Calcul des tassements avec Diamonds - Entretien avec Dorothée De Pauw

1. Pouvez-vous nous en dire plus sur votre contribution au calcul de l’analyse des sols

Je suis ravie de parler du tassement des sols, car c’est un sujet qui me tient à cœur. Au sein de la société BuildSoft, je me suis personnellement beaucoup investie dans les calculs d’analyse de tassement des sols, et plus particulièrement dans la vérification des tassements. À partir de quelques connaissances de base sur le tassement des sols acquises à l’université, j’ai effectué des recherches approfondies sur les codes de conception, les paramètres des sols, l’étude des sols et les calculs de tassement. J’ai été frappée par l’ampleur du sujet des sols et par l’étendue des informations et des règles de conception. Par ailleurs, on ne dispose que de quelques exemples de conception détaillée pour le calcul des sols. J’attendais beaucoup des codes de conception tels que l’Eurocode 7, mais je me suis demandé où je pouvais trouver les formules de conception.

2. Quelles sont les limites de l’Eurocode 7 pour le calcul des tassements ?

Malheureusement, l’Eurocode 7 ne fournit pas de formules de conception réelles ou de recettes pour le calcul des tassements, mais seulement des stratégies et des méthodes de conception possibles. Cette norme indique qu’« il convient d’utiliser des méthodes de calcul des tassements communément reconnues ». Ces méthodes indiquent toutefois que vous devez tenir compte du profil de la couche de sol, inclure l’effet des fondations voisines et calculer les tassements immédiats et différés. Ces points sont essentiels à connaître et doivent être vérifiés avec chaque méthode que vous utilisez. Sinon, vos calculs ne sont pas conformes aux Eurocodes. Mais il n’est pas précisé comment prendre en compte tous ces aspects dans l’analyse des sols.

Cette philosophie « générale et ouverte » est omniprésente dans l’Eurocode 7. Contrairement aux autres parties de l’Eurocode, l’Eurocode 7 comporte un minimum de formules ou de règles de conception « recettes » prêtes à l’emploi. Au début, j’ai été quelque peu déçue. Je ne comprenais pas pourquoi il y avait si peu d’informations pratiques, mais j’ai appris qu’il y avait une bonne raison à cela. La conception géotechnique est unique. Elle ne peut être comparée à d’autres pratiques de conception dans le secteur de la construction. Les modèles couramment utilisés varient d’un pays à l’autre, car les géologies sont différentes. En outre, de nombreuses pratiques sont des « traditions locales ». De telles différences ne peuvent pas être harmonisées facilement.

3. Quelles sont les méthodes de modélisation des sols utilisées dans l’Eurocode pour le calcul des tassements ?

Il existe essentiellement deux méthodes : la méthode élastique ajustée et la méthode contraintes-déformations. Chez BuildSoft, nous nous concentrons sur la méthode contraintes-déformations. Cette méthode consiste à calculer la répartition des contraintes dans le sol due au chargement provenant de la fondation. Le calcul de la déformation dans le sol à partir des contraintes en utilisant des valeurs du module de raideur ou d’autres relations entre contraintes et déformations déterminées à partir d’essais en laboratoire ou d’essais sur le terrain. On intègre ensuite les déformations verticales pour calculer les tassements. Pour utiliser la méthode des contraintes-déformations, il convient de choisir un nombre suffisant de points dans le sol, au-dessous de la fondation, et de calculer les contraintes et les déformations en ces points. Il est indispensable d’avoir une bonne connaissance de la mécanique des sols et de disposer de données réelles sur les sols.

4. Quelles sont les méthodes les plus utilisées pour modéliser en pratique les sols pour le calcul des tassements ?

La méthode la plus connue pour le calcul des tassements est probablement le modèle de Winkler ou le modèle de ressort. Cette modélisation est généralement en 1D, et le sol est considéré comme un matériau élastique et linéaire. L’ensemble du comportement du sol est représenté par une seule constante élastique, également connue sous le nom de « coefficient de réaction du sol ». Vous n’avez besoin que d’un seul paramètre et tous les logiciels d’ingénierie standards, y compris Diamonds, prennent en charge cette fonctionnalité. Bien que cette méthode semble très simple, elle est plus difficile qu’il n’y paraît : si l’on n’utilise qu’un seul paramètre pour représenter le sol, il faut s’assurer que la valeur est correcte. Et c’est là que la plupart se trompent : ils utilisent des valeurs dérivées d’expériences antérieures, d’habitudes ou de ce qu’ils ont trouvé dans des livres ou sur le web. En fait, ils peuvent ainsi se faire une idée du comportement d’une dalle ou d’une fondation étalée, mais n’obtiendront pas de résultats précis pour le calcul des tassements. Le modèle de Winkler ne tient pas compte de l’ensemble du profil de la couche de sol (sauf si on effectue un essai à la plaque), de l’effet des fondations voisines ou des tassements différés.

Il serait possible d’utiliser des formules analytiques (semi-)empiriques pour les contraintes et les tassements, combinées aux résultats des essais sur le terrain. L’accent reste mis sur la superstructure, mais le comportement global du sol est incorporé dans l’analyse globale. Cette méthode peut être utilisée pour de simples calculs manuels à l’aide d’une feuille de calcul. On la trouve également dans des logiciels généraux d’analyse structurelle comme Diamonds.

Enfin, les logiciels spécialisés d’analyse des sols utilisent la méthode des éléments finis pour modéliser le comportement du sol, en considérant les données réelles du sol provenant d’essais sur le terrain ou en laboratoire. Ces modèles peuvent être à la fois en 2D et en 3D.

5. Tassement global par rapport au tassement différentiel : quels sont les tassements admissibles ?

En ce qui concerne les tassements admissibles, les Eurocodes ont distingué plusieurs composantes telles que le tassement général (ou global), le tassement relatif (ou différentiel), la rotation, l’inclinaison, etc.

Les composantes les plus importantes sont le tassement général et le tassement différentiel. Elles peuvent être estimées à l’aide d’un logiciel d’analyse structurelle. Bien que l’Eurocode ne fournisse pas de valeurs limites pour chaque composante, des publications comme Skempton et MacDonald donnent de bonnes indications pratiques sur les valeurs limites pour éviter les dommages.

À mon avis, le tassement différentiel est de nature à causer le plus de dommages et de fissures dans le bâtiment. Pour les dalles sur sol, il n’est certainement pas suffisant de calculer le tassement en un seul point de référence de la fondation. On peut complètement se tromper si l’on n’évalue que le tassement total, en particulier lorsque le comportement du sol change selon les dimensions des dalles ou lorsqu’il y a beaucoup de variations dans les charges.

6. Comment Diamonds peut-il aider les ingénieurs en structure lors de l’analyse du profil des couches de sol ?

Comme nous le savons maintenant, l’Eurocode 7 ne fournit pas de flux de travail complet pour le calcul des tassements. Vous devez donc vous fier à votre expérience ou à ce que vous avez appris à l’université, ce qui est généralement assez limité. Il serait souhaitable de pouvoir avoir une pleine confiance dans les méthodes de calcul utilisées. J’ai constaté que de nombreux ingénieurs en structure ne savent pas par où commencer pour calculer le tassement du sol. Cela tient au fait que le domaine de l’ingénierie structurelle est déjà très vaste, et que le domaine géotechnique l’est au moins tout autant. Il faut donc investir du temps et des efforts dans la création de vos feuilles de calcul. D’expérience, je sais que ces feuilles de calcul ne peuvent fonctionner que pour des géométries standards de dalles sur sol, c’est-à-dire rectangulaires, circulaires ou carrées. Les autres configurations ne seront pas couvertes. Et c’est là que nous intervenons : Diamonds intègre une excellente fonctionnalité de calcul du tassement, basée sur les paramètres réels du sol mesurés sur le site et permettant tous les types de géométrie de dalle.

7. Quelles sont les bonnes pratiques pour trouver des modèles et des formules de conception gérables, compte tenu des hypothèses selon lesquelles le sol est élastique et non linéaire ?

D’un côté, on ne peut que se référer à l’Eurocode. Un exemple de méthode semi-empirique pour le calcul des tassements de fondations étalées dans un sol grossier, utilisant la résistance de pointe (qc) dans un essai de pénétration au cône, est fourni dans la partie 2 de l’Eurocode 7. Il est important de savoir que cette méthode n’est pas préconisée comme une méthode de référence. De plus, cette méthode présente a plusieurs limites, comme la géométrie, la forme de la dalle et le type de chargement. La méthode peut être utilisée pour les calculs manuels, mais ne convient pas pour la conversion vers un logiciel d’analyse aux éléments finis (MEF).

D’autre part, elle peut nécessiter de faire des recherches qui prennent du temps. Une troisième option - qui est probablement la meilleure - consiste à utiliser un logiciel d’analyse structurelle intégrant des calculs de tassement conformes à l’Eurocode.

8. À propos du modèle de calcul dans Diamonds : comment trouver la bonne assise pour la plaque correspondant au comportement du sol et à tous les paramètres d’entrée de l’essai sur le terrain ?

Le calcul du tassement repose sur le principe que la déflexion de la dalle est égale au tassement du sol. Bien entendu, c’est ainsi que se présente la situation réelle. La dalle est soutenue par une assise ressort convenablement choisie, à chaque point de maille correspond une valeur de ressort différente. Nous ne connaissons pas à l’avance les valeurs des ressorts. Elles seront déterminées de manière itérative en fonction des paramètres du sol utilisés, et de manière à ce que le tassement soit égal à la déflexion. Dans ce processus itératif, nous utilisons des équations de sol bien connues telles que la formule de Boussinesq pour la distribution des charges dans le sol et le postulat de Terzaghi pour le calcul du tassement. Tout ceci est entièrement conforme à la méthode contraintes-déformations proposée dans l’Eurocode.

9. Ne devez-vous pas saisir une tonne d’informations pour effectuer une telle analyse des couches de sol ?

Non, ce n’est pas nécessaire. La valeur la plus importante est la constante de compressibilité C, par couche de sol que vous souhaitez étudier. Ensuite, vous devez saisir le poids du sol sec et du sol humide, généralement pris à 16 et 20 kN/m3. Et c’est tout. La constante de compressibilité peut être trouvée dans le rapport de l’enquête géotechnique « Test de pénétration au cône » (CPT) ou calculée à partir de l’indice de compressibilité Cc et du taux de vide e0. En d’autres termes, nous utilisons des données de sol réelles mesurées sur place. Le profil complet des couches du sol peut être facilement importé dans Diamonds, ce qui vous évite de devoir saisir couche par couche.

10. Présentez-nous une situation pratique liée à l’analyse du tassement.

Les excavations sont une pratique largement répandue. Elles fournissent un espace de construction supplémentaire (c’est-à-dire un parking) sous le niveau du sol. En outre, vous pouvez profiter de l’état de précharge du sol en raison de la masse de sol précédente. La contrainte de précharge réduira considérablement les tassements finaux, tant globaux que différentiels. Lorsque vous travaillez dans des excavations, la pression de l’eau entre en ligne de compte. Il faut tenir compte de la pression d’eau ascendante et horizontale.

S’il n’y a pas d’excavation (ou besoin d’excavation), la précharge peut être présente en raison de la charge de la surface du sol. Pensez à un vieux bâtiment à démolir ou à un gros tas de sable.

Enfin, dans certain cas, le niveau du sol n’est pas horizontal, mais incliné. Et la plupart des dalles ne sont pas rectangulaires ou carrées à 100 %. Elles ont une forme irrégulière.

Avec Diamonds, vous pouvez modéliser toutes ces situations pratiques.