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Wikibardig:Fonctions techniques de l'ouvrage et des composants

De Wikibardig

Sommaire


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Un système de génie civil (un ouvrage ou un ensemble d’ouvrages) se définit, d’une part à partir des éléments structurels (ou des sous-systèmes) qui le composent, et d’autre part à partir des fonctions qu’il accomplit. A chaque niveau de décomposition du système, les éléments structurels remplissent à leur tour des fonctions qui contribuent à la réalisation des fonctions globales de l’infrastructure.

Selon la norme NF X50-150, une fonction est définie comme les « actions d’un produit ou de l’un de ses constituants exprimées en terme de finalité ».

Pour définir les fonctions d’un barrage, il est nécessaire de procéder à une analyse fonctionnelle du système conduite en trois étapes : la définition du système étudié, l’analyse fonctionnelle externe et l’analyse fonctionnelle interne.

Système étudié

Le système que nous étudions est composé du barrage proprement dit (structure du génie civil hors du sol), de sa semelle de fondation, de ses ouvrages annexes (évacuateur de crue, prise d’eau... ) et de ses fondations (sol d’assise ou rocher impliqué dans la tenue de la structure et portant la semelle du barrage).

Definition-Système-ThèseLP.png Définition du système : cas d’un barrage poids (Thèse L.PEYRAS)


Analyse fonctionnelle externe

Le système répond à des besoins et est soumis à des contraintes extérieures (environnement, technologique…) en relation avec les milieux extérieurs (eau, occupation humaine, géologie, aléas…)

Type Milieux extérieurs
environnement lié à l’eau - retenue ; environnement hydraulique amont

- nappe de coteaux ; nappes de fondation

- eau aval ; rivière ; environnement hydraulique aval

géologie du site - fondations ; appuis latéraux ; versants de la retenue
milieux à proximité de l’ouvrage - végétation

- faune (animaux fouisseurs, …)

- embâcles

- sédiments amont ; alluvions aval

météorologie - soleil ; UV ; température ; vent

- précipitations ; humidité

- glace ; froid ; cycles gel-dégel

activités de l’homme - ouvrages en amont ou aval : autres barrages, usine de production électrique, station de pompage, etc.

- villes et habitations en aval ; voies de communication

événements extérieurs exceptionnels - crues

- séismes

autres systèmes divers - l’homme : exploitant, usager, etc.

- normes, recommandations liées à la sécurité et aux règles de l’art

Milieux extérieurs aux barrages (Thèse L.PEYRAS)

Les interactions entre le système et son environnement sont représentées au moyen d’un Bloc diagramme Fonctionnel dans lequel nous distinguons les relations de contact (représentées par des segments droits) et de flux (représentées par des arcs).

Bloc-Fonctionnels.png Bloc diagramme Fonctionnel du système global (barrage) (Thèse L.PEYRAS)


Les fonctions des systèmes et contraintes selon NF X50-150 :

  • Fonctions de service : les fonctions essentielles pour lesquelles le système a été réalisé ;
  • Contraintes (« Caractéristique, effet ou disposition de conception qui est rendu obligatoire ou a été interdit pour quelque raison que ce soit » – Norme X50-150) et fonctions techniques(« Action demandée à un produit ou réalisée par lui, afin de satisfaire une partie du besoin d'un utilisateur donné » – Norme X50-150) qui traduisent la réaction du système face aux contraintes externes.

Les fonctions de service traduisent l’objet de l’action d’un système. Pour barrages, la retenue amont et l’environnement aval (rivière en aval, usine de production de production…) sont mis en relation à travers la structure de génie civil. Nous en déduisons les fonctions principales d’un barrage :

  • le barrage stocke l’eau de la retenue ;
  • le barrage assure le transit des crues ;
  • le barrage fournit de l’eau à l’usine de production.

Parmi ces fonctions, les deux premières intéressent directement la sécurité du barrage. Du fait que la défaillance de la fonction entraîne (le plus souvent) la rupture, la sécurité du barrage peut être ramenée à l’analyse d’une seule fonction principale : le barrage stocke l’eau de la retenue.

Les contraintes sont obtenues en examinant les milieux extérieurs en interaction avec l’ouvrage. Pour les barrages et à partir des milieux extérieurs mis en évidence, nous obtenons environ 50 contraintes. Le tableau ci-dessous donne celles liées à la retenue et aux événements extérieurs exceptionnels (crues et séismes).

Milieu extérieur Contrainte
retenue environnement hydraulique amont - résister à la poussée hydrostatique

- résister aux sollicitations hydromécaniques

- être étanche

- résister à l’action chimique de l’eau de la retenue

- résister au batillage

- évacuer les crues exceptionnelles

crues et séismes - résister aux sollicitations exceptionnelles

Extrait des contraintes des barrages


Liées à ces contraintes, les fonctions de résistance vont permettre d’assurer directement la stabilité du barrage face aux sollicitations extérieures :

  • Le barrage résiste à la poussée hydrostatique ;
  • le barrage résiste aux sollicitations hydromécaniques ;
  • le barrage résiste aux actions exceptionnelles : crues, séismes ;
  • le barrage résiste à diverses sollicitations : chimiques, batillage…

Nous pouvons regrouper ces fonctions de résistance dans une seule syntaxe : le barrage résiste aux sollicitations.

Analyse fonctionnelle interne

La première étape d’une analyse fonctionnelle interne est le choix de la granularité de l’étude pour laquelle nous distinguons trois niveaux :

  • la granularité supérieure correspondant au système dans sa globalité. Ce niveau de granularité considère les effets des défaillances sur la globalité de l’ouvrage ;
  • la granularité intermédiaire, qui découpe le système en composants distincts ;
  • la granularité inférieure, qui s’intéresse aux sous-composants et aux matériaux des composants de granularité intermédiaire.

Pour les barrages, nous souhaitons une description précise des mécanismes physiques s’opérant dans les structures permettant de prendre en compte :

  • les défaillances des différents composants constituant le barrage ;
  • les mécanismes de vieillissement à l’échelle des composants ;
  • les effets des défaillances des composants sur le système global.

Ainsi, pour obtenir une description fine des barrages et de leurs mécanismes de vieillissement, l’analyse fonctionnelle interne sera réalisée à la granularité intermédiaire, au niveau des composants.

Analyse structurelle

L’analyse structurelle permet de lister tous les composants constitutifs du système, de repérer leur position physique au sein de l’ouvrage et de déterminer les interactions avec les autres composants. Elle consiste à découper l’ouvrage, selon les limites données dans la définition, en composants ou sous-composants (ou matériaux).

Analyse-barrage-poids.jpg Analyse structurelle d’un barrage poids en BCR


Composant Composition
1 Fondations Matériaux de fondation et voile d’injection
2 Dispositif de drainage en fondation Réseau de drains forés en fondation
3 Interface barrage-fondation -----
4 Corps du barrage Corps en BCR, avec parement amont en BCV
5 Dispositif d’évacuation des crues Déversoir, coursier et bassin de dissipation
6 Dispositif de vidange de fond et de prises d’eau Tour et vannes de prise, galerie de vidange conduites, vanne de vidange
7 Dispositif de drainage du corps du barrage Réseau de drains dans le corps du barrage, galeries de drainage (rive droite, rive gauche et partie centrale du corps du barrage)
8 Dispositif d’auscultation Dispositifs de mesures de déplacement-nivellement, pressions interstitielles et débits de fuite

Composants d’un barrage poids en BCR

Les fonctions de conception

Les fonctions de conception que réalisent les composants du système sous-entendent des fonctions de contact et de flux. Elles expriment les interactions des composants entre eux, mais aussi entre les composants et les milieux extérieurs.

Elles sont matérialisées à travers les Blocs diagrammes Fonctionnels établis à la granularité intermédiaire. Nous distinguons trois principales catégories d’interactions :

  • les contacts entre les éléments et/ou les milieux extérieurs ;
  • les transferts de flux hydraulique des éléments entre eux et avec les milieux extérieurs ;
  • les transferts de flux de charges des éléments entre eux et avec les milieux extérieurs.

Bloc(Diagramme-Fonctionnel.png Bloc diagramme Fonctionnel relatif aux flux hydrauliques (barrage poids) (Thèse L.PEYRAS)


A partir des Blocs diagramme Fonctionnels, nous déterminons les fonctions de conception : les interactions de contact déterminent les fonctions de contact (action de préparation d’assise ou de support) et les interactions de flux déterminent les fonctions de flux (transfert de charges ou de fluide entre deux composants ou milieux extérieurs).

L’analyse fonctionnelle permet d’obtenir l’ensemble des fonctions de conception, réparties selon leur origine apparaissant sur les Blocs diagrammes Fonctionnels : les flux hydrauliques, les flux de charges et les contacts. Il est alors possible de distinguer :

  • Les fonctions de résistance (sollicitations mécaniques, érosion interne, thermique, chimique), dont l’origine est liée à un flux hydraulique ou de charges reçues par un composant ;
  • Les fonctions liées aux contacts entre composants : préparation des interfaces et des appuis ;
  • Les fonctions liées aux écoulements dans les structures : collecter ou drainer, étancher ou limiter les infiltrations, évacuer.

Les fonctions de conception sont regroupées dans des familles de fonctions génériques, liées à l’interaction en jeu :

  • Résister aux sollicitations mécaniques ;
  • Résister aux sollicitations hydromécaniques ;
  • Résister aux sollicitations thermiques ;
  • Résister aux sollicitations chimiques ;
  • Préparer les surfaces de contact ;
  • Collecter les flux hydrauliques ;
  • Limiter les flux hydrauliques ;
  • Évacuer les flux hydrauliques

Fonctions-Système.png Les fonctions génériques (barrage poids) (Thèse L.PEYRAS)


Le tableau ci-dessous fait la synthèse des composants et des fonctions de ceux-ci pour un barrage poids (BCR) type :

Composant Fonctions
Fondations Texte de la cellule
Texte de la cellule Limiter les infiltrations d'eau

Porter le barrage

Résister aux sollicitations mécaniques

Voile d'injection Limiter l'infiltration d'eau provenant de la fondation amont et de la retenue

Résister à la dissolution et aux agressions

Système de drainage de la fondation Collecter et évacuer les débits de fuite en fondation
Interface barrage-fondation Porter le barrage

Limiter l'infiltration d'eau dans l'interface barrage-fondation

Résister aux sollicitations mécaniques de cisaillement - Résister aux mouvements de la fondation jusqu'à une certaine mesure - Résister aux charges hydrostatiques jusqu'à une cote XXX

Résister à la dissolution et aux agressions

Corps du barrage Fonction d'étanchéité

Résister à l'érosion externe en cas de surverse

Résister aux phénomènes de dissolution, alcali-réaction, carbonatation, etc.

Résister aux sollicitations mécaniques de cisaillement - Résister aux mouvements de la fondation et de l'interface jusqu'à une certaine mesure - Résister aux charges hydrostatiques jusqu'à une cote XXX

Dispositif d'évacuation de crues Évacuer la crue de projet

Maîtriser les débits de crue évacués vers l'aval

Dispositif de vidange de fond et de prises d'eau Alimenter l'usine électrique et la station d'eau potable

Vidanger la retenue

Réguler et contrôler les débits de vidange

Dispositif de drainage du corps du barrage Drainer et évacuer les débits de drainage provenant du corps du barrage
Dispositif d'auscultation Suivre le comportement du barrage, mesurer les pressions, les déplacements et les fuites contrôlées

Tableau d’Analyse Fonctionnelle (barrage poids)


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Références

Peyras, L. - 2003. Diagnostic et analyse de risques liés au vieillissement des barrages, développement de méthodes d'aide à l'expertise. Doctorat spécialité Génie civil, école doctorale des sciences pour l'ingénieur, laboratoire d'études et de recherches en mécanique des structures (LERMES), Université Blaise Pascal, Clermont II. 254 p.


Pour plus d'information sur l'auteur : Irstea - UR RECOVER - Equipe G2DR


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