Chutes de pierres, de blocs et de glace

Source: C. Wendeler

Bases

Les « processus de chute » regroupent les chutes de pierres, de blocs de roche ou de masses de glace en chute libre ou en vol, glissade ou roulade le long de pentes abruptes. On entend par « chutes de pierres et de blocs » les corps en mouvement de quelques centimètres à quelques mètres de diamètres qui chutent vers l'aval de manière plus ou moins isolée et peuvent éventuellement menacer des personnes ou des infrastructures. La survenue de chutes de pierres et de blocs peut être limitée localement si l'on dispose d’indications quant à la masse en mouvement et aux trajectoires potentielles. Ces données peuvent être tirées des cartes d’intensité et du rapport technique qui y est relatif (carte de dangers).

Les secteurs fortement menacés et les secteurs non menacés sont souvent très proches. La stratégie de protection la plus efficace consiste généralement à éviter les parcelles exposées au danger. La forêt constitue en de nombreux endroits la meilleure protection contre les chutes de pierres et de blocs et contre les avalanches. Les mesures constructives comme les digues de retenue ou les filets de protection offrent une protection supplémentaire pour les grandes surfaces (protection d'un terrain), les voies de circulation ou les bâtiments individuels.

Objectif de protection recommandé : Le bâtiment reste intact jusqu’à un événement tricentennal et protège les personnes se trouvant à l’intérieur.

Termes techniques

Les corps en mouvement sont des pierres, des blocs de roche ou de la glace.

Lors de chutes de pierres et de blocs, des pierres (diamètre moyen < 0,5 m) ou des blocs (diamètre moyen > 0,5 m) chutent séparément vers l'aval. Les volumes totaux n’excèdent pas 100 m3. Ce processus, répété ou soumis à des pointes saisonnières, témoigne de la désagrégation continue d’une zone de débordement / de rupture (source des chutes), telle qu'une falaise rocheuse, déterminée par les conditions géologiques et par l’altération. En fonction du mode de mouvement (chute, glissement, vol ou roulement) et de la hauteur de la chute le long de la trajectoire, les vitesses vont de 5 à plus de 30 m/s. En règle générale, la vitesse des pierres et des blocs diminue graduellement dans les pentes de déclivité inférieure à 30°. La distance entre deux rebonds et la hauteur de vol diminuent alors continuellement. Une forêt dense peut également faire diminuer l’énergie. L’effet sur des objets est dû à la force de poussée (énergie d’impact) des différentes composantes. La vitesse de translation et la masse, respectivement l’énergie cinétique, sont déterminantes. Lors de vols et de roulades, l’énergie cinétique se compose non seulement de l’énergie de translation, mais aussi de l’énergie de rotation.



Une chute de glace (chute de masses de glace) se produit par exemple quand de l'eau s’écoule le long de falaises rocheuses, gèle et se brise d’un coup. Le poids spécifique de la glace est 2 à 3 fois inférieur (env. 920 kg/m3) à celui de la roche. La glace peut en outre se briser lors de l’impact en raison de sa fragilité. Cette déformation du corps en mouvement consomme bien davantage d’énergie cinétique que pour les masses rocheuses en mouvement.

Lorsque les volumes d’effondrement dépassent 100 m3 de matériel rocheux, on parle d’éboulement, et lorsqu’ils dépassent les 1000 m3, on parle d’écroulement. L’énergie d’impact survenant alors est si importante (Ekin>>300 [kJ]) que toutes les mesures de protection des objets ne peuvent qu’échouer. Le seul moyen de protéger des bâtiments des éboulements et écroulements consiste donc à prendre des mesures d'aménagement du territoire.



Paramètres d’intensité pour le dimensionnement

Pour dimensionner des mesures de protection des objets, il faut disposer de données concernant le mode de mouvement, la hauteur de vol, la masse et la vitesse de translation des corps en mouvement. Au lieu de la masse et de la vitesse de translation, il est aussi possible de se baser sur l’énergie cinétique (énergie de translation et de rotation) à laquelle il faut s’attendre. On peut généralement obtenir ces indications à partir des cartes d’intensité et du rapport technique qui y est relatif (carte de dangers). En cas d'absence de données sur les intensités, elles seront déterminées par une personne spécialisée.

Énergie de translation Etrans [kJ] de corps en mouvement de forme sphérique en fonction de leur masse m (ou du rayon de la sphère équivalente) et de leur vitesse de translation (ou de la hauteur de chute libre équivalente)

L’impact de pierres, de blocs et de glace a un effet extraordinaire sur les systèmes porteurs. Il est déterminé par la force de poussée et par le comportement de déformation et d’amortissement du corps en mouvement et de l'objet touché.

Potentiel de destruction et mesures de protection possibles pour différents niveaux d’énergie de translation

Énergie de translation Etrans

Potentiel de destruction

Energieaufnahmevermögen von Fangkonstruktionen

De 0 à 10 [kJ]
(intensité faible)

Destruction de parois en éléments de bois

Rondins de sapin avec supports en acier

De 10 à 30 [kJ]
(intensité faible)

Destruction de parois en rondins de sapin

Bois de chêne avec supports en acier, Treillis métalliques à simple torsion

De 30 à 100 [kJ]
(intensité moyenne)

Destruction de parois en béton armé épaisses de 0,2 à 0,3 m

Constructions simples avec treillis métalliques et filets en câble d'acier sans élément de freinage

De 100 à 300 [kJ]
(intensité moyenne)

Destruction de parois en béton armé épaisses de 0,4 à 0,5 m

Constructions la plupart du temps avec des treillis et filets en câble d'acier avec ou sans élément de freinage

De 30 à 100 [kJ]
(intensité moyenne)

 

Constructions en filet avec filets en câble d'acier ou filets tournants et éléments de freinage

> 5000 [kJ]
(intensité moyenne)


 

 

Constructions spéciales en filet tournant, digues en terre

Données initiales

Notations

hf [m] Hauteur de chute libre du corps en mouvement
hg [m] Hauteur du bâtiment
hs [m] Hauteur de vol du corps en mouvement
s [m] Distance entre deux rebonds du corps en mouvement
r [m] Rayon de la sphère équivalente au corps en mouvement déterminante
d [m] Diamètre de la sphère équivalente au corps en mouvement déterminante
lh [m] Épaisseur de la paroi en béton armé
ls [m] Portée de la paroi en béton armé
t [m] Profondeur de pénétration de la sphère équivalente dans la couche de couverture
le [m] Épaisseur de la couche de couverture
m [t] Masse du corps en mouvement déterminante pour le dimensionnement
mk [t] Valeur caractéristique de la masse du corps en mouvement
v [m/s] Vitesse du corps en mouvement (vitesse de translation)
vk [m/s] Valeur caractéristique de la vitesse d’impact
ω [1/s] Rotation propre du corps en mouvement (vitesse de rotation)
I [tm2] Moment d’inertie de la masse
Etrans [kJ] Énergie de translation
Erot [kJ] Énergie de rotation
Emax [kJ] Énergie maximale pouvant être absorbée par les parois en béton armé
amax [m/s2] Retardement maximal
α [°] Angle d’incidence dans le plan horizontal, par rapport à l’objet
φk [°] Valeur caractéristique de l'angle de frottement de la couche de couverture
ME,k [kN/m2] Valeur caractéristique du module de compressibilité statique de la couche de couverture
A [m2] Surface de la charge concentrée à l’origine de l’action (choc)
g [m/s2] Accélération gravitationnelle (10 m/s2)
qe [kN/m2] Pression statique de remplacement due à la charge concentrée (choc)
Qe [kN] Force statique de remplacement
Fk [kN] Valeur caractéristique de la force à l'endroit de l’impact

 

Stein- und Blockschlag

Situations de danger

Situation de danger 1 : Des pierres / blocs roulent ou glissent contre le bâtiment

Les corps en mouvement roulent ou glissent vers le bâtiment. L’action à considérer est la force de choc exercée sur le bâtiment par la masse m en mouvement. Cette force de choc est représentée par une pression statique de remplacement qe qui agit sur une surface A. On admet que le choc produit des effets verticaux entre la surface du terrain et la hauteur des parois 3×r. Il y a lieu de déterminer quelles pourraient être les parois touchées, en fonction de l’angle d’incidence α.

Situation de danger 2 : Des pierres / blocs volent jusqu’à la hauteur des parois

Les corps en mouvement volent vers le bâtiment. Leur énergie cinétique se compose de l’énergie de translation et de l’énergie de rotation. La hauteur de vol hs est inférieure à la hauteur du bâtiment hg. Ainsi, seules les parois sont touchées. L’action à considérer est la force de choc exercée sur le bâtiment par la masse en mouvement. Cette force de choc est représentée par une pression statique de remplacement qe qui agit sur une surface A. On admet que le choc produit des effets verticaux entre la surface du terrain et la hauteur de vol hs. Il y a lieu de déterminer quelles sont les parois touchées, en fonction de l’angle d’incidence α.

Situation de danger 3 : Des pierres / blocs chutent ou volent au-dessus de la hauteur du bâtiment

Les corps en mouvement volent ou chutent vers le bâtiment. Lorsqu’elles chutent, l’énergie cinétique correspond à la seule énergie de translation, tandis que l’énergie de rotation intervient également lorsqu’elles volent. La hauteur de vol hs ou la hauteur de chute hf est supérieure à la hauteur du bâtiment hg. Le toit comme les parois sont donc touchés. L’action à considérer est la force de choc exercée sur le bâtiment par la masse en mouvement. Cette force de choc est représentée par une pression statique de remplacement qe qui agit sur une surface A. Il y a lieu de déterminer quelles sont les parois touchées, en fonction de l’angle d’incidence α.

Détermination des actions

Énergies de translation et de rotation

Si un corps en mouvement glisse sur un plan incliné, seule l’énergie de translation agit :

`E_(trans)=0.5*m*v^2 [kJ]`

Si un corps en mouvement roule sur un plan incliné, l’énergie de rotation agit en plus de l’énergie de translation :

`E_(rot)=0.5*l*omega^2 [kJ]`

Le moment d’inertie de la masse d’une sphère l est défini comme :

`l=0.4*m*r^2 [t*m^2]`

Dans ce cas, on peut admettre sommairement que l’énergie de rotation d’un corps qui roule vaut environ 40 % de l’énergie de translation.

L’énergie cinétique d’un corps qui vole se compose d’énergie de translation et de rotation, comme lorsqu’il roule. Dans ce cas, on peut admettre sommairement que l’énergie de rotation vaut entre 10 % et 20 % de l’énergie de translation. Lors des rebonds (impact au sol, contre un arbre) entre deux phases de vol, une partie de l’énergie cinétique est dissipée du fait de la déformation du sol et des frottements entre le projectile et le sol.

En cas de chute, on calcule l’énergie cinétique exclusivement à partir de l’énergie de translation de la chute libre :

`v=(2*g*h_f)^0.5 [m/s]`

Force de choc sur des parois en béton armé dénuées de protection :

L’impact d’une pierre ou d’un bloc qui percute une paroi en béton armé à une vitesse comprise entre 2,5 m/s et 40 m/s est considéré comme un choc dur. Un tel choc cause des déformations de la face extérieure et des éclatements de la face intérieure. Un poinçonnement local constitue généralement la forme de défaillance déterminante. Les chutes dures  représentent un problème très complexe. Les détails du dimensionnement figurent dans la publication Matrisk (2017).

Le choc de corps en mouvement individuels sur une dalle de béton d'une portée ls = 2,5 m et d'une épaisseur lh = 30 cm génère des forces statiques de remplacement Qe selon :

Masse m [kg] Vitesse v [m/s]

Énergie E [kJ]

Force statique de remplacement Qe [kN]
(Poinçonnements | Flexion)

100

10

5

189 | 53

100

20

20

756 | 211

500

10

25

944 | 264

500

20

100

3778 | 1056

1000

10

50

1889 | 528

1000

20

200

7576 | 2112

Force de choc sur des surfaces en béton armé recouvertes de sol meuble :

De nombreux essais ont permis d’élaborer une procédure de dimensionnement pour les structures porteuses en béton recouvertes de sol meuble (OFROU 2008). La force statique de remplacement est décrite par l'effet d’un corps équivalent sous la forme d'une sphère de masse mk. La répartition de la charge en raison du recouvrement est admise sous l’hypothèse d'un angle de propagation de 30°. La charge répartie qe à utiliser pour le dimensionnement est considérée comme constante sur sa surface d’influence.

La couverture doit avoir une épaisseur e supérieure au double de la profondeur de pénétration du projectile t ou supérieure à 0,5 m.

La force statique de remplacement Fk et la profondeur de pénétration t sont calculées comme suit :

 

`F_k=2.8*e^-0.5*r^0.7*M_E^0.4*tan(phi_k)*(0.5*m_kl*v_k^2)^0.6 [kN]`
`t=m_k*v_k^2/F_k [m]`

La force de choc peut être décrite par la formule générale

`F_k=m_k*a_max [kN] (1)`

amax [m/s2] correspondant au retardement maximal.

La formule pour la profondeur de pénétration est, selon OFROU :

`t=(m_k*v_k^2)/F_k [m] (2)`

La formule (1) utilisée dans la formule (2) indique le lien (formules 3 et 4) entre profondeur de pénétration et retardement maximal

`t=v_k^2/a_max [m] (3)`

et

`a_max=v_k^2/t [m/s^2] (4)`

Fig.1 : essais avec dalles de béton recouvertes de gravier (0,4 m) en collaboration avec l’EPFZ (Schellenberg 2009)

Fig.2 : dalles de béton recouvertes de 1,2 m de Misapor ; essais en collaboration avec Geobrugg, Romanshorn (Gerber 2010)

Fig.3 : résultats des mesures de retardement (différents points) avec impact sur 0,4 m de gravier (t < 19 cm) et 1,2 m de Misapor (t > 20 cm). Comparaison avec les retardements maximaux calculés en fonction de la profondeur de pénétration et de la vitesse d’impact des corps qui chutent (lignes).

Types et causes de dommages

Paroi ouverte suite à un choc

Göschenen 2001 :

Paroi ouverte suite à un choc
Göschenen, 2001: Paroi ouverte suite à un choc (Photo: Urs Thali, Göschenen)

Perforation du toit

Un bloc de roche a volé vers le bâtiment ; il a endommagé le toit et les parois et les a en partie perforés.

Schaden infolge Steinschlags - Durchschlag Dach

Mesures de protection

Des mesures en termes de conception et de renforcement permettent de réduire considérablement le danger pour les personnes et les valeurs matérielles en cas de chute de pierres et de blocs, par exemple si le bâtiment est intégré au terrain pour être protégé de manière optimale ou si l'on a choisi un coffrage et des renforcements adaptés pour les parties menacées du bâtiment. Évitez de prévoir des ouvertures dans la paroi extérieure côté montagne ou protégez-les en conséquence. Dans la zone des parois extérieures directement exposées, ne prévoyez que des locaux avec une durée de séjour courte et prenez des mesures de réduction du risque à l'extérieur également.

Propositions de concepts et de mesures de protection pour les différentes parties du bâtiment : Protection des bâtiments.

Normes et directives

Normes de construction générales et relatives aux structures porteuses

Allgemein

SIA 480 (2016): Wirtschaftlichkeitsrechnung für Investitionen im Hochbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich.

 

Tragwerksnormen

SIA 260 (2013): Grundlagen der Projektierung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 261 (2014): Einwirkungen auf Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 261/1 (2003): Einwirkungen auf Tragwerke – Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein. Zürich.

SIA 267 (2013): Geotechnik. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 267/1 (2013): Geotechnik - Ergänzende Festlegungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269 (2011): Grundlagen der Erhaltung von Tragwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 269/1 (2011): Erhaltung von Tragwerken - Einwirkungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich

SIA 465 (1998): Sicherheit von Bauten und Anlagen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

SIA 469 (1997): Erhaltung von Bauwerken. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich.

 

Directives techniques (sélection)

Allgemein

HEV (2016): Paritätische Lebensdauertabelle. Hauseigentümerverband Schweiz / Schweizerischer Mieterinnen und Mieterverband. (Online-Tool)

SVGW (2010): Richtlinie für Gasleitungen. Richtlinie G2. Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches, Zürich.

SVGW (2013): Richtlinie für Wasserverteilung. Richtlinie W4 - Planung, Projektierung sowie Bau, Betrieb und Unterhalt von Trinkwasserversorgungssystemen ausserhalb von Gebäuden. Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches, Zürich.

 

Entwässerung

Suissetec (2016): Richtlinie „Dachentwässerung“ . Schweizerisch-Liechtensteinischer Gebäudetechnikverband, Suissetec. (auch als Web-App erhältlich)

Suissetec/VSA (2012): SN 592000:2012: Anlagen für die Liegenschaftsentwässerung – Planung und Ausführung.

VSA (1996): Planung der Liegenschaftsentwässerung. Informationsforum der VSA Fachgruppe „Liegenschaftsentwässerung“, Olten.

VSA (2002): Regenwasserentsorgung: Richtlinie zur Versickerung, Retention und Ableitung von Niederschlagswasser in Siedlungsgebieten. Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute, Zürich. (Update 2008 zur Richtlinie)

 

 

Littérature

Littérature générale

Egli, Th. (2007): Recommandations - Protection des objets contre les dangers naturels météorologiques. Association des établissements cantonaux d'assurance incendie, Berne.

OFEV (2016): Protection contre les dangers dus aux mouvements de terrain. Aide à l’exécution concernant la gestion des dangers dus aux glissements de terrain, aux chutes de pierres et aux coulées de boue. Office fédéral de l’environnement, Berne. L’environnement pratique n° 1608: 98 p.

OFROU (2012): Dangers naturels sur les routes nationales : Concept de risque. Méthodologie basée sur les risques pour l’évaluation, la préven-tion et la maîtrise des dangers naturels gravitationnels sur les routes nationales, Office fédéral des routes, Berne.

PLANAT (2009): Concept de risque appliqué aux dangers naturels. Plate-forme nationale "Dangers Naturels", Berne.

Fondation de prévention des établissements cantonaux d'assurance (2014): Prevent-Building – une méthode et un outil d’évaluation de l’efficacité, de la rentabilité et de l’acceptabilité des mesures de protection des bâtiments, destinés à parer aux risques naturels gravitationnels et météorologiques. Rapport concernant la phase 1 incluant les adaptations de la phase 2. Groupe de travail Prevent-Building: WSL-Institut pour l'étude de la neige et des avalanches SLF, Egli Engineering AG, Geotest SA, B,S,S. Volkswirtschaftliche Beratung, Version 12.05.2014. (Download)

Suda J. und Rudolf-Miklau F. (Hrsg.) (2012): Bauen und Naturgefahren, Handbuch für konstruktiven Gebäudeschutz. Springer, Wien.

Chutes de pierres

OFROU (2008) : Actions de chutes de pierres sur les galeries de protection. Directive Edition 2008 V2.03. Office fédéral des routes OFROU en collaboration avec CFF SA Infrastructure, Berne.

OFROU (2014) : Gestion des dangers naturels sur les routes nationales. Directive Edition 2014 V1.00. Office fédéral des routes OFROU, Berne.

OFEFP (2001): Directive sur l'homologation de filets de protection contre les chutes de pierres. Compléments 2006. Office fédéral de l'environnement, des forêts et du paysage (OFEFP), Institut fédéral de recherches WSL.

OFEV (2006): Directive sur l'homologation de filets de protection contre les chutes de pierres. Office fédéral de l'environnement OFEV.

CEB (1988): Concrete Structures under Impact and Impulsive Loading. Synthesis Report, Comité Euro-International du Béton, Lausanne.

ETAG 027 (2012): Guideline for European Technical Approval of Falling Rock Protection Kits. European Organisation for Technical Approvals. Edition September 2012, Amended April 2013, Brussels.

Gerber, W. et al.(1995): Schutzmassnahmen gegen Steinschlag. FAN-Kurs 1995, Eidg. Forschungs-anstalt für Wald, Schnee und Landschaft, Birmensdorf

Gerber, W., Volkwein, A. (2010): Impact loads of falling rocks on granular material. In: Darve, F.; Doghri, I.; El Fatmi, R.; Hassis, H.; Zenzri, H. (eds) Euromediterranean Symposium on Advances in Geomaterials and Structures. Third Edition, Djerba, 2010. 337-342.

Heierli et al. (1985): Schutz gegen Steinschlag. Forschungsarbeit 21/83 auf Antrag der Vereinigung Schweizerischer Strassenfachleute, 2. Auflage, Bundesamt für Strassenbau, Bern.

Schellenberg, K. (2009): On the design of rockfall protection galleries. Dissertation Nr. 17924, ETH Zürich.

Tissières, P. (1996): Résistance d'un mur d'habitation à l'impact d'un bloc. Bericht zuhanden: Service des routes et cours d'eau Géologue cantonal, unveröffentlicht, Martigny.