Ingénierie Multiphysique Environnement Ouvrages Hydraulique
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Comportement des contacts entre voussoirs de tunnel

IMEOH propose ici une modélisation du comportement des contacts non linéaires entre voussoirs lorsque ceux-ci ne sont pas liés les uns aux autres par des connecteurs mécaniques.

 

Dans ce cas de figure, les contacts sont susceptibles de s'ouvrir, se fermer, au gré des chargements et notamment en cas de mise en charge interne, comme cela peut être le cas pour les galeries hydrauliques souterraines. Les garnitures d'étanchéité entre voussoirs sont alors sollicitées pour assurer l'étanchéité aux joints malgré les déplacements. Des désaffleurements peuvent entraîner une modification de l'état de surface. Des pressions localisées aux contacts entre voussoirs peuvent également se produire.

 

 

 

 

Cette modélisation se veut la plus réaliste possible du comportement du revêtement de tunnel en ovalisation, sans recourir au procédé simplificateur de Muïr Wood (qui modélise le revêtement à voussoirs comme un élément continu, sans contact, tout en prenant en compte l'effet de ces contacts dans une formulation du module de déformation et de l'inertie de l'élément).

 

Le modèle de Muïr Wood étant fondé sur l'hypothèse de continuité, la formulation de l'inertie réduite n'est plus valable si les joints viennent à s'ouvrir - que cette ouverture soit à l'extrados ou à l'intrados.

 

Illutsrations des résultats d'un modèle avec contacts:

Ovalisation (avec distorsion d'échelle) du revêtement sous l'effet de la mise en charge interne au TN et avec prise en compte d'un déconfinement:

Les contacts s'ouvrent. L'ouverture est millimétrique (couleur bleue). Elle se situe soit à l'extrados, soit à l'intrados du contact, en fonction de la position de ce dernier. Quel que soit le contact, on peut observer que les abouts des contacts demeurent toujours en contact (ouverture nulle en rouge) partiel - il n'y a jamais d'ouverture totale sur toute l'épaisseur du voussoir.

 

Avec un tel modèle, il est aisé de récolter l'ouverture excate au droit de la garniture située le plus souvent au milieu du contact.

 

L'ovalisation s'accompagne évidemment de déformations dans les sols encaissants et la formation de la cuvette en surface.

Ovalisation (avec distorsion d'échelle) du revêtement sous l'effet du fluage des sols, de la mise en charge interne au TN et avec prise en compte d'un dé-confinement.

Les caractéristiques principales de cet exemple sont les suivantes:

 

- une galerie de 3 m de diamètre intérieur, des voussoirs d'environ 30 cm d'épaisseur,

- une couverture de terrain au-dessus de la clef de 6 m,

- l'encaissant du tunnel est un sol de type alluvionnaire, assez mou,

- les voussoirs sont en béton armé, module de déformation standard,

- des charges de circulation en surface ne sont pas prises en compte ici mais pourraient l'être,

- la hauteur de mise en charge hydraulique interne peut aller jusqu'au Terrain Naturel,

- absence de nappe phréatique,

- la pression de confinement est prise en compte avec un taux de déconfinement d'environ 0,5.

 

Nombreuses combinaions de chargement peuvent être envisagées. Ici c'est la combinaison avec mise en charge interne et déconfinement qui nous intéresse; c'est elle qui est susceptible d'entraîner une ouverture des contacts.

La modélisation est menée en déformation  dans le plan 2D. Une modélisation 3D serait envisageable prenant en compte des dissymétries dans l'espace.

 

Le code de calcul utilisé est ANSYS. La formulation de la friction aux contacts voussoir/voussoir, comme aux contacts voussoir/sol, est contrôlée.

Contraintes normales dans les voussoirs - traction positive

Le modèle permet également de récupérer les efforts et moments dans les voussoirs. Il met en évidence les pressions localisées au droit des contacts là où l'ouverture reste nulle.

Approche selon Muïr Wood:

Zone d'influence

Une modélisation selon Muïr Wood conduit ici à réduire de 3 cm l'épaisseur du revêtement et à lier les abouts de voussoirs afin d'interdire les ouvertures.

 

Les résultats obtenus diffèrent de ceux du modèle avec contacts sur plusieurs aspects:

- la forme de la cuvette en surface,

- la géométrie de la zone d'influence,

- les sollicitations dans les voussoirs.

Déformation selon l'axe y du repère local des voussoirs

L'évaluation de l'ouverture des contacts (non modélisés physiquement) est imprécise et conduirait à une sur-estimation.