Un exemple d’ouvrages vieux de 60 ans
Le bois est un matériau précieux pour les mesures de correction dans les lits des torrents. Mais au fil du temps, les processus biologiques de décomposition entament sa solidité. Lors d’une étude de cas, des chercheurs ont observé en conditions réelles les bois ronds de trois barrages construits vers 1940, en les soumettant à une charge allant de la flexion à la rupture. 60 ans après la construction, les deux tiers des bois examinés présentaient toujours un moment de rupture supérieur aux valeurs prévues lors du dimensionnement.
L’utilisation du bois dans la correction des torrents ne date pas d’hier. De nos jours, il est essentiellement utilisé pour les ouvrages situés dans des lits étroits avec un faible charriage. Le bois présente plusieurs avantages par rapport aux autres matériaux de construction comme le béton ou l’acier.
D’une part, il peut généralement être préparé à proximité du lieu de correction, d’autre part il est relativement bon marché, facile à travailler et offre une bonne résistance pour un faible poids. C’est la raison pour laquelle il est utilisé même dans les sols meubles, là où les barrages en béton nécessitent des fondations coûteuses. De plus, par rapport aux ouvrages en béton, les constructions en bois sont relativement insensibles aux déformations dues aux mouvements du sol, ce qui peut constituer un atout considérable sur les terrains instables.
Figure 1 - Corrections d’un torrent à Hirzel: les barrages à paroi simple étudiés étaient destinés à être remplacés; ils n’avaient pas d’ailes. Au premier plan, le barrage n° 1. Lors de la construction, l’encastrement situé à gauche pour l’observateur a été consolidé avec des parpaings. Photo: Martin Frei (WSL)
Quelle est la durée de vie des barrages de torrents en bois?
En plein air, le bois non-traité est soumis à la décomposition naturelle assurée par les champignons et autres microorganismes. Le bois en contact permanent avec la terre et l’eau est particulièrement exposé. Cependant, ces conditions sont caractéristiques du bois employé dans un barrage de torrent. C’est pourquoi la question qui se pose concerne l’évolution de la résistance des corrections à long terme.
Les recherches réalisées jusqu’à présent sur l’évolution à long terme des corrections de torrents reposaient sur une estimation visuelle de la fonctionnalité et du degré de décomposition des ouvrages. Dans ce cadre, la solidité actuelle des bois ronds utilisés dans les constructions restait un paramètre inconnu. Pourtant, l’évolution de la solidité du bois dans les conditions particulières propres aux lits des torrents revêtait une importance capitale pour la résistance des structures. Seule la connaissance de ce phénomène permet de tirer des conclusions quant à la future résistance à long terme des constructions en bois destinées à la correction de torrents.
Démonstration de la résistance
En principe, les barrages de torrents en bois sont conçus pour offrir les mêmes prestations que les corrections de rivière en béton armé. Généralement, la démonstration de la résistance s’effectue selon la norme suisse SIA consacrée aux constructions de bois. Le dimensionnement du rondin individuel repose sur la charge due à la pression hydrostatique de l’eau, à remplissage complet du barrage et sans remblai (figure 2a). Lorsque le remblai est raide (par exemple dans le cas des barrages de ravins) le calcul doit également tenir compte de la poussée des terres.
Lors d’une première approximation, le système statique d’un bois rond intégré à une construction correspond à une simple poutre (figure 2b). On suppose que les appuis théoriques se trouvent à la moitié de la profondeur d’encastrement. Ce modèle statistique donne un moment maximal de flexion au centre de la poutre Mmax = q·L2/8, où q est la charge linéaire due à la pression hydrostatique de l’eau et L la longueur du rondin entre les appuis théoriques.
Figure 2 - Représentation schématique des barrages étudiés. a) L’hypothèse choisie pour le dimensionnement est l’action de la pression hydrostatique de l’eau à remplissage complet et sans remblai. b) Pour chaque bois rond, la pression hydrostatique de l’eau génère une charge linéaire q. Le moment maximal de flexion Mmax se situe au centre de la poutre. c) Le câble placé au centre de la poutre lors de l’essai engendre une ligne de moment triangulaire. Le moment maximal de flexion Mmax se situe également au centre de la poutre.
Essai de flexion et rupture
Lors des premiers essais de flexion et rupture pratiqués sur un barrage d’environ 60 ans, les valeurs de rupture des bois ronds étaient relativement élevées. L’objectif d’un essai de plus grande envergure consistait à obtenir des indications sur la résistance porteuse des bois ronds assemblés depuis plusieurs décennies.
L’étude s’est déroulée dans un lit de torrent entièrement à l’ombre sur le versant occidental du Zimmerberg (commune de Hirzel, canton de Zurich). Les barrages à paroi simple sont composés de bois d’épicéa et de sapin et datent, selon les données fournies par le service forestier local, des années 1939 à 1945. A l’automne 2000, au moment de l’étude, le service forestier a estimé que l’ensemble de l’ouvrage devait être renouvelé et son remplacement était prévu en 2001. Pour leur étude, les chercheurs ont choisi trois barrages situés à environ 650 m d’altitude (figure 1).
Le dispositif expérimental correspondait aux modèles décrits plus haut. Les chercheurs ont tout d’abord retiré les clous qui reliaient les bois ronds entre eux afin de pouvoir tester les éléments sans l’influence des liaisons verticales. Chaque bois rond a été soumis à l’action d’une charge unique, matérialisée par un câble placé au centre (figure 2c). Conformément au modèle de dimensionnement, la valeur maximale du moment en travée au centre du rondin s’exprimait par la formule Mmax = Q·L/4. Pour la longueur L, les chercheurs ont appliqué la formule L = L’+1/2(T1+T2), où la longueur visible L’ a été mesurée avant l’expérience et les profondeurs d’emboîtement horizontales T1 et T2 après (voir figure 2a). Un treuil entraîné par un tracteur a soumis chacun des bois ronds des barrages à une charge allant de la flexion à la rupture (figure 3).
Figure 3a - Essai de flexion et rupture sur un barrage en bois à paroi simple avant l'application de la charge. Photo: Martin Frei (WSL)
Figure 3b - La charge appliquée au centre de la poutre était générée par un câble et un treuil entraîné par un tracteur. Photo: Martin Frei (WSL)
Figure 3c - Essai de flexion et rupture sur un barrage en bois à paroi simple après l'application de la charge. Photo: Martin Frei (WSL)
Un dynamomètre installé sur le câble de traction a enregistré la force Q à des intervalles de 0,25 seconde tandis qu’un enregistreur sauvegardait les données. Ce dispositif a permis d’étudier à la fois l’évolution de la force au cours de la charge et la force de rupture Qu (force maximale). Pour chaque bois rond, les chercheurs ont relevé le diamètre au centre (à l’endroit L’/2) et le nombre de points de rupture après l’essai. Ils ont également tenté de déterminer l’ordre de succession des ruptures par l’observation, mais elles se succédaient si rapidement qu’il n’a pas été possible de les différencier.
Résultats
Quatorze bois ronds ont été étudiés au total. L’évaluation portait sur sept bois ronds du premier barrage, quatre du deuxième et trois du troisième. Lors de l’application de la charge, onze bois ronds se sont brisés à la fois au centre et dans la zone des deux encastrements, deux se sont rompus au centre et près d’un encastrement et un s’est rompu uniquement au centre.
D’après les essais sur le terrain, la médiane des moments de rupture Mu des bois ronds des barrages âgés de 60 ans environ dépassait d’un facteur 1,2 la valeur limite correspondante calculée pour la résistance à la flexion MR. En général, la littérature attribue au bois d’épicéa et de sapin une longévité inférieure et table sur une durée de vie particulièrement brève en cas de contact avec la terre et l’eau. Cependant, les moments de rupture examinés indiquent que, au moins en ce qui concerne les objets étudiés, la solidité du bois peut être suffisante, même après plusieurs décennies. Pour interpréter ces résultats, il faut tenir compte du fait que les expériences réalisées ne correspondaient pas en tous points aux modèles utilisés lors d’un dimensionnement. La liste ci-après énumère quelques aspects susceptibles d’influencer les résultats des expériences:
- Matériau testé
- Système statique
- Dispositif expérimental
- Approche d’évaluation des résultats
Les résultats complets sont disponibles dans l’article original (PDF, en allemand).
Conclusions
La question de la sécurité à long terme ne se pose pas uniquement pour les barrages en bois. En effet, tous les ouvrages de protection contre les dangers naturels risquent de voir évoluer leurs propriétés et les caractéristiques de leurs structures. Dans le présent cas, au bout de 60 ans, les résistances à la flexion Mu (sous charge de rupture) des deux tiers des bois ronds utilisés étaient supérieures à la valeur limite correspondante calculée pour la résistance à la flexion MR (moment de rupture estimé). Par rapport au moment de flexion Madm admis par la norme SIA 164 (1992) ou SIA 265 (2003), tous les éléments présentaient la résistance requise malgré leur utilisation pendant plusieurs décennies, dans les conditions d’humidité saisonnière caractéristiques de la correction de torrents.
Mais il ne faut pas oublier que la durée de vie d’un barrage en bois dépend également de processus autres que la décomposition biologique du matériau. Nous citerons ici les dégâts mécaniques dus aux alluvions, aux laves torrentielles ou aux glissements de terrain. Si l’on part de l’hypothèse que les barrages en bois doivent être renouvelés au bout de 40 ans environ, alors une mesure conforme à la norme SIA 164 (1992) ou SIA 265 (2003) semble appropriée, au moins d’après les présents résultats, pour garantir suffisamment longtemps la résistance des éléments de construction.
Les résultats de la présente étude de cas doivent être confirmés par de nouvelles expériences. Les barrages situés dans des lits dotés de conditions moins favorables, comme un fort ensoleillement et/ou un débit d’eau uniquement temporaire, sont particulièrement intéressants.
Traduction : Stéphanie Rüling-Moreau
Littérature
- Albert Böll, Werner Gerber, Frank Graf, Christian Rickli (1999): Holzkonstruktionen im Wildbach-, Hang- und Runsenverbau. Birmensdorf, Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft. 60 S., ISBN 3-905620-76-6.
