Brochure - Conception sismique des palplanches: avantages économiques des méthodes de conception avancées

Pour améliorer encore la conception et l'efficacité des projets avec des solutions de palplanches dans les zones à haut risque sismique, la brochure «Conception sismique des palplanches: avantages économiques des méthodes de conception avancées» présente des méthodes de conception innovantes pour des conditions de chargement dynamiques extrêmes dans les ports, sur les voies navigables et autres domaines de l’ infrastructure.

N'hésitez pas à contacter ArcelorMittal Sheet Piling pour des informations plus détaillées ou pour obtenir de l'aide pendant la conception dynamique de palplanches à l'aide de FEM.

Approches de conception économiques et sûres pour les structures de palplanches en acier dans les zones hautement sismiques

Largement utilisées pour la construction d'une variété de structures telles que les murs de quai et les brise-lames dans les ports, les renforts de berges sur les rivières et les canaux, les passages souterrains, ainsi que les systèmes de protection contre les risques dans le monde, les palplanches ont prouvé leur performance dans les zones sismiques dans de nombreux pays autour du globe.

Le Chili, pays qui a subi les plus forts séismes de l'histoire, en est un excellent exemple. Ses ports en béton ont été gravement endommagés. Cependant le port de Mejillones, construit en 2003 en utilisant un mur combiné HZ®/AZ® pour le mur de quai et des palplanches à âme droite AS 500 pour le brise-lames, n'a subi aucun dommage lors de nombreux tremblements de terre violents, dont la magnitude allait jusqu'à 7,7. C'est un exemple parfait de l'efficacité des structures en palplanches, flexibles dans des conditions sismiques extrêmes.

Néanmoins, une certaine réticence à utiliser des palplanches en zones sismiques reste courante chez certains concepteurs. Cette préoccupation peut provenir de leur expérience des méthodes de conception conventionnelles, qui ne favorisent pas les murs flexibles dans les zones sismiques. Ces méthodes de conception sont généralement constituées de calculs pseudo-statiques utilisant la théorie de Mononobe-Okabe (1931).

Des études numériques et des expériences physiques (tests de centrifugation) ont montré que ces méthodes de conception conventionnelles surestiment les charges sur les murs de soutènement - en particulier dans le cas des murs flexibles. Bien que la norme EN 1998-5 autorise une réduction de l'action sismique en fonction des déplacements acceptables (facteur de réduction «r»), cela ne s'applique qu'aux murs poids et non aux murs ancrés tels que les palplanches, malgré leur ductilité inhérente.

Aujourd'hui, de puissants outils de conception utilisant la modélisation par éléments finis (FEM) permettent des calculs dynamiques qui peuvent prédire avec précision le comportement des murs de soutènement soumis à différentes charges sismiques, comme des forces internes, des déformations, des augmentations de pressions interstitielles et des modes de défaillance attendus.


Économies de coûts de matériaux grâce à des méthodes de conception dynamiques

Un projet de recherche mené par le département R&D d'ArcelorMittal et une étude réalisée par le leader mondial de l'ingénierie maritime, SENER, ont démontré un potentiel d'optimisation significatif. Dans l'étude, un large éventail de cas a été analysé (quatre profondeurs d'eau, quatre accélérations sismiques, deux conditions de sol), en comparant la méthode pseudo-statique conventionnelle basée sur la norme EN 1998-5 et utilisant un logiciel de réaction de fondation élasto-plastique, et la méthode avancée entièrement dynamique, méthode utilisant le logiciel FEM.

Tous les cas étudiés ont montré un potentiel d'optimisation substantiel lors de l'utilisation de la conception FEM. Les moments de flexion dans la conception pseudo-statique sont de 40 % à 126 % plus élevés que ceux de la conception FEM. Lorsque l'on considère les sections respectives de palplanches, cela pourrait entraîner jusqu'à 50% d'économies de coûts de matériaux en utilisant les méthodes de conception sismique avancées.

Les charges hydrodynamiques correctement analysées contribuent à des économies de matières supplémentaires

Les charges hydrodynamiques sont généralement considérées comme pseudo-statiques et calculées selon la norme EN 1998-5 en utilisant la formule de Westergaard de la charge permanente de l'eau pendant toute la durée du séisme. SENER a utilisé la FEM et la dynamique des fluides numérique (CFD) pour calculer l'impact des charges hydrodynamiques sur un mur de palplanches pendant l'action sismique, en tenant compte des interactions sol-fluide dans le cadre d'une analyse dynamique.

L'application de la formule traditionnelle de Westergaard indiquée dans la norme EN 1998-5 correspond aux charges hydrodynamiques obtenues par CFD à un certain moment pendant le séisme. Tout de même, comme Westergaard considère qu'il s'agit de charges permanentes pendant tout le séisme, une surestimation de son effet est évidente.

Les calculs FEM effectués à l'aide de Plaxis 2D ont comparé les résultats obtenus lors de l'utilisation de la charge Westergaard traditionnelle avec ceux obtenus lors de l'utilisation d'une charge variable et réaliste en fonction du temps (via une charge dynamique ou des masses ajoutées). Les résultats ont montré une augmentation de 24,5% du moment fléchissant (par rapport aux effets de l'action purement sismique) lors de l'utilisation de la charge Westergaard traditionnelle et de 4% lors de l'utilisation de la charge instantanée. Dans cette étude de cas, la prise en compte d'une charge hydrodynamique réaliste s'est traduite par une économie de coûts de matériel de 14% en considérant les sections de palplanches correspondantes.

Texte:
ArcelorMittal Sheet Piling
Constructalia

Images:
ArcelorMittal Sheet Piling
Puerto Angamos