Tfe propositions 2013 2014

Propositions de travaux de fin d’études
Département ArGEnCo – Equipe de géomécanique
F. Collin et S. Levasseur
25 avril 2013
1. Méthode de dimensionnement de pieux sous charge axiale à partir de
l’essai pressiométrique
En Belgique, le dimensionnement des pieux sous charge axiale se base
essentiellement sur base de l’essai pénétrométrique, qui est l’essai de sol de
référence. Ainsi, la Directives pour l'application de l'Eurocode 7 en Belgique (Partie 1
: Dimensionnement géotechnique à l’état limite ultime de pieux sous charge axiale de
compression Belge) et le Chapitre K du Cahier des Charges « Qualiroute » relatif aux
ouvrages d’art font uniquement référence à cet essai. Toutefois, plus particulièrement
en Wallonie, l’essai pressiométrique est également pratiqué et fournit des
informations plus riches en terme déformabilité du sol.
L’objectif de ce travail est donc d’étendre les méthodes de dimensionnement des
pieux à partir des résultats de l’essai pressiométrique. Dans ce cadre, il faudra
réaliser dans un premier temps une étude bibliographique des normes existantes à
l’étranger pour ce type d’essais.
Dans une seconde étape, il faudra réaliser une étude comparative des différentes
méthodes existantes par rapport à des résultats d’essais de chargement de pieux en
vraie grandeur. Ces comparaisons permettront d’améliorer les normes relatives à ces
ouvrages.
Promoteur : F. Collin
2. Modélisation d’essais in-situ dans les laboratoires souterrains
La solution actuellement préconisée pour les déchets nucléaires est leur stockage
dans des couches géologiques profondes faiblement perméables. Ces formations
peuvent être de nature argileuse (argile de Boom, argilite de Callovo-Oxfordien) ou
granitique. Dans le cadre du stockage définitif, il y a lieu de s’assurer que les
propriétés d’étanchéité de ces formations ne seront pas affectées par la réalisation
du stockage (excavation, ventilation, échauffement). Dès lors, il est nécessaire de
caractériser le matériau à l’échelle du laboratoire et de développer des modèles de
comportement. Afin de valider ces développements, des expérimentations in situ au
sein des laboratoires souterrains (construits en vue de démontrer la faisabilité du
stockage) sont réalisées et permettent de confronter les mesures aux résultats
numériques.
Dans le cadre de ce travail de fin d’étude, il sera demandé d’étudier plus
particulièrement une expérience réalisée à Mont Terri dans l’argile à Opalinus. Cette
expérience particulièrement bien instrumentée permet une confrontation avec les
prédictions des modèles THM.
Promoteur : F. Collin
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3. Caractérisation de l’Argile de Boom par analyse inverse
Les études et recherches relatives au stockage dans des couches géologiques
argileuses de déchets nucléaires de haute activité et de longue durée de vie sont en
fort développement actuellement. La conception des ouvrages de stockage
souterrains passe par la modélisation numérique aux éléments finis. L'enjeu est
notamment de bien caractériser le comportement des couches de sols avoisinantes
afin de garantir la pérennité et la stabilité du stockage. En Belgique, l’argile de Boom
a été choisie comme matériau d’étude pour l’enfouissement des déchets nucléaires.
Sa caractérisation fait à l’heure actuelle l’objet de nombreuses études
expérimentales et numériques. De nombreux essais de laboratoires ont notamment
été réalisés afin de caractériser son comportement mécanique, hydraulique et
thermique.
Afin d’en tirer un jeu de paramètres caractéristique pour l’argile de Boom, une
analyse de ces essais par analyse inverse est proposée. Cette méthode consiste en
un calage d’un modèle éléments finis sur des données expérimentales. Elles
permettent une estimation objective des paramètres constitutifs d’une loi de
comportement caractéristique de ce matériau. Cette identification est basée sur
l’utilisation d’un programme d'optimisation couplé à une modélisation éléments finis
du problème. Le but de cette étude est donc d’identifier par analyse inverse un jeu de
paramètres représentatifs de l’argile de Boom à partir de résultats d’essais de
laboratoire, puis de valider ces paramètres sur la modélisation d’essais in situ.
Promoteur : Séverine Levasseur
4. Etude du système de fondation des éoliennes onshores
La localisation des éoliennes résulte essentiellement de considérations de
distributions des vents. Le nouveau cadre de référence plaide également la
priorisation de la pose des mats éoliens le long des grandes infrastructures
(autoroutes, voies de chemin de fer). Il définit un grand nombre de zones où il est
exclu d’installer des éoliennes : zones d’habitat, de forêt, zones naturelles protégées,
zones d’activité économique, notamment. Il impose également des critères de
distance minimale entre les sites éoliens, des limites strictes à la co-visibilité.
L’implantation de ces ouvrages pose de nombreuses questions et suscitent très
souvent une opposition des riverains. Les conditions géotechniques des sites
proposés ne sont pas nécessairement optimales et les différents types de fondation
doivent être dimensionnés afin de reprendre les efforts essentiellement caractérisés
par des moments importants en base de l’ouvrage et leur caractère cyclique. Suivant
les conditions géotechniques, le système de fondation s’orientera vers des
fondations semi-profondes ou des groupes de pieux.
Dans le cadre de ce travail de fin d’étude, il sera demandé d’étudier plus
particulièrement quelques conditions géotechniques typiques rencontrées dans les
futurs sites d’implantation des éoliennes afin d’optimiser les systèmes de fondation
sur base d’un prédimensionnement.
Promoteur : F. Collin
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5. Etude du système de fondation des éoliennes offshores
La problématique des éoliennes offshores est actuellement un sujet brulant.
Implanter celles-ci en mer offre de nombreux avantages : turbines de plus grosse
capacité, conditions de vent favorables, absence de riverains… Cependant, plusieurs
inconvénients tempèrent ceux-ci : mauvaise connaissance des conditions
géotechniques, sollicitations plus violentes, difficulté de réaliser des expériences insitu…
La recherche universitaire s’est emparée du sujet depuis un certain temps mais les
résultats ne perfusent que lentement dans les entreprises. Les méthodes utilisées
sont simplifiées et le recours à des codes de calculs éléments finis est toujours
exceptionnel. Celles-ci expriment donc un vif intérêt dès lors qu’il s’agit de faire le lien
entre leurs pratiques et des méthodes numériques, surtout concernant de nouveaux
types de fondations (tels des caissons à succion).
L’objectif de ce travail est l’étude de systèmes de fondation offshores. Selon les
appétences pour la programmation, les différents aspects suivants pourront être
investigués :
− modélisation 3D d’un système de fondations offshore dans le code EF
LAGAMINE afin de mieux comprendre les couplages hydromécaniques et les
écoulements générés pendant une tempête ;
− développement (dans Matlab) d’un programme éléments finis sur base d’une
méthode simple et élégante permettant de modéliser une géométrie de
révolution (pieux, caisson à succion…)
Promoteur : F. Collin
6. Développement d’un modèle de prédiction de l’échauffement du béton
lors du gâchage de pièces massives
La réaction d’hydratation du ciment est une réaction très exothermique. Le
durcissement du béton se fait alors avec des élévations de température qui peuvent
atteindre 50°C dans les structures massives. De plus, l’hydratation du ciment est une
réaction thermo-activée, ce qui signifie que la vitesse à laquelle se fait cette réaction
chimique croît avec la température.
Le béton est un matériau vieillissant, ce qui signifie que ses propriétés mécaniques
(module d’élasticité, résistance) évoluent en fonction de l’avancement de la réaction
d’hydratation du ciment. Un retrait chimique couplé à un retrait plastique apparaît.
Ces différents retraits, augmentés par les gradients de température et leur caractère
empêché, induisent des contraintes d’une intensité telle qu’elles peuvent être bien
supérieures à la résistance en traction du matériau en cours de maturation, et
peuvent conduire ainsi à la fissuration. Cette fissuration affecte la durabilité des
structures en béton.
L’objectif de ce travail est donc le développement d’un modèle éléments finis capable
de reproduire l’élévation de la température résultant de l’hydratation du ciment sur
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base de données calorimétriques. Il sera ainsi possible d’en déduire les déformations
résultant de ce phénomène en couplant le modèle thermique à un modèle
mécanique.
Promoteurs : F. Collin – L. Courard
7. Etude numérique de la carbonatation du béton
La carbonatation des bétons est un phénomène physico-chimique complexe de
transfert, dissolution et précipitation, qui repose sur la réaction du dioxyde de
carbone présent dans l’air et de la chaux présente dans le béton. La réaction de
carbonatation entraine une chute de pH qui a pour conséquence une dépassivation
des armatures du béton. Ces dernières peuvent dès lors se corroder. L’augmentation
de volume lié à la corrosion mène à l’éclatement du béton d’enrobage et entraine
une mise à nu des armatures. Ce phénomène doit donc être bien maîtrisé afin de
garantir la durabilité des ouvrages en béton.
Le Laboratoire des Matériaux de Construction possède une grande base de données
expérimentales de carbonatation accélérée de mortier de diverses compositions.
Dans le cadre de ce projet de fin d’études, il est proposé de développer un modèle
numérique de propagation du front de carbonatation dans un logiciel éléments finis.
Ce travail a été débuté dans le cadre du TFE d’A. Pitz.
Promoteurs : F. Collin – L. Courard
8. Estimation des déformations à long terme dans un CET
La gestion des déchets ménagers et industriels demande la création de Centre
d’Enfouissement Technique (CET). L’une des problématiques liées à la gestion de
ces CET est de quantifier le tassement à long terme des déchets enfouis afin
d’estimer la quantité que l’on pourra y placer. Le comportement mécanique des
déchets est toutefois très complexe car d’une part ces matériaux sont fortement
hétérogènes et d’autre part le comportement est directement influencé par les
réactions biochimiques qui s’y produisent. Il existe des méthodes semi-empiriques
permettant d’estimer le comportement dans le temps de ces déchets. Nous
proposons dans le cadre de ce travail de fin d’étude de compléter les données
expérimentales existantes afin de proposer une loi de comportement. Ce projet est la
continuation de plusieurs TFE.
Les objectifs de ce travail de fin d’étude sont les suivants :
− Réaliser une analyse bibliographique des modèles empiriques de
tassement
− Utiliser différents modèles de comportement existant dans le code pour
simuler le tassement dans un CET
− Suivant le goût pour la programmation, développer un modèle de
comportement tenant compte des réactions biochimiques dans les déchets
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− Suivant le goût pour le laboratoire, réaliser des essais mécaniques sur les
déchets permettant de calibrer une loi de comportement
Promoteur : F. Collin
9. Etude du comportement physico-mécanique d’un drain en microbéton
époxydique sous l’influence du trafic
Afin d'éviter les stagnations d'eaux d'infiltration dans le revêtement routier des
ouvrages d'art, en particulier en amont des joints de dilatation, un système de
drainage doit être prévu au-dessus de la chape d'étanchéité (figure 1). Les drains
habituellement utilisés sont des micro-bétons en époxy, placés dans l'épaisseur de la
couche de protection en asphalte coulé (25 à 30mm). La largeur de ces drains est
d'environ 100mm.
Figure 1 : Pose de drain le long d’un joint de dilatation bétonné au niveau
d’un tablier de pont
Ces drains constituent une zone rigide, dans un environnement déformable constitué
par le revêtement routier en béton bitumineux (couches de liaison et de roulement) et
sont, de ce fait, soumis à des concentrations de contraintes non négligeables.
L'objet du travail consiste à déterminer, par une campagne d’essais de laboratoire,
les propriétés physico-mécaniques des époxy-drain et à évaluer, par méthode
numérique, les contraintes mécaniques qui s’exercent sur le drain, suite au passage
des véhicules (notamment en relation avec l’épaisseur du revêtement et la vitesse du
trafic). Dans cette deuxième étape numérique, la loi de comportement de l’époxydrain et la calibration de celle-ci reposera sur les résultats de la campagne
expérimentale. Les résultats obtenus permettront de dimensionner le système afin
d'éviter des désagrégations ultérieures des drains sur chantier.
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Ce Travail de Fin d’Etudes est mené en collaboration avec la Direction des
Structures en béton du Service Public de Wallonie (possibilité d’y effectuer son
stage).
Promoteurs : F. Collin, L. Courard
Guidance : F. Collin, F. Michel, J. Wiertz, F. Hermanns
10. Caractérisation de la déformabilité d’un sol sur base de l’essai CPT
L’essai pénétrométrique est le plus utilisé en Belgique pour la reconnaissance
géotechnique : il permet de distinguer les différentes couches de sols sur base de la
résistance à la pointe et une mesure du frottement. Il existe toutefois plusieurs types
de pointe qui fournissent des informations complémentaires (mesure du frottement
local ou global, cône sismique …).
Différentes méthodes existent pour déterminer la capacité portante de fondation sur
base du CPT (dont la méthode de de Beer est la plus utilisée en
Belgique).L’estimation des tassements peut également être réalisée sur base de
corrélation entre la résistance à la pointe et le coefficient de compressibilité C. Ces
relations se basent sur des travaux relatifs à des sols non représentatifs de la région
liégeoise.
L’objectif de ce travail est double. Il vise tout d’abord à comparer les différents types
de pointe dans un contexte géotechnique précis, afin d’évaluer les informations qu’ils
permettent d’obtenir. Dans un deuxième temps, ce travail permettra d’évaluer la
pertinence des corrélations utilisées pour estimer les tassements de fondations.
Les objectifs de ce travail de fin d’étude sont les suivants :
− Réaliser une analyse bibliographique des différents types de pointe CPT et
des relations permettant de déduire le coefficient de compressibilité.
− Dans un contexte géotechnique défini, réaliser une campagne de CPT avec
les différentes pointes disponibles au laboratoire ainsi qu’une campagne de
forage.
− Réalisation d’essais oedométriques pour mesurer au laboratoire le
coefficient de compressibilité
− Analyser les résultats des différents CPT et vérifier les corrélations
proposées.
Promoteur : F. Collin
11. Amélioration des sols et Essai à la plaque
Lors de la réalisation de dalle sur sol, d’une zone de parking ou d’une route, l’essai à
la plaque est le plus souvent utilisé afin de vérifier la qualité du sol en place. En cas
de défaut de portance, diverses solutions sont possibles afin d’améliorer les sols,
comme le traitement à la chaux, le remplacement du sol en place pour une couche
de meilleure qualité. Quelque soit la technique d’amélioration utilisée, la question qui
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se pose à l’entrepreneur est de savoir sur quelle épaisseur doit-il traiter le sol pour
obtenir des résultats à la plaque satisfaisants.
L’objectif de ce TFE serait d’étudier le comportement des sols lors d’un essai à la
plaque. A cette fin, plusieurs aspects pourront être abordés mais l’étude
expérimentale en laboratoire sera privilégiée :
-
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Etude bibliographique sur les normes existantes ;
Modélisation numérique par éléments finis de ces essais afin d’une part de
comprendre le problème et d’autre part de pouvoir en tirer des règles
pratiques;
Réalisation d’essais en cuve instrumentée ;
Etude numérique complémentaire de l’influence de certains paramètres du sol
comme la densité (lié à un compactage initial), la teneur en eau, ...
Promoteur : F. Collin
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Internship proposal
2013/2014
CRM Group – AC&CS
Boulevard de Colonster B57 – 4000 Liège – Belgium
Pieux flottants en acier
Etablir une méthodologie de tests et un modèle de calcul
Si le système de fondation le plus standard à ce jour pour les structures métalliques légères (poteaux,
trackers solaires…) est la fondation « poids » en béton armé, il commence à être de plus en plus
fréquent de recourir à d’autres techniques de fondation, soit pour des raisons de performances ou
de coûts, soit pour des raisons pratiques (accès à la zone d’installation, délais d’exécution…).
Le centre R&D CRM-AC&CS est à ce titre impliqué dans le développement de nouvelles solutions en
acier pour le marché de la construction ce qui, dans la plupart des cas, demande d’étudier les
fondations.
Une technique simple et efficace consiste à
installer des poteaux en acier battus, foncés
ou visés dans le sol à la verticale. La solution
la plus courante étant le battage
(enfoncement
du poteau suite
au
martellement de la partie supérieure du
poteau par un mouton de frappe).
Figure 3
Figure 1
Figure 2
Fig. 1 : Battage d’un poteau
Fig. 2 : Schématisation du sujet proposé
Fig. 3 : Glissière de sécurité montée sur poteaux battus
Le travail proposé consiste à établir un modèle permettant, d’une part, de caractériser le sol sans
devoir systématiquement recourir au carottage ou à des fouilles et, d’autre part, faire le lien entre
ces caractéristiques de sol et les performances du poteau sous une poussée horizontale.
L’étudiant sera invité à non seulement réaliser des calculs et interprétations mais également à
participer de manière active aux tests mécaniques.
Contacts :
ULG
Prof. Séverine LEVASSEUR
Prof. Frédéric COLLIN
+32 / 4.366.91.43
[email protected]
[email protected]
CRMgroup – AC&CS
Michaël GREMLING
+32 / 4.236.88.38
[email protected]
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Les études seront réalisées sous le suivit conjoint du département « Geomécanique et Géologie » de
l’ULG et des équipes de projet du Centre de Recherches et Développements CRM-AC&CS.
Tâches prévues dans le TFE:
Mener une recherche bibliographique pour établir un Etat de l’Art sur le sujet
Définir une méthodologie de tests légers permettant de caractériser les couches de sol
(concevoir la procédure de tests + réaliser des tests + interpréter les résultats)
Etablir une loi simplifiée de comportement des différentes couches de sol sur une profondeur de
1.5m (selon possibilités, extension à profondeur 3.0m)
Vérifier la loi établie par des essais de poussée horizontale sur le poteau (participer à la
réalisation des tests mécaniques + analyse des résultats et interprétation)
Collaboration avec nos équipes de projet pour introduire les résultats de caractérisation du sol
dans les modèles de calcul
Reporting régulier (présentation des avancées, points bloquants, solutions)
Requêtes particulières:
Etudiant ou Etudiante ingénieur Civil, orientation Constructions et affinité pour la géomécanique
Etudiant motivé, orienté résultats et ouvert au travail en équipe
Présence régulière en nos locaux (campus du Sart-Tilman)
Contacts :
ULG
Prof. Séverine LEVASSEUR
Prof. Frédéric COLLIN
+32 / 4.366.91.43
[email protected]
[email protected]
CRMgroup – AC&CS
Michaël GREMLING
+32 / 4.236.88.38
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