Etude expérimentale de l influence des ouvrages de protection sur les avalanches et des pressions d impact

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1 Etude expérimentale de l influence des ouvrages de protection sur les avalanches et des pressions d impact Paolo Caccamo Université de Grenoble Encadrants : Florence Naaim-Bouvet, Thierry Faug, Cemagref Grenoble Contexte Dans le cadre des risques liés aux avalanches de neige, la prédictibilité de l aléa, les mesures de protection à mettre en œuvre, le zonage du risque et l analyse de la vulnérabilité des ouvrages sont différents niveaux de questionnement qui nécessitent une connaissance fine en amont des processus physiques mis en jeu. Une quantification correcte de la vulnérabilité physique des structures soumises à l aléa est conditionnée par une étude approfondie de la dynamique des avalanches et de leur interaction avec un obstacle, représentant des ouvrages de protection ou des bâtiments. Objectif L objectif de la thèse est de synthétiser les connaissances existantes et renforcer la production de connaissances concernant les effets des obstacles et les sollicitations (champ de pression spatial et temporel) exercées sur les obstacles dans des configurations géométriques complexes où la taille de l obstacle est égale ou supérieure à la dimension caractéristique de l écoulement. Ce travail est réalisé en vue de fournir des entrées pertinentes pour les modèles de calcul de structure, afin de définir et pouvoir quantifier des indices de vulnérabilité physique pour une large gamme d ouvrages. Méthodologie La thèse proposée est à dominante expérimentale. Des expériences de laboratoire sur des modèles réduits seront conduites en interaction étroite avec des observations et mesures de terrain. Le travail de thèse proposé permettra de développer et renforcer cette approche très prometteuse combinant modèles réduits et observations de terrain à grande échelle. Expériences en modèles réduits de laboratoire Pour le volet expérimental en modèle réduit de laboratoire, il s agira principalement d étudier, par des expériences simples, la propagation d un écoulement autour d un obstacle et la force que cet écoulement exerce sur l obstacle. Les écoulements denses et les écoulements de suspensions turbulents seront étudiés. Concernant les écoulements denses, une série d expériences concernera des avalanches de matériaux granulaires, secs et non cohésifs, sur plan incliné et impactant un obstacle de grande dimension équipé de capteurs de force permettant d avoir accès au signal temporel de force à une fréquence d acquisition élevée (voir fiche biplangranulaire.doc). Concernant les écoulements en suspension, la modélisation des écoulements se fera en bassin noyé. Le dispositif expérimental actuellement opérationnel est constitué d une cuve vitrée d une longueur de 4.5 m, d une largeur de 4 m et d une hauteur de 2 m. Dans ce bassin, les bouffées de gravité s écoulent le long d un plan incliné à partir d un réservoir (voir fiche Bassinnoyé.doc). L instrumentation principale sera constituée d un vélocimètre 3D à effet Doppler.

2 Ces expériences permettront d obtenir un grand nombre de données expérimentales relatives aux paramètres dynamiques (h(t), U(t) et P(t)) des deux types d écoulements et aussi concernant l évolution de la densité dans le temps et dans l espace pour les écoulements en suspension. Ces données seront confrontées à des simulations numériques conduites en parallèle et par ailleurs (logiciel PFC pour les écoulements denses et logiciel FLUENT pour les écoulements de suspension) afin de développer des lois de pression pour les géométries testées. Les modèles numériques permettent d avoir accès aux fluctuations de pression de manière fine (amplitude, distribution en fréquence). En outre, on pourra comparer ces lois de pression aux prédictions théoriques. Site expérimental Dans le cadre du renouvellement du système paravalanche du bassin de Taconnaz, trois tas freineurs ont été équipé avec capteurs de vitesse et pression (voir fiche Taconnaz.doc). Deux capteurs de vitesse et deux capteurs de pression pour chaque tas, installé à une hauteur de 3m et 6m permettront de collecter des données d avalanches réelles (échelle 1) de très grandes dimensions. Ces données constitueront un ultérieur élément de comparaison pour les résultats obtenus entre modélisation numérique et modélisation physique aux différentes échelles. Le suivi de toutes les phases, conception, mise en place des capteurs et exploitation des données représente une partie de ce travail de thèse. Collaborations La thèse proposée se situe dans le cadre du projet européen Dynaval Alcotra, projet bilatéral entre France et Italie. Des échanges constants et des collaborations sont menés avec les partenaires italiens, surtout relativement aux sites expérimentaux du Col du Lautaret et de Taconnaz (voir fiches relatives) et du site italien de Punta Sehore. Publications P. Caccamo, B. Chanut, T. Faug, H. Bellot, F. Naaim-Bouvet, Small-scale laboratory experiments to investigate dry granular avalanche dynamics and forces on a wall-like obstacle, submitted to Granular Matter, mars 2011; P. Caccamo, T. Faug, H. Bellot, F. Naaim-Bouvet, Experiments on a dry granular avalanche impacting an obstacle: dead zone, granular jump and induced forces, Fluid Structure Interaction conference, Orlando 9-11 mai 2011, proceeding; P. Caccamo, B. Chanut, T. Faug, H. Bellot, F. Naaim-Bouvet, Small-scale laboratory tests on granular avalanches overflowing a flat obstacle: flow regimes, dead zone and induced forces, EPFL Doctoral Conference in Mechanics, Lausanne 19 février 2010, proceeding; T. Faug and P. Caccamo, B. Chanut, equation for the force experienced by a wall overflowed by a granular avalanche: experimental verification, submitted to Physical Review, juillet 2011.

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