu, a I’aide de la description du materiau qui compose la couche.
Les traitements utilises, dans le deuxikme cas, qualifient les couches en considerant la classe de matkriaux A laquelle appartient le sol (rocheux, grenu, coherent, intermediaire) et en fonction de l’estimation des caracteristiques propres tt chacune des classes. Nous donnons, ci-dessous, les caracteristiques prises en compte en fonction des trois grandes classes de materiaux (rocheux, grenu, coherent) :
rocheux : evolutivitk, alterabilitk, durete, fissurat ion, mauvaise stratification.
grenu : cornpacite, taille des grains et granularitk.
coherent : consistance.
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6.3.2. La sous-tdche (( Quallfer les Couches dans le Profil ))
Elle ajuste les qualifications prectdentes en considerant les aspects particuliers du projet a I’etude. Nous donnons, dans I’encadrk suivant, les caractdristiques a comparer avec celles d’un projet (( normal )) et les caracteristiques supplementakes prises en compte :
* caractdristiques likes a la position de la couche dans la configuration de couches :
- Cpaisseur, - profondeur, - la qualite des couches inferieures,
- la presence d’une nappe, de circulations d‘eau de surface, de la position de la couche par rapport a la nappe, * caractdristiques determinees a partir des essais geotechniques :
- homogeneite dans son epaisseur, - resistance et compressibilite,
* ordre de grandeur des charges transmettre au sol.
Le raisonnement mis en ceuvre permet : - la confirmation de la qualification initiale. Les hypothkses considCrees sont relativement proches de la realite du projet ; - une qualification precisbe, dans un sens favorable ou defavorable, par la prise en compte de caractdristiques supplementaires (prksence de la nappe et position, qualit6 des couches infkrieures ....) ; - une qualification modifiee, dans un sens favorable ou defavorable, en fonction des caracteristiques divergentes de celles d’un projet (( normal )) (bSltiment plus ICger, plus lourd, assise non superficielle, hetkrogdneite des couches....).
L’un des objectifs a atteindre dans cette sous-tbche est de passer de sept niveaux de qualification a quatre ((( tr2s bon, bon, moyen, mauvais D). Nous ne detaillons ici qu’un seul exemple de ce passage.
Exemple de qualijication prkciske
La connaissance des informations liees a la presence ou non d’eau (libre) dans le sol permet de ramener les niveaux de qualifications imprecis (( tr2s bon u moyen, bon d mauvais, moyen a mauvais M aux niveaux plus precis (( tr2s bon, bon, moyen, mauvais D.
Ces informations sont : - la presence ou non d’une nappe dans le profil geotechnique a I’etude et dans le cas ou il y a presence d’une nappe, sa position exacte,
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type de sol(couche) = coherent
Alors portance qualitative(c0uche) = moyenne sensibilite a I’eau(couche) = sensible compressibilitk(couche) = compressibilite moderee a forte
- les risques de venue d’eau, - les mesures prises ou non pour abaisser le niveau de la nappe ou eviter les venues d’eau.
En I’absence de ces informations et dans le cas de terrains presentant une sensibilite significative a I’eau, le genkrateur formulera des recommandations pour l’obtention des informations 1, 2, 3 et i l proposera des solutions techniques concemant l’information 3.
Trois scenarii sont ensuite envisageables : - I’arrCt du raisonnement dans I’attente d’informations supplkmentaires, - sa poursuite avec des hypothkses defavorables (presence de nappe et venues d’eau), - sa poursuite avec des hypotheses favorables (pas de nappe, pas de venue d’eau).
6.4. Exemples d’lnfkrence illustrant la structure d’infkrence
* Inference illustrant la sous-tkhe (( Oualifier Couche )).
Cette rkgle d’inference est la traduction de I’affirmation suivante : (( Si le matkriau composant la couche de sol est coherent et consistant alors sa portance est moyenne, il est sensible A I’eau, sa compressibilite est modCree A forte et sa qualite en assise de fondation est moyenne a modCree. ))
* Inferences illustrant la sous-tAche (( Qualijier les Couches dans le Profir)) Si compressibilite(couche) = compressibilite moddrke forte et presence nappe(couche) = oui Alors compressibilitC(couche) = compressibilite forte et portance qualitative(couche) = faible et qualite en assise de fondation(couche) = mauvaise
Si et presence nappe(couche) = non et AIors compressibilite(couche) = compressibilite moderee et portance qualitative(couche) = moyenne et
compressibilite(couche) = compressibilite moderee a forte
risque de venue d’eau (couche) = non
qualite en assise de fondation(couche) = moyenne
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La premiere regle ci-dessus est la traduction de : (( Si le mattriau composant la couche a une compressibilite modCree a forte et s’il y a presence d‘une nappe dans la couche alors sa compressibilite est forte, sa portance faible et sa qualite en assise de fondation mauvaise D.
La deuxieme regle est la traduction de : (( Si le materiau composant la couche a une compressibilitd moderCe a forte, s’il n’ y a pas de risque de venue d‘eau dans la couche et s’il n’y a pas presence d’une nappe dans la couche, alors sa compressibilitd est moddrde, sa portance moyenne et sa qualiti en assise de fondation moyenne D.
6.5. Remarque et bilan
Pour la suite du processus (proposition des ClCments du systeme de fondation et dimensionnement), I’estimation qualitative de la qualit6 des couches n’est plus suffisante, il faut I’estimer quantitativement. Or I’approche que nous avons adoptee permet aussi d’obtenir une contrainte de calcul empirique (A I’ELU) et donc d’avoir cette estimation quantitative (Tableau 1).
Nature du sol
Rem blais Non tasse 0 Recent, comprime par couches et arrosC 0,02 a 0,06 Ancien, t a d * * 0,05 & 0,l Sols Naturels Non Remanibs Mauvais terrains** : Tourbe, Terres fluentes Terrains pulvkrulents non affouillables (Sables) : tr&s fins 0,l a 0,2 fins ou moyens, + ou - argileux 0,2 a 0,3 mdlangts de graviers 0,3 a 0,4 melanges de graviers et cailloux 0,4 a 0,6 Si le terrain est inondable, on re‘duira les valeurs ci-dessus de 0.05 b 0.1 MPa.
q empirique* (MPa) ...............................................
0,02 a 0,06
Nature du sol
Terrains coherents Mou 0,02 a 0,06 Consistant 0,os B 0, lS Compact 0,lS a 0,3 Dur 0,3 & 0,4 Pour les terrains consistants ei compacts tantdt immergds, tantbt secs, rtduire les valeurs de 0,05 h 0,l MPa. Terrains compacts peu fissures a stratification favorable Craie, Tuf 0,4 0,6 Roches calcaires, schistes, gres, granits, etc. 0,6 a 1 Pour les roches fissurdes ou mar stratrfites, rkduire les valeurs de 50%. Roches en masses profondes** > 1
q empirique* (MPa) ...............................................
I * Les valeurs ci-dessus n’intdressent que les fondations superficielles * * sondages indispensables
Tableau 1. Contraintes de calcul empiriques et valeurs de rdduction (d’apres [REE 581)
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Eta? des analyses
Nous avons recueilli suffisamment de connaissances pour resoudre la sous-tbche (( QuallJier Couche )).
La resolution complete de la deuxikme sous-tbche (( Qualifier les Couches dans le Profil )) necessite des recueils de connaissances supplementaires et des tests pour caler les niveaux de qualification. EIles concernent notamment I’analyse de courbes d’essais in situ et l’exploitation des resultats d‘essais de laboratoire.
Apports de la tciche N Qualifer les couches en assise de fondation ))
Cette tdche aura pour resultats, non seulement la qualification des couches selon leur capacite a constituer une couche d’assise, mais Cgalement : - la determination d’une contrainte de calcul empirique, - la formulation de recommandations pour preserver la constance des caractdristiques geotechniques retenues, - la proposition de solutions techniques pour ameliorer le sol d’assise.
7. Schemas conceptuels et objets representatifs du Domaine
Pour etablir une proposition de systkme de fondation, nous avons retenu une representation objet des donnees de I’environnement de conception.
Notre objectif etant de construire un gknerateur qui s’adapte a tout contexte de conception, nous avons cherche a generaliser les concepts manipules pour la conception des fondations de faqon a ce qu’ils aient un sens depuis la phase d’dtudes prealables jusqu’a la phase d’APD ; cela a abouti a I’elaboration du schema conceptuel general des donndes.
Dans chacune des situations de conception, les objets doivent Stre decrits differemment. Nous avons alors adopt6 une denomination et une reprdsentation specifiques de la situation.
Nous presentons d’abord le schema conceptuel general des donnees, puis les objets et les relations, et enfin les sous-schemas conceptuels specifiques.
7.1. Schema conceptuel general des donnkes
Les objets, organisis dans le schema conceptuel de la figure 5 , existent quel que soit le contexte de conception.
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est divisk en
Figure 5. Schema conceptuel gknerai des donnkes
7.2. Objets du domaine el relations
Dans un premier niveau, nous avons les objets : Projet, Site, Parcelle, Systeme Bdtiment, Systeme Sol. Le Systeme Bdtiment comporte lui-mCme les objets Systeme PortC et Systbme de Fondation.
Les relations entre objets traduisent les assertions suivantes : - un Projet de construction (( se trouve dans )) un Site ; - un Site (( contient )) des Parcelles ; - une Parcelle (( contient )) des Systemes Bdtiments et un Systeme Sol ; - un Systeme Bdtiment (( est compost5 )) d’un Systeme Port6 et d’un Systbme de Fondation ; - un Systeme PortC (( est fondk par )) un Systtme de Fondation.
Les objets Systeme Porte, Systeme de Fondation et Systeme Sol sont dCcomposCs par des partitions en zones : - le Systeme PortC (( est divisC en )) Zones de Systbme Porte ; - le Systeme de Fondation (( repose sur )) des Zones de Fondation ; - le Systeme Sol (( est divist en )) Zones de Sol.
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I
STEME STRUCTURJ?. PORTEE
Les relations entre les zones sont : - une Zone de Fondation (( est liee A une )) Zone de Sol et POrtC ; - une Zone de Systeme Porte (( repose sur une ou plusieurs )) Zones de Fondation ; - une Zone de Sol (( reprend les charges d’une ou plusieurs )) Zones de Fondation.
une Zone de Systeme
t
STEME STRUCTURE WRTEE
Les partitions en zones repondent a un souci de globalisation, de compatibilitk et de coherence vis-a-vis des informations et des traitements necessaires, pour gCn6rer et evaluer un systeme de fondation.
7.3. Sous-schkmas conceptuels
7.3.1. Sous-schdmas conceptuels Syst2me Port6
Nous souhaitons permeare une intervention quelle que soit la phase d’ktude du bdtiment. On doit alors avoir une reprksentation du bdtiment correspondant h chacun des niveaux d’etude ; cela conduit aux quatre sous-schemas conceptuels correspondant aux quatre phases d’etude du bdtiment (figure 6).
Etudes prealables est divid en
r SYSTEME WRTE PREALABLE
Zone de Systkme Port6 I: est divis6 en Priliminaire
{SYSTEME STRUCTURE WRTEE I
ps de Structure Esquisse >I I
Zones de Structure AF’
Eldments de Structure APS
Zones de Structure AP
Elhents de Structure APD
~~ ~~ ~~
Figure 6. Sous-sch6mas conceptuels Syst2me Port6
En etude prealable, on a une tres faible definition du bdtirnent. On considere alors que le systeme porte est defini par une seule zone de systeme porte.
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En etude preliminaire, qui correspond a I’esquisse, on n’a que quelques elements de structure de reference caracteristiques de I’esquisse, localises trks approximativement et non dimensionnes.
En APS, on a tous les elements de structure localises et prkdimensionnes.
En APD, on a le niveau de definition le plus detaille ou tous les elements de structure sont dimensionnes et localids.
7.3.2. Sous-sche‘mas conceptuels Syst2me Sol
Pour la representation du sol, on a deux niveaux de definition, une pour la phase d’enquste prealable et une pour la campagne detaillde (figure 7).
La structure des schemas est la mCme, mais les caracteristiques des objets et leur denomination sont diffkrentes. Les caracteristiques sont plut6t qualitatives et descriptives en etudes prdalables, et plut6t numeriques en phase de reconnaissance detaillee.
hqu8te prhalable Campagne dCtaillCe
est dins6 en
SYSTEME SOL 1 Campagne de Sol-EnquBte
est caractQisC
U repose sur
U repose sur
Figure 7. Sous-schkmas conceptuels Syst2me Sol
Les informations contenues dans Zone de Sol-Apriori, Configuration de Couches-Apriori et Couche-APriori correspondent a la connaissance dune enquete prdalable ; celles contenues dans Zone de Sol-Reconnue, Configuration de Couches-Reconnue et Couche-Reconnue correspondent a celle dune campagne detaillee.
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Les relations traduisent les assertions suivantes : - le Systkme Sol (( est divise en H Zones de Sol, - une Zone de Sol (( est caracterisee par )) une Configuration de Couches (profil geotechnique), - une Configuration de Couches (( est composke de )) Couches, - une Couche (( repose )) sur une autre Couche.
1.3.3. Sous-schimus conceptuels Systime de fondation
Pour dkcrire les fondations, nous avons introduit I’objet (( Systime de Fondation )) avec globalement quatre niveaux de definition correspondant aux phases d’etude du btitiment (SdFnivl, SdFniv2, SdFniv3, SdFniv4 - figure 8) : - le premier niveau permet de preciser le mode de fondation a priori envisageable, - le deuxikme niveau permet un prkdimensionnement, - le troisikme et le quatrikme niveaux permettent d’affiner le dimensionnement et de justifier reglementairement le systkme de fondation.
Etudes prealables repose sur
I
(SdFNivl .
contient
I - mode de Fondation
APS repose sur est compose de
(SdFNiv3
Prdliminaire repose sur est compos6 de
Zone de fondation contient
contient
f SdFNiv4
Its de Fondation-APD !--El Figure 8. Sous-schimus conceptue Is Syst2me de Fondation
L’objet Systime de Fondation synthetise les informations ponctuelles issues des
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raisonnements faits sur les objets Zones de Fondation et Elkments de Fondation. Cela permet de verifier la coherence du systeme de fondation, d’apprecier ses performances globales et les repercussions sur le projet.
La difference entre les niveaux de definition reside essentiellement sur la description des elements de fondation.
I Sols de qualit6 inkgale /I Campagne d W k L ... .
Tableau 2. Niveaux de dkjinition du Systdme de Fondation
Nous avons decompose les niveaux de definition SdFniv2, SdFniv3 et SdFniv4 en deux sous-niveaux chacun selon la connaissance du sol et la suffisance des etudes de sol [Tableau 21. Cela conduit la definition de SdFniv2.1, SdFniv2.2, SdFniv3. I , SdFniv3.2, SdFniv4.1 et SdFniv4.2. Les sous-niveaux x.2 se differencient des sous- niveaux x.1 par une evaluation plus precise des caracteristiques du systeme de fondation.
Avec la rCponse (( pas de solution D, on a donc identifie huit niveaux de reponses possibles a fournir fi I’utilisateur (donntes (( solutions de fondation .) et chacun selon un contexte de conception particulier.
7.4. Bilan
Le schema conceptuel general des donndes represente les donnees du quatrieme niveau du modele d’expertise - le niveau Domaine.
La structuration des donnees qu’il contient a ete differenciee selon les differents niveaux de connaissance de la structure et du sol.
Ce principe de modelisation permet alors, grdce au niveau Strategie, de gendrer une representation de l’environnement de conception adaptee fi la situation du projet en
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cours, c’est-a-dire contenant : - la representation du bon niveau de definition du bdtiment (etudes prdalables, esquisse, avant-projet sommaire ou avant-projet detaille) ; - la representation des donndes du sol au bon niveau de connaissances (enqucte prCalable ou campagne detaillee) ; -la representation du niveau de reponses (les donnees solutions de fondation) A fournir A I’utilisateur (huit niveaux de reponses ont ete identifies).
La solution adoptee pour representer ces differents niveaux de definition dans une mCme base objet a utilisd la notion d’heritage, qui Cvite d’avoir une simple juxtaposition de quatre bases d’objets (representatives des differents sous-schemas conceptuels). Cela a ete possible car la structuration des schemas est sensiblement la mCme d’un niveau a I’autre et de nombreuses caracteristiques sont communes d’un niveau a I’autre.
Nous n’avons pu representer ici que quelques objets du schema. L’analyse totale a permis de crder plus de quatre-vingt-dix objets.
8. Conclusion et perspectives
La realisation du modele d’expertise a permis de maitriser la complexit6 du processus de generation de systemes de fondation.
Ainsi, il a ete possible de representer les strategies de resolution correspondant a chaque contexte de conception possible. Nous avons pu identifier les niveaux d’expertise et de traitements composant le processus. Nous avons egalement modelise les differents niveaux de connaissances des objets de I’environnement des concepteurs.
Ce modele favorise la proposition d’CICments de rkponse aux concepteurs et ceci quel que soit le contexte de conception (niveau de conception, connaissances a priori, demarche d’etude, composition de I’dquipe de conception). En clarifiant les problemes poses et les reponses A apporter, il contribuera Cgalement a faciliter les relations entre les divers intervenants (maitre d’ouvrage, maitre d’ceuvre, geotechnicien, ingknieur structure, entrepreneur et contr6leur).
En outre, le modhle d’expertise est independant de toute consideration d’implementation et constitue un document d’tchange, de dialogue entre les utilisateurs-concepteurs de fondation, le cogniticien, I’expert et le developpeur.
II est egalement une aide pour un travail en profondeur d’acquisition des connaissances en permettant de focaliser sur des points particuliers et de poser clairement les hypotheses.
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Du point de vue du developpement informatique, notre travail s’est limit6 a I’implementation de la couche strategie, du domaine et de quelques tdches. L’outil d’impldmentation est le gendrateur de systemes experts KOOL dans sa version (( micro D.
Ces premiers developpements n’ont ni remis en cause les moddes retenus, ni pose de grandes difficultes ; ils ont permis d’expkrimenter le modele d’expertise et de developper une partie de la maquette GENEFOND. Nous nous appuierons sur eux pour envisager des perspectives d’amklioration et preciser les limites, notamment pour compidter et valider la modelisation des objets, les mod6les de tdches et les expertises afin de rendre la base consistante.
9. Bibliographie
[AUS 911 AUSSENAC N. et KRIVINE J.P. (( MCthodes et outils pour I’acquisition des connaissances )), Cours n”2. Avignon 91 - Nanterre, EC2, 1991, 83 p. [BOI 821 BOISSIER D., Contribution A la prise en compte des interactions (( Sols- Fondations-Bgti, dans la conception des bltiments. Approche probabiliste de la stcurit6 D, thtse d’Etat - Universite Claude Bernard Lyon I, 1982, 265 p. [BOU 931 BOULEMIA C. et BOISSIER D., (( Applications integrees autour d’une base de connaissances sur le sol P, Europia 93 - Delft, Hollande, 1993, 22 p. [CAT 8 I ] Mtmento CATED. (( Fondations D, Le Moniteur, Paris, 198 I . [CCT 921 Projet de fascicule 62. M Rkgles techniques de conception et de calcul des fondations des ouvrages de gtnie civil o, Titre V du CCTG, CSTB, 1992. [DUF 811 DUFAU J., C.A.O.: contribution a I’tvaluation technique et economique de structure et de second Oeuvre d’avant-projets de bltiments, thtse d’Etat. Universitt Claude Bernard Lyon I, 198 I . [FON 721 FOND 72 (( Fondations courantes d’ouvrages d’Art B, LPC SETRA, 1972. [GEN 891 GENTHON P. (( Dictionnaire de I’intelligence artificielle D, Paris, Herrnts, 1989 - 156 p. [HAB 901 HABEJ-BEK T., Prise en compte de I’adaptation au sol dans un systtme de CAO bltiment. integration de la composante “FONDATIONS” dans le systkme X2A, these de doctorat-Universitt de Savoie, 1990, 176 p. [HEN 961 HENRY E., Pour une gentration de systtmes de fondation adaptte au contexte de conception de bltiments. Un modtle d’expertise pour le systtme a base de connaissances (( GENEFOND o, thtse de doctorat, Universite d’Artois, novembre 96, 265 p. [HEN 981 HENRY, E. (( Acquisition et extraction des connaissances pour la gtneration de systtmes de fondation H, EUROPIA 98, Paris, 1998, 12 p.
[IZA 961 IZADI M., Etude du processus de conception en gtotechnique. Un exemple : resolution du probltme des fondations superficielles par la mtthode pressiomttriques, thtse de doctorat - Universite Joseph Fourier, Grenoble 1, 1996, 168 p. [LOG 851 LOGEAIS L. (( La pathologie des fondations )), Le Moniteur, Paris, 1985.
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294 Revue fraqaise de genie civil. Volume 3 - no 5/1999
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