Mémoire de PFE. Modélisation et dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium Alsace à Voegtlinshoffen

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1 Mémoire de PFE Modélisation et dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium Alsace à Voegtlinshoffen Auteur : ZACCOMER Cyrille INSA Strasbourg, Spécialité Génie-Civil, 5 ème année Tuteur Entreprise : ROEDER Julien Ingénieur Structure, OTE Ingénierie Tuteur INSA Strasbourg : KOVAL Georg Professeur des universités 25 janvier juin 2010

2 RESUME Ce projet a pour objet la construction du complexe hôtelier Loisium à Voegtlinshoffen. Mon projet de fin d études a porté sur la modélisation et le dimensionnement de structures de ce bâtiment. L étude a été orientée autour de quatre grands axes. Tout d abord, les cinq bâtiments en béton du complexe ont été modélisés sur un logiciel de calcul aux éléments finis. Les modèles ont ensuite servi de support pour le reste de l étude. La seconde partie de mon projet de fin d études a porté sur l étude statique et sismique des fondations, en vue de choisir et de dimensionner les systèmes de fondations. Cette étude m a aussi permis d aborder la problématique des appuis élastiques. La troisième partie traite du dimensionnement, du calcul des armatures et des vérifications d une dalle épaisse de transfert de charges. Enfin, la dernière partie porte sur les conséquences du retrait et des variations thermiques sur une dalle de grande longueur sans joint de dilatation. ABSTRACT This aim of this project is the construction of Loisium resort in Voegtlinshoffen. My graduation project is essentially based on modelling and design of part of the building structure. The study was oriented around four main axes. First, I worked on modelling the five concrete buildings of the Loisium resort with a finite element analysis software. Models were then used as support for the remainder of the study. The second part this project which was focused on the static and seismic study of the foundations leads to the choice of foundation systems and their design. This study also allowed me to look into the problem of elastic supports. The third part deals with the study of a thick slab of charge transfer. The design of reinforcement as well as punching checks and deflection calculation were made. The final section deals with the consequences of shrinkage and thermal gradient on a great length slab without expansion joints. Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 2

3 REMERCIEMENTS Je tiens à remercier M. Georg KOVAL, mon tuteur de projet de fin d études à l INSA, qui m a suivi tout au long de cette période et m a conseillé sur l orientation que celui-ci devait prendre. Par ailleurs, je remercie, M. Marc STOLL, chef du département génie civil de OTE Ingénierie et responsable de mon projet, ainsi que Mme Anne HOFFER, directrice des ressources humaines qui m ont permis d effectuer mon stage au sein de ce bureau d études. Je remercie fortement M. Julien ROEDER, mon tuteur au sein de OTE Ingénierie, qui m a suivi et guidé durant ces vingt semaines. De plus, je voudrais remercier M. Sébastien ANTOINET de ses conseils et d avoir su me transmettre la passion de ce métier. Enfin, je tiens à remercier tous les ingénieurs, projeteurs et collaborateurs pour leur accueil, leur aide et le temps qu ils ont partagé avec moi. Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 3

4 TABLES DES MATIERES RESUME... 2 ABSTRACT... 2 REMERCIEMENTS... 3 TABLES DES MATIERES... 4 TABLES DES ILLUSTRATIONS... 6 TABLE DES TABLEAUX... 7 INTRODUCTION PRESENTATION DE L ENTREPRISE Généralités Activités DESCRIPTION DU PROJET Description architecturale Structure Les acteurs Maitrise d ouvrage Maitrise d œuvre Chiffres clés Montant de l opération Surfaces Planning de l opération MODELISATION Présentation du logiciel Hypothèses de modélisation Charges et surcharges Hypothèses aux appuis Influence des hypothèses aux appuis Calcul de la raideur des appuis Influence d une variation de raideur ETUDE STATIQUE DES FONDATIONS Contexte géotechnique Contraintes du projet Choix du mode de fondations Consultation des entreprises Choix des systèmes de fondations Définition des niveaux des plates-formes de travail Modélisation sur appuis élastiques Intérêt des appuis élastiques en statique Objectifs de l étude Calcul des raideurs des appuis Mode opératoire Influence de la première itération Conclusions et limites de la méthode Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 4

5 4.6 Fondations superficielles Contrainte de rupture du sol Dimensionnement Tassements Contrainte du béton Ferraillage Fondations semi-profondes Hypothèses de calcul Dimensionnement Contrainte du béton Ferraillage Fondations profondes Capacité portante d un pieu isolé Effet de groupe Frottement négatif Contrainte du béton Ferraillage ETUDE SISMIQUE Définition de séisme de calcul Paramètres de l action sismique Valeur du module d élasticité Coefficient de comportement Combinaisons de Newmark Combinaisons d actions Masses à prendre en compte dans les calculs Sélection des modes Orientation des modèles Vérification sismique des fondations Modélisation sur appuis élastiques Fondations superficielles et semi-profondes Fondations profondes DALLE DE TRANSFERT Problématique Description du cas d étude Modélisation Caractéristiques des matériaux Béton Acier Armatures longitudinales Prise en compte des moments de torsion Armatures transversales Poinçonnement Vérification sans armatures longitudinales Vérification avec armatures longitudinales Détermination des armatures transversales Vérification statique du poteau central Vérification des flèches Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 5

6 7 DALLE DE GRANDE LONGUEUR SANS JOINT DE DILATATION Problématique Calcul des effets du retrait et des variations thermiques Effets du retrait Effets des variations thermiques Pourcentage des effets à prendre en compte Combinaisons d actions Etude des effets du retrait et des variations thermiques Introduction Influence sur le ferraillage dans le sens de la portée Influence sur le ferraillage dans le sens perpendiculaire à la portée Conclusion Joint de clavage Rôle du joint de clavage Dispositions constructives Détermination du temps nécessaire avant fermeture du joint de clavage Vérification en phase d exploitation de l ouvrage CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE TABLES DES ILLUSTRATIONS Figure Musée d'art moderne et contemporain de Strasbourg... 9 Figure Maquette du projet Loisium Figure Vue en plan du projet Loisium et de son concept d'arborescence Figure Vue en plan des 6 bâtiments du complexe Loisium Figure Coupe A-A : Différence des niveaux des bâtiments A et E Figure Coupe D-D : Etagement du bâtiment B Figure Planning de l'opération Figure Vues du modèle du bâtiment E réalisé sur Effel Structure Figure Modélisation des éléments filaires Figure Valeur des efforts verticaux aux ELS selon le type d appui Figure Voile sur appuis élastiques Figure Pente de 1/3 entre niveaux d'assises de fondations Figure Coupe de principe des fondations du bâtiment B Figure Mode opératoire pour le calcul sur appuis élastiques Figure Principe de ferraillage des fondations superficielles Figure Comparaison des accélérations sismiques PS92/EC Figure Diagramme élastoplastique Figure Valeur du coefficient de comportement Figure Vues en plan des modèles orientés à 0 (a) et 45 (b) et vue en perspective des modèles (c) Figure Cône d'arrachement d'une fondation superficielle Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 6

7 Figure Raidisseurs verticaux Figure Principe de réalisation des micropieux Figure Bâtiment B - Localisation des efforts d'arrachement Figure Cône d'arrachement d'un pieu Figure 5.10 Loi de comportement du sol pour les actions de courte durée Figure Modélisation du comportement des pieux sous sollicitations horizontales Figure Vue en perspective de la dalle de transfert du bâtiment B Figure (a) Déformations déviées des barres - (b) Configuration en marches d'escalier Figure Définition du feuillet moyen Figure Modélisation du bâtiment D Figure Joint de clavage dans une dalle Figure Evolution du retrait dans le temps Figure 7.4 (a) Evolution de la température dans la paroi (b) Contrainte du béton dû au gradient thermique TABLE DES TABLEAUX Tableau Description des niveaux Tableau Valeur des efforts verticaux selon la raideur des appuis Tableau Voile sur appuis élastiques Valeurs des réactions aux appuis Tableau Déplacements maximums des modèles sur appuis rigides et élastiques Tableau Effets d'une variation de raideur Tableau Systèmes de fondations Tableau Valeurs des modules pressiométriques équivalents et du coefficient rhéologique.. 26 Tableau Contrainte de rupture du sol aux ELS Tableau Armatures longitudinales des pieux Tableau Diamètres et espacements des armatures transversales des pieux Tableau Caractéristiques modales Tableau Comparaison des efforts sismiques selon l'orientation du modèle Tableau Calcul des raideurs dynamiques pour des fondations superficielles Tableau Flèches maximales du modèle avec charges reportées et du modèle global Tableau Moments de flexion Mx maximaux du modèle avec charges reportées et du modèle global Tableau Moments de flexion My maximaux du modèle avec charges reportées et du modèle global Tableau Résistance de calcul du béton aux ELU Tableau Sections minimales d'acier Tableau Evolution du retrait dans le temps Tableau Températures extérieures et intérieures Tableau Gradient thermique du béton Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 7

8 INTRODUCTION Mon projet de fin d études porte sur la modélisation et le dimensionnement de structures du complexe hôtelier Loisium à Voegtlinshoffen. La structure, imaginée par l architecte New-Yorkais Steven Holl, est composée de six bâtiments, de quatre à six niveaux et accueillera des chambres, des espaces de détente et de restauration, ainsi qu un centre événementiel. Cette étude s est déroulée au sein de l entreprise OTE Ingénierie, située à Illkirch et a été orientée autour de quatre axes principaux. Dans un premier temps, les cinq bâtiments en béton du complexe Loisium ont été modélisés sur un logiciel de calcul aux éléments finis. Les hypothèses de modélisation seront présentées dans le rapport. Ces modèles serviront ensuite de support pour traiter les trois autres thèmes majeurs de mon projet de fin d études. L étude statique et sismique des fondations sera ensuite réalisée en s appuyant sur les conclusions du rapport de sol et en tenant compte des contraintes architecturales. Tout d abord, les systèmes de fondations des différents bâtiments seront choisis afin de s adapter au mieux aux contraintes du projet. Les règles de dimensionnement des fondations seront ensuite détaillées dans le cas du calcul statique puis sismique, en portant une attention particulière à la gestion des efforts sismiques d arrachements. Cette étude a également permis d aborder la problématique de l interaction sol-structure à travers le calcul des raideurs statiques et dynamiques des appuis. La troisième étape traitera de l étude d une dalle épaisse de transfert de charges. On présentera l ensemble des vérifications effectuées sur cette dalle en portant une attention particulière sur l influence du moment de torsion sur le ferraillage de la dalle. Une étude comparative sera également présentée afin de montrer l incidence de la modélisation sur les sollicitations et les déformations. La dernière étape de ce projet de fin d études portera sur les conséquences du retrait et des variations thermiques sur une dalle de grande longueur sans joint de dilatation. On expliquera les incidences de ces phénomènes sur les structures et en particulier sur le ferraillage des dalles. On présentera ensuite les dispositions constructives permettant de rendre négligeables ces effets. Ce mémoire présente ma démarche et les travaux que j ai réalisés durant mon projet de fin d études. Il sera décomposé en 7 chapitres. Je commencerai par présenter le bureau d études OTE, qui m a accueilli pendant ce stage, avant de décrire le projet Loisium. On décrira ensuite les hypothèses utilisées pour l étape de modélisation. L étude statique et sismique des fondations fera l objet des parties 4 et 5. Enfin les parties 6 et 7 traiteront respectivement de l étude d une dalle de transfert de charges et des conséquences du retrait et des variations thermiques sur une dalle de grande longueur. Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 8

9 1 PRESENTATION DE L ENTREPRISE 1.1 Généralités Omnium Technique Européen est un bureau d études pluridisciplinaire spécialiste de la construction de bâtiments publics, tertiaires et industriels de haute technicité, reconnu dans tout le quart nord-est de la France. Créé en 1962, le bureau d études OTE s est d abord constitué en société civile avant de devenir en 1980 une société anonyme à directoire. Le directoire est actuellement composé de 5 membres. Le capital de la société est détenu majoritairement par 22 actionnaires actifs dans la société et s élève à 1M. Le groupe OTE emploie environ 200 personnes, dont une centaine de cadres. La plupart de ses collaborateurs sont regroupés au siège d Illkirch-Graffenstaden dans la banlieue de Strasbourg. OTE Ingénierie possède d autres agences à Mulhouse (68), Colmar (68), Metz (57), Paris (75) et Nantes (44). Le groupe OTE Ingénierie comprend également d autres structures telles que ITECO, ensemblier, R2A, maître d œuvre en région Lorraine, et OTELIO, conseils et assistance à la maîtrise d ouvrage HQE (Haute qualité environnementale). 1.2 Activités OTE Ingénierie produit annuellement plus de 16 M d études. Les compétences du bureau d études sont : La direction de projet Le génie électrique L environnement et la sécurité L économie de la construction Le génie civil Les voiries et les réseaux divers Le génie thermique La direction de travaux Réalisations notoires d OTE Ingénierie : Nouvel Hôpital Civil de Strasbourg Parlement européen IPE4 Musée d Art moderne et contemporain de Strasbourg (Figure 1.1) Hôtel du département du Haut-Rhin (Colmar) Centre hospitalier universitaire de Grenoble Figure Musée d'art moderne et contemporain de Strasbourg Rapport intermédiaire de PFE ZACCOMER Cyrille 9

10 2 DESCRIPTION DU PROJET Ce paragraphe est dédié à la description du projet. On commencera par expliquer le concept architectural du projet, puis on décrira les particularités structurelles du complexe. On abordera enfin les principaux acteurs du projet, son coût et le planning de l opération. 2.1 Description architecturale Ce projet a pour objet la construction d un complexe hôtelier de luxe à Voegtlinshoffen, commune située dans le vignoble alsacien (Figure 2.1). Figure Maquette du projet Loisium L établissement est situé sur les hauteurs de Voegtlinshoffen, à proximité du site historique de l Abbaye de Marbach, au pied d une ancienne carrière. Les installations seront exploitées par la société LOISIUM ALSACE et seront implantées sur un terrain de m². Le complexe hôtelier haut de gamme (4 étoiles) est dédié à la vinothérapie. Le projet se compose de 96 chambres, d espaces spa et relaxation, d espaces restauration et bar, de salles de réunion et d un espace événementiel. Le projet, imaginé par l architecte New Yorkais Steven HOLL, forme une «structure arborescente» (Figure 2.2) : les bâtiments représentent des branches et une fleur aux tons rouges émerge de cet édifice en béton bardé de bois. Ce concept permet au complexe de s intégrer en douceur à la pente du paysage. Ces façades en bois sombre brûlé se fondent dans la Figure Vue en plan du projet Loisium et de son concept d'arborescence Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 10

11 verdure de la forêt et l acier rouge patiné (acier Corten ) du pavillon consacré à l événementiel s harmonise aux couleurs de la carrière de grès. La forme arborescente permet également de former différents espaces extérieurs indépendants : un endroit privatif pour le spa, une partie à caractère plus public pour le restaurant. Dans l hôtel, les couloirs, les chambres et suites offrent une vue exceptionnelle sur le vignoble alsacien. Toutes les chambres disposent d un balcon avec fenêtres allant du sol au plafond afin de renforcer le rapport à la nature. Le pavillon événementiel comprend à sa base une galerie à vin reliée au restaurant. Au niveau supérieur, relié au hall, se trouve un espace de réunions dédié aux concerts, mariages et autres manifestations de l hôtel. Les affectations des différents niveaux du bâtiment qui sera établi sur un site en pente (environ du niveau + 398,00 côté est, aux niveaux + 412,00 / + 413,00 en limite du bâtiment projeté côté ouest), seront (Tableau 2.1) : Etage Hauteur par rapport au niveau 0 Description R ,40 m - 1 chambre en duplex (tour ouest) R ,25 m - 1 chambre (tour ouest) R ,10 m - 22 chambres (dont duplex R+5/R+6 de la tour sud accessible depuis le R+4) R+3 + 9,95 m - 34 chambres dont 3 chambres accessibles aux PMR R+2 de plain-pied sur extérieur côté ouest R+1 de plain-pied sur extérieur côté sud/ouest RDC de plain-pied sur extérieur côté nord et sud/est RDJ de plain-pied sur extérieur côté est + 6,80 m - 32 chambres + 2,85 m +/- 0,00 m - 3,55 m - 6 chambres - spa : salons, salles fitness-yoga, espaces bains-sauna et détente - salle de réunion - hall-bar - espace événementiel - spa : espace détente et piscine - locaux sociaux et bureaux personnels - restaurant et salon - cuisine, locaux techniques et stockages Tableau Description des niveaux Des vues architecturales du projet figurent en annexe 1. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 11

12 2.2 Structure Le complexe Loisium est décomposé en six bâtiments (Figure 2.3). Les bâtiments A, B, C, D et E sont conçus en béton alors que le bâtiment F a une structure mixte acier/béton (charpente métallique appuyée sur un soubassement en béton). Figure Vue en plan des 6 bâtiments du complexe Loisium L aspect architectural du projet Loisium est très important. La conception structurelle a donc dû être adaptée pour satisfaire ces fortes exigences architecturales. Les différents blocs sont fondés à des altitudes très différentes. On notera notamment une différence de 10 m entre les niveaux des bâtiments A et E (Figure 2.4). Le bâtiment B présente également la particularité d être étagé puisqu il y a jusqu à deux étages de différence entre les différentes zones du bâtiment (Figure 2.5). Ces contraintes ont influé de façon notoire sur le mode de fondations retenu et sur la conception de la plate forme de travail. C est l objet du paragraphe 4. Figure Coupe A-A : Différence des niveaux des bâtiments A et E Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 12

13 Figure Coupe D-D : Etagement du bâtiment B Les étages présentent peu de similarités et de nombreux voiles ne se superposent pas, hormis pour les derniers niveaux qui ne regroupent que des chambres. Dans de nombreux cas, il est possible de faire travailler les voiles en poutre-voile en s appuyant ponctuellement sur les niveaux inférieurs. En revanche, dans la plupart des blocs du complexe, ce fonctionnement n est pas possible. Les niveaux supérieurs, qui regroupent les chambres, possèdent une trame régulière et s appuient sur des espaces communs, plus ouverts et moins tramés, ce qui nécessite donc des dalles épaisses de transfert de charges. L étude d une de ces dalles fait l objet du paragraphe 6. On peut également remarquer que le bâtiment D est de grande longueur sans joint de dilatation, puisqu on a près de 42 m entre blocs. Les phénomènes de retrait du béton et la dilatation thermique peuvent donc avoir des conséquences importantes et provoquer des sollicitations non négligeables dans la structure. Le paragraphe 7 aborde l étude de l influence de ces phénomènes sur un étage du bâtiment D. La structure présente d autres particularités comme de nombreux décaissés de dalles ou encore des discontinuités verticales de certains joints de dilatation qui ont nécessité des études spécifiques. On peut relever la présence de structures fonctionnant en porte-à-faux. Néanmoins, ces particularités ne font pas l objet de ce mémoire. Des plans des niveaux, des coupes de la structure et des vues des façades figurent en annexe Les acteurs Maitrise d ouvrage La société Loisium Alsace SAS, gérée par un groupement d investisseurs autrichiens, est commanditaire du projet. Elle a délégué la maitrise d ouvrage à la Société d Economie Mixte de Haute Alsace (SEMHA) qui est spécialisée dans le suivi d opérations de construction Maitrise d œuvre Le New-Yorkais Steven Holl est l architecte mandataire du projet Loisium. Il s est associé au cabinet d architectes suisse Ruessli Architects. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 13

14 OTE Ingénierie a été choisi par la maîtrise d ouvrage déléguée (SEMHA) pour assurer le suivi du projet, les études structurelles et techniques ainsi que pour le suivi des travaux. SOCOTEC a été désigné comme bureau de contrôle sur l opération et la société APAVE comme coordinateur SPS (Sécurité et Prévention de la Santé). 2.4 Chiffres clés Montant de l opération Le montant global de l opération est de 17,2 M. Le lot gros-œuvre charpente métallique étanchéité représente 22% du montant des travaux, soit 3,8 M Surfaces La définition exacte des différents types de surfaces citées ci-dessous figure en annexe 3. Surface utile (SU) : 8570 m² Surfaces Hors Œuvre Nette (SHON) : 9247 m² Surface Hors Œuvre Brute (SHOB) : 9913 m² 2.5 Planning de l opération Le projet est actuellement en phase de consultation des entreprises (DCE). La figure 2.6 ci-dessous décrit les principales phases du projet Loisium. Un planning prévisionnel détaillé des phases «Etudes d exécution» et «Travaux» figure en annexe 4. APD PRO DCE Analyse des offres Négociations Etudes d'exécution Travaux Figure Planning de l'opération Néanmoins, ce planning devrait être mis à jour prochainement, car le projet est actuellement menacé par deux recours administratifs déposés par des associations locales. Un jugement sera prononcé dans les prochains mois pour statuer sur la poursuite du projet. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 14

15 3 MODELISATION Cette partie est consacrée à la modélisation des structures. structures. L étude du complexe a été effectuée à l aide du logiciel Effel. On commencera par décrire le logiciel Effel, puis les hypothèses de modélisation avant d aborder l intérêt des appuis élastiques. 3.1 Présentation du logiciel Effel Structure est un logiciel de de calcul de structure aux aux éléments finis. Il permet de calculer les efforts internes et les déplacements d une structure soumise à différents types de chargements. chargements Le logiciel Effel Structure permet également d effectuer un calcul sismique par l analyse modale. mo La figure 3.1 représente deux vues du modèle du bâtiment E obtenues respectivement avec le moteur 3D et l interface de calcul du logiciel. Des vues des autres bâtiments modélisés figurent en annexe 5. Figure Vues du modèle du bâtiment E réalisé sur Effel Structure 3.2 Hypothèses de modélisation L ensemble des six bâtiments bâtiments du complexe a été modélisé grâce au logiciel Effel. Les hypothèses suivantes ont été utilisées pour la modélisation modélis : les dalles et les voiles sont modélisés en coques épaisses les poteaux sont bi-rotulés bi lorsqu ils ne reprennent que des charges verticales, ou bi-encastrés encastrés lorsqu ils participent au contreventement les poutres sont encastrées encastré s d au moins une maille dans les éléments surfaciques (Figure 3.2) Figure Modélisation des éléments filaires le maillage est constitué d éléments quadrangulaires de 1 m x 1 m L étape de modélisation est très importante. La structure ne doit pas être représentée dans les moindres détails. L ingénieur doit donc apporter une réelle valeur ajoutée lors de cette étape afin Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 15

16 d alléger au maximum le modèle tout en représentant au plus juste le comportement de la structure. Ainsi, tous les éléments dont le rapport longueur/largeur est supérieur à quatre ont été modélisés comme des filaires pour rendre le modèle plus simple. Il est en effet plus facile d exploiter les résultats pour ces éléments que pour les éléments surfaciques. 3.3 Charges et surcharges Le poids volumique des éléments en béton armé est égal à 25 kn/m 3. Les dimensions des éléments estimées pendant la phase d avant projet ont été utilisées pour déterminer le poids propre. Les charges permanentes complémentaires et surcharges d exploitation utilisées ont été déterminées en utilisant la norme NF P On a les charges suivantes : Dallage : Toutes zones : 7,5 kn/m² Dalle : Complément de poids propre : - Revêtement + divers : 1,0 kn/m² - Chapes : 2,5 kn/m² Surcharges d exploitation : - Chambre : 1,5 kn/m² - Bureaux : 2,5 kn/m² - Balcons : 3,5 kn/m² - Autres : 4,0 kn/m² - Locaux techniques : 7,5 kn/m² Toiture : Compléments de poids propre - bac + isolation + étanchéité + divers : 0,6 kn/m² - Toiture végétalisée : 1,5 kn/m² - Toiture enterrée : 10,0 kn/m² Surcharges d exploitation : - Toiture non accessible : 1,0 kn/m² L ensemble des combinaisons de charges utilisées figurent en annexe Hypothèses aux appuis Influence des hypothèses aux appuis Le logiciel Effel permet de modéliser trois types d appuis différents : Appuis de type rigide Appuis de type élastique Appuis de type butée (qui permettent de ne reprendre que des efforts dans une même direction, par exemple que de la compression) Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 16

17 On peut donc se demander quelle est l influence des hypothèses aux appuis sur la descente de charge effectuée par Effel. La comparaison a été réalisée sur le bâtiment A du complexe Loisium. Les appuis butée nécessitant un calcul non linéaire, il n a pas été possible de comparer les résultats de la descente de charge sismique pour ce type d appuis, le logiciel Effel ne calculant qu en linéaire dans le cas des sollicitations sismiques. Seuls les appuis rigides et élastiques ont donc été comparés. Le calcul avec appuis élastiques a été effectué avec une raideur verticale de kn/m et une raideur horizontale égale à kn/m. Ses valeurs correspondent à une fondation superficielle carrée de 1,40 m de côté Influence sur les réactions d appuis L analyse des réactions d appuis donne les résultats suivants (Tableau 3.1 et Figure3.3) : Modèle avec appuis rigides Modèle avec appuis élastiques Efforts verticaux Maxi -31,98-68,59 Combinaison ELS (kn) Mini -1125,89-656,13 Efforts verticaux Maxi -44,87-95,11 Combinaison ELU (kn) Mini -1531,87-893,22 Efforts verticaux Maxi 616,56 431,86 Combinaison ELUA (kn) Mini -2139, ,58 Efforts horizontaux Maxi 479,72 244,74 Combinaison ELUA (kn) Mini 3,80 5,76 Tableau Valeur des efforts verticaux selon la raideur des appuis 0 Efforts verticaux - ELS Appuis Appuis rigides Appuis élastiques Efforts verticaux (kn) Figure Valeur des efforts verticaux aux ELS selon le type d appui On constate donc que les efforts verticaux et horizontaux sont mieux répartis entre les différents appuis, dans le cas des appuis élastiques, aussi bien sous sollicitations statiques que sismiques. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 17

18 L introduction de la raideur des appuis a donc un effet favorable, puisque les réactions d appuis sont lissées. Les efforts maximums en compression et en traction (pour le calcul sismique) sont réduits jusqu à 50%. Analogie avec la formule des 5 moments : Ces résultats sont logiques et on peut faire un parallèle avec la théorie des poutres continues sur appuis élastiques en exploitant la formule des 5 moments. Prenons l exemple, d un voile de longueur 15,00 m, d épaisseur 0,20 m et de hauteur 3,00 m sous lequel on place un appui tous les 5,00 m. On applique en tête de voile un effort de 100 kn/ml (figure 3.4). Figure Voile sur appuis élastiques En effectuant le calcul avec des appuis rigides puis des appuis élastiques, on obtient les résultats suivants (Tableau 3.2) : Raideur (kn/m) R0 (kn) R1 (kn) R2 (kn) R3 (kn) Appuis rigides 200,00 550,00 550,00 200,00 Appuis élastiques ,81 481,19 481,19 268,81 Appuis élastiques ,70 403,30 403,30 346,70 Tableau Voile sur appuis élastiques Valeurs des réactions aux appuis On peut donc vérifier cette observation avec la formule des 5 moments. On remarque que plus la raideur des appuis diminue, plus les réactions d appuis sont lissées. Lorsque la raideur des éléments devient suffisamment grande par rapport à la raideur des appuis, on observe une redistribution des efforts qui tient compte de la déformée réelle des éléments Influence sur les déplacements La raideur des appuis a également une influence sur les déplacements. Les déplacements verticaux pour les modèles sur appuis élastiques sont légèrement plus importants que ceux obtenus pour les modèles sur appuis rigides, puisque les tassements des appuis sont pris en compte. Cette augmentation est beaucoup plus nette pour les déplacements horizontaux. On observe une augmentation de 130 % sur le déplacement horizontal maximal sous sollicitations sismiques. On peut également remarquer que les déplacements horizontaux aux appuis ne sont Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 18

19 plus nuls pour le modèle sur appuis élastiques, avec, sous sollicitations sismiques, un maximum à 0,32 cm. Les déplacements maximaux observés pour les modèles sur appuis rigides et élastiques sont résumés dans le tableau 3.3 : Dx Dy Dz Déplacement maximum sur appuis rigides [cm] 1,12 0,33 0,58 Déplacement maximum sur appuis élastiques [cm] 2,58 0,42 0,91 Ecart relatif 130 % 27 % 57 % Tableau Déplacements maximums des modèles sur appuis rigides et élastiques Influence sur le comportement sismique Les appuis élastiques permettent également de simplifier le comportement sismique. Les modes prépondérants excitent plus de masse et on observe moins de modes parasites, excitant peu de masses. De plus, les appuis élastiques permettent également un gain de temps pour le calcul sismique. Les règles parasismiques PS92 imposent qu un minimum de 70 % de la masse modale du bâtiment soit excité sous sollicitations sismiques, pour que le modèle soit valable. On observe que pour le modèle sur appuis rigides, 21 modes ont été nécessaires pour exciter cette masse, contre 6 seulement pour le modèle sur appuis élastiques Calcul de la raideur des appuis Influence d une variation de raideur Le calcul de la raideur des appuis dépend de nombreux paramètres: Le type de fondations (superficielles, semi-profondes) Les dimensions de la fondation Les caractéristiques du sol La nature des sollicitations (statique/sismique) Des formules ont été établies pour calculer les valeurs des raideurs et seront détaillées dans les paragraphes 4 et 5 concernant les fondations. Cependant, les paramètres nécessaires au calcul ne sont pas toujours connus. Les dimensions de la fondation ne sont pas disponibles avant calcul et toutes les caractéristiques du sol ne sont pas toujours disponibles dans le rapport de sol. Il faut donc par exemple recourir à des abaques pour déterminer les caractéristiques du sol. On peut se demander quelle est l influence d une variation de raideur des fondations sur les réactions aux appuis, c'est-à-dire en quoi une erreur sur les paramètres de calcul peut influencer la descente de charges? Pour effectuer cette étude, on comparera les résultats de la descente de charges avec trois valeurs de raideurs différentes appliquées aux appuis du bâtiment E. Dans le premier cas, les appuis ont été affectés d une raideur verticale de kn/m et d une raideur horizontale de kn/m. Les valeurs de raideurs utilisées pour les deux autres cas ont été prises 15% supérieures (cas 2) et inférieures (cas 3). Les valeurs maximales en compression et en traction sous sollicitations sismiques sont les suivantes (Tableau 3.4) : Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 19

20 Raideur verticale (kn/m) Raideur horizontale (kn/m) Compression maximale (kn) Traction maximale (kn) Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3 Ecart / Ecart / Valeur Valeur modèle 1 modèle % % % % ,53% ,04% ,19% 604-3,67% Tableau Effets d'une variation de raideur On constate donc qu une variation de raideur a une influence relativement faible sur les valeurs des réactions d appuis. Dans l exemple traité, une variation de raideur de 15% entraine un écart maximal de 3,67% sur les réactions d appuis verticales. Des écarts du même ordre de grandeur ont été observés par rapport aux réactions d appuis horizontales. On peut alors en conclure qu un calcul effectué, même avec des valeurs de raideur partiellement fausses, permet d obtenir des résultats acceptables. Bien entendu, ces résultats sont valables si l on considère que tous les appuis comportent la même raideur. En réalité, toutes les fondations n ont pas les mêmes dimensions et le sol n est pas identique sous chaque fondation. On a également fait l hypothèse simplificatrice que l erreur sur la raideur est la même pour chaque appui. Il faudrait donc, en toute rigueur, étudier l ensemble des combinaisons où les raideurs des appuis varient indépendamment les unes des autres de plus ou moins 15% par rapport à la raideur initiale. Malheureusement, le logiciel Effel ne permet pas d effectuer ces calculs de manière automatique. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 20

21 4 ETUDE STATIQUE DES FONDATIONS Cette partie est consacrée à l étude statique des fondations. On commencera par décrire le contexte géotechnique du site, puis on évoquera les contraintes du projet et la façon dont elles ont influencé le choix des modes de fondations et la définition des plates-formes de travail. On poursuivra avec la modélisation des appuis élastiques dans le cas du calcul statique. Enfin, les trois derniers paragraphes sont consacrés au dimensionnement des fondations superficielles, semiprofondes et profondes. 4.1 Contexte géotechnique Une étude géotechnique a été réalisée par le bureau d études HYDROGEOTECHNIQUE EST. Plusieurs essais ont été réalisés : 9 forages de reconnaissances conduits entre 8 et 15 m de profondeur Des essais pressiométriques sur ces 9 forages 12 sondages de reconnaissance géologique à faible profondeur Des essais en laboratoire Les forages de reconnaissance géologique effectués ont permis d identifier la lithologie suivante : 0,3 à 0,4 m de limon argilo-sableux et sables limoneux à cailloux et racines qui correspondent aux horizons de terre végétale donc les caractéristiques sont très hétérogènes. 0,3 à 6,2 m de matériaux issus de la solifluxion (descente, sur un versant, de matériaux boueux ramollis par l'augmentation de leur teneur en eau liquide) constitués d argiles sableuses et de sables argileux de compacités très variées. Entre 2,8 m et 7,5 m de profondeur, des formations triasiques composées d une alternance d argiles plus ou moins sableuses, d argiles marneuses, de marnes et de marno-calcaires altérés, et dont les caractéristiques géotechniques sont généralement bonnes à excellentes. Les sondages ont également permis de relever la présence de blocs gréseux entre le terrain naturel et la couche porteuse. Cet aléa gréseux constitue une contrainte importante du projet, car l emploi d un brise roche hydraulique est nécessaire pour le traverser. On peut relever que le sol est très hétérogène ce qui rend l étude plus complexe. Les essais pressiométriques ont démontré qu entre deux sondages voisins la succession géologique ainsi que les valeurs du module pressiométrique, de la pression de fluage et de pression limite varient de manière significative. Le rapport de sol préconise de réaliser soit des fondations superficielles (semelles), soit semiprofondes (puits). L ensemble des fondations sera ancré d au moins 50 cm dans les horizons porteurs. Les sondages pressiométriques ont également permis de calculer une contrainte admissible aux ELS, estimée à 0,4 MPa par le bureau d études géotechniques. Les courbes pressiométriques étant jointes au rapport de sol, ces valeurs ont été vérifiées (voir ). Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 21

22 4.2 Contraintes du projet La principale contrainte du projet en ce qui concerne la réalisation des fondations est la variation des niveaux d assise des différents bâtiments de l ensemble Loisium. Comme mentionné dans le paragraphe 2.2, l écart entre les niveaux des bâtiments A et E est d environ 10 m (Figure 2.4). Le projet est situé en zone sismique et est donc soumis aux règles PS92. Il est alors nécessaire de respecter une pente minimale de 1/3 entre les niveaux d assises des fondations (Figure 4.1). Cette condition est extrêmement contraignante pour le choix des fondations, puisqu il faut rattraper les différences de niveaux des bâtiments les plus hauts (bâtiments A et B) en descendant les fondations de ces bâtiments plus profondément. Figure Pente de 1/3 entre niveaux d'assises de fondations La deuxième contrainte majeure concernant la réalisation des fondations est la présence de lentilles gréseuses à faible profondeur. En effet, les études géotechniques ont permis de révéler localement la présence de blocs de grès de taille parfois importante, qui nécessite l utilisation d un brise roche hydraulique pour les traverser. Même s il est possible que ces massifs ne soient pas rencontrés lors des terrassements, cette présence constitue un risque non négligeable. Pour limiter cet aléa, on privilégiera, dans la mesure du possible, les solutions sur pieux à celles sur puits busés sous les ailes les plus hautes. En effet, en réduisant le diamètre de la fondation, on limite le risque de rencontrer ces horizons gréseux. De plus, les machines à pieux sont suffisamment puissantes pour traverser ces horizons lors du forage. 4.3 Choix du mode de fondations Consultation des entreprises Le dossier de consultation des entreprises a été lancé fin octobre Quatre entreprises ont répondu à l appel d offres sur la base du rapport de sol et des descentes de charges de la phase PRO fournies par OTE Ingénierie. Trois solutions ont été proposées : Fondations superficielles et pieux pour les ailes les plus hautes (bâtiments A et B) Fondations superficielles et puits busés pour les ailes les plus hautes Radier général et puits busés pour les ailes les plus hautes Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 22

23 4.3.2 Choix des systèmes de fondations La première étape a consisté à déterminer les modes de fondations des différents bâtiments. Ce choix a été réalisé en fonction des critères suivants : Contexte géotechnique Préconisations du rapport de sol et propositions des entreprises Respect des pentes de 1/3 entre niveaux d assises de fondations Contraintes techniques liées à la réalisation des fondations Economie du projet La première solution écartée est celle qui consiste à réaliser un radier. Le rapport de sol indique la présence d une formation de bonne qualité au niveau d assise des bâtiments les plus bas (bâtiment C, D, E et F), qui ne nécessite pas de recourir à la réalisation d un radier, généralement plus cher que des semelles. De plus, cette solution aurait l inconvénient de rendre extrêmement compliquée toute intervention ultérieure sur les réseaux enterrés. Une solution en semelles isolées parait donc plus judicieuse pour ces quatre bâtiments. Le bâtiment A est situé contre le bâtiment E et la différence entre les niveaux bas de ces deux bâtiments est d environ 10 m. Le respect d une pente de 1/3 entre les niveaux d assises des fondations a donc permis d écarter immédiatement les fondations superficielles. Il ne reste donc plus que les solutions des pieux et des puits. Cette dernière a été écartée pour deux raisons : d une part pour limiter le risque de rencontrer des lentilles, et d autre part, car les hauteurs des puits ont été limitées à 5 m pour des raisons constructives. De plus, en réalisant des puits, il faudrait baisser les plates-formes de travail pour respecter la hauteur maximale de 5 m des puits et rattraper des niveaux plus importants par des structures en béton, ce qui serait peu économique. Le bâtiment A sera donc fondé sur pieux. Le bâtiment B possède la particularité d être étagé. Le choix s est porté vers une solution mixte, constituée de semelles isolées et de puits busés, ces derniers ayant pour fonction de rattraper les niveaux d assises des fondations pour respecter la pente règlementaire de 1/3 (Figure 4.2). Les puits ont été préférés aux semelles lorsque la hauteur de la fondation était supérieure à 1 m. Figure Coupe de principe des fondations du bâtiment B Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 23

24 Les systèmes de fondations retenus pour chaque bâtiment sont résumés dans le Tableau 4.1 : Bâtiment Bâtiment A Bâtiment B Bâtiment C Bâtiment D Bâtiment E Bâtiment F Système de fondations Pieux forés tubés Semelles isolées / puits busés Semelles isolées Semelles isolées Semelles isolées Semelles isolées Tableau Systèmes de fondations 4.4 Définition des niveaux des plates-formes de travail Après avoir choisi les modes de fondations des différents bâtiments, les altitudes des platesformes de travail ont dû être définies. Nous avons vu que les niveaux bas des différents bâtiments du projet Loisium présentent d importantes variations. Cette particularité nécessite donc de réaliser plusieurs plates-formes de travail à des altitudes différentes. Pendant la phase d avant projet sommaire, un premier plan de terrassement avait été effectué. Depuis, de nouveaux éléments comme les vues des façades et des coupes du bâtiment ont été envoyés par l architecte. Les vues des façades ont permis d identifier les niveaux finis des remblais autour des bâtiments. Dans certaines zones, il s est avéré que le niveau des terres est plus bas que celui du premier plancher. Des voiles de soubassement doivent donc être prévus pour rattraper ces différences de niveau. Il était donc nécessaire de mettre à jour les altitudes des plates-formes de travail pour tenir compte de ces nouveaux éléments. Les niveaux des terrassements ont été définis en tenant compte des objectifs suivants : Minimiser la quantité des terrassements et les quantités de béton des soubassements Trouver une solution simple à réaliser aussi bien pour le terrassement que pour l exécution des soubassements Satisfaire aux contraintes d exécution pour les fondations et les dallages Les altitudes des plates-formes des bâtiments C, D, E et F dont les niveaux sont très proches n ont pas été modifiées par rapport à la première version. En revanche, les plates-formes des bâtiments A et B ont été totalement redéfinies. Pour le bâtiment A, deux plates-formes de travail ont été définies, aux altitudes 409,70 m et 406,50 m. Le remblaiement et le compactage des plates-formes seront réalisés après réalisation du niveau R+1 du bâtiment E. Le raccordement des plates-formes est réalisé avec des talus de pente de 1/1. Pour le bâtiment B, trois plates-formes ont été définies aux altitudes 405,50 m, 409,00 m et 410,20 m. Celles-ci seront réalisées après la réalisation du rez-de-chaussée du bâtiment E. La dalle portée du bâtiment B étant coulée sur terre-plein, ces plates-formes seront rehaussées au cours des travaux. Les niveaux des plates-formes figurent sur les minutes de fondations en annexe 17. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 24

25 4.5 Modélisation sur appuis élastiques Intérêt des appuis élastiques en statique Objectifs de l étude Nous avons vu, dans le paragraphe 3.4, l influence de la raideur des appuis sur les réactions aux appuis. L introduction d appuis élastiques a pour effet de lisser les extremums des réactions d appuis et a donc un effet plutôt favorable puisque les réactions d appuis maximales sont réduites. On peut alors se poser la question de l intérêt de modéliser des appuis élastiques dans le cadre d une étude statique. Les appuis élastiques permettent de tenir compte des tassements des fondations et par conséquent d estimer le comportement réel de la structure lorsque celle-ci tasse. L objectif de cette étude est d établir une méthode permettant de tenir compte des redistributions d efforts dans les éléments (voiles, fondations ) dues aux tassements différentiels de la structure. L étude a été menée sur le bâtiment E, fondé sur des semelles superficielles. Nous commencerons par expliquer la méthode permettant de calculer les raideurs des fondations superficielles, puis nous détaillerons le mode opératoire avant de conclure sur les résultats de la méthode Calcul des raideurs des appuis La raideur des appuis dépend de nombreux paramètres, en particulier des caractéristiques du sol et des dimensions de la fondation. L annexe F3 du Fascicule 62, titre V donne une méthode pour déterminer le module de réaction verticale sous une fondation superficielle. Dans le cas de sollicitations de longue durée, le module de réaction vertical vaut : Avec : (4.1) : module de réaction verticale [kn/m 3 ] : coefficient rhéologique fonction de la nature et du degré de consolidation du sol : largeur de la fondation [m] : largeur de référence prise égale à 0,60 m : module pressiométrique équivalent du sol correspondant à la zone d influence sphérique [kpa] : module pressiométrique équivalent du sol correspondant à la zone d influence déviatorique [kpa], : coefficients fonctions des dimensions de la fondation La raideur verticale k [kn/ml] est déduite du module de réaction verticale et de la surface de la fondation A [m²] par la relation suivante :. (4.2) Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 25

26 Dans le cas de sollicitations de courte durée, les tassements des fondations sont moins importants, car on n observe pas de fluage. Il est alors d usage de considérer que la raideur est deux fois plus importante que pour les sollicitations de longue durée. Cependant, dans le cas d ouvrage en béton, le poids propre de la structure et les charges permanentes complémentaires représentent la majeure partie du chargement. Pour le bâtiment E, les charges permanentes constituent environ 86 % des charges totales. On considèrera donc, par simplification, que la raideur des appuis est égale à la raideur sous sollicitations de longue durée. Le rapport de sol a montré que les caractéristiques du sol sont très hétérogènes et que l on peut avoir des résultats très différents entre deux sondages voisins. Les raideurs des fondations ont donc été déterminées à partir des caractéristiques moyennes du sol sous le bâtiment. L étude statique sur appuis élastiques ayant été menée pour le bâtiment E, les essais pressiométriques PR4, PR5 et PR6 ont été utilisés. Les caractéristiques de sol retenues sont les suivantes (Tableau 4.2) : Sondage Modules pressiométriques équivalents [MPa] Coefficient rhéologique PR4 23,9 28,1 1/2 PR5 88,3 64,9 2/3 PR6 47,6 71,9 2/3 Moyenne 53,3 55,0 11/18 = 0,61 Tableau Valeurs des modules pressiométriques équivalents et du coefficient rhéologique Remarque : Les formules ci-dessus restent valables uniquement si la rigidité à la flexion de la fondation dans le sens de sa largeur B reste suffisante. On vérifie alors que la largeur de la fondation est inférieure à deux fois sa longueur de transfert, soit : 2. (4.3) La longueur de transfert s exprime de la façon suivante : Avec : 4... E : module d élasticité du béton de fondation [MPa] : inertie en flexion de la fondation [m 4 ] : module de réaction vertical [MN/m 3 ] : largeur de la fondation (4.4) La condition ci-dessus peut également s écrire de la façon suivante : (4.5) Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 26

27 Soit : (4.6) On en déduit la largeur maximale de la fondation pour que le calcul du module de réaction vertical et la raideur reste valable : (4.7) Application numérique : Pour une semelle isolée de dimensions en plan 1,20 m x 1,20 m, et de hauteur 0,60 on obtient les résultats suivants : Coefficients de forme : 1,10 et 1,10 Module de réaction verticale : 177,0 On en déduit la raideur verticale de la fondation : / (4.8) La largeur de la fondation vérifie :. 1, , ,03 (4.9) Mode opératoire Influence de la première itération Description du mode opératoire On a vu dans le paragraphe précédent que la valeur de la raideur dépend à la fois des caractéristiques du sol et de la géométrie de la fondation. Si les propriétés du sol sont à priori connues, il n en est pas de même pour les dimensions des fondations. La méthode choisie dans le cadre de cette étude est basée sur des itérations. Le principe de la méthode consiste à effectuer une première descente de charges et à dimensionner les fondations. On calcule alors les raideurs de chaque appui. Les valeurs des raideurs sont ensuite introduites dans le modèle de calcul réalisé sur le logiciel Effel. On réalise alors une nouvelle descente de charges afin d observer les redistributions d efforts sur les fondations. Les dimensions des fondations sont alors recalculées selon les résultats de la descente de charges et on procède ainsi jusqu à obtenir une convergence. On considère que la convergence est atteinte lorsque la contrainte de référence sous chaque fondation est comprise entre 1 et 1,10 fois la contrainte de dimensionnement aux ELS. L organigramme de calcul est détaillé cidessous (Figure 4.3) : Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 27

28 Figure Mode opératoire pour le calcul sur appuis élastiques Influence de la première itération Le calcul utilisé est un calcul itératif. On peut alors se poser la question de savoir quelle première valeur de raideur prendre. Le calcul va-t-il converger vers le même résultat quelque soit la première itération? Pour mesurer l influence de la première descente de charges, plusieurs possibilités ont été testées pour des bâtiments sur semelles filantes et isolées. Modèles sur appuis filants : Pour les modèles sur semelles filantes, deux possibilités ont été testées. La première itération a été effectuée à partir de : (a) La descente de charges sur appuis filants rigides (b) La descente de charges sur appuis filants élastiques dont la raideur a été calculée en considérant une semelle filante de 0,60 m de largeur Dans les deux cas, on observe que le calcul converge relativement rapidement. Quatre itérations sont nécessaires dans le premier cas, contre trois seulement dans le second cas. Les deux modèles convergent vers les mêmes résultats. Les différences entre la première itération et le résultat final sont en moyenne de 10 %. On peut donc en conclure que pour un modèle sur appuis filants, la première itération a peu d importance, puisque seul le nombre d itérations augmente. Le résultat final reste identique. Mémoire de PFE ZACCOMER Cyrille 28