Calcul de fondations

Projet de fin d’études

Calcul de fondations superficielles en zone sismique avec la nouvelle réglementation

INSA STRASBOURG Spécialité Génie Civil

Tuteur Entreprise : LAMBERT Serge

Juin 2014 DUSSOURD Alexandre Elève ingénieur de 5ème année

Enseignant Superviseur : NOWAMOOZ Hossein

REMERCIEMENTS A l’occasion de mon Projet de Fin d’Etudes, je tiens à remercier l’entreprise Keller Fondations Spéciales et l’ensemble de ses employés et collaborateurs pour m’avoir accueilli aussi chaleureusement. Je tiens à remercier tout particulièrement M. LAMBERT pour m’avoir offert l’opportunité d’intégrer le service étude, ainsi que M. MULLER M. QUIRIN, M. SCHAUBER et M. VEREECKE pour avoir pris le temps de répondre à chacune de mes questions. Je tiens également à remercier le service travaux avec lequel j’ai eu l’occasion de travailler et plus particulièrement M. BARBERI. Enfin je remercie M. NOWAMOOZ, professeur à l’INSA Strasbourg pour m’avoir guidé et conseillé tout au long du projet.

Table des matières Introduction ............................................................................................................................................. 1 1.

Présentation de l’entreprise ............................................................................................................. 2 1.1.

Historique ................................................................................................................................ 2

1.2.

Le groupe Keller ...................................................................................................................... 2

1.3.

Keller France ........................................................................................................................... 2

1.3.1.

Les moyens humains ....................................................................................................... 3

1.3.2.

Le bureau d’études .......................................................................................................... 3

1.3.3.

La cellule développement ................................................................................................ 3

1.4.

Techniques proposée par Keller Fondations Spéciales ........................................................... 4

1.4.1. 2.

Présentation générale des techniques .............................................................................. 4

Capacité portante ............................................................................................................................. 5 2.1.

Introduction ............................................................................................................................. 5

2.2.

Détermination de la capacité portante ..................................................................................... 5

2.2.1.

Essais laboratoires ........................................................................................................... 5

2.2.2.

Essais pressiométriques ................................................................................................... 6

2.2.3.

Essais pénétrométriques .................................................................................................. 6

2.3.

Méthode de calcul de la capacité portante selon le DTU 13.12 et le PS92 ............................. 7

2.4.

Méthode de calcul de la capacité portante selon l’Eurocode................................................... 8

2.4.1.

Expression générale ......................................................................................................... 8

2.4.2.

Courbes enveloppes ....................................................................................................... 11

2.4.3.

Forces d’inerties ............................................................................................................ 12

2.5. Comparaison des deux méthodes de vérification de la capacité portante sismique à partir d’essais pressiométriques dans le cas d’un sol purement cohérent ................................................... 13 3.

Etude paramétrique et comparatif des deux méthodes .................................................................. 14 3.1.

Variation de l’effort normal NEd ............................................................................................ 15

3.2.

Variation de l’effort horizontal VEd ....................................................................................... 16

3.3.

Etude sur l’influence des forces d’inerties ............................................................................ 17

3.4.

Discussions sur l’application de l’Eurocode dans le cas de semelle isolée ........................... 18

3.4.1. 3.5. 4.

Influence des forces d’inerties en utilisant l’adaptation établie par Chatzigogos .......... 19

Conclusion ............................................................................................................................. 21

renforcement de sol ....................................................................................................................... 22 4.1.

Techniques de renforcement de sol ....................................................................................... 22

4.1.1.

Colonnes ballastées ....................................................................................................... 22

4.1.2.

Inclusions rigides ........................................................................................................... 24

4.1.3.

Colonne à Module Mixte CMM .................................................................................... 26

4.2.

Adaptation au renforcement de sol proposé par l’AFPS ....................................................... 28

5.

4.2.1.

Présentation de l’étude réalisé par Santruckova [2] ...................................................... 29

4.2.2.

Comparaison des courbes enveloppes ........................................................................... 33

4.2.3.

Charge en tête de CMM données par les courbes enveloppes....................................... 35

4.2.4.

Vérification de la charge en tête de CMM .................................................................... 35

Programme de vérification pour des fondations superficielles ..................................................... 38

Conclusion ............................................................................................................................................. 39 6.

Références ....................................................................................................................................... 1

7.

Liste des figures............................................................................................................................... 2

8.

Liste des tableaux ............................................................................................................................ 3

INTRODUCTION Le projet de fin d’études constitue un défi individuel dans le domaine de l’ingénierie. Mon PFE s’est déroulé au sein de l’entreprise Keller Fondations Superficielles du 27 janvier au 21 juin 2014 pour une durée de 20 semaines. J’ai été accueilli au sein de l’agence d’Alsace, également siège social de l’entreprise. Le PFE vise à résoudre une problématique concrète venant d’un besoin de l’entreprise. Un sujet conforme aux critères des objectifs du PFE a été proposé par l’entreprise Keller. L’intitulé est le suivant :

Calcul de fondations superficielles en zone sismique avec la nouvelle réglementation. Le sujet porte sur la vérification des fondations superficielles en zone sismiques, et notamment sur la vérification de la portance. La nouvelle réglementation présentée dans la norme nationale NFP 94-261 Fondations superficielles est à appliquer dans le cas de fondations superficielles. Celle-ci se réfère à l’Eurocode 8 Partie 5 pour la vérification en zone sismique. Il est question ici d’analyser l’Annexe F de cette même norme qui donne une expression générale permettant de vérifier la portance en zone sismique. Cette expression peut sembler à première vue quelque peu abstraite car différente de ce qu’il était coutume de faire auparavant. En effet auparavant, l’approche du calcul sismique de la capacité portante se résumait à un calcul statique où l’on a modifié le coefficient de sécurité afin de tenir compte de la zone sismique. Désormais, l’Eurocode propose une nouvelle approche par un calcul de courbes enveloppes à partir des efforts sismiques. Son application est encore limitée au sein des bureaux d’études car ce sont des textes qui ont été récemment modifiés et la difficulté de compréhension ne facilite pas son utilisation. Mon rôle sera donc principalement d’analyser cette expression générale, de la confronter aux anciennes réglementations et de voir si elle recouvre les cas usuels. Dans une seconde partie, j’analyserai son adaptation aux renforcements de sols qui a été établie par l’AFPS. La fondation est la partie d’une structure qui garantit le transfert en sécurité des charges de la structure au sol. En plus des actions d’exploitations, elle est également soumise à l’action des sollicitations sismiques pouvant avoir des incidences graves pour la structure. La première question est donc de connaître les caractéristiques d’une rupture sismique au niveau de la fondation. Une étude menée dans le cadre de la conception parasismique de fondations superficielles a montré que dans la majorité des cas, c’est un défaut de portance qui a causé la rupture de la fondation.

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1. PRESENTATION DE L’ENTREPRISE 1.1. Historique Les origines du groupe KELLER remontent à 1860 en Allemagne. A l’époque, un certain Johann Keller y dirigeait une chaudronnerie. Lors de la création du chemin de fer Francfort-Bâle, les chantiers de forage de puits se multiplièrent tout le long de la ligne pour alimenter les châteaux d’eau destinés au réapprovisionnement des locomotives à vapeur. Fort de son expérience dans les tubes de grand diamètre, Johann Keller se lança dans l’aventure, et rapidement se fit un nom dans le forage d’eau. Novateur et curieux, Johann Keller ne cessa de se tourner vers de nouvelles techniques pour améliorer les techniques de forage, et de fil en aiguille, se spécialisa dans l’amélioration de sol par aiguilles vibrantes électriques (appelées Torpédo). Aujourd’hui, KELLER se fait fort de rester le spécialiste dans ce domaine tout en cherchant à innover ses outils et ses techniques.

1.2. Le groupe Keller Keller Groupe est un des leaders mondiaux des fondations spéciales et des travaux de géotechnique. Il est présent sur tous les continents, au travers de ses filiales :     

Amérique (Hayward Baker, Case Foundation) Europe continentale (Keller Holding, dont fait partie Keller France) Royaume-Uni (Keller Ground Engineering, Makers) Australie (Frankipile) Moyen et Extrême - Orient

L’expérience, la taille et l’assise financière du groupe lui permettent d’apporter le plus large choix possible de solutions techniques, dans des domaines aussi variés que la réparation d’ouvrages béton, l’hydrodémolition ou l’instrumentation de haute précision. Cette diversification de métiers profite à l’ensemble des sociétés du groupe, qui peuvent ainsi enrichir leur savoir-faire et introduire dans leur pays respectif des techniques innovantes, et pourtant largement éprouvées ailleurs. Keller Group représente aujourd’hui près de 6000 employés, pour un chiffre d’affaire de 1.6 milliard d’euros.

1.3. Keller France Keller Fondations Spéciales est présente en France depuis 1991. Les chantiers antérieurs réalisés dans l’hexagone étaient alors suivis par Keller Grundbau (Allemagne), ou étaient réalisés par des entreprises tierces exploitant une licence Keller. Société par Actions Simplifiée dont le siège social est à Duttlenheim (dans le département du Bas-Rhin), l’entreprise est en charge, au sein de Keller Holding, de la zone Sud-Ouest du continent (Portugal, Espagne, France). En France, la société est présente au travers de 7 agences (voir Figure 1-1 : Répartition des agences Keller Fondations Spéciales en France), réparties sur l’ensemble du territoire afin d’apporter au client des réponses rapides et au fait des spécificités locales.

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Figure 1-1 : Répartition des agences Keller Fondations Spéciales en France

1.3.1. Les moyens humains Keller Fondations Spéciales est en constante progression depuis sa création. Elle emploie aujourd’hui près de 170 personnes, dont une grande partie d’ingénieurs. 1.3.2. Le bureau d’études Keller Fondations Spéciales a son propre bureau d’études et de recherches, qui effectue les études d’exécution et développe les méthodes de dimensionnement. Le service Etudes est réparti entre le siège et les agences, et se compose d’ingénieurs du BTP, de géotechniciens et de dessinateurs. Ceux-ci utilisent des logiciels de calculs béton armé de modélisation de flexion de poutres ou d’écrans, avec comportement élastique ou élastoplastique du sol, logiciels de tassement et de capacité portante (Plaxis 3D et 2D, Vibro, Spannu, Greta), selon les méthodes de calculs validées par les bureaux de contrôle, logiciel dessin Autocad 2013, traceurs et imprimantes.

1.3.3. La cellule développement L’entreprise Keller est depuis tout temps novatrice dans les procédés de fondations spéciales. La cellule Développement est aussi bien active sur le plan de la recherche de nouvelles techniques adaptées au marché en associant les experts nationaux de la géotechnique, que sur le plan du développement de nouveaux matériels associés à ces techniques. Au cours des trois dernières années, ces recherches ont permis d’aboutir sur : La Colonne à Module Mixte CMM (développée en partie 4.1.3). La Colonnes CHAUX-CIMENT, consistant à renforcer les sols argileux saturés. Cette technique de renforcement de sol consiste à réaliser des inclusions par malaxage du sol avec un liant (chaux vive / ciment).

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1.4. Techniques proposée par Keller Fondations Spéciales 1.4.1. Présentation générale des techniques La vocation de Keller est d’apporter des solutions aux problèmes de sol et de fondations de tout le secteur du BTP. C’est pour cela que Keller a mis au point avec succès des procédés de fondations et de géotechnique qui sont aujourd’hui largement reconnus dans l’industrie du bâtiment et des travaux publics. En France, Keller Fondations Spéciales propose une grande diversité de techniques de fondations Spéciales. Les principaux domaines d’activités sont : Le Renforcement de sol : permet d’améliorer les caractéristiques mécaniques d’un sol (augmentation de la portance ; diminution des tassements) et fonder l’ouvrage superficiellement. Les procédés de Keller dans ce domaine sont nombreux, on peut notamment citer les Colonnes Ballastées, les Inclusions Rigides, les Colonnes à Module Mixte. Les injections spéciales : permet de renforcer des zones cibles dans le sol, de reprendre en sous œuvre des fondations défaillantes, de mettre en place des soutènements ou d’installer des parois étanches. Keller propose de nombreuses techniques dans ce domaine notamment le Jet-Grouting et le Compactage Horizontal Statique (CHS). Fondations Profondes : consiste à réaliser des éléments de structure pour le transfert des charges de fondations vers des horizons porteurs. Il s’agit de procédés type pieux, micro pieux. En France, Keller réalise principalement des pieux à la tarière creuse et des micro-pieux. La part de ces domaines d’activité dans le Chiffre d’affaire de Keller France est répartie de la manière suivante :

Figure 1-2 : Répartition des domaines d’activité dans le chiffre d’affaire de Keller France

Je détaillerai plus tard dans ce rapport trois techniques de renforcement de sol très utilisées dans la région.

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2. CAPACITE PORTANTE 2.1. Introduction La capacité portante d’un sol est la contrainte que peut reprendre le sol avant rupture par cisaillement. Plusieurs méthodes issues d’essais permettent de la déterminer. Une fois calculée, il faut procéder à une vérification cette capacité portante sous action statique dans un premier temps puis sous actions sismiques si il y’a lieu dans un second temps. Pour ce faire, il était commun d’utiliser la réglementation du DTU13.12 et Fascicule V pour la vérification statique puis d’utiliser les recommandations du PS92 pour vérifier la portance sous actions sismiques. Le calcul se résumait ainsi à un calcul statique de portance pour lequel on aura pris soin de modifier le coefficient de sécurité. Cependant depuis la publication des Eurocodes et des normes nationales, il faut désormais se référer à la norme nationale NFP 94-261 Fondations superficielles pour les vérifications. Cette norme nationale explicite les vérifications à mener notamment en termes de portance. Les vérifications de portance statique sont sur le principe identique à celles du DTU13.12 et Fascicule V, seul la présentation diffère. En effet, la norme NFP94-261 travaille à partir des charges tandis que le DTU13.12 et Fascicule V établissait la vérification en termes de contraintes. Concernant les vérifications sous actions sismiques, la norme nationale se réfère désormais à l’Eurocode 8-5 et plus particulièrement à l’Annexe F pour la vérification de portance. Cette Annexe F était informative à la sortie des Eurocodes, mais devient réglementaire depuis la publication de la norme nationale NFP 94-261 sur les Fondations Superficielles. L’Annexe F de l’EC8-5 propose une expression générale issue d’essais (Pecker, 1995) afin d’établir la vérification de la capacité portante sismique. La principale nouveauté est la vérification de la portance sismique à partir de courbes enveloppes fonction des actions sismiques. Je développerai dans un premiers temps les trois essais classiquement utilisées en France afin de déterminer la capacité portante, puis j’expliciterai les deux méthodes de vérification de la capacité portante.

Pour des questions pratiques j’utiliserai les abréviations suivantes pour définir les calculs établis suivants les différentes méthodes :   

selon l’EN 1998-5 sans forces d’inerties « EC8-5 » selon l’EN 1998-5 avec forces d’inerties « EC8-5 F=VALEUR » selon le DTU13.12 et l’application du PS92 « DTU »

2.2. Détermination de la capacité portante 2.2.1. Essais laboratoires Les essais en laboratoires sont effectués sur des échantillons de terrain non remanié et mettent en évidence les propriétés de résistance au cisaillement, tels que :  

C : cohésion Φ : angle de frottement 5

2.2.2. Essais pressiométriques Les essais pressiométriques sont effectués à l’aide du pressiomètre de Ménard donnant la pression limites nette pl et le module pressiométrique EM dans la couche considérée. Une moyenne géométrique sur une tranche de terrain est ensuite calculée pour déterminer la pression limite nette équivalente ple*. Le facteur de portance dépend des dimensions de la fondation, de son encastrement relatif et de la nature du sol. Il est donné par un abaque dans le DTU 13.12 et est défini par des formules dans la NF P 94261. La capacité portante à partir d’essais pressiométriques s’exprime de la manière suivante : ∗ 𝑞𝑛𝑒𝑡 = 𝑖𝛿 𝑖𝛽 𝑘𝑝 𝑝𝑙𝑒

2-1

Selon la position de la charge et la proximité d’un talus, des coefficients de réduction sont pris en compte. Où : 𝑖𝛿 est le coefficient de réduction de portance lié à l’inclinaison du chargement 𝑖𝛽 est le coefficient de réduction de portance lié à la proximité d’un talent de pente β 𝑘𝑝 est le facteur de portance 2.2.3. Essais pénétrométriques Les essais pénétrométriques sont effectués à l’aide d’un cône et permettent de déterminer les valeurs de résistance en pointe qc en fonction de la profondeur. Le principe de calcul de la résistance de pointe équivalente 𝑞𝑐𝑒 est le même que celui défini pour le calcul la pression limite nette équivalente ple*. De même pour le facteur de portance qui dépend des dimensions de la fondation, de son encastrement relatif et de la nature du sol. La capacité portante à partir d’essais pénétrométrique s’exprime de la manière suivante : 𝑞𝑛𝑒𝑡 = 𝑖𝛿 𝑖𝛽 𝑘𝑐 𝑞𝑐𝑒

2-2

Où : 𝑘𝑐 est le facteur de portance pour l’essai pénétrométrique qce est la résistance de pointe équivalente calculée comme la valeur moyenne des résistances de pointes nettes sur une profondeur égale à 1,5B à l’ELS

Dans la suite de ce rapport je ne considérerai que la méthode de calcul de la capacité portante à partir d’essais pressiométriques.

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2.3. Méthode de calcul de la capacité portante selon le DTU 13.12 et le PS92 Avant la publication des Eurocodes 7 et 8 et des normes nationales, les recommandations du PS92 appliquées au DTU 13.12 étaient de rigueur lors de la vérification de la portance sous actions sismiques. Je ne présenterai ici que le calcul de la capacité portante par la méthode pressiométrique. La vérification s’établit cette à partir des contraintes, soit :

𝑝 ≤ 𝑞𝑠𝑖𝑠𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 =

𝑞𝑢 𝐹𝑆

2-3

Où : p est la résultante générale des forces ; ∗ qu est la valeur ultime de la capacité portante tel que 𝑞𝑢 = 𝑖𝛿 𝑘𝑝 𝑝𝑙𝑒 + 𝑞′0 ;

On constate dans le calcul de la capacité portante la prise en compte de l’inclinaison du chargement donc d’une éventuelle force horizontale, ainsi que l’encastrement de la fondation par l’intermédiaire du terme 𝑞 ′ 0 . L’excentrement du chargement du à un moment est pris en compte dans le calcul la résultante générale des forces p. Celle-ci se calcule à partir des équations de Navier, tel que : 𝑝=

3𝑝𝑀 +𝑝𝑚 4

𝑝= Où :

3𝑝𝑀 4

pour 𝑒 ≤ 𝐵/6

pour 𝑒 > 𝐵/6 2-4

𝑁 𝑒 (1 + 6 ) 𝐵𝐿 𝐵 𝑁 𝑒 𝑝𝑚 = (1 − 6 ) 𝐵𝐿 𝐵 𝑝𝑀 =

FS est le coefficient de sécurité valant 2,0 à L’ELU selon le DTU13.12 et 1,5 en zone sismiques selon les recommandations du PS92. Une comparaison de l’Annexe F de l’EC8-5 et des recommandations du PS92 appliquées au DTU13.12 est présentée au paragraphe 2.5.

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2.4. Méthode de calcul de la capacité portante selon l’Eurocode 2.4.1. Expression générale Pour des situations de projet sismiques vis-à-vis d’un défaut de portance, la NFP 94 261 se réfère à l’Annexe F de l’EC8-5. Cette Annexe F établi l’expression générale 2-5 qui définit la stabilité par rapport à une rupture par perte de capacité portante sismique d’une semelle superficielle reposant sur la surface d’un sol homogène. Cette expression relie la résistance du sol, les effets de l’action sismique de calcul (NEd, VEd, MEd) au niveau des fondations et les forces d’inertie du sol. ̅ )𝑐𝑀 (1 − 𝑒𝐹̅ )𝑐𝑇 (𝛽𝑉̅ )𝑐𝑇 (1 − 𝑓𝐹̅ )𝑐′𝑀 (𝛽𝑀 + −1≤0 ̅)𝑎 [(1 − 𝑚𝐹̅𝑘 )𝑘′ − 𝑁 ̅ ]𝑏 (𝑁 ̅)𝑐 [(1 − 𝑚𝐹̅𝑘 )𝑘′ − 𝑁 ̅]𝑑 (𝑁 ̅= 𝑁

𝛾𝑅𝑑 𝑁𝐸𝑑 𝛾𝑅𝑑 𝑉𝐸𝑑 𝛾 𝑀 ̅ = 𝑅𝑑 𝐸𝑑 ; 𝑉̅ = ;𝑀 𝑁𝑚𝑎𝑥 𝑁𝑚𝑎𝑥 𝐵𝑁𝑚𝑎𝑥

2-5

̅ ≤ 1 𝑒𝑡 |𝑉̅ | ≤ 1 0