Rapport Pfe b Limousin 2012

 

 

 

 

 

 

 

 

Boris Limousin Ecole des Mines d’Alès

Rapport de Projet de Fin d’Etudes Création et validation d’outils Excel pour le dimensionnement de réservoirs et châteaux d’eau au séisme Version du document : v1

26/11/2012

Tuteurs : Hedi GABSI, Martin GOUPIL Tuteur Ecole : Marc VINCHES

 

 

 

 

 

 

 

Remerciements

Je tiens à remercier, dans un premier temps, toute l’équipe pédagogique de l’Ecole des Mines d’Alès, Jean-Claude Souche ainsi que les intervenants professionnels responsables de la formation Génie civil, pour avoir assuré la partie théorique de celle-ci.

Je remercie également Mr. Marc Vinches, pour l’aide et les conseils concernant les missions évoquées dans ce rapport.

Je tiens à témoigner toute ma reconnaissance aux personnes suivantes, pour l’expérience enrichissante et pleine d’intérêt qu’elles m’ont fait vivre durant ces cinq mois au sein de l’entreprise : Mr. Hedi Gabsi, directeur d’ingénierie, pour son accord et la confiance qu’il m’a accordé dès mon arrivé dans l’entreprise. Mr. Martin Goupil, chef de projet senior, pour le temps qu’il m’a consacré durant cette période, sachant répondre à toutes mes interrogations, et qui a beaucoup orienté la réflexion sur la construction des outils.

 

Liste des figures : 

Sommaire  Liste des figures :..................................................................................................................................................................... 5 Introduction............................................................................................................................................................................... 6 CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique................................................................................................. 7 1.1

Egis Eau et ses enjeux actuels......................................................................................................................... 7

1.1.1

Présentation d’Egis ....................................................................................................................................... 7

1.1.2

L’organisation d’Egis Eau............................................................................................................................. 8

1.1.3

Les ambitions d’Egis Eau............................................................................................................................. 9

1.2

Une volonté de perfectionnement technique .................................................................................................. 9

1.2.1

Un besoin de compétences pointues dans le dimensionnement de structures ................................... 9

1.2.2

Quels sont les grands principes du dimensionnement d’un réservoir ? .............................................. 10

1.2.3

Quels sont les outils déjà disponibles ? ................................................................................................... 11

1.2.4

De quels outils a-t-on besoin, et avec quelles spécificités ?................................................................. 11

CHAPITRE 2 : METHODE DE CONSTRUCTION DES OUTILS ................................................................................... 13 2.1

Recherches documentaires sur les méthodes de calcul ............................................................................ 13

2.2

Obtention du résultat par itérations................................................................................................................ 13

2.3

Validation de l’outil ........................................................................................................................................... 13

2.3.1

Pourquoi la nécessité d’un document de validation ?............................................................................ 13

2.3.2

Comment est rédigé le document de validation ? .................................................................................. 14

2.3.3

Organigramme de la méthode................................................................................................................... 14

CHAPITRE 3 : CONTENU ET FONCTIONNEMENT DES OUTILS .............................................................................. 14 CHAPITRE 3 : CONTENU ET FONCTIONNEMENT DES OUTILS .............................................................................. 15 3.1 Calcul d’un réservoir circulaire en statique au stade Avant-projet ...................................................................... 15 3.1.1 Documents de référence................................................................................................................................... 15 3.1.2 Fonctionnement de l’outil .................................................................................................................................. 15 3.1.4 Comment se détermine la classe d’étanchéité ?........................................................................................... 17 3.1.5

Exigences supplémentaires pour les réservoirs : fissuration + contraintes ........................................ 17

3.1.6

Quand faut-il considérer une fissure comme traversante ? .................................................................. 18

3.1.7

Récapitulatif des calculs à l’ELS de l’outil................................................................................................ 19

3  Rapport de PFE : Boris Limousin 

  3.2

Liste des figures : 

Calcul d’un réservoir circulaire au séisme au stade Avant-projet.............................................................. 20

3.2.1

Documents de référence............................................................................................................................ 20

3.2.1

Fonctionnement de l’outil ........................................................................................................................... 20

3.2.2

Qu’est-ce que les pressions d’impulsion et d’oscillation ? ............................................................... 21

3.2.3

Méthode de Housner .................................................................................................................................. 22

3.2.4

Calcul des moments dans la paroi, quelle modélisation est la mieux appropriée ? .......................... 23

3.2.5

Dimensionnement de la paroi, quels coefficients faut-il appliquer au séisme ?................................. 25

3.2.6

Calcul des efforts tranchants dans un château d’eau sous actions sismiques : ................................ 26

3.2.7

Cas du réservoir sur pieux, comment calculer les efforts tranchants ?............................................... 29

CHAPITRE 4 : APPLICATION DES OUTILS SUR L’AFFAIRE D’ARKEMA ................................................................ 30 4.1 Contexte de l’affaire ................................................................................................................................................... 30 4.2 Historique du site........................................................................................................................................................ 30 4.3 Géotechnique ............................................................................................................................................................. 31 4.4 Séisme......................................................................................................................................................................... 31 4.5 Géométrie des ouvrages........................................................................................................................................... 31 Figure 12 : plan d’implantation des ouvrages............................................................................................................... 32 4.6 Résultats...................................................................................................................................................................... 33 4.6.1 Armatures et épaisseurs en statique............................................................................................................... 33 4.7 Décanteur sur pieux................................................................................................................................................... 33 4.7.1 Schéma de l’ouvrage sans les pieux............................................................................................................... 34 4.7.2 Masses et raideurs............................................................................................................................................. 34 4.7.3 Calcul de la portance en statique .................................................................................................................... 35 4.7.4 Calcul de l’effort horizontal du au séisme....................................................................................................... 36 4.7.5 Calcul des déplacements horizontaux des pieux .......................................................................................... 37 4.7.6 Sections d’acier dans le voile ........................................................................................................................... 37 CONCLUSION ....................................................................................................................................................................... 39 CHAPITRE 5 : BLIBLIOGRAPHIE ...................................................................................................................................... 40 CHAPITRE 6 : ANNEXES .................................................................................................................................................... 41 Liste des annexes............................................................................................................................................................. 41

4  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

Liste des figures : 

Liste des figures :   Figure 1 : valeurs de w,max, tableau extrait de la norme NF EN 1992-1-1 Figure 2 : tableau extrait de la norme NF EN 1992-3, partie concernant les classes d’étanchéité des réservoirs Figure 3 : clause 7.3.1 (111) de la NF EN 1992 -3 relative à wk1 Figure 4 : article extrait de la norme NF EN 1992-3, concernant les fissures traversantes Figure 5 : modélisation du réservoir d’après Housner, 1963 Figure 6 : modélisation des pressions sur les parois et sur la base Figure 7 : Modèle ROBOT des moments dans la jupe sous l’action des pressions hydrodynamiques Figure 8 : coupe transversale aciers de la jupe et du radier Figure 9 : Modélisation par Housner du château d’eau Figure 10 : forces induites par les deux modes de vibration du château d’eau Figure 11: vue de la zone après dépose de l’unité Figure 12 : plan d’implantation des ouvrages Figure 13 : modélisation des ressorts de sol Figure 14 : déplacements horizontaux pour un pieu sous 1MN  

5  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

Introduction 

Introduction  

Ayant suivi le cursus de l’Ecole des Mines d’Alès sur quatre ans, je me suis orienté dans la filière génie civil il y a deux ans, et deux stages courts dans les assainissements et les travaux routiers m’ont permis de connaître un minimum le fonctionnement des entreprises de construction. Ayant un goût prononcé pour la conception, je m’intéresse aujourd’hui à l’ingénierie, secteur en évolution qui recherche des profils d’expérience très variée. J’ai choisi de travailler au sein d’Egis Eau pour les perspectives offertes dans les travaux maritimes, aussi bien pour des projets portuaires qu’en énergies marines. L’aspect pluridisciplinaire m’a beaucoup surpris: sur des mêmes projets sont mobilisés aussi bien les compétences techniques des génie-civilistes que celles des hydrauliciens ou des ingénieurs en environnement. Mon projet de fin d’études traite d’un sujet bien précis, qui n’est bien connu que par les spécialistes de la conception parasismique. Le dimensionnement au séisme de réservoirs était à mon arrivée un sujet dont les connaissances et l’expérience manquaient parmi les concepteurs. L’objectif de mon stage était d’effectuer des recherches, parvenir à des résultats et les appliquer concrètement sur des affaires afin de valider avec une meilleure clarté l’hypothèse que le séisme dimensionne ou pas un réservoir de stockage d’eau. Les résultats de l’étude seront présentés de la manière suivante : nous parlerons d’abord du contexte dans lequel l’étude a été demandée, en présentant l’entreprise et les activités du service, et en énonçant les problématiques. Ensuite, la démarche d’élaboration de l’outil de calcul sera explicitée, avant de discuter des résultats obtenus.

6  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique 

CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique    

1.1 Egis Eau et ses enjeux actuels   1.1.1 Présentation d’Egis   Egis, filiale à 75% de la Caisse des Dépôts et à 25% de Iosis Partenaires est un groupe de conseil et d’ingénierie dans les domaines des transports, de la ville, du bâtiment, de l’industrie, de l’eau, de l’environnement et de l’énergie. Dans les domaines routiers et aéroportuaires, l’offre du groupe s’élargit au montage de projets, au clé en main d’équipements et à l’exploitation. Egis comprend 11000 collaborateurs, et est présent dans plus de 100 pays. Le groupe poursuit sa croissance avec un chiffre d'affaires en 2011 de 858 M€, en augmentation de 7% par rapport à 2010. Son CA est constitué à 85% par de l’ingénierie, et à 15% par de l’exploitation routière et aéroportuaire. L’offre d’Egis dans l’ingénierie est globale, elle couvre tous les domaines de la construction : les transports, le bâtiment, les aménagements, en passant par l’industrie, l’eau et l’environnement.

7  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique 

Le groupe s’engage comme acteur de proximité pour s’ancrer, au plus près de ses clients, au cœur des stratégies et des réalités locales, pour concevoir et réaliser des solutions spécifiques et uniques pour les territoires. La répartition géographique du CA est la suivante : France et DOM-TOM Europe Afrique et Moyen-Orient Asie Australie et Océanie Amériques

54% 17% 15% 10% 2% 2%

1.1.2 L’organisation d’Egis Eau Egis Eau, société du groupe Egis âgée de 60 ans, est spécialisée dans le conseil et l’ingénierie des métiers de l’eau, de l’environnement et de l’énergie. Les corps de métiers dans lesquels elle intervient sont : -

Le traitement des eaux urbaines, et des eaux industrielles

-

Les eaux rurales et fluviales

-

Les travaux maritimes et portuaires

-

L’environnement, les énergies nouvelles (principalement l’éolien).

Egis Eau comporte 300 ingénieurs, 7 centres techniques et 20 agences régionales. Les centres techniques exerçant dans le génie civil pour Egis Eau sont Montpellier et Nantes. La société dégage un chiffre d’affaires de 60M€ dont 35% à l’international, et est présente dans plus de 100 pays. Les prestations qu’elle offre sont principalement des missions de maîtrise d’œuvre, de conseil et de stratégie pour des maîtres d’ouvrages. Les études qu’elle produit peuvent concerner notamment le génie civil, la modélisation hydraulique, ou des impacts environnementaux. Dans les corps de métiers évoqués ci-dessus, on peut citer comme référence d’Egis Eau : -

La station d’épuration de Rodez dans l’Aveyron (140 000 éq. Habitants, 17M€, maîtrise d’œuvre)

-

La retenue collinaire des Herbes Blanches sur l’île de la Réunion (digue en remblai de 14 m de hauteur, réservoir d’une capacité de 300 000 m3, mission de maîtrise d’œuvre)

-

L’unité de traitement des eaux usées de la raffinerie de pétrole TOTAL à Berre, en France, mission de maîtrise d’œuvre.

-

La construction du Terminal Car Carrier du Port de Tanger Méditerranée, études d’exécutions.

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CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique 

  1.1.3 Les ambitions d’Egis Eau   L’activité des aménagements portuaires d’Egis Eau est regroupée à Montpellier en trois services qui constituent 30 salariés, ingénieurs et projeteurs. Les ingénieurs des différents services sont majoritairement issus d’écoles avec une spécialité génie civil ou hydraulique. Le service « Maîtrise d’œuvre Génie Civil » traite les projets de génie civil « d’Eau douce » (STEP, dalots, réservoirs, châteaux d’eau, écluses…). Le service « Maîtrise d’œuvre Maritime et Portuaire » traite les projets de construction de ports industriels, ports de plaisance, de digues, et le service « EGM » est spécialisé dans les études hydrauliques d’agitation, de houle et de courants. Aujourd’hui, la volonté de ces trois services d’Egis Eau est de se spécialiser dans les travaux maritimes, principalement le portuaire, afin de recentrer son activité et de créer une meilleure visibilité au sein d’Egis. Des projets d’éolien offshore en France voient le jour également. Une nouvelle filiale portant le nom d’ « Egis Ports » va être créée à partir de janvier 2013, dirigée par un nouveau directeur, Pierre Aristaghes.

1.2 Une volonté de perfectionnement technique   1.2.1 Un besoin de compétences pointues dans le dimensionnement parasismique   En ce qui concerne le dimensionnement de structures portuaires ou de stockage de l’eau, les ingénieurs sont souvent confrontés à des problématiques pointues qui requièrent de l’expérience et de bonnes connaissances théoriques. Un certain niveau d’expertise est très vite exigé lorsqu’il s’agit d’apporter des résultats précis et suffisamment justifiés pour le CEA sur les projets de Marcoule, et pour ARKEMA dans le traitement des eaux industrielles. La conception parasismique peut s’avérer complexe sur certains projets. Par exemple, l’utilisation de logiciels de calcul de structures comme ROBOT pour le parasismique est limitée, et l’application de la norme NF EN 1998-1 est souvent restreinte lorsqu’il s’agit de dimensionner des structures portuaires. En effet, cette norme traite en détail de la construction parasismique des bâtiments (EC8-1), des ponts (EC8-2), des renforcements de bâtiments (EC8-3), des structures de stockage (liquides ou autres) (EC8-4), des fondations et ouvrages de soutènement (EC8-5), et des tours, mâts et cheminées (EC8-6).

9  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique 

1.2.2 Quels sont les grands principes du dimensionnement d’un réservoir ?   Bien qu’Egis se soit spécialisée dans les travaux maritimes, elle conserve une activité génie civil dans le traitement de l’eau. La problématique de dimensionnement des réservoirs est déjà maîtrisée par la société puisqu’elle a déjà réalisé plusieurs STEP, comme celle du Prado ou à Rodez, et unités de traitements, comme celle de Total. Le dimensionnement d’un réservoir en béton armé, lors des études préliminaires, se déroule de la manière suivante : Afin d’estimer le coût de l’ouvrage, il est nécessaire en phase d’avant projet de choisir le type de fondations en fonction de la nature du sol et du poids de la structure. Si le rapport géotechnique signale la présence d’un sol de bonne qualité (remblai compacté ou roche saine, pl > 2 MPa), le réservoir peut être construit sur un radier nervuré. A l’inverse, si le sol est de mauvaise qualité (sables lâches ou argiles mous, portance pl < 0,7MPa), le réservoir doit porter sur fondations profondes, le plus souvent des pieux forés en béton. Après le choix du type de fondations, les paramètres qui vont impacter sur le coût seront l’épaisseur du voile et la densité du ferraillage. Avant de les déterminer, il faut calculer : -

Les efforts dans la coque du réservoir sous les actions statiques (pression hydrostatique + poids des terres + éventuelles charges d’exploitation). On ne considérera que l’Etat Limite de Service, car les exigences en termes de fissuration sont toujours largement plus contraignantes que la résistance de l’ouvrage à l’Etat Limite Ultime en statique.

-

Les efforts dans la coque du réservoir sous une action sismique (pressions hydrostatiques + poids des terres + inertie de la structure + pressions hydrodynamiques + éventuelles charges d’exploitation).

On se doit très souvent de calculer les épaisseurs et les sections d’aciers suivant la norme NF EN 1992-1-1 (Eurocode 2-1), qui concerne les bases de calcul des structures en béton armé et précontraint et suivant la norme NF EN 1992-3 (Eurocode 2-3) qui concerne le dimensionnement des silos et réservoirs en statique. Ce sera le cas dans ce rapport. Pour le calcul des réservoirs au séisme, la norme NF EN 1998-1 (Eurocode 8-1) « Règles générales, actions sismiques et règles pour les bâtiments » et la norme NF EN 1998-4 (Eurocode 8-4) « silos, réservoirs et pipelines » s’appliquent de manière efficace. Dans ce rapport, les actions sismiques seront obtenues grâce à l’eurocode 8, et également à l’aide d’autres documents pour comparer les résultats avec des méthodes simplifiées (Housner). Il faut ensuite comparer les épaisseurs et le ferraillage nécessaire dans le cas statique à l’ELS et dans le cas sismique à l’ELU Accidentel, puis prendre les valeurs maximales.

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CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique 

1.2.3 Quels sont les outils déjà disponibles ?   Le service « Maîtrise d’œuvre Génie civil » dispose de tous les outils nécessaires pour le calcul des réservoirs aux Eurocodes en statique. On possède notamment : -

Un outil Excel pour les calculs de portance de pieux sous sollicitations verticales (à l’aide de la nouvelle norme pieu), qui permet, dans le cas de fondations profondes, de déterminer le nombre de pieux nécessaires.

-

des formulaires de RDM en format papier où l’on trouve les efforts dans les coques cylindriques soumises à des charges rectangulaires et triangulaires.

-

des outils Excel pour le calcul de sections de béton armé aux Eurocodes, dans lesquels on insère les efforts calculés d’après les formulaires RDM.

-

Dans le cas d’actions sismiques où les pieux sont soumis à des sollicitations horizontales en tête, on dispose d’un outil Excel qui calcule moments, déplacements et rotation du pieu à l’aide du fascicule 62/V

Les avantages de cet ensemble d’outils sont les suivants : -

On peut pré-dimensionner complètement un ouvrage jusqu’aux sections d’acier.

-

Il peut constituer une note de calcul.

Les inconvénients sont les suivants : -

Il ne prend pas en compte les exigences supplémentaires de l’Eurocode 2-3 en termes de classes d’étanchéité.

-

Il oblige, pour les calculs d’armatures, à utiliser simultanément 2 fichiers.

-

Il est nécessaire que l’utilisateur de l’outil connaisse son fonctionnement et ses hypothèses.

1.2.4 De quels outils a-t-on besoin, et avec quelles spécificités ?

Deux outils ont été construits, le support utilisé est Excel : -

En ce qui concerne le dimensionnement en statique, et en vue des remarques faites auparavant, il est nécessaire de compiler les outils déjà disponibles pour créer un fichier Excel permettant, à partir des données géométriques du réservoir et de la hauteur d’eau, de calculer le ferraillage nécessaire, vertical et horizontal, et de vérifier les exigences relatives à la classe d’étanchéité. Cet outil doit fonctionner selon les Eurocodes. On ne considérera pas les réservoirs enterrés. La présentation de l’outil doit faire en sorte qu’il puisse constituer une note de calcul. La méthode de calcul et les résultats seront expliqués et commentés dans le chapitre 3.

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  -

CHAPITRE 1 : Contexte de l’entreprise et problématique 

Pour la partie dynamique, un nouvel outil doit être créé. Il doit permettre, à partir de la géométrie du réservoir et des caractéristiques du site, de donner une modélisation des pressions hydrodynamiques sur les parois, de calculer le moment de renversement de l’ouvrage ainsi que les moments et efforts normaux dans le voile sous l’effet de ces pressions. Cet outil doit fonctionner avec l’Eurocode, et doit être également présenté comme une note de calcul.

12  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

CHAPITRE 2 : METHODE DE CONSTRUCTION DES OUTILS 

CHAPITRE 2 : METHODE DE CONSTRUCTION DES OUTILS 2.1

Recherches documentaires sur les méthodes de calcul

  Pour chaque fichier Excel, le déroulement du calcul se fait sur la base d’un document où les formules doivent être explicitées. Les documents en question peuvent provenir soit de la bibliothèque de l’entreprise, soit d’une source extérieure quelconque. En pratique, puisque les outils doivent fonctionner aux Eurocodes, on utilisera en priorité les formules de ces règlements pour les construire. Pour chaque valeur importante, il faut trouver au minimum un autre document qui la calcule, et qui, si possible, emploie une méthode différente.

2.2

Obtention du résultat par itérations

  La précision du résultat peut en permanence être améliorée, compte tenu des approximations faites à l’aide de la méthode employée, où de la précision de calcul de l’outil. Cependant, on s’assure que le calcul de l’outil est fiable, en comparant les résultats obtenus avec la deuxième source. La méthode de comparaison des résultats doit être faite de manière rigoureuse : afin de valider la précision du calcul de l’outil, on se satisfait d’un écart de résultat inférieur à 5% entre les deux sources du calcul. Si cette condition n’est pas satisfaite, on recherche une autre source qui la valide.

2.3

Validation de l’outil

  2.3.1 Pourquoi la nécessité d’un document de validation ?   Une fois l’outil construit, il est nécessaire de rédiger un document de validation pour celui-ci. Ce document de validation a pour objectif de rendre possible l’utilisation de l’outil pour effectuer des notes de calcul. Il peut être demandé par un organisme de contrôle, ou par le client d’une étude, qui se réserve le droit de refuser la note en l’absence de celui-ci. Il s’agit ici d’une validation en interne, mais il serait possible de faire un Benchmark, c’est-àdire une observation du travail d’Egis par un concurrent. Il est possible de le faire à l’avenir selon l’exigence des clients dans les calculs parasismiques.

13  Rapport de PFE : Boris Limousin 

 

CHAPITRE 3 : CONTENU ET FONCTIONNEMENT DES OUTILS 

2.3.2 Comment est rédigé le document de validation ?   La validation consiste en premier lieu à choisir la source, autre que celle utilisée pour la création de l’outil, qui permettra de valider les résultats avec une précision inférieure à 5%. Chaque feuille d’un outil Excel aboutit à une série de résultats à comparer avec la seconde source. Le document de validation doit comporter, au minimum : -

Les hypothèses de calcul qui sont les données d’entrée de l’outil.

-

L’application numérique de la seconde source avec ces hypothèses.

-

Les résultats fournis par l’outil avec ces mêmes données d’entrée.

-

Une comparaison des résultats avec les écarts.

-

Une éventuelle explication des écarts.

Un extrait du document de validation est donné en Annexe 3, il concerne la vérification de la feuille de calcul du réservoir au séisme selon Housner (outil excel montré en Annexe 1), par rapport à une source trouvée dans les Annales de l’ITBTP (Annexe 4).

2.3.3 Organigramme de la méthode

Recherche de la source pour la  création de l’outil 

Recherche d’une autre source pour  la vérification 

Création de l’outil par  l’application des formules 

Application numérique des deux  sources avec les mêmes  données d’entrée  Rédaction du document   de validation  

OUI 

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