This article was downloaded by: [Akdeniz Universitesi]On: 20 December 2014, At: 11:07Publisher: Taylor & FrancisInforma Ltd Registered in England and Wales Registered Number: 1072954 Registered office: MortimerHouse, 37-41 Mortimer Street, London W1T 3JH, UK

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PRANE: ouvrages de PRotection soumis à l'Action dela NEigePhilippe Berthet-Rambaud a b , Didier Richard a & Jacky Mazars ca UR Erosion Torrentielle Neige & Avalanches, Cemagref , 2, rue de la papeterie—BP 76,F-38402, Saint Martin d'Hères cedex E-mail:b CETE-LRPC Lyon , 25, avenue François Mitterrand—Case n° 1, F-69674, Bron cedexc Laboratoire Sols, Solides, Structures (INPG, UJF, CNRS) , Fédération de RechercheRNVO , Domaine Universitaire, BP 53, F-38041, Grenoble cedex 9Published online: 05 Oct 2011.

To cite this article: Philippe Berthet-Rambaud , Didier Richard & Jacky Mazars (2004) PRANE: ouvrages de PRotectionsoumis à l'Action de la NEige, Revue Française de Génie Civil, 8:1, 81-88, DOI: 10.1080/12795119.2004.9692559

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RFGC – 8/2004. Recherche et innovation, pages 81 à 88

PRANE : ouvrages de PRotection soumisà l’Action de la NEige

Philippe Berthet-Rambaud*,** — Didier Richard*Jacky Mazars***

* UR Erosion Torrentielle Neige & Avalanches, Cemagref2, rue de la papeterie – BP 76 – F-38402 Saint Martin d’Hères cedex

Philippe.berthet-rambaud@cemagref.fr

** CETE-LRPC Lyon25, avenue François Mitterrand – Case n° 1 – F-69674 Bron cedex

*** Laboratoire Sols, Solides, Structures (INPG, UJF, CNRS)Fédération de Recherche RNVODomaine Universitaire, BP 53, F-38041 Grenoble cedex 9

RÉSUMÉ. Dans les zones de montagnes, la neige par ses conséquences peut constituer undanger pour les infrastructures. Le projet PRANE financé par le Réseau génie civil et urbainrassemble plusieurs laboratoires de recherche autour du thème des ouvrages soumis àl’action de la neige. Deux domaines principaux sont étudiés : le premier concerne lesouvrages rigides de protection passive directement soumis à l’action des avalanches dans leszones d’arrêt. Le second s’intéresse aux structures souples de rétention de la neige utiliséescomme protection active dans les zones de départ. Cet article rappelle les objectifs du projetPRANE et donne à titre d’exemple des éléments de l’analyse de la destruction de deux dentsdéflectrices à Taconnaz lors de l’hiver 1999.

ABSTRACT. In mountainous regions, snow can generate major hazards for civil structures.PRANE project sponsored by French Civil-engineering and Research Ministries gathersseveral laboratories in the field of structures subjected to snow effects. Two main domainsare studied: the first one concerns rigid passive protection structures directly subjected tosnow avalanches in run-out zones. The second one deals with flexible snow-supportingstructures used as active protection systems in avalanche starting zones. This paper recallsthe main objectives of the PRANE project and gives as example, elements about the analysisof the destruction of two deflective walls in Taconnaz during winter 1999.

MOTS-CLÉS : risques naturels, reptation de la neige, avalanches, ouvrages de protectionpassive et active, filets paravalanches, dents déflectrices en béton armé, analyse en retour,pathologies, endommagement, approche expérimentale et numérique, gestion du risque.

KEYWORDS: natural hazards, snow-creep, snow-avalanches, active and passive protectionstructures, snow nets, reinforced concrete deflective wall, back analysis, pathologies,damage, experimental and numerical approach, risk management.

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1. Introduction

Dans des zones montagneuses, la protection contre les effets de la neige est unproblème important pour la sécurité des infrastructures, des bâtiments et deshommes. Or, dans le domaine du génie civil, et plus particulièrement des ouvragesde protection contre les risques naturels, les actions et les phénomènes agissant surles ouvrages sont encore mal connus. Dans ce contexte et en liaison avec lafédération de recherche RNVO (Risques Naturels et Vulnérabilité des Ouvrages), leprojet de recherche PRANE (Ouvrages de PRotection soumis à l’Action de laNEige) vise ainsi à améliorer la connaissance du comportement mécanique desstructures sous sollicitations statiques et dynamiques liées à l’action de la neige.

2. Objectifs et contenu du programme PRANE

Les deux grands types d’ouvrages étudiés au sein du programme PRANE sontimplantés dans les zones stratégiques en amont et en aval des sites à protéger :

– dans la zone de déclenchement potentiel de l’avalanche, les ouvrages deprotection active tels que filets ou râteliers paravalanches visent à éviter la formationdu phénomène en fixant le manteau neigeux ; ce type d’ouvrage, le plus souventfortement déformable, est sollicité par les actions quasi-statiques de reptation dumanteau neigeux ;

– dans la zone d’écoulement et surtout d’arrêt de l’avalanche, où sont généralementsitués les enjeux, l’objectif est de limiter les conséquences de la phase dynamique duphénomène sur les structures ; dans ces zones et durant cette phase du phénomène, lesavalanches exercent des actions dynamiques sur les structures exposées (ouvragesrigides de protection passive, ouvrages d’art ou infrastructures…).

Ce projet déposé auprès du RGC&U (Réseau génie civil et urbain) par l’unité derecherche ETNA (Erosion Torrentielle Neige & Avalanches) du Cemagref deGrenoble regroupe différents partenaires, privés (EI Montagne) ou publics(Cemagref, CETE Lyon, Météo-France Centre d’Etude de la neige, Laboratoire sols,solides, structures, Laboratoire de Glaciologie et Géophysique de l’Environnement,Unité de Recherche en génie civil de l’INSA de Lyon).

Les différents axes de recherches abordés dans ce contexte sont les suivants :

– modélisation des actions de la neige sur les ouvrages de protection active enintégrant de nouvelles lois de comportement prenant en compte les effets du temps ;

– simulation numérique des interactions entre la neige et les structures rigides(béton armé, maçonnerie…) et souples (filets) à l’aide de modèles de calcul auxéléments finis et/ou aux éléments discrets ; les phénomènes étudiés correspondent àla reptation de la neige (actions statiques) ou à l’action d’une avalanche (actionsdynamiques) considérée comme un fluide homogène et à l’action de blocs solides(glace ou blocs rocheux) transportés par l’écoulement ;

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– confrontation des résultats de modèles à des expérimentations en laboratoire etdes mesures effectuées sur ouvrages réels ;

– contribution à la caractérisation des actions dynamiques exercées par lesavalanches sur les ouvrages à partir d’une méthode originale d’analyse en retour del’endommagement de structures métalliques adaptées ;

Les pages qui suivent ne permettent bien sûr pas de retranscrire l’ensemble desrésultats d’ores et déjà obtenus (RNVO, 2003) et notre choix a été d’évoquer ici undes deux axes forts du projet, à savoir le cas des ouvrages rigides de protectionpassive soumis à l’action dynamique des avalanches (la seconde partie consistant enl’étude de la poussée quasi-statique du manteau neigeux sur les ouvrages de défenseactive (Boutillier et al., 2003). Pour cela, un événement particulier est évoqué : ils’agit de la destruction de deux dents déflectrices du dispositif paravalanche deTaconnaz, sujet symbolique qui fédère bon nombre des partenaires du projet.

3. Exemple de l’étude des dents déflectrices de Taconnaz

A proximité du Mont-Blanc, le couloir d’avalanche de Taconnaz est situé dans lavallée de Chamonix sous le glacier du même nom. Des avalanches qui peuvent êtreconsidérées comme parmi les plus destructrices des Alpes le parcourentrégulièrement, menaçant différents enjeux (habitations, route nationale…).

Ainsi, après différentes destructions et l’insuffisance avérée d’anciennes digues, laconstruction d’un important système de protection paravalanche est menée au début desannées 1990. Fermant la zone d’arrêt vers 1 200 m d’altitude, ce dispositif est constituéde différentes parties avec chacune une fonction propre : 11 dents déflectrices sontainsi placées en un double éventail à l’entrée du dispositif pour étaler l’écoulement.

Ces dents sont des structures massives en béton armé constituées d’un murdirectement soumis à l’action de l’avalanche et d’une double semelle de fondationpour tenir compte de la pente du terrain naturel. Initialement, ces dents ont étédéfinies pour une avalanche de référence proposée par les experts du Cemagref avecun profil vertical de pression linéaire représentatif d’un écoulement avalancheuxdense. Le dimensionnement proprement dit de ces ouvrages a ensuite été mené demanière classique à partir d’un calcul statique de type BAEL. Enfin, et pour lesterl’ensemble, des massifs de roches maçonnées de plusieurs tonnes ont été ajoutés lorsde la construction à l’arrière des murs de chaque dent.

Le 11 février 1999, pour conclure une terrible série dans les Alpes (notammentavec l’avalanche de Montroc 2 jours avant faisant 12 morts et détruisant 17 chalets),une énorme avalanche arrive dans le dispositif. Cette avalanche de Taconnaz n’a paspu être observée directement mais les experts ont essayé depuis d’exhiber unscénario réaliste à partir des observations a posteriori sur le terrain (Rapin & Ancey,2000). Leur conclusion est que cette avalanche était très rapide, incluant une partiedense avec des blocs de glace surmontée d’un écoulement aérosol très haut.

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Figure 1. Vue générale du dispositif et géométrie des dents déflectrices

Un des effets les plus visibles de la violence de cet événement est la destructionde deux dents déflectrices. Ces deux dents sont celles situées à droite (dans le sensde propagation) des deux éventails (dent n° 9 à l’amont et 11 à l’aval). A premièrevue, la destruction semble analogue: le coin supérieur est comme découpé ettransporté par l’écoulement à quelques dizaines de mètres. Concernant le ferraillage,certaines armatures sont rompues mais beaucoup sont également à l’air libre,désolidarisées du béton sur une partie de leur longueur et comme peignées parl’avalanche. Une part importante du béton d’enrobage est arrachée.

4. Interprétation sous l’angle du génie civil

Pour tirer le maximum d’enseignements de cet événement, notamment d’un pointde vue mécanique, l’interprétation et la modélisation des dommages constatés ont étémenées par les différents partenaires du projet PRANE et constituent un complémentparticulièrement intéressant à l’expertise purement « neige » initiale. En effet, lesinformations obtenues montrent l’intérêt d’une approche pluridisciplinaire et lepotentiel des expertises et analyses en retour en génie civil pour progresser sur laconnaissance de l’aléa, en particulier pour les phénomènes naturels comme lesavalanches dont la compréhension est encore limitée.

Après une première étape de documentation et bibliographie pour rassemblertoutes les informations d’époque disponibles, des investigations sur site ont ensuiteété menées par le CETE de Lyon (CETE 2002) de manière précise et systématiquepour expertiser les pathologies des deux dents détruites.

Glacier deTaconnaz

Dents déflectrices

Tas freineurs

Plateformes

Digues

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Figure 2. La dent n° 9 et son coin arraché, armatures peignées

Une première phase a consisté au prélèvement d’échantillons de matériaux : laqualité de la mise en œuvre a ainsi pu être vérifiée grâce à différents tests enlaboratoire. En particulier, la très bonne qualité du béton a été confirmée (environ58 MPA de contrainte max.) ainsi que la conformité du ferraillage.

Cependant, les tests de traction sur les armatures ont apporté un élémentintéressant. Alors que tous les échantillons ont été prélevés en dehors des zones derupture, les armatures de la dent n° 9 ont conservé leurs caractéristiques mécaniquesoriginelles. Pour la dent n° 11, les armatures n’ont plus de réserves d’élasticitécomme si elles avaient subi une élongation généralisée durant l’événement.

A partir de là, l’examen des réseaux de fissures dans le béton confirme lanécessité de deux scénarios différents pour expliquer ces destructions. En effet, si lesdeux parties de dent encore en place montrent des fissures en arc parallèles à la lignede fracture principale, cette partie de la dent n° 11 est plus largement endommagéeavec tout un réseau de fissures horizontales sur la face amont du mur et undéplacement généralisé d’environ 2 mètres vers l’aval. De même, les morceauxarrachés présentent des états relativement différents avec notamment unendommagement important du béton d’enrobage sur les deux faces pour la dent 9.

Finalement, la conclusion proposée par le CETE et cohérente avec l’ensembledes observations est que la dent n° 11 a été détruite par une pression répartie commeon peut habituellement le concevoir dans le cas d’une avalanche, alors que pour ladent n° 9, toutes les observations convergent vers la situation d’un impact localiséqui a été prépondérant par rapport à l’action répartie de l’avalanche. Cette hypothèsen’est pas non plus si étonnante quand on sait que la part de glace en volume dansl’écoulement a pu être estimée à 30 % et que des rochers de plusieurs dizaines demètres cubes sont régulièrement retrouvés dans le dispositif de protection.

Ces observations de terrain sont également complétées par une modélisationnumérique fine dont l’objectif est d’apporter, grâce à des outils éprouvés, deséléments de compréhension supplémentaires.

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5. Une approche numérique performante

Dans le cadre du projet PRANE et pour cette partie consacrée aux ouvragesrigides soumis aux avalanches, nous utilisons un outil « éléments finis » couplé à uneloi de comportement évoluée pour le matériau béton. Le code utilisé est le code nonlinéaire Abaqus dans sa version explicite qui permet de traiter des calculsdynamiques sévères mais aussi de gérer plusieurs entités en interaction (par exemplepour prendre en compte la présence de blocs dans l’écoulement). Concernant lemodèle de comportement du béton, il s’agit du modèle tridimensionnel PRM(Pontiroli, Rouquand, Mazars) (Pontiroli, 1995) qui utilise une variabled’endommagement D et inclut les principaux phénomènes comportementaux dubéton sous chargements cycliques et dynamiques pour une simulation performantede la réponse de nos structures. Une longue expérience d’utilisation de cet outil, enparticulier pour les calculs sismiques et d’impacts de blocs, permet d’appréhenderces calculs correctement.

Le modèle numérique de la dent est maillé en éléments parallélépipèdiques 3D,de manière à intégrer la géométrie complète de l’ouvrage. L’ensemble du ferraillageréel est également introduit via des éléments linéaires à deux nœuds « noyés » dansle béton de manière à assurer une interface parfaite acier-béton. Au total, le modèlecompte près de 30 000 nœuds. Les caractéristiques mécaniques des matériaux sontissus des tests réalisés par le CETE sur les échantillons prélevés sur site.

Les calculs effectués ont notamment permis d’évaluer la capacité résistante réelledes dents à la rupture sous sollicitation normale statique. Par le jeu des facteurs desécurité réglementaire, cette capacité résistante est bien supérieure aux hypothèses dedimensionnement initiales mais surtout est influencée par l’appui du massif de rochesmaçonnées. Celui-ci également a clairement joué un rôle dans la forme de la fracture.Au final, la rupture (assimilée par convention à la première plastification d’armatures)intervient pour une pression équivalente statique uniforme de 220 kPa. En parallèle, cetravail numérique est complété par des essais statiques en laboratoire à l’INSA de Lyonsur des maquettes de dents à échelle réduite. Ces essais permettront encore de validerles capacités des outils de calcul. Ensuite et utilisant un modèle d’endommagement, ilest possible de repérer les zones les plus endommagées et donc de localiser les zonesde fracture en fonction de différents scénarios de chargements. Les premiers résultatsobtenus sont prometteurs, en cohérence avec les observations de terrain. Enfin, cesoutils sont utilisés comme expérimentations numériques pour tester l’influence de ladynamique de chargement. Il a ainsi pu être montré qu’une application rapide de lacharge pouvait conduire à une ruine prématurée, confirmant la nécessité de prendrecorrectement en compte cet aspect pour un dimensionnement optimal des structuressoumises à des phénomènes gravitaires.

Or, la sollicitation générée par une avalanche sur un ouvrage est encore trop malconnue pour pouvoir disposer de données d’entrée fiables. Une nouvelle campagneexpérimentale a donc été mise en place sur le site d’étude du Col du Lautaret.

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Figure 3. Endommagement sous pression uniforme et impact de bloc

6. Une campagne expérimentale originale par analyse en retour

Le contexte scientifique est ici de s’intéresser enfin à l’interface entre unécoulement avalancheux et un obstacle pour mieux comprendre les interactionsmutuelles qui s’y produisent. Le premier objectif est l’obtention de profils fiables, àla fois dans l’espace et le temps, de la pression générée par une avalanche.

En lien avec l’analyse des pathologies des dents de Taconnaz, le principeexpérimental retenu est novateur pour le domaine des avalanches (Berthet-Rambaud,2003) : il s’agit de mesurer l’action non pas directement par l’intermédiaire decapteurs mais par les conséquences de l’écoulement sur des structures connues. Dansnotre cas, cette analyse en retour utilise le comportement de structures métalliquessimples et présente l’avantage d’assurer que le résultat obtenu est bien la pressionréellement subie par l’obstacle en condition réelle.

Figure 4. Structure plaque (couloir n°1) et languettes fusibles (couloir n° 2)

L’utilisation, lors de la saison 2002/2003, de languettes fusibles en aluminiumplacées sur le tripode-support du site a ainsi pu donner des premiers résultats très

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prometteurs. Cet hiver, le dispositif sera complété par la mise en place d’unestructure plus ambitieuse pour représenter un ouvrage réel et par l’acquisitiontemporelle des déformations grâce à des jauges de contrainte. Les structures utiliséesconstituent finalement des « macrocapteurs » de la sollicitation avalancheuse.

7. Conclusion

Sur un sujet relativement neuf comme celui des ouvrages soumis à l’action de laneige, le programme PRANE a initié un certain nombre de travaux novateurs dont lespremiers résultats sont déjà tangibles. Pour le domaine particulier des ouvrages rigidesde protection passive, une campagne expérimentale originale est notamment en courset la destruction de deux dents déflectrices du dispositif de Taconnaz en 1999 a été lesupport à différentes études permettant de progresser sur la connaissance des effets (ausens large) d’une avalanche. De même, dans le domaine des ouvrages souples deprotection active soumis à la reptation du manteau neigeux, des avancées du mêmeordre sont à noter, à la fois sur l’aspect modélisation et sur l’aspect expérimental avecdes filets instrumentés à Flaine. La dernière année du programme PRANE verra lapoursuite de ces travaux pour leur valorisation et leur transfert vers l’ingénierie.

Remerciements

Les partenaires du programme PRANE tiennent à remercier le RGC&U pour sonsoutien. Les auteurs remercient également l’ensemble des intervenants pour leurdynamisme et leur contribution à la bonne marche du projet.

8. Bibliographie

Berthet-Rambaud P., Taillandier J.-M., Limam A., Mazars J., Daudeville L., “Characterisingthe action of a snow avalanche through the analysis of metal target’s behaviour”,International Symposium on Snow and Avalanches, Davos Switzerland, 2003.

Boutillier B., Nicot F., Gagliardini O., Meysonnier J., Darve F., « Reptation de la neige,Interaction entre un manteau neigeux et une structure paravalanche souple », 16e CongrèsFrançais de Mécanique, Nice, 2003.

CETE, Dispositif paravalanche de Taconnaz dents 9 et 11, Expertise de la structure et desmatériaux, Dossier MX34809, Lyon, 2002.

Pontiroli C., Comportement au souffle des structures en béton armé, analyse expérimentale etmodélisation, Thèse de l’ENS-Cachan, Cachan, France, 1995.

Rapin F., Ancey C., “Occurrence conditions of two catastrophic avalanches at Chamonix”,International snow science workshop, Big sky, Montana, USA, 2000.

RNVO, Projet PRANE, Ouvrages de PRotection soumis à l’Action de la NEige, Rapportd’avancement, juillet 2003.

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