Comportement de structures maçonnées en matériaux locaux
Chargement jusqu’à rupture d’un mur de soutènement en pierre sèche (schiste) en déformation plane. Le remblai est un gravier roulé.
Il s’agit d’une recherche originale par sa thématique avec une approche globale, s’insérant au sein de l’ensemble des métiers qui travaillent avec les matériaux locaux.
Concernant les structures maçonnées, les travaux expérimentaux sur des modèles réduits (mur de soutènement en pierre sèches) ou en vraie grandeur (maçonnerie en pierre sèche et en pisé), s’attachent à caractériser les comportements en compression simple et en chargement hors plan (cas des pierres sèches). L’interprétation des résultats expérimentaux est menée grâce à la théorie du calcul à la rupture, adaptée à notre seule connaissance du critère de rupture du matériau, sa rhéologie avant rupture restant difficilement mesurable. Cette approche pragmatique permet de proposer des modèles simples, en rapport avec les exigences d’ingénieries. Ces structures sont des maçonneries qui utilisent des blocs en matériaux locaux (pierre ou terre) possédant une grande variabilité selon le chantier. Un accent est donc mis sur la mise au point de méthodes d’essais simples pouvant caractériser ces matériaux.
Murs de soutènement en maçonnerie de pierres sèches
Après la capitalisation d’essais sur site (5 murs amenés à rupture), notre action s’est poursuivie par des essais de cisaillement en laboratoire permettant la mesure du comportement d’interface pierre-pierre (joint vif ou joint sec) à l’aide d’une petite boîte de cisaillement. La taille des éprouvettes de pierre était relativement petite (10x10cm2) mais sa représentativité avait été validée. Les pierres testées étaient cette fois-ci du granit. Les essais sur site n’ayant pas pris en compte de chargement de sol, car chargés par de l’eau, nous avons effectué des essais de modélisation physique d’échelle réduite 1/20 de murs en éléments à joints secs de petits murs chargés par un sol analogique 2D dit de Schneebeli.
Nous allons voir que ces différents essais ainsi que ceux sur sites effectués dans la thèse de Villemus ont permis de vérifier que l’approche du calcul à la rupture convenait bien à ces structures.
La difficulté de modélisation de la maçonnerie en pierre sèche réside dans son caractère fortement hétérogène et dans le fait que l’on ne connaît précisément que le critère de plasticité des matériaux, comme c'est souvent le cas pour les géo-matériaux.
L’hétérogénéité sera prise en compte par de l’homogénéisation périodique. La seule connaissance du critère de plasticité déterminera l’utilisation du calcul à la rupture. Nous avons adapté le critère de plasticité mis au point par De Buhan et De Felice (1997) pour des murs de contreventement en maçonnerie de blocs réguliers au cas des murs de soutènement de pierre sèche (MSPS). Le système calculé est composé du sol et du MSPS avec des mécanisme de rupture virtuelle en ligne droite. Une optimisation des mécanismes de rupture montre qu’en considérant le sol déformable et le mur rigide on obtient des résultats pertinents.
En effet, la modélisation donne des valeurs de rupture proche des expérimentations sur site de Villemus (2004), des analyses numériques par la méthode des éléments distincts et des expérimentations sur modèles réduits. La comparaison avec les essais sur site montre que le modèle est très précis dans le cas de rupture en rotation du mur avec un chargement hydrostatique. La précision est moins bonne dans le cas de la rupture en cisaillement-translation, du fait de la cinématique de rupture observée expérimentalement, avec rotation locale des pierres du fait de leur géométrie irrégulière, différente de celle obtenue par le calcul. Il faut noter qu’en pratique, du fait de la composante verticale de la poussée des terres, les ruptures observées sont pour la plupart par renversement.
La comparaison du modèle avec les éléments distincts et les expérimentations sur modèles réduits, montre une très bonne concordance, du fait de la régularité des blocs parallélépipédiques. La prise en compte de l’interaction sol-murs est ainsi validée. De plus des essais en cours d'échelle 1, avec chargement par du gravier doivent permettre d'apporter les valeurs expérimentales manquantes. Ces essais ont pu se dérouler grâce à une collaboration étroite entre les artisans (notamment l'association des Artisans Bâtisseurs en Pierres Sèches).
On a aussi montré qu’il était possible d’utiliser le calcul classique de la poussée des terres de Caquot, facilitant ainsi la procédure de dimensionnement. Le travail en cours concrétise la continuation de la collaboration avec l’Université de Bath et l’ouverture d’une collaboration avec Denis Garnier de l’ENPC.
Maçonnerie en pisé
Il s’agit d’une ouverture de thématique de recherche vers le matériau pisé (thèse de Bui débutée en 2006). Un guide vient de paraître en Grande Bretagne, à la suite des guides publiés en Australie, Nouvelle Zélande et Zimbabwe. Ces guides issus de la culture anglo-saxonne, a priori moins riche en patrimoine en pisé que la France, montrent le retard pris par notre pays depuis François Cointeraux. Par contre, ces guides restent très vagues sur la représentativité des essais de laboratoire. La fabrication du matériau en laboratoire est standard alors que in situ, l’énergie de compactage, la teneur en eau varient en fonction des artisans. On propose des procédures expérimentales de mesure des caractéristiques mécaniques du pisé, notamment la résistance à la compression et le module d’élasticité.
Le deuxième point du comportement de ces structures est leur résistance aux séismes. En effet, en France la redéfinition de la carte des zones sismiques fait que de nombreuses maisons en pisé, notamment dans la région Rhône-Alpes, se retrouvent en zone de sismicité non négligeable. De plus, dans le monde, ces structures peuvent se trouver dans des zones de forte sismicité comme en Asie centrale ou au Mexique.
Des éprouvettes représentatives de l’hétérogénéité du matériau (40cmx40cmx70cm) ont été réalisées par Nicolas Meunier, maçon piseur détenteur du savoir faire. Nous avons réalisé des essais de compression simple sur ces éprouvettes montrant qu’il est possible de définir un module élastique pour ce matériau, celui-ci variant avec le niveau de contrainte appliqué. Cela complique la modélisation d’une structure sous séisme. Le traitement d’un essai dynamique in situ nous a permis, pour un cas particulier, de caractériser le matériau pisé. Enfin, l’orthotropie du matériau à moindre échelle est prise en compte via une étude théorique par homogénéisation périodique, matériau constitué de plusieurs couches. Des essais dynamiques en laboratoire sont en cours afin de les corréler avec ceux in situ.
Un troisième aspect important dans la construction en terre est l’étude de sa durabilité, que nous faisons ici sur des murets expérimentaux en pisé de plusieurs types : pisé non stabilisé, pisé stabilisé en masse, pisé protégé par des couches de protection. Ces murets sont laissés sur site depuis 20 ans, subissant un climat continental humide. Les recherches quantifient et qualifient la durabilité des murs de pisé par la mesure de l’érosion par photogrammétrie. Les premières mesures confirment la durée de vie de ces structures de l'ordre de plusieurs siècles. Parallèlement aux essais sur maçonnerie, les mortiers de terre sont étudiés et présentés au chapitre "matériaux composites".
