Lignes aériennes : matériels

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1 ossier délivré pour Lignes aériennes : matériels Fondations des supports par ominique NAU Ingénieur d études au Gestionnaire du Réseau de Transport de l Électricité Gestionnaire national fondations de lignes aériennes au Centre national d expertise des Réseaux 1. Catégories Critères de coix Critère de dimensionnement Conditions de sécurité Notion de stabilité Conditions de sécurité Contexte géotecnique Métode de calcul Fondation travaillant au renversement Fondation travaillant à l arracement Fondation travaillant à la compression... 6 Références bibliograpiques... 6 U ne fondation est un ouvrage enterré dont le rôle est d ancrer dans le sol la superstructure, constituée dans le cas d une ligne aérienne, de différents supports complétés par les câbles et tout le matériel complémentaire. Le lecteur pourra utilement se reporter à l article «Fondations pour pylônes et mats» [C 2 682] du traité Construction. Cet article fait partie d une série sur le matériel des lignes aériennes : [ 4 422] - Lignes aériennes : matériels. Conducteurs et câbles de garde ; [ 4 423] - Lignes aériennes : matériels. Isolateurs ; [ 4 428] - Lignes aériennes : matériels. Accessoires. Tecniques de l Ingénieur

2 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS ossier délivré pour 1. Catégories On appelle fondation, la partie d un ouvrage qui se trouve en contact direct avec le terrain d assise et qui a pour fonction de transmettre à celui-ci le poids et les différentes surcarges appliquées à la superstructure, appelées sollicitations. Une fondation peut être unique (monobloc) (figure 1a) ou à raison d un massif par pied (multipode) (figure 1b ). Leur nature dépend du type de pylône. On peut distinguer : les fondations massives de type monobloc, comme l illustre la figure 1a, destinées à ancrer soit des supports monopodes (poteaux en bois, en béton ou métalliques dit «muguet», soit des supports tétrapodes à petit empattement). Les poteaux sont encastrés dans des massifs bétonnés à pleine fouille, dont les valeurs dimensionnelles sont fonction du terrain et des efforts à reprendre ; les fondations multipodes de type dalle(s) et ceminée (figure 2a) destinées à ancrer les supports tétrapodes à pieds séparés (supports treillis) dans le sol à raison d une fondation par pied. La particularité de ces fondations est d être constituées d un massif, formé d une semelle rectangulaire ou carrée en fond de fouille, munie d un redan ou non, parfois reaussée de une ou plusieurs dalles et terminée par une ceminée en tronc de pyramide ou cylindrique émergeant du sol et enrobant l embase du pylône. Elles peuvent être aussi un massif foré cylindrique avec élargissement de la base, dit à bulbe (figure 2b). autres types particuliers correspondant à des développements localisés peuvent être utilisés. À l étranger (Pays scandinaves, en particulier), caque pied de pylône est fixé à une fondation dite à grille (figure 2c). Ce type de fondation consiste en une grille placée au fond de la fouille sur laquelle vient s adapter un assemblage métallique généralement en forme de pyramide où est fixée l embase du pylône. Cette fondation ne possède que du terrain de remblai et ne peut reprendre que des efforts faibles. En France, certains massifs peuvent être réunis par des longrines lorsque les distances entre les pieds risquent de varier du fait de la médiocrité du sol (figure 3). On trouve aussi des dalles portantes en béton armé, qui permettent de diminuer la pression sur le sol lorsque celui-ci n admet qu une pression extrêmement faible (figure 4). a fondation à dalle b pieu à bulle c fondation à grille Figure 2 Principaux types de fondations pour pylônes multipodes Longrines Figure 3 Fondation multipode à longrines a fondation monobloc pour poteau (massif unique) Figure 1 Fondations en béton b fondation multipode pour pylône (pieds séparés) L ensemble de ces fondations est classé dans la famille des fondations superficielles. Lorsque la portance du terrain est insuffisante, et qu il n est pas possible de fonder l ouvrage en surface, on a recours à la fondation spéciale (ou profonde). Le massif de liaison permet de positionner la superstructure (figure 5). La fondation profonde est généralement constituée d une armature métallique enrobée ou non d injection de coulis ou de mortier. Leur profondeur peut varier de 4 à plusieurs dizaines de mètres. Les Tecniques de l Ingénieur

3 ossier délivré pour LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS B profondeur de la fondation B largeur Figure 6 Rapport dimensionnel d une fondation superficielle Figure 4 alle portante en béton armé 2. Critères de coix Les fondations sont destinées à assurer la stabilité de l ouvrage en l ancrant dans le sol quelles que soit la nature de ce dernier et la valeur des sollicitations appliquées. Les sollicitations correspondent aux efforts issus des descentes de carges, lesquelles sont majorées d un coefficient de pondération. Elles sont les données de base à tout dimensionnement d une fondation. Elles permettent de définir géométriquement et mécaniquement le type de fondation à mettre en place (figure 7). Pieu Massifs de liaison Vase 2.1 Critère de dimensionnement Comme nous l avons vu dans le paragrape 1, la nature d une fondation dépend du type du pylône supporté. Les fondations doivent être dimensionnées pour les mêmes cas de carge que les pylônes ; c est-à-dire carges normales et carges exceptionnelles. Les règlements tels que le BAEL [10] ou le Fascicule 62 titre V [6] font appel à des notions d états limites de service et d états limites Terrain ferme Figure 5 Fondation profonde L H V v L tecnologies les plus utilisées sur les ouvrages de ligne aérienne sont : les pieux battus, injectés ou non ; les pieux vissés, injectés ou non ; les pieux et micropieux forés injectés ; les micropieux autoforés. La différence entre un pieu et un micropieu est le diamètre. On parle de micropieux pour des diamètres inférieurs à 250 mm. Le coix entre ces différentes tecnologies dépend des conditions particulières des lieux, des moyens, des accès, du temps de réalisation, des sollicitations à reprendre et de la nature des couces de sols [1]. La règle de dimensionnement retenue le plus souvent pour établir si une fondation est superficielle ou profonde (figure 6) : si le rapport /B < 6, c est une fondation superficielle ; si le rapport /B 6, c est une fondation profonde. Figure 7 Efforts appliqués à une fondation L H V L, efforts longitudinaux H, efforts orizontaux V, v efforts verticaux Axe de la ligne H V Tecniques de l Ingénieur

4 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS ossier délivré pour ultimes pour lesquels des combinaisons d actions de base sont déterminées. Ces actions, qui sont calculées à partir d ypotèses probabilistes, peuvent être permanentes, variables ou accidentelles. Les effets des pénomènes climatologiques, vent et givre notamment, engendrent des sollicitations pouvant affecter indifféremment n importe quel pied. Les fondations pour supports tétrapodes à pieds séparés peuvent être soumises alternativement à des efforts d arracement et de compression combinés aux efforts orizontaux correspondants. Celles des supports monopodes à fondation unique à des moments de renversement combinés à des efforts de compression et des efforts orizontaux. 2.2 Conditions de sécurité La notion de sécurité est introduite par le fait que pour tout cas de carge défini sur l ouvrage, les fondations doivent pouvoir transmettre les carges de celui-ci dans le sol concerné avec une sécurité suffisante Notion de stabilité une manière générale, le comportement de l interface sol-fondation peut être représenté, compte tenu du caractère étérogène du sol par la succession d un état pseudo-élastique et d un état plastique (cf. Analyse des règles de conception mécanique des lignes électriques aériennes [3]). La carge Q c correspond à l effort au-delà duquel on assiste à une instabilité de la fondation si elle est soumise à des efforts permanents (pénomène de fluage). La carge limite Q l correspond à la désorganisation complète de l interface sol-massif qui se traduit par des grands déplacements irréversibles. La figure 8 montre le pénomène de fluage d une fondation superficielle soumise à l effort d arracement. Une fondation est considérée comme satisfaisante lorsque les deux critères suivants sont remplis : la tenue intrinsèque de la fondation est suffisante : la qualité originelle des matériaux employés (béton, acier) et la conception de la fondation (géométrie, ferraillage, dispositif d ancrage de l embase) garantissent que sous des efforts déterminés en nature (arracement, compression, renversement) et en intensité, la structure interne de la fondation ne subira pas de dommage et sera apte à transmettre les efforts au sol ; la tenue géotecnique de la fondation est suffisante : le résultat issu des métodes de calculs associées à la géométrie de la fondation, aux paramètres géotecniques, aux modes opératoires garantissent que sous les efforts déterminés en nature (arracement, compression, renversement) et en intensité, la mobilisation de l interface sol-fondation s effectuera sans déformation excessive du sol Conditions de sécurité L arrêté tecnique de mai 2001 [7] demande que les massifs de fondation assurent un coefficient de stabilité suffisant, c est-à-dire garantissent le rapport : tenue/effort > 1 (coefficients de sécurité et de pondération intégrés) et le non-renversement de l ouvrage. Les coefficients de pondération des carges et les coefficients de sécurité appliqués aux caractéristiques des sols sont complexes et dépendent du type de fondation (superficielle ou spéciale) et du mode de sollicitation (arracement, compression ou renversement) [2]. Fluage (min) Figure 8 Pénomène de fluage d une fondation superficielle On peut dire que les conditions de sécurité des fondations sont assurées en tenant compte : du comportement du sol (à travers la géotecnique) ; de la qualité intrinsèque des massifs (règlements sur les bétons) ; du retour d expérience du comportement des ouvrages. L actuelle métode de dimensionnement évalue l effort d arracement en fin de palier pseudo-élastique. L arrêté tecnique [7] introduit, suite à la tempête de décembre 1999, une précision supplémentaire sur la corrélation entre les efforts et les paramètres géotecniques. La notion de coésion et d angle de frottement interne (cf. 3.2) à court terme et long terme est appliquée aux efforts des ypotèses climatiques reflétant ce pénomène. Ainsi, les nouveaux ouvrages doivent s affrancir de justificatifs suivant la téorie des états limites associés à des pénomènes de sols drainés ou non drainés. Sont utilisés donc les paramètres de sol à long terme, pour les calculs avec les ypotèses qui correspondent à un cargement permanent (givre, ypotèses de dimensionnement), assimilable aux calculs aux états limites de service et les paramètres de sol à court terme, pour les calculs avec les ypotèses qui correspondent aux cargements brefs ou accidentels (vent, froid, anticascade), assimilables aux calculs aux états limites ultimes [4]. Anticascade : ypotèse justifiant la rupture complète de tous les câbles d un côté du support sous l effet d une carge de vent. Pour les câbles en ancrage : simulation d une rupture france. Pour les câbles en suspension : on tient compte du balancement des caînes qui amortie l intensité de l effort de 25 %. Cette ypotèse est calculée sans coefficients de sécurité sur les tenues à la rupture des supports Contexte géotecnique Palier plastique Palier pseudo-élastique Effort d'arracement appliqué à la fondation superficielle (kn) Fluage mesuré pour un temps d'application de la carge compris entre 5 et 15 min Avant caque construction de fondation, la détermination du contexte géotecnique précis dans lequel doit être implantée une fondation est incontournable. Les données recensées et nécessaires sont issues de deux domaines tecniques complémentaires : la géologie qui permet la détermination de la nature des terrains rencontrés. Cette opération est réalisée au niveau de la pase qualitative d une étude de sols ; la mécanique des sols qui permet la détermination exacte des paramètres de sols nécessaires aux calculs de dimensionnement. Cette opération est réalisée au stade de la pase quantitative d une étude de sols. En pratique, le géotecnicien procède à une étude de sol complète décomposée en : 1 une pase d étude qualitative ; 2 une pase d étude quantitative. Q c Q l Tecniques de l Ingénieur

5 ossier délivré pour LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS Tableau 1 Coix des caractéristiques de cisaillement des sols [8] Caractéristiques de cisaillement Type de sol Calcul Comportement Coérent saturé Court terme Non drainé Type d essai UU CU Paramètres Expression Essai c u, ϕ u σ t = c u Scissomètre Pressiomètre Triaxial Picomètre Coérent non saturé Court terme Non drainé UU c u, ϕ u σ t = c u + σ n tan ϕ u Triaxial Boîte de cisaillement Picomètre Coérent Long terme rainé C CU+u c, ϕ σ t = c + σ n tan ϕ Triaxial (C et CU+u) Boîte de cisaillement (C) Picomètre Pulvérulent Long terme Court terme rainé C c, ϕ σ t = c + σ n tan ϕ Triaxial Boîte de cisaillement Pour la définition des grandeurs c, ϕ et σ, le lecteur se reportera au 3.2. Pour l étude 1, le géotecnicien : consulte les cartes géologiques et les études antérieures ; effectue une reconnaissance obligatoire du site avec ou sans l aide d instruments portables (tarière) ; détermine la nature des couces et leurs épaisseurs, les zones d omogénéité, la présence de nappe préatique ; rédige un rapport dans lequel est proposé un coix qualitatif de dimensionnement des fondations. Le maître d œuvre peut ainsi décider du type de fondation à réaliser globalement sur son ouvrage. Pour l étude 2, le géotecnicien s attace à la réalisation d essais in situ ou en laboratoire à partir d écantillons de sols prélevés. Les essais sont optimisés en fonction des besoins de paramètres de sols pour le calcul de la tenue géotecnique. Le tableau 1 montre les essais de laboratoire nécessaires à la détermination de paramètres géotecniques. 3. Métode de calcul On peut distinguer, parmi les différents types de fondations décrits au paragrape 1, deux modes de travail principaux : les fondations en massif unique, travaillant essentiellement au renversement, accompagné de carges de compression et orizontales ; les fondations en massifs à pieds séparés qui doivent supporter essentiellement des carges verticales de compression ou d arracement et orizontales. Les efforts d arracement sont des sollicitations propres aux lignes aériennes de transport d électricité. En France, EF a validé une métode de calcul (tenue aux efforts d arracement) par des essais. En revance, les sollicitations de compression et de renversement appartiennent à un domaine général de la construction pour lesquels de nombreuses recerces sont faites et des textes officiels nationaux et internationaux existent [5] [6] [10]. ans les deux cas, une vérification de la contrainte de compression sous la semelle est réalisée. 3.1 Fondation travaillant au renversement Les formules donnant la résistance d une fondation travaillant au renversement sont nombreuses. Suivant les auteurs, les répartitions dans le sol sont différentes. e plus, certaines formules ne prennent en compte que la butée des faces perpendiculaires à la direction de l effort, d autres considèrent aussi le frottement du sol sur les autres faces verticales [C 2 682], réf [11]. C est la métode du réseau d état qui est employée en France. Par cette métode, le principe de dimensionnement d une fondation soumise au renversement nécessite trois vérifications : actions des terres ; la métode du réseau d état suppose que le massif mobilise à 100 % le terrain. Les efforts de poussée et de butée sont pris intégralement en compte. La auteur active (auteur sur laquelle s exercent les efforts de poussée) dépend des valeurs de coésion et des poids des terres ; vérification de la contrainte sous la semelle ; la vérification nécessite deux calculs : le calcul de la contrainte p sous le massif et celui de la contrainte de référence du sol q réf. La métode est analogue à celle utilisée pour les fondations superficielles à la compression ; stabilité au renversement ; la stabilité au renversement est obtenue en comparant les moments renversants (dus au moment de renversement et à la poussée des terres) aux moments résistants (dus au poids du massif, à l effort de compression et à la butée des terres). 3.2 Fondation travaillant à l arracement Coulomb a énoncé les lois selon lesquelles la contrainte tangentielle σ t au moment de la rupture est une fonction linéaire de la contrainte normale σ n sur la surface de glissement : pour un sable, on a la relation : σ t = σ n tan ϕ analogue à celle du frottement d un solide sur un autre ; aussi appelle-t-on ϕ angle de frottement interne ; Tecniques de l Ingénieur

6 LIGNES AÉRIENNES : MATÉRIELS ossier délivré pour pour un argile, on a la relation : σ t = c + σ n tan ϕ Remblai Sol en place avec c coésion contrainte de cisaillement quand la contrainte normale est nulle. Ces deux relations sont semblables. Elles font apparaître les sables comme des sols particuliers ; ils ont une coésion nulle et sont appelés pulvérulents. Ceux qui ont une coésion non nulle sont dits coérents. Ces deux lois expriment la valeur de la contrainte de rupture. Si la contrainte tangentielle reste inférieure aux valeurs ci-dessus, il y aura équilibre. La métode EPRI Electric Power Researc Institute [9] est la métode de calculs actuellement utilisée en France. Elle considère deux analyses : une en comportement drainé et l autre non drainé. Elle évalue la résistance à l arracement en supposant une surface de glissement verticale et à l aplomb du bord de la dalle inférieure ou du redan. Un redan permet d ancrer la base du massif dans le sol et de ce fait, crée les conditions favorables au soulèvement du terrain naturel lors des essais réalisés. Pour les fondations superficielles, la résistance à l arracement, notée Q ft, est déduite des paramètres de sol effectifs de coésion c et d angle de frottement interne ϕ du sol ainsi que de sa masse volumique. La résistance globale du massif Q ft est obtenue par la somme d un terme de poids propre (terres sus-jacentes et béton) P t et d un terme de frottement sur la surface de rupture Q 1. La formule est la suivante (figure 9) : Q ft = Q 1 + P t 3.3 Fondation travaillant à la compression La vérification de la contrainte admissible du sol sous la semelle fait appel aux règles de dimensionnement du TU 13.1 [5] et Fascicule 62 titre V [6]. avec : c r k 0 Massifs coulés pleine fouille avec redan P t = V b ρ b + ab V be γ Q ft = p c k 0 ρ tan ϕ + P t Massifs coulés pleine fouille sans redan P t = V b ρ b + ab V be γ Q ft = p c coésion du remblai coefficient des terres au repos Nature du sol k 0 Sable lâce Sable compact Argile normalement consolidée Argile molle, vase k a coefficient de poussée k a = tan 2 π ϕ 4 2 k 0 ρ 2 tan ϕ + p c r + 1 k a ρ tan 2 ϕ + P t 0,45 à 0,5 0,4 0,5 1 Figure 9 Expressions numériques de la métode EPRI 2001 p P t V b ρ b périmètre de la base de la fondation (2a + 2b) auteur de la semelle (fond de fouille) profondeur de la fondation poids du massif et du remblai volume de béton masse volumique du béton V be volume de béton enterré Q ft γ tenue à l'arracement masse volumique du sol Pour les ypotèses de vent, froid et anticascade sont utilisés les paramètres de sol à court terme ϕ u, c u. Pour les ypotèses de givre sont pris les paramètres de sol à long terme ϕ', c'. Pour les sols multicouces, la moyenne des paramètres est calculée sur la profondeur enterrée. V b ab Redan Remblai Sol en place Références bibliograpiques [1] irectives tecniques pour l étude et la construction des lignes aériennes. Fondations de pylônes. Tome 5 des directives de lignes aériennes, Électricité de France. CERT, déc [2] NAU (.). Guide d expertise des fondations de supports de lignes aériennes - Réseau du Transport. CNER (2003). [3] BACH (A.). Analyse des règles de conception mécanique des lignes électriques aériennes à aute et très aute tension - Mise en évidence d une pilosopie de dimensionnement. Électricité de France. CERT, nov [4] LE VERGER (C.). Évolution des règles de calculs des fondations des supports des lignes aériennes HTB. Projet d arrêté tecnique (2001). [5] TU Règles de calculs des fondations superficielles. CSTB, mars [6] Règles tecniques de calcul et de conception des fondations des ouvrages en génie civil. Fascicule 62, titre V. Ministère de l Équipement, du Logement et des Transports (1993). [7] Arrêté tecnique du 17 mai Union Tecnique de l Électricité et la Communication qui fixe les conditions tecniques auxquelles doivent satisfaire les distributions d énergie électrique C de juillet [8] COLSON (V.). Tenue géotecnique des fondations superficielles à l arracement des supports de lignes aériennes à aute et très aute tension. CNER, janv [9] Travaux de l EPRI EL2870RP [10] BAEL : TU Règles BAEL 91 révisées 99 (TU P18-702) (mars 1992, février 2000) : règles tecniques de conception et de calcul des ouvrages et constructions en béton armé suivant la métode des états limites. CSTB, fév ans les Tecniques de l Ingénieur [11] PHILIPPONNAT (G.). Constructions métalliques. Fondations pour pylônes et mâts. C Traité Construction, fév Tecniques de l Ingénieur