Université Saint Joseph. Faculté d ingénierie. Ecole Supérieure des Ingénieurs de Beyrouth (ESIB) Département génie civil et environnement

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1 Université Saint Joseph Faculté d ingénierie Ecole Supérieure des Ingénieurs de Beyrouth (ESIB) Département génie civil et environnement Rapport de stage Topographie Présenté par : ASMAR Nour Brigade 1 Professeurs encadrants : M. SFEIR Saad M. GHATTAS Ghassan Juin 2016

2 PLAN I. Introduction II. Matériel utilisé A. Les accessoires 1. Le trépied 2. La mire 3. Le réflecteur 4. Le décamètre 5. Le fil à plomb 6. Le jalon B. Les instruments 1. Le niveau 2. Le théodolite 3. Le tachéomètre 4. L équerre à prisme III. Mise en station A. Préparation de la mise en station : installation du trépied B. Mise en station du niveau C. Mise en station du théodolite et du tachéomètre 2

3 IV. Le relèvement A. Principe et but de la manipulation B. Application sur le terrain C. Résultats et valeurs retrouvées V. Le nivellement A. Principe et but de la manipulation B. Application sur le terrain C. Résultats et valeurs retrouvées VI. L implantation A. Principe et but de la manipulation B. Application sur le terrain C. Résultats et valeurs retrouvées VII. Le cheminement A. Principe et but de la manipulation B. Application sur le terrain C. Résultats et valeurs retrouvées VIII. Le rayonnement A. Principe et but de la manipulation B. Application sur le terrain C. Résultats et valeurs retrouvées 3

4 IX. Le levé de détails A. Principe et but de la manipulation B. Application sur le terrain C. Résultats et valeurs retrouvées X. Conclusion XI. Remerciements XII. Bibliographie 4

5 I. Introduction En seconde année préparatoire à l ESIB (Mathématiques Spéciales), les étudiants, futurs ingénieurs civils, doivent assister à un stage de topographie. Pour comprendre le motif de ce stage, commençons, tout d abord, par définir la topographie. La topographie est la science permettant de représenter, suite à une prise de mesures, un plan détaillé des formes visibles sur le terrain qu elles soient naturelles (comme les reliefs) ou artificielles (par exemple : les bâtiments, les ponts, ) en attribuant successivement et à tout point ses coordonnées (position et altitude) par rapport à une certaine origine, choisie conventionnellement, pour chaque région. Etant donné que toute étude d ingénierie requiert une base de données exacte représentant la situation actuelle du terrain sur lequel s effectue l étude, la formation de tout ingénieur nécessite une certaine culture topographique. Le stage que nous avons effectué ne vise donc pas à former des topographes mais essentiellement à former, le plus correctement possible, des ingénieurs. En effet, topographie et ingénierie civile se retrouvent voire se complètent en quelques sortes, dans la mesure où la première fournit une description détaillée du terrain en question et la seconde se sert de ces informations pour pouvoir réaliser, concevoir ou restaurer immeubles ou infrastructures. Notre stage s est déroulé du 23 au 28 juin 2016 au sein du Campus des Sciences et des Technologies de l Université Saint Joseph où chaque jour toute brigade des six brigades, dont les membres ont été précisés préalablement, effectue une manipulation lui permettant en fin de stage de concevoir une sorte de plan topographique de l espace étudié. Nous commencerons, tout d abord, par la présentation des instruments de mesure ainsi que leurs accessoires d utilisation avant d entamer le principe et l application sur le champ de travail de chacune des six manipulations : le relèvement, le nivellement, l implantation, le cheminement, le rayonnement et le levé de détails. 5

6 II. Matériel utilisé De nos jours, l essor technologique a permis de concevoir des plans du chantier de travail de plus en plus proches et conforme au terrain réel. Il a donc été indispensable de commencer le stage par une présentation des différents matériaux que nous allions manipulés tout au long de notre travail, et ainsi, nous initier, en nous familiarisant aux instruments utilisés, au domaine de la topographie. A. Les accessoires Les accessoires sont les instruments, qui bien qu ils n effectuent pas les mesures, restent indispensables au mesurage. 1. Le trépied Le trépied est un support de certains appareils topographiques (le niveau, le théodolite et le tachéomètre), constitué de trois pieds à jambes coulissantes et à extrémités pointues assurant ainsi l enfoncement dans le sol. Il permet donc d assurer la stabilité du matériel lors de la prise de mesure. Nous distinguons deux types de trépieds : les trépieds en bois, lourds mais extrêmement stables et les trépieds en aluminium, un peu moins stables mais facilement déplaçables car ils sont bien plus légers. 6

7 2. La mire La mire est une sorte de règle graduée, en centimètres, dont la hauteur atteint les 5 mètres. Pour des mesures précises, elle doit nécessairement être tenue verticalement : pour garantir sa verticalité, la bulle à niveau de sa nivelle doit être confondue avec le centre de cette nivelle elle-même. 3. Le réflecteur Le réflecteur est un instrument à hauteur ajustable permettant, en reflétant les rayons infra rouges, de mesurer la distance séparant deux points. Comme pour la mire, la bulle à niveau permet d assurer la verticalité du réflecteur. 7

8 4. Le décamètre Le décamètre est un instrument de mesure formé d une règle graduée flexible permettant de prendre de grandes mesurer et ainsi accélérer le travail si possible. 5. Le fil à plomb Le fil à plomb est un instrument permettant de vérifier la verticalité. En effet, c est un instrument formé d un fil auquel est associée une petite masse en plomb dont l extrémité est pointue. Ainsi, une fois tenu et en obéissant au principe de gravité, cet instrument nous permet d indiquer la direction verticale. 6. Le jalon Le jalon est formé d un piquet long et mince permettant de repérer un point depuis une certaine distance lors des levés topographiques. Il est tenu verticalement grâce au fil à plomb. 8

9 B. Les instruments Les instruments sont les appareils responsables de la prise de mesure de distances et d angles. 1. Le niveau Le niveau est l instrument qui, associé à la mire, permet de mesurer la dénivelée entre deux points ou mieux encore l altitude de différents points sur le terrain étudié (connaissant l altitude d un des points sur le terrain). Il est formé d une optique de visée tournant autour d un axe vertical tout en lui étant perpendiculaire. Etant donné que seuls les déplacements horizontaux sont permis une fois le niveau stabilisé, il ne «voit» donc que ce qui se trouve dans son champ de vision qui n est autre que le plan horizontal auquel appartient la lunette optique. Les principaux éléments constitutifs du niveau sont : - L embase à trois vis calantes permettant la fixation du niveau sur le trépied - Les vis calantes permettant d assurer l horizontalité du niveau - L oculaire - Les vis de netteté permettant d ajuster la netteté de la lecture des graduations 9

10 2. Le théodolite Le théodolite est un appareil permettant de mesurer des angles horizontaux et verticaux (angles projetés dans un plan horizontal et un plan vertical) afin de déterminer une certaine direction. Les principaux éléments constitutifs d un théodolite sont : - L embase à trois vis calantes permettant la fixation du niveau sur le trépied - Les vis calantes permettant d assurer l horizontalité du théodolite - L oculaire - La carte mémoire pour stocker les valeurs 3. Le tachéomètre Le tachéomètre est un théodolite couplé à un système de mesure de distances. Notons que le tachéomètre électronique porte aussi le nom de station totale. Les principaux éléments constitutifs du tachéomètre sont donc similaires à ceux du théodolite. 10

11 4. L équerre à prisme L équerre à prisme est un instrument permettant de construire des perpendiculaires par l alignement de jalons. Elle est associée à une grande tige fine à hauteur ajustable. Elle est principalement formée de deux prismes à 45 renvoyant à l opérateur l image des jalons positionnés l un à sa droite et l autre à sa gauche. Pour simplifier l explication, modélisons l équerre à prisme par un système de miroirs tournés l un vers la droite et l autre vers la gauche pour représenter devant l observateur ce qui se trouve à ses deux côtés simultanément. Pour pouvoir percevoir les points recommandés, on les matérialise par des jalons. 11

12 III. Mise en station La mise en station a pour but de positionner l appareil de mesure dans le chantier de travail, quelque soit sa nature. Etant donné que nous cherchons à représenter le terrain de travail le plus conformément possible à la réalité, tout instrument exige une installation, dite mise en station, quasi-parfaite. A. Préparation de la mise en station : installation du trépied La mise en station du trépied est très importante vu qu il porte les instruments de mesure topographiques. L installation est facile : nous écartons les trois cannes du trépied de façon à ce que le plateau sur lequel nous placerions l instrument de mesure soit le proche possible de l horizontale. B. Mise en station du niveau Comme nous l avons déjà signalé, le niveau doit obligatoirement être installé horizontalement afin de relever les résultats les plus exactes possibles. Une fois le stationnement du trépied établi, il ne nous reste qu à mettre le niveau en station. La procédure à suivre est la suivante : après avoir fixé le niveau au trépied par les vis nous ajustons l horizontalité de l ensemble trépied-niveau en serrant ou desserrant les vis du trépied. Une fois rapproché de la position finale, nous employons les vis du niveau lui-même pour assurer l horizontalité parfaite de la lunette optique du niveau (c est-à-dire jusqu à ce que la bulle d air de la nivelle soit localisée au centre de cette dernière). Viennent ensuite les réglages relatifs à la lunette d observation : pour pouvoir lire les valeurs sur la mire tenue verticalement par un opérateur, la personne manipulant le niveau règle la netteté de l image sur l oculaire à l aide des vis calantes. 12

13 C. Mise en station du théodolite et du tachéomètre Les mises en station du théodolite et du tachéomètre sont similaires. Elles consistent à caler l axe principal à la verticale d un point de stationnement précisé préalablement. Une fois le stationnement du trépied établi au-dessus du point désiré, nous fixons par des vis l appareil de mesure au trépied. Ensuite, nous pivotons le trépied sur deux de ses jambes pour satisfaire la quasi-horizontalité de l appareil et sa position aux alentours du point désigné. Puis nous regardons dans le plomb optique (qui n est autre qu un prisme miroitant l image se trouvant à 90 sous le centre de l appareil). Enfin, à l aide de la nivelle et du plomb optique nous essayons de concilier horizontalité de l appareil et exactitude de son emplacement. 13

14 IV. Le relèvement A. Principe et but de la manipulation Le relèvement vise à déterminer les coordonnées d un point, choisi de façon pertinente et adéquate au travail qui suivra, à partir de points dont les coordonnées sont déjà connues. Pour le Liban, l origine de ce repère se trouve à Palmyre. B. Application sur le terrain Grâce à l aide des encadrants qui connaissent les points géodésiques repérables à partir de notre zone de travail, nous avons choisi de viser le couvent Saint Rock, le couvent des sœurs de la Croix et l hôpital de Baabda. Connaissant leurs coordonnées tout comme l angle séparant chaques deux points, nous avons insérer ces données dans le logiciel free-station du théodolite ce qui permet de localiser tout point que nous désignons dans le repère dans lequel nous travaillons. Ainsi, nous avons trouvé les coordonnées des points S1 et D sur lesquels nous nous sommes basés pour le reste des manipulations. C. Résultats et valeurs retrouvées Voici les coordonnées des points géodésiques donnés : 14

15 Ces points nous ont permis de définir les coordonnées des points A, D et S1 pour s en servir lors du reste de manipulations : A ( ,1820m ; ,5170m ; 261,736m) S1 ( ,8066m ; ,9004m ; 250,704m) D ( ,3535m ; ,6558m ; 250,250m) 15

16 V. Le nivellement A. Principe et but de la manipulation Le nivellement est l ensemble des procédés consistant à mesurer la différence de niveaux, appelée dénivelée ou dénivellation, entre des points sur le terrain de travail ou mieux encore, si nous connaissons l altitude d un point, au moins, de ce terrain, le nivellement permet de trouver l altitude de chacun des points. Dans le cas de notre stage, nous avons appliqué la méthode de nivellement direct ou nivellement géométrique qui consiste à déterminer la dénivelée ΔhAB entre deux points A et B à l aide du niveau et de la mire. Pour mesurer la dénivelée entre deux points A et B on installe le niveau dans une position intermédiaire alors que la mire se positionne successivement en A et en B. L opérateur derrière le niveau lit ces deux valeurs de la façon suivante : La valeur coïncidant avec la seconde ligne horizontale devrait être la valeur recherchée. Cependant, pour s assurer que la lecture est bonne, on prend la moyenne des valeurs lues à partie des lignes supérieure et inférieure. Puis, en comparant celle-ci à la première valeur trouvée, nous moyennons notre résultat diminuant ainsi le risque d erreurs. Notons que, préférablement, le niveau devrait se situer à mi-distance des deux points A et B mais, il est surtout indispensable de s assurer que les valeurs peuvent être lues à partir de la position du niveau afin d éviter les pertes de temps. Dans le cas de la présence d obstacle, on pourrait ajouter un point intermédiaire pour faciliter la prise de mesures. Enfin, pour calculer la dénivelée de A vers B, il suffit de soustraire la valeur de la lecture avant de celle de la lecture arrière : ΔhAB= ΔhB- ΔhA 16

17 B. Application sur le terrain Connaissant l altitude du point de départ R1, notre travail consiste à partir de ce point, passer sur tous les autres points dont l altitude est à déterminer, puis fermer la boucle sur R1. Ainsi, en connaissant la dénivelée entre tout couple de points on peut déterminer l altitude de chacun des points du circuit réalisé. Pour plus de précision, nous répétons le travail mais en chemin inverse puis on compare les résultats. Lors de notre stage, nous nous sommes divisés en deux groupes : le groupe A a relevé les valeurs en chemin direct et le groupe B en chemin inverse. C. Résultats et valeurs retrouvées Les points désignés sur la photo aérienne sont les différentes stations du nivellement. 17

18 Station Point visé Lectures arrières mm Lectures avant + - Total Moy. dm Moy dm sup niv inf sup niv inf mm mm mm R S1 I S2 R S3 R S4 R S5 R S6 R S7 R S8 R R En comparant les résultats, nous avons remarqué que le groupe B a commis une certaine erreur qui a fait que en fermant la boucle en R1 on a eu une erreur de 0.03m (3cm). Nous avons donc suivi les valeurs du groupe A : l erreur de 0.002m (2mm) a été divisée sur l ensemble des points du trajet (0.25mm pour chaque point) pour s approcher, le plus possible, des valeurs réelles

19 VI. L implantation A. Principe et but de la manipulation L implantation est l opération consistant à reporter, sur le terrain, en se basant sur les indications d un plan, la position de bâtiments, d axes ou de points isolés dans un but de construction ou de repérage. Ces points particuliers sont désignés à l avance par l ingénieur alors que la tâche du topographe est de désigner les points voulus minutieusement et méticuleusement sur le chantier : en effet, toute erreur peut engendrer des conséquences graves voire dramatiques qui peuvent mener parfois à l effondrement même de l édifice. La station totale ainsi que le réflecteur constituent les instruments indispensables à la réalisation d une implantation. B. Application sur le terrain Certains points nous ont été désignés par nos encadrants. La station totale est positionnée en S2 alors que le zéro ou l origine prise pour notre travail est la station S1 (en d autres termes S1S2 a été la direction des angles horizontaux). Une fois les premiers réglages faits, l opérateur derrière la station totale, déjà installée, bouge cette dernière jusqu à s approcher du point voulu modélisé par le réflecteur tenu bien verticalement. Pour les mesures de plus grande précision, la station totale est bloquée et tout mouvement lui est empêché : seuls les mouvements de la lunette sont permis et ce à travers les vis qui ne réalisent que des mouvements minimes. Suivant les renseignements de l opérateur derrière la station totale, celui responsable du déplacement du réflecteur suit les instructions du premier jusqu à aboutir au point voulu que l on marque sur le sol par une croix. 19

20 C. Résultats et valeurs retrouvées 20

21 VII. Le cheminement A. Principe et but de la manipulation Le cheminement permet de déterminer les coordonnées (position et altitude) de plusieurs points formant une ligne polygonale sur le terrain. Ces points serviraient ultérieurement à des levés, des implantations, études du chantier de travail, Le cheminement, dans notre cas nous parlons de cheminement fermé, permet donc, en allant d un point, faire le tour du terrain et tracer un polygone dont tout sommet est caractérisé par ses propres coordonnées, avant de retourner au point origine. Ceci n empêche surtout pas d étudier les coordonnées de points en dehors du polygone s ils nous semblent utiles. Comme le cheminement nécessite une étude des points que nous allons marquer par le réflecteur, l instrument de mesure est la station totale ou le tachéomètre. B. Application sur le terrain Sur le terrain, notre travail consiste à former un polygone dont chaque point peut être repéré à partir du précédent (on doit veiller à ce que si le tachéomètre est en un certain point, il doit nécessairement repérer le réflecteur mis à la position suivante pour pouvoir établir toutes les mesures). Pour chaque point, nous devons répéter le travail fait lors de la préparation de l implantation, c est-à-dire en chaque point, nous prenons comme origine ce point même et comme direction horizontale la direction que fait le point en question avec celui qui le précède. Une fois cette étape est faite, nous visons à partir de la position du tachéomètre tous les points repérables pour minimiser le taux d erreurs. Puisque nous connaissons les coordonnées d un point, au moins, de notre terrain nous pouvons désormais faire l étude de gisement. 21

22 C. Résultats et valeurs retrouvées Pour minimiser le taux d erreurs, nous calculons la somme des angles puis nous la comparons à la somme des angles théoriques (dans notre cas, le polygone est un pentagone, donc la somme des angles devrait être (5-2)π donc 600 grad). Puis, nous divisons l erreur 0,016 grad sur l ensemble des angles : on soustrait 0,0032 gon de chaque angle. En combinant les résultats du relèvement et ceux du cheminement, on obtient : 22

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25 VIII. Le rayonnement A. Principe et but de la manipulation Le rayonnement est la manipulation permettant au topographe de représenter sur un plan le terrain sur lequel le travail s effectue. Il consiste à choisir quelques points, à partir desquels on peut miser sur tous les points particuliers du terrain ; et par particuliers nous signifions tous les points désignant des détails importants lors de la présentation du terrain sur le plan, c est-à-dire les arbres, les poteaux, l extrémité des escaliers, bref tout élément présent sur le terrain de travail. Tout comme le cheminement et l implantation, le matériel nécessaire au rayonnement est le tachéomètre ou la station totale et le réflecteur. Pour les mesures grossières, nous pouvons nous aider du décamètre pour faciliter et accélérer le travail. B. Application sur le terrain Avant de commencer le travail, il est indispensable de nous munir d un croquis du terrain pour nous élucider et faciliter le travail en concrétisant l idée des points à choisir. Il est aussi indispensable de remarquer que toute forme géométrique est déterminée par un nombre précis de points : - Une droite est définie par deux points - Un angle doit, au moins, être déterminé par trois points - Un arbre ou un poteau est déterminé par un point désignant son milieu puis le point à la périphérie de l élément tout en étant visible par le tachéomètre. Tout comme le cheminement et l implantation, on a besoin de choisir une direction horizontale d origine à chaque fois que nous changeons l emplacement du tachéomètre. De même, pour chaque mise en station, nous cherchons à déterminer le maximum de points visibles par l instrument de mesure. Enfin, à l aide des logiciels LISCAD et AUTOCAD nous pouvons modéliser notre travail sur un plan. 25

26 C. Résultats et valeurs retrouvées 26

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30 30

31 IX. Le levé de détails A. Principe et but de la manipulation Le levé de détails est l ensemble des opérations intervenant dans un levé topographique et consistant à déterminer à partir des points du canevas, la position des différents objets sur le terrain de travail. Cette manipulation consiste à déterminer l abscisse et l ordonnée de tout point nécessaire lors de la représentation du plan. Pour cela, on facilite notre travail en projetant sur une droite, tout élément de la façade étudiée, avant de calculer et prendre les mesures des distances inconnues. Pour établir cette dernière manipulation, le matériel nécessaire est l équerre à prisme et deux jalons. B. Application sur le terrain Notre manipulation avait pour but de représenter la façade de l entrée de l ESIB du côté des parkings de Waves. Pour commencer, on place les deux jalons de façon à pouvoir couvrir toute la façade. Puis, à l aide de l équerre à prisme, on détermine le projeté orthogonal de tout élément de la façade sur la droite formée par les deux jalons. La projection est simple : on cherche à coïncider les barres verticales des deux jalons ainsi que l élément de la façade à travers le prisme, puis on lâche le matériel porté initialement légèrement au-dessus du sol ; le point de contact équerre-sol est le projeté recherché. En mesurant la distance séparant la projection du jalon considéré comme origine du repère on obtient l abscisse, alors que l ordonnée est donnée par la distance de l élément-même à la projection. 31

32 C. Résultats et valeurs retrouvées Certaines valeurs ont été mesurées à l aide du décamètre pour faciliter et accélérer le rythme du travail. Notons que ceci n est possible que si les mesures prises représentent des murs ou des détails ne faisant que des angles droits entre eux. Sans oublier la nécessité de préciser la direction et le sens de la prise de mesure à chaque fois. Un croquis est donc indispensable pour pouvoir se localiser sur le plan. Voici les mesures trouvées : 32

33 D où le plan suivant: 33

34 34

35 X. Conclusion En conclusion, le stage de topographie auquel nous avons assisté vise à nous élucider et à nous introduire au monde de la topographie très voisin et complémentaire à celui de notre future carrière d ingénieurs. Ainsi, ces six manipulations établies, nous ont permis de regrouper plusieurs informations nécessaires à la création d un plan du chantier de travail, qui, dans notre cas, est une partie de notre campus. Cela nous sera très utile dans l établissement de nos futurs projets non seulement grâce à la pratique et la manipulation des différents outils, mais aussi par la façon de penser et les étapes chronologiques à suivre avant d entamer un projet, sans oublier que notre attention est désormais attirée par le choix des petits détails et des points judicieux que nous aurions intérêt à choisir sur les chantiers. En ce qui me concerne personnellement, ce stage a été une première introduction au monde des chantiers et de l ingénierie vu que toutes les matières déjà étudiées n étaient jusqu à lors que théoriques, mais aussi une façon très intéressante de me souligner l importance de la topographie pour tout ingénieur civil. 35

36 XI. Remerciements Je tiens à remercier, tout d abord, monsieur Saad SFEIR qui nous a, en premier lieu, introduit la topographie d un point de vue théorique, puis, nous a fait part de son savoir pratique sans hésiter à partager son expertise avec ces éleves. Je voudrais également remercier monsieur Ghassan GHATTAS pour les précieux conseils qu il nous a donnés et qui nous ont, sans doute, aidés à aborder toute manipulation plus facilement. N oublions surtout pas les élèves encadrants qui nous ont transmis leur enthousiasme et leur expérience de l année dernière. Enfin, j aimerais bien remercier la faculté d ingénierie de l USJ qui cherche toujours à former des ingénieurs de la meilleure façon possible. 36

37 XII. Bibliographie - Cours de topographie, monsieur Saad SFEIR, Université Saint Joseph

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