IREX. «Sollicitations cycliques en géotechnique»

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1 IREX Etude de faisabilité en vue du montage d un projet de recherche sur la thématique «Sollicitations cycliques en géotechnique» Rapport rédigé par le groupe de travail «Sollicitations cycliques» du pôle de compétence sols de l IREX Rapport final Avril 2007

2 SOMMAIRE INTRODUCTION 1 1 PROBLEMATIQUE, ENJEUX ET PERIMETRE D ETUDE Sollicitations cycliques et ouvrages Spécificité de la géotechnique Périmètre d étude 5 2 DOCUMENTS REGLEMENTAIRES ET TEXTES DE RECOMMANDATIIONS EXISTANTS Domaine offshore Domaine terrestre 28 3 SOLS ET INTERFACES SOUS SOLLICITATIONS CYCLIQUES Sols sous sollicitations cycliques Interfaces sol-structure sous sollicitations cycliques 50 4 COMPORTEMENT ET CALCUL DU SYSTEME GLOBAL SOL-PIEU SOUS SOLLICITATIONS CYCLIQUES Cas des sollicitations axiales Cas des sollicitations latérales Description de quelques projets spécifiques Conclusions PROPOSITION D UN PROJET NATIONAL DE RECHERCHE Contexte général du projet proposé Périmètre du projet Objectifs du projet Méthodologie, démarche Thèmes de recherche Description du programme de recherche Produits attendus, valorisation 149 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 150

3 INTRODUCTION Un travail de réflexion, mené depuis 1999 au sein du pôle de compétence «sols» de l IREX, a permis de mettre en évidence l intérêt d une thématique «Sollicitations cycliques en géotechnique», correspondant à des enjeux importants dans le domaine du génie civil et de la géotechnique. Cette thématique étant très vaste, un groupe de travail* a été constitué afin de dégrossir le problème et de réaliser un travail de synthèse et d orientation préalable en vue d identifier des problématiques pertinentes pouvant donner matière à l élaboration d un Projet National. Ce rapport de synthèse, issu des travaux du groupe de travail et établi à partir des contributions des différents membres du groupe, comprend cinq parties principales, brièvement décrites ci-dessous. La première partie du rapport est consacrée à une présentation de la problématique des sollicitations «cycliques» (appellation générique) dans le domaine du génie civil et de la géotechnique, l accent étant mis sur les difficultés rencontrées dans ces domaines et sur les enjeux reliés à cette problématique, en termes d amélioration de la fiabilité et de la durabilité des ouvrages. On justifie ensuite le domaine retenu pour réaliser l état de l art, à savoir celui des fondations et l on précise finalement le périmètre d étude plus particulièrement délimité. La deuxième partie du rapport est consacrée à une présentation des textes réglementaires et des recommandations existant actuellement pour le calcul et le dimensionnement des fondations d ouvrages, l accent étant mis sur l analyse des aspects reliés à la prise en compte des sollicitations «cycliques» dans les méthodes proposées. On présente, tout d abord, le domaine des travaux offshore (domaine pétrolier), qui constitue un domaine dans lequel la «culture» des sollicitations cycliques est déjà bien ancrée, puis on aborde le domaine du génie civil «terrestre», pour lequel les choses sont a priori moins avancées. La troisième partie du rapport présente des éléments sur le comportement des sols et des interfaces sous sollicitations cycliques. Il apparaît, en effet, important de donner un aperçu de ce domaine, la compréhension du comportement des sols et des interfaces apparaissant comme un point clef dans la chaîne du processus d amélioration des méthodes de dimensionnement des ouvrages sous sollicitations cycliques. On aborde successivement, dans cette partie, les aspects comportementaux et les aspects modélisation. Dans la quatrième partie, on présente une synthèse de travaux de recherche dans le domaine des fondations sous sollicitations cycliques, l accent étant mis sur les fondations profondes. Ces travaux, publiés généralement sous forme d articles dans des revues scientifiques, peuvent être «en avance» par rapport aux règles de dimensionnement et recommandations existantes et ne sont pas forcément référencés dans ces documents. A partir du socle des documents réglementations et recommandations actuelles, ces travaux de recherche sur le comportement du système sol-fondation, alliés aux travaux 1

4 fondamentaux sur la rhéologie des sols et des interfaces, doivent former une base de réflexion pour identifier des thématiques de recherche pertinentes à développer, en cohérence, bien sûr, avec les demandes et attentes industrielles. Finalement, la cinquième et dernière partie du rapport présente la structure et les contenus d un projet national de recherche, consacré à la problématique des sollicitations cycliques en géotechnique, élaborés sur la base de l étude de faisabilité réalisée. * Le Groupe de Travail était constitué de Mme S. Bretelle et de MM. B. Cambou, J. Canou, J. Garnier, P.-Y. Hicher, J.-P. Iorio, A. Le Kouby, P. Le Tirant, C. Plumelle, A. Puech et P. Vezole. 2

5 PARTIE 1 PROBLEMATIQUE, ENJEUX ET PERIMETRE D ETUDE On présente, dans cette première partie, différents éléments relatifs à la problématique des sollicitations cycliques en génie civil et aux spécificités liées au domaine de la géotechnique. On présente et on justifie finalement le périmètre retenu pour l étude de faisabilité. 1.1 Sollicitations «cycliques» et ouvrages Le génie civil est un domaine dans lequel les ouvrages et structures à concevoir et à construire sont, de fait, souvent soumises à des actions que l on peut qualifier de «variables», «transitoires», «cycliques» ou «répétées», termes qu il sera important de définir précisément : Il apparaît que le terme «variable» est le plus général, mais le terme «répété» est sans doute plus adapté à notre problématique et aux sollicitations qui nous intéressent, avec une notion de retour «rapide» de la charge (mais pas forcément d amplitude ni de temps de retour constants) lors d une séquence, à distinguer, par exemple, de variations ou fluctuations «lentes», saisonnières ou journalières, de paramètres. La sollicitation cyclique, au sens propre (répétition régulière du même signal de chargement) est un cas particulier de sollicitation répétée. On continuera cependant à employer, dans le cadre de ce rapport, le terme «cyclique» de manière générique, car il apparaît comme un terme consacré. Les actions «cycliques» viennent se rajouter aux actions permanentes appliquées à l ouvrage et peuvent avoir une influence significative sur la stabilité et le comportement de ces ouvrages durant toute leur durée de vie. Le caractère fortement aléatoire de nombre d actions rencontrées dans le domaine du génie civil (séismes, houle, vent, etc.) pouvant présenter une composante dynamique importante, rend la prise en compte de ces actions et l évaluation des sollicitations mécaniques résultantes souvent très délicate à faire de manière suffisamment fiable et réaliste. Dans le contexte des théories semi probabilistes qui fondent les règles de justification des ouvrages, les actions prises en compte par les concepteurs des projets découlent le plus souvent de l application de valeurs réglementaires, en fonction de la nature et de la destination des ouvrages. Les actions mécaniques variables sont généralement caractérisées par une valeur maximale (et le cas échéant une valeur minimale) ; lorsque les actions présentent un caractère dynamique significatif, on utilise généralement une valeur maximale statique équivalente, et les paramètres cycliques sont le plus souvent ignorés. On peut citer une phrase de la norme «NF P Bases de calcul des constructions Charges d exploitation des bâtiments» : «Les valeurs des charges d exploitation indiquées en 2.7 tiennent compte des effets dynamiques courants dûs au déplacement des personnes et appareils légers, mais elles ne tiennent pas compte des phénomènes d amplification dynamique dûs à des causes particulières.» Ces valeurs sont, entre autres, celles des salles de bal, ou celles des tribunes de stade, etc. Les dimensionnements impliquant la prise en compte de sollicitations «cycliques» comportent donc généralement un facteur de «risque» que l on a souvent du mal à évaluer de manière réaliste. Il paraît donc important de pouvoir réduire l incertitude sur ce risque, pour augmenter la fiabilité des ouvrages. Ceci passe par une amélioration de l ensemble de la chaîne de conception et de dimensionnement, depuis la prise en compte des actions jusqu à celle du comportement des matériaux impliqués (bétons, sols, ). Dans d autres domaines de l ingénierie que le génie civil, tels que la construction mécanique en général (avions et automobiles en particulier), l effet des actions cycliques sur les structures est généralement déjà pris en compte de manière rationnelle au stade de la conception, à travers, par exemple, les concepts de fatigue et d endommagement, dans le cas de grands nombres de cycles appliqués. Cette prise en compte est facilitée par une très bonne connaissance du comportement des matériaux métalliques ainsi que des actions 3

6 appliquées (vibrations, etc.). En ce qui concerne le domaine du génie civil, si l'on met de côté les ponts à hauban et autres ouvrages exceptionnels, il n y a guère, dans le domaine des ouvrages plus courants, que celui des chaussées dans lequel le problème de l évolution des matériaux et des structures soumis à grand nombre de cycles (endommagement, fatigue) est pris en compte de manière rationnelle, pour l étude des problèmes d orniérage. Ces phénomènes sont, par exemple, assez rarement pris en compte (ou de manière très forfaitaire) dans le domaine des structure en béton. 1.2 Spécificité de la géotechnique Difficultés inhérentes à la géotechnique Par rapport aux autres domaines du génie civil, la spécificité de la géotechnique est que l on a souvent affaire à des problèmes dans lesquels un élément de «structure», plus ou moins rigide et massif (fondation superficielle ou profonde, ouvrage de soutènement, inclusions de renforcement ou d ancrage, dallages, infrastructures routière ou ferroviaire, ) interagit avec un sol. Sous sollicitations «cycliques» ou «variables» en particulier, on a donc affaire à un problème particulièrement complexe dans lequel intervient directement, outre la structure elle-même et le sol environnant, le comportement de l «interface sol-structure» et son évolution au cours de la séquence de chargement «variable» (problème de l interaction solstructure). Le problème est d autant plus complexe que les sols sont des matériaux qui présentent des irréversibilités de comportement importantes dès les petites déformations et les interfaces «sol-structure» présentent des comportements souvent très spécifiques sous sollicitations «cycliques». De ce fait, les problèmes de géotechnique impliquant des sollicitations «cycliques» ou «répétées» sont généralement très complexes à aborder et leur résolution fait, la plupart du temps, appel à des approximations importantes, pas toujours justifiées. Les problèmes à résoudre sont d autant plus complexes que les sollicitations impliquées induisent souvent des effets dynamiques significatifs (cas, en particulier, des séismes), difficiles à prendre en compte de manière fiable Diversité des problèmes rencontrés en géotechnique Il existe une gamme très large de problèmes de géotechnique dans lesquels intervient une forte composante de «sollicitation cyclique», caractérisés par la diversité des sollicitations et des configurations rencontrées. On peut, en particulier, citer la plupart des ouvrages géotechniques soumis à l action de la houle (fondations de plates-formes off-shore, d ouvrages portuaires et côtiers), les fondations d ouvrages et de structures soumis à l action du vent, la plupart des ouvrages soumis à des sollicitations sismiques, les éléments supports de machines tournantes et vibrantes, la gamme des ouvrages soumis à des fluctuations plus ou moins régulières (journalières, saisonnières, etc.) de paramètres tels que température, hauteur d eau (marées, cycles de vidange/remplissage, fluctuation de nappe phréatique), ouvrages soumis à des charges roulantes (véhicules routiers, trains, pistes d aéroport, ). Par exemple, l étude du comportement des ballasts soumis à l action de grands nombres de cycles (plusieurs centaines de milliers à plusieurs millions) constitue actuellement une préoccupation importante de la SNCF en liaison avec le vieillissement accéléré des voies ballastées résultant du passage des trains à grande vitesse et cette thématique correspond bien typiquement à une problématique de géotechnicien ou de mécanicien des sols (fatigue d un «macro» sable sous chargement cyclique). Il existe, par ailleurs, des problèmes connexes dans lesquels une sollicitation de type «cyclique» ou «répétée», provoquée par l homme, est utilisée comme procédé d installation, de mise en place d éléments de 4

7 construction (battage, vibrofonçage) ou comme procédé d amélioration des sols (procédés de densification par vibration, vibroflottation, compactage dynamique, etc.). Il est clair que la manière d aborder ces différents problèmes pourra être très différente en fonction des configurations étudiées, des caractéristiques des sollicitations, du caractère plus ou moins sensible du projet. La nature de la sollicitation joue un rôle prépondérant dans l approche retenue et il sera très important de pouvoir classifier et caractériser de manière suffisamment claire les différents types de sollicitations que l on devrait qualifier, de la manière la plus générale, d actions «variables» (dans le temps et l espace). Cette variabilité peut être caractérisée par un graphique donnant, en un point donné, l évolution d un paramètre effort, moment, contrainte, déplacement, accélération, etc., en fonction du temps, permettant d apprécier la forme du signal, sa régularité, son caractère cyclique ou non (nombre de cycles appliqués, amplitude et fréquence des cycles), répété ou non, etc. Dans la plupart des configurations rencontrées, l expérience montre la difficulté pour caractériser les actions et les prendre en compte de manière réaliste dans les méthodes de calcul et de dimensionnement. En ce qui concerne les comportements, les mécanismes d évolution qui prendraient, par exemple, en compte l influence du nombre des cycles appliqués sur le comportement des sols et des interfaces sont généralement ignorés. En ce qui concerne les textes réglementaires (codes, normes, règlements), ceux-ci sont souvent divergents quand ils ne sont pas contradictoires. Ces constatations ne peuvent que conforter dans l idée qu il est important, pour la profession, d avancer dans le domaine de la prise en compte des sollicitations cycliques en géotechnique, depuis la définition des actions jusqu à la prise en compte du comportement élémentaire des matériaux impliqués. 1.3 Périmètre d étude La problématique des sollicitations «cycliques» en géotechnique est très vaste et ne peut pas être abordée de manière globale dans le cadre d un seul travail de synthèse. Il a donc été nécessaire de définir un périmètre d étude, qui soit suffisamment important et représentatif de la problématique générale et qui comporte des enjeux importants vis-à-vis de la profession. Le groupe de travail a donc retenu la thématique des fondations et plus particulièrement celle des fondations profondes. Ce thème correspond en effet déjà à un domaine d activité très important en géotechnique, impliquant une gamme d ouvrages très large dans le domaine de l off-shore, des ouvrages portuaires et côtiers, des grands ouvrages d art, du bâtiment et du génie civil plus traditionnel. Il correspond donc à des enjeux économiques importants. Il est, de plus, connexe à d autres domaines comportant des problèmes d interactions entre un sol et des inclusions (ancres, ancrages, éléments de renforcement, etc.) et présente donc un caractère de généralité intéressant. On retrouve dans le problème du pieu beaucoup de caractéristiques «génériques» que l on retrouvera dans d autres applications géotechniques : diversité des actions et des sollicitations, avec le problème d une prise en compte correcte de celles-ci, assez complexe dans le cas des pieux (couplage entre composantes verticales et latérales des efforts, présence éventuelle de moments, etc.), évolution des caractéristiques de l interaction sol-structure au cours des sollicitations (évolution des propriétés des interfaces, contrôlant la mobilisation du frottement latéral, évolution de la capacité de résistance de la pointe), autant de facteurs que l on retrouvera dans de nombreuses autres configurations géotechniques telles que fondations superficielles, sols renforcés, etc. Le périmètre d étude retenu dans le cadre de cette étude de faisabilité correspond au domaine des fondations profondes sous sollicitations cycliques. On ne s interdira cependant pas, lorsque jugé opportun, de faire référence à des domaines connexes (fondations superficielles, en particulier). 5

8 PARTIE 2 DOCUMENTS REGLEMENTAIRES ET TEXTES DE RECOMMANDATIONS EXISTANTS Domaine offshore L industrie pétrolière s est lancée dans la construction de plates-formes en mer au lendemain de la deuxième guerre mondiale dans les eaux clémentes et peu profondes du Golfe du Mexique. Au cours des années 70, le développement des champs en Mer du Nord s est poursuivi dans des conditions océano-météorologiques bien plus sévères mais dans des profondeurs d eau encore limitées. Le franchissement du plateau continental (au-delà de 300m d eau environ) est plus récent mais a été foudroyant au cours de la dernière décennie. Les développements actuels dans le Golfe du Mexique, le Golfe de Guinée ou au large du Brésil excèdent maintenant 1 500m d eau. Les structures utilisées pour la mise en exploitation des champs de pétrole et de gaz sont très variées et doivent résister à divers modes de sollicitations. Elles ont en commun la particularité d être soumises à des efforts de houle plus ou moins sévères et il n est pas surprenant que l industrie pétrolière offshore dispose des procédures les plus avancées pour la prise en compte de l effet des chargements cycliques sur la réponse des fondations Les structures et les sollicitations La très grande majorité des structures pétrolières installées de par le monde (sans doute plus de ) sont des plates-formes en treillis métallique (souvent appelées «jackets»). Elles sont fixées dans le fond marin par des pieux métalliques ouverts de fort diamètre (typiquement 1 à 2 mètres) qui sont battus jusqu à des pénétrations de l ordre de 80 à 120mètres. Le pont de ces structures supporte des équipements de forage et/ou de production très lourds qui induisent des charges permanentes de compression très fortes dans les pieux (plusieurs milliers de tonnes). L effet de la houle sur la partie supérieure du jacket se traduit par : - des efforts alternés axiaux qui se superposent aux efforts permanents mais ne produisent que très exceptionnellement des efforts de traction significatifs dans les pieux (l effort résultant en tête de pieu est «répété» mais non alterné); - des efforts latéraux alternés en partie supérieure des pieux. Fig.1- Exemple de structures en treillis métallique («jackets») 6

9 Les plates-formes gravitaires (essentiellement en béton) sont beaucoup moins nombreuses (une vingtaine) et exclusivement implantées en Mer du Nord ou au large du Labrador. Ce concept (d origine française puis repris par l industrie norvégienne) comporte trois ou quatre colonnes supportant le pont et reposant sur un radier de grand diamètre (typiquement > 100 m). Le radier est surmonté par un ensemble de compartiments faisant office de réservoirs de stockage sous-marin. Le poids total de ces structures est de plusieurs centaines de milliers de tonnes. Le radier est le plus souvent équipé de bêches de faible hauteur (quelques mètres) qui sont destinées à pénétrer le fond marin. Le radier est construit à terre, puis mis en flottaison et les colonnes sont ensuite élevées tandis que la structure s enfonce progressivement. L ensemble est alors remorqué sur site et ballasté. Le contact sol-radier est assuré par injection sous le radier après enfoncement des bêches. Ce type de plate-forme n a trouvé d applications que dans des conditions d environnement bien particulières : sols surconsolidés d origine glaciaire offrant une portance suffisante en surface ; présence de sites en eau profonde près de la côte pour leur construction (fjords norvégiens ou lochs écossais) ; distance de remorquage limitée. Fig. 2 - Plate-forme gravitaire en cours de remorquage Les plates-formes à embases gravitaires sont soumises, du fait de leur implantation dans des zones à environnement extrême, à des sollicitations de houle particulièrement sévères (on rappelle que la vague centennale dans la partie septentrionale de la Mer du Nord est supérieure à 30m). Ces sollicitations se traduisent au niveau du radier par : - des efforts verticaux de compression répétés ; - des efforts horizontaux alternés ; - des moments de renversement alternés. Avec le début de la migration vers les grandes profondeurs, les concepts de plates-formes flottantes ancrées sur le fond ont fait leur apparition. Pour limiter les mouvements du flotteur, il est apparu intéressant de prétendre la structure par le biais de tendons verticaux ou subverticaux. Ce type de structure est connu sous le nom générique de plate-forme à câble tendu (ou Tension Leg Platform). Les tendons exercent sur le point d ancrage des efforts de traction verticaux répétés. Les points d ancrage peuvent être constitués par des pieux ou par des ancres à succion. 7

10 Fig.3 - Principe d une plate-forme à lignes tendues Fig.4 - Principe d ancrage à succion pour une plate-forme à lignes tendues Les développements actuels par très grandes profondeurs d eau font appel à des architectures de champs différentes qui s accommodent de structures flottantes ancrées sur le fond à l aide de lignes caténaires ou partiellement tendues pour limiter leur longueur. Ces lignes appliquent au point d ancrage des efforts inclinés de traction comportant une composante statique de prétension, une composante cyclique de haute fréquence due à la houle (période de l ordre de 10 s) et une composante cyclique de basse fréquence (période de l ordre de 100s) due aux excursions du flotteur. F a L D α F a α Fig.5 - Principe d un ancrage à succion pour structure flottante d 8

11 Compte tenu de la nature des sédiments le plus souvent rencontrés sur la pente continentale (argiles molles), le type d ancrage le plus couramment utilisé est l ancre à succion. Il s agit d une cloche inversée dont la pénétration s initie sous poids propre puis est menée à terme en créant une dépression interne (par rapport à la pression du fond) par pompage contrôlé à faible débit Les codes et les recommandations professionnelles La conception, la construction et l installation des structures pétrolières en mer ont été jusqu à présent encadrées par trois types de documents réglementaires et techniques : - les réglementations nationales en vigueur dans le pays concerné : ces réglementations de nature ministérielle sont plus ou moins évoluées selon le degré de développement de l industrie offshore dans le pays. Elles restent cependant à un niveau de généralité sur les notions de sécurité et sur la nature des études à prévoir et ne seront donc pas examinées dans le cadre de la problématique de ce rapport. - les notes techniques des organismes de classification. On citera notamment les notes du Det Norske Veritas (Norvège), du Lloyd s Register of Shipping (G.B.) ou du Bureau Veritas (France). - les recommandations professionnelles : celles de l American Petroleum Institute (A.P.I.) sont de très loin les plus complètes et les plus utilisées. Une liste des principaux documents est donnée au Tableau 1. On pourra également inclure dans cette catégorie les recommandations françaises du CLAROM (ex ARGEMA) portant sur des thèmes ciblés, comme par exemple les sols carbonatés TITRE ANNEE FORMULATION APPLICATION API RP2A 1993 WSD Plates-formes en treillis métallique API RP2A 1993 LRFD Plates-formes en treillis métallique API RP2T 1997 WSD Plates-formes à lignes tendues API RP2SK (?) WSD WSD Structures flottantes (nouvelle version en préparation) API RP2FPX 1999 WSD Structures flottantes de production Tableau 1 - Principales recommandations professionnelles (RP = Recommended Practice) éditées par l A.P.I. et dédiées au dimensionnement des structures offshore. On notera que les documents américains (à l exception d une version de l API RP2A) sont basés sur une approche globale de la sécurité (WSD = Working Stress Design). De ce point de vue, la philosophie américaine s oppose à la philosophie européenne qui privilégie, depuis plus de trente ans, une approche semi-probabiliste basée sur l utilisation de facteurs partiels de pondération appliqués sur les charges et sur les matériaux. Le DNV a notamment adopté cette approche dès La situation est en pleine évolution avec la mise en place progressive d une standardisation internationale sous l égide de l ISO. Le travail a commencé au cours de la décennie 80. Un consensus s est établi pour adopter une philosophie semi-probabiliste tout en bénéficiant au maximum du travail réalisé par l A.P.I. et de l expérience acquise. Une première étape a consisté à réévaluer la sécurité des plates-formes en treillis métalliques calculées selon l A.P.I. RP2A, de manière à calibrer des coefficients partiels susceptibles de produire la même probabilité de ruine. Cette étape a conduit à l élaboration d une version LRFD (= Load and Resistance Factor Design) de l API RP2A parue en Des commissions communes d experts API/ISO ont alors procédé à la 9

12 rédaction des premiers documents ISO applicables aux plates-formes offshore. Ce processus est en cours. Le tableau 2 donne la liste des documents en préparation avec la date prévisible de leur entrée en application. TITRE PARUTION APPLICATION ISO General Requirements 2002 Considérations générales sur la sécurité des ouvrages ISO Foundations 2003 Considérations générales sur la conception et le calcul des fondations ISO Fixed Steel Platforms 2004 Plates-formes en treillis métallique ISO Fixed Concrete Platforms 2005 Plates-formes gravitaires ISO Floating Structures 2005 Structures flottantes ISO MOUs/Jack - ups 2006 Unités mobiles/autoélévatrices ISO Arctic 2008 Constructions en zone arctique Tableau 2 - Etat de la standardisation pour les plates-formes pétrolières offshore Les pieux de plates-formes en treillis métallique Capacité et réponse axiales Les chargements axiaux dans les pieux de plates-formes métalliques résultent d une grande variété de sollicitations de nature opérationnelle, structurelle ou environnementale. Les sollicitations d origine opérationnelle et structurelle correspondent à des charges de longue durée, classées comme charges statiques. Les sollicitations d environnement sont dues au vent, à la houle, aux courants, aux séismes ou à l impact des glaces. Ces charges ont des composantes cycliques basses et hautes fréquences. Les vitesses d application des charges et leur durée d application s expriment en secondes. Le nombre de cycles varie de quelques dizaines pour un séisme à plusieurs milliers pour une tempête. L expérience a montré que la fiche des pieux des plates-formes métalliques fixes (jackets) pouvait être déterminée sur la base : - d une évaluation statique de la capacité ; - d une prise en compte des charges statiques et quasi-statiques. L effet des chargements cycliques est implicitement pris en compte dans les facteurs de sécurité appliqués. Ces facteurs sont, par ailleurs, relativement modestes, l API RP2A-WSD préconisant : - 2 sous conditions opérationnelles ; sous chargement extrême (le plus souvent sous houle centennale). Cette pratique peut paraître étonnante et mérite quelques commentaires : - tout d abord force est de constater qu elle est pleinement justifiée au vu de la fiabilité et du bon comportement des milliers de structures installées et en service ; - la relative faiblesse des facteurs de sécurité globaux (notamment vis-à-vis de la pratique terrestre) s explique largement par une forte standardisation de la chaîne de dimensionnement (méthodes d investigations géotechniques, procédures de calcul des charges et des résistances) ; - les structures en treillis métalliques sont relativement souples et tolérantes vis-à-vis de reports de charges entre pieux ; - les pieux sont fortement chargés en compression (poids des modules sur le pont) et relativement rigides de sorte que la zone dans laquelle les efforts de houle induisent des inversions de contraintes de cisaillement à l interface sol-pieu est limitée en partie haute des pieux ; 10

13 - la perte en capacité ou raideur qui pourrait advenir de la répétition des chargements cycliques est (au moins partiellement sinon totalement) compensée par le gain en capacité et raideur dû à la vitesse d application des charges cycliques. Fig.6 - Effet de la vitesse de chargement sur la capacité limite des pieux (d après Bea et Audibert) L effet favorable de la vitesse de chargement sur la résistance et la raideur d un sol est un phénomène qui ne peut être ignoré dans la philosophie de prise en compte des chargements cycliques sous peine de pénaliser fortement les dimensionnements. La figure 6 illustre l accroissement de la capacité de pieux en fonction de la vitesse de chargement. Grossièrement on constate une amélioration de la capacité de 10% chaque fois que la vitesse de chargement est multipliée par Réponse aux chargements latéraux Les efforts de houle induisent des charges horizontales sur les structures qui sont transmises au sol de fondation par l intermédiaire des pieux. Du fait de leur grande longueur imposée par la reprise des charges verticales, les critères de dimensionnement sous charges latérales sont : - l amplitude du déplacement horizontal au niveau du fond, elle-même liée à la raideur du système de fondation qui conditionne la période propre de la structure ; - la contrainte dans l acier des pieux qui doit rester inférieure à leur limite élastique ; - accessoirement la pérennité du contact sol-pieu en partie haute : on cherche à éviter le risque d ovalisation en limitant le déplacement horizontal. La réponse des pieux sous chargement latéral est donc essentiellement un calcul en déformation mené en considérant le pieu comme une poutre élastique et en modélisant le sol par des réactions latérales locales dites courbes p-y ou p désigne la résistance unitaire du sol et y la déflexion. Les courbes p-y sont construites à partir de résultats d essais triaxiaux, le paramètre significatif étant la déformation ε 50 d un échantillon non remanié obtenue dans un essai triaxial de compression pour une valeur du déviateur égale à la moitié du déviateur à la rupture. L API RP2A donne la procédure pour la construction de courbes p- y sous chargement statique et sous chargement cyclique. Un exemple est donné sur la figure 7 pour le cas des argiles molles. 11

14 Fig.7 - Exemples de courbes p-y recommandées par l API RP2A pour le cas des argiles molles ll est important de noter que la courbe p-y cyclique est une courbe enveloppe qui définit la relation charge -déplacement à appliquer au pieu au paroxysme de la tempête (au moment du passage de la vague centennale) et non une courbe permettant de décrire la relation charge déplacement en cours de cyclage. La courbe enveloppe apparaît «indépendante» de l histoire réelle du chargement mais ces courbes ont, en fait, été déduites d essais de pieux soumis à des cycles de chargement simulant des tempêtes réelles Les embases de plates-formes gravitaires Les plates-formes gravitaires sont installées dans des mers difficiles et, de ce fait, soumises à des conditions de houle (mais également de vent et de courant) très sévères. Ces efforts sont transmis au sol par une embase de grand diamètre (qui est généralement équipée d un réseau de bêches sous le radier). Le principe de transmission des charges est schématiquement illustré sur la figure 8. 12

15 Efforts H t V t M cyc Déplacement V cyc θ v H cyc h Fig. 8:- Schéma de principe des efforts appliqués par la houle sur une plate-forme gravitaire. Les chargements cycliques sont susceptibles d affecter plusieurs aspects du comportement des embases gravitaires : 1) la stabilité générale : c est la résistance cyclique du matériau qui contrôle la capacité portante et non plus la résistance statique : 2) les tassements à long terme : ils sont le résultat de phases accélérées de tassement cyclique en cours de tempête et d un tassement permanent par consolidation sous poids propre avec dissipation des pressions interstitielles générées au moment de la pose et au cours des tempêtes les plus sévères. 3) la réponse dynamique de la fondation : alternance de phases de ramollissement des modules en cours de tempête et de durcissement en phase de consolidation ultérieure. Une méthode de dimensionnement des embases gravitaires prenant en compte leur comportement sous chargements cycliques s est progressivement mise en place vers la fin des années 70 et au cours de la décennie 80. Elle est essentiellement basée sur les travaux du NGI, sous la direction de Knut Andersen. Son principe est explicitement repris dans les notes de classification du DNV. La méthode est d une application assez complexe et ne sera donc pas décrite dans cette section. On se contentera d en exprimer la philosophie en se concentrant sur les aspects liés à la stabilité générale. Les idées de base sont : - dans une première étape on cherche les modes de rupture statique les plus vraisemblables et les chemins de contrainte susceptibles d être suivis par les éléments de sol proches de la surface critique. Cette recherche est faite à partir des outils habituels de modélisation géotechnique (par exemple : recherche de stabilité générale par surfaces de rupture, modélisation par éléments finis); - on identifie ensuite les différentes familles de chemins de contraintes et on les assimile, autant que faire se peut, à des chemins reproductibles à partir d essai de laboratoire. L expérience montre que la plupart des situations peuvent être restituées avec la série d essais avancés suivants : essai de cisaillement simple direct (DSS), essai triaxial avec consolidation anisotrope (sous Ko) et cisaillement non drainé en compression (CAUc), essai 13

16 triaxial avec consolidation anisotrope (sous Ko) et cisaillement non drainé en extension (CAUe). La figure 9 illustre ce principe. On notera que la contrainte de cisaillement en tout point se décompose en : - une composante moyenne (ζ a ), qui est elle même la somme de la contrainte initiale de cisaillement avant l installation de la plate-forme (ζ o ) telle que : τ (avec p 0 :pression des terres au repos et K 0 : coefficient 0 = 0,5(1 K0) p' 0 de pression des terres au repos) et de l augmentation de contraintes due à la partie submergée de la plate-forme ζ a. - une composante cyclique due aux chargements de houle (ζ cy.) Fig.9 - Chemins de contraintes dans les éléments de sol sous la fondation - l étape suivante consiste à réaliser un programme d essais statiques et cycliques de laboratoire sur le (ou les) matériau(x) concerné(s). Chaque essai, défini par le couple (ζ a ; ζ cy ), va engendrer une évolution des déformations moyennes ζ a et cycliques ζ cy de l échantillon ainsi qu une génération de la pression interstitielle moyenne u a et cyclique u cy. (Fig.10) Fig.10 - Evolution des déformations et des pression interstitielles lors d un essai cyclique non drainé à contrainte imposée 14

17 Les essais sont menés soit jusqu à un nombre de cycles suffisant (supérieur à 1000), permettant de conclure, sinon à une stabilisation, du moins à une faible réaction aux taux de chargements imposés, soit jusqu à la rupture, et on note alors le nombre de cycles correspondant N f. La résistance cyclique du matériau est par définition ζ f,cy = (ζ a + ζ cy ) f. Les résultats sont présentés sous la formes de diagrammes contours définissant pour chaque couple (ζ a ; ζ cy ) et pour chaque type d essai (DSS ou TX), le nombre de cycles conduisant à la rupture. Les contraintes sont normalisées par rapport à la contrainte de consolidation σ c. On reporte également sur ces graphiques les valeurs de la déformation moyenne et cyclique atteintes à la rupture, ce qui permet de déterminer si l éprouvette s est rompue par déformation permanente (fluage) ou par déformation instantanée (cyclique). Le diagramme de la figure 11 permet de comparer le comportement, sur chemins triaxiaux, de deux argiles de référence dans un état normalement consolidé : l argile de Drammen (Norvège) et l argile de Marlin (Golfe du Mexique). Fig Diagramme contour pour deux argiles types (essais triaxiaux) Un autre mode de représentation peut être fourni sous la forme d un diagramme de résistance cyclique, tel que celui de la figure 12. Il convient de noter que la résistance cyclique est implicitement fonction de la période des cycles imposés (effet de la vitesse de chargement). La plupart des bases de données ont été établies pour des périodes de 10 secondes (période typique de la houle). Ces données ne doivent pas être utilisées directement pour des chargements de type séisme (plus rapides) ou pour des chargements de dérive lente (périodes supérieures à 100 secondes) 15

18 Fig Exemple de diagramme de résistance cyclique A ce stade du processus, on dispose d un ensemble de données permettant de caractériser la réponse du matériau (en résistance et en déformation) lorsqu il est soumis à des chargements cycliques réguliers (séries à ζ cy constant). On sait notamment quelle est la résistance cyclique correspondant à un programme de chargement élémentaire et il est donc possible, en la comparant à la contrainte induite, de définir un coefficient de sécurité. Dans le cadre de la méthode semi-probabiliste préconisée par le DNV, cette sécurité s exprimera par un coefficient de pondération partiel γ m s appliquant sur la résistance du matériau. Pour raisonner au niveau de la structure, deux difficultés restent à résoudre. La première difficulté réside dans le caractère aléatoire des chargements cycliques dûs aux vagues (amplitude et fréquence non constantes). On cherche alors à ramener la tempête à des séries de vagues d amplitude et période constantes et de trouver ensuite un nombre de cycles d amplitude donnée équivalent au cumul des cycles de la tempête. Ce nombre de cycles équivalent N eq est estimé en considérant qu il y a équivalence entre deux séries de cycles d amplitude différente, pour autant qu elles produisent le même «endommagement». En conditions non drainées (calcul en contraintes totales), la déformation cyclique est généralement choisie comme critère d endommagement (Fig. 13). 16

19 Fig.13 - Endommagement en cours de tempête. Illustration de la procédure du nombre de cycles équivalent. La deuxième difficulté consiste à gérer la compatibilité des déformations moyennes le long de la surface de rupture potentielle. Cette condition est obtenue en redistribuant les contraintes moyennes de telle façon que la combinaison de chargement conduisant à la rupture soit approximativement la même pour tous les éléments le long de la surface de rupture potentielle (Fig.14). Cette étape ne sera pas détaillée ici. Fig Redistribution des contraintes et déformations le long d une surface de rupture 17

20 La méthode de traitement des sollicitations cycliques exposée succinctement ci-dessus est extrêmement puissante. On conçoit aisément que des diagrammes équivalents à ceux présentés peuvent être établis en terme de génération de pression interstitielle, modules de cisaillement, évolution des déformations permanentes, etc. En revanche, la méthode est lourde de mise en œuvre dans le cas général car elle nécessite la réalisation de séries exhaustives d essais de laboratoire longs et coûteux. Un certain nombre de matériaux ont été soumis à des analyses complètes (argile de Drammen, argile de Foinaven, argile-type du Golfe du Mexique, ) et servent maintenant de référence. Dans la pratique, et pour des projets de moyenne importance, on se contente souvent d effectuer quelques essais repères qui permettent de caler le comportement du matériau réel sur celui d un matériau de référence. Compte tenu du faible nombre de plates-formes gravitaires construites ou envisagées, cette méthode reste d une application assez confidentielle. Elle a connu cependant des extensions de principe au cas des pieux et des ancres à succion Les pieux de plates-formes à lignes tendues Efforts dans les lignes Les efforts dans les lignes des plates-formes proviennent de la prétension et des forces d environnement (Fig.15). Ils se décomposent en : - efforts quasi-statiques : T 0 : prétension sous hauteur d eau moyenne ; T t : charge due à une variation de niveau d eau (marée, tempête) ; T l : tolérance sur les variations de poids et de ballast ; T m : tension due au moment de renversement sous l effet du vent et des courants ; T s : tension due aux embardées lentes (dérive due au vent, aux vagues et au courant) - efforts cycliques : T w = variation de tension due aux vagues et au mouvement du flotteur sous l effet de la houle ; T r = charges dues aux phénomènes de résonance sur les différents modes. A ces efforts viennent s ajouter quelques efforts particuliers tels que par exemple les forces de vortex sur les tendons. Fig Efforts dans les lignes des plates-formes TLP - (API RP2T) 18

21 Capacité des pieux en tension L API RP2T renvoie à l API RP2A pour les méthodes de calcul des pieux à l arrachement mais rappelle qu une attention particulière doit être portée aux aspects suivants : - dégradation de la capacité sous chargement cyclique en tension de longue durée ; - effets de la flexibilité axiale des pieux ; - fluage sous charge d arrachement permanente. Les facteurs de sécurité recommandés par l API RP2T sont résumés dans le tableau suivant en fonction des différents cas de charge. Cas de charge Environnement extrême Environnement normal Une ligne endommagée (avec environnement extrême réduit) Une ligne déposée (avec environnement extrême réduit) F.S. 1.5 x B 2.0 x B 1.5 x B 1.5 x B Tableau 3 - Facteurs de sécurité sur les ancrages des plates- formes à lignes tendues (API RP2T) Les valeurs usuelles des coefficients de sécurité sont majorées par un coefficient multiplicateur B dont la valeur doit refléter essentiellement : - les incertitudes actuelles dans la compréhension du comportement sol-pieu sous sollicitation de tension ; cet aspect est développé ci-après ; - l absence de résistance résiduelle du système sol-pieu : sur un pieu en tension, un début d arrachement entraîne une diminution de la capacité résiduelle, contrairement au cas d un pieu en compression, pour lequel existe une réserve de capacité en pointe au delà de la limite de rupture conventionnelle. Sur la base de l expérience acquise avec les plates-formes à lignes tendues dans le Golfe du Mexique, il est recommandé de ne pas utiliser de valeur de B inférieure à 1,5. L API RP2T ne propose pas de méthodologie de calcul pour quantifier les effets de la dégradation cyclique, de la flexibilité et du fluage sous tension permanente mais demande que ces aspects soient explicitement pris en compte dans l évaluation de la capacité axiale ultime et spécifie que le facteur de sécurité majoré (incluant le coefficient B) doit être appliqué sur cette capacité modifiée. Les principaux commentaires de l API RP2T sont résumés ci-après. a) dégradation de la capacité en tension sous chargements permanents et cycliques Un certain nombre d études expérimentales incluant des essais sur pieux réels sont en cours ou n ont pas été publiées à ce jour. Une interprétation conservative des données (confidentielles) indiquerait que l arrachement des pieux ne s initie pas pour des chargements tels que la somme (Qm +Qc) de la pretension (Qm) et de la composante cyclique (Qc) n excède pas 80% de la capacité statique (Qs). 19

22 Remarque : les premiers essais de pieux sous chargements cycliques en tension de longue durée ont été effectués au cours des années 80 lorsque le concept de plate-forme à ligne tendue a fait son apparition. Ce fut notamment le cas des essais de Plancoët et Cran réalisés en France sous l égide de l ARGEMA (rebaptisée ultérieurement CLAROM). Ces essais ont démontré qu un pieu sollicité en tension cyclique pouvait s arracher après un grand nombre de cycles (plusieurs centaines ou milliers) pour un niveau de chargement (exprimé par Qm+Qc) bien inférieur à sa capacité statique (Qs). On a alors parlé du «syndrome du clou» qu on finit toujours par extraire du mur! Number of cycles PIEU DE PLANCOET (sables et silts) (d après Puech et Jezequel) ARGILE (d après Karlsrud et al.) Fig Déplacement en tête de pieux soumis à des efforts cycliques de tension. 20

23 Ces résultats expérimentaux, de très haute qualité d exécution, ont été le plus souvent obtenus sur des pieux relativement courts. Ils ont été commodément interprétés par la méthode des diagrammes d interaction dont on donne un exemple. Fig.17 - Pieux en tension Exemple de diagramme d interaction Le mérite de ces diagrammes est de révéler l existence des phénomènes et de montrer le poids des paramètres de chargement. La dégradation très sévère de capacité due à la réversibilité des charges cycliques est en particulier bien mis en évidence. Ces diagrammes sont d un intérêt pratique certain au stade du prédimensionnement. Il convient toutefois de les manipuler avec prudence notamment pour des pieux longs car ils ne tiennent pas compte de l effet majeur de la flexibilité du système. b) flexibilité axiale du système sol-pieu Les pieux longs peuvent être suffisamment flexibles pour que l application de charges répétées en tête (sans passage de tension en compression) soit susceptible de générer des sollicitations de cisaillement alterné (avec changement du sens d application) en partie haute du pieu. Ce régime se modifie en descendant le long du pieu du fait d une part de la diffusion des charges par frottement (diminution de τ m +τ c ) et d autre part de l accroissement de la contrainte de frottement limite (τ s ). La dégradation cyclique du frottement est donc le plus souvent sévère en tête mais peut s atténuer rapidement avec la profondeur. C est ce qui explique la valeur relativement élevée de 80% avancée comme seuil de taux de chargement cyclique [(Qm+Qc)/Qs] au dessous duquel on n observerait pas sur des pieux offshore de dégradation significative de capacité. Remarque : L API RP2T demande que l effet de développement de la rupture progressive avec la profondeur soit pris en compte dans le dimensionnement mais ne suggère pas de méthode particulière. Dans la pratique, l approche est similaire à celle développée pour la 21

24 prise en compte des chargements cycliques sous les plates-formes à embase poids. On effectue des séries d essais DSS statiques et cycliques destinés à simuler la comportement de l interface sol-pieu. L interprétation en diagrammes-contours fournit la réponse des éléments d interface sous les différents régimes de sollicitations le long du pieu. Un raisonnement de type tempête équivalente permet d accéder à l état de ces éléments en fin de tempête (relation τ-γ ). On en déduit des courbes de réaction (t-z) représentant la réaction locale sol-pieu en fin de tempête qui sont ensuite intégrées le long du pieu. Fig Interfaces sol-pieu Interprétation des diagrammes contours (selon NGI) Fig Construction de courbes (t-z) cycliques (d après Randolph) 22

25 Les procédures et les programmes d intégration varient selon les écoles de pensée. On citera notamment le NGI avec le programme PAXCY (Karlsrud et Nadim) et l Université de Western Australia avec le programme RATZ (Randolph). Fig Simulation de l effet des chargements cycliques le long d un pieu flexible : pertes de frottement et redistribution (d après Goulois). c) déformations sous tension permanente : L application d une charge constante moyenne (prétension) provoque des déformations au cours du temps (fluage). Ces déformations peuvent conduire à des ruptures pour des niveaux de sollicitation inférieurs à celui qui provoquerait la rupture statique au sens conventionnel (en quelques heures). L API RP2T ne donne aucune recommandation sur la manière de prendre en compte ce phénomène. Remarque : traditionnellement, l école américaine traite ces aspects par le concept de fluage non drainé. On cherche alors à déterminer la perte de capacité ultime résultant de la durée d application de la charge. L école européenne privilégie plutôt une approche de type capacité à long terme en conditions drainées, la difficulté étant la connaissance du coefficient de pression des terres le long du pieu après reconsolidation totale Les ancres à succion Les ancres à succion se sont développées avec la mise en production de champs d exploitation par grands fonds. Leur usage est maintenant répandu (plusieurs centaines sont installées) mais il n existe pas encore de document officiel (de nature réglementaire ou professionnelle) relatif à la manière de les calculer. Une étude prénormative est en cours sous l égide de l API. Elle a permis de dégager un consensus entre les différents intervenants et de proposer un l état de la pratique. 23

26 Modes de sollicitation Les ancres à succion peuvent être sollicitées : - principalement en tension lorsqu elles servent d ancrage à des risers. Le point d attache est alors situé sur le toit de l ancre mais il existe toujours une légère composante horizontale provenant des excursions du support flottant ; - de manière inclinée (de subhorizontale à subverticale) lorsqu elles servent d ancrage à des supports flottants, les lignes pouvant être de type caténaire ou tendu. Le point d ancrage se situe alors sur le côté de l ancre à une profondeur voisine du tiers inférieur. Cette configuration est illustrée sur la figure 21. Fig Configuration d une ancre à succion soumise à des efforts d ancrage inclinés Dans tous les cas l effort de tension T a deux composantes essentielles : - une composante quasi-statique : Tm = effort de prétension de la ligne ou du riser ; - une composante cyclique provenant de la superposition de deux types de sollicitations : Tw = effort cyclique dû à l action directe de la houle sur le support (de période voisine de 10s) Tr = effort de rappel dû aux excursions lentes du flotteur sous l effet du vent, du courant et de la houle (de période de l ordre de 100s). 24