Les efforts sur les constructions dus aux avalanches ne font pas encore pour l'instant l'objet d'une règle de calcul, d'un Document Technique Unifié, ou d'une norme européenne de type Eurocode. Il n'y a donc à l'heure actuelle pas de document de référence qui reflèterait le consensus de l'administration, des milieux du bâtiment et du génie civil sur le problème et sur les valeurs à prendre en compte.
Dans ce qui suit, nous nous efforcerons pourtant de donner des éléments d'appréciation et de quantification, utiles pour pouvoir étudier et dimensionner une construction dans une zone soumise au risque d'avalanche, tels qu'on peut les trouver dans les différents règlements et directives en usage en France et en Suisse. Pour chaque élément, nous donnerons une valeur, lorsque cette valeur est couramment admise, ou une plage de variation, lorsqu'il y a manifestement des approches ou des pratiques différentes sur la question. De la sorte, ce document est plus à prendre comme un inventaire des pratiques, que comme un ensemble de prescriptions impératives à prendre absolument à la lettre.
Pour les unités, les valeurs seront données dans le système international en kN (kilo-newton) pour les charges et en kPa (kilo-pascal) pour les pressions (avec 1 kPa = 1 kN/m²), mais d'une manière systématique elles seront aussi transcrites dans des unités plus parlantes pour le langage courant, en employant le kilogramme[1] et la tonne, sachant qu'un kilo newton correspond à environ 100 kg, et un kilo pascal à environ 100 kg/m².
[1] En toute rigueur, on devrait parler de kilogramme-force ou de tonne-force, mais d'une manière usuelle dans le bâtiment on parle de kilo et de tonne.
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La force d’impact entre une avalanche et un bâtiment est généralement reliée à l’énergie cinétique de l’écoulement, c’est-à-dire au carré de la vitesse. Dans ce qui suit, on parlera de pression de référence, pression cinétique générée par l’écoulement. La pression d’impact est proportionnelle à cette pression de référence avec un coefficient qui dépend de la position relative du bâtiment par rapport au flux, de la forme de l’obstacle et de la nature de l’écoulement. Il est donc nécessaire de distinguer les efforts générés par les avalanches coulantes de ceux induits par une avalanche en aérosol.
30 kPa (3 t/m²) est une valeur qui fait référence dans de nombreux règlements et qui fait l'objet d'un certain consensus. En fait 30 kPa (3 t/m²) est une valeur choisie arbitrairement. A l'origine, elle provient de Suisse, qui a toujours servi de grand modèle en matière d'avalanche, en particulier depuis la création en 1931 à Davos, du premier laboratoire d'étude de la neige, l'Institut Fédéral d'Etude de la Neige et des Avalanches.
Pour comprendre cette valeur, il importe de reprendre la dynamique d'une avalanche, en restant pour le moment dans le domaine des avalanches coulantes.
Typiquement le profil en long d'un couloir d'avalanche, se décompose en :
En général, il est assez vain de vouloir construire un bâtiment courant dans une zone d'écoulement. Les efforts à reprendre y sont très élevés, bien au-delà des capacités de résistance habituelles des constructions. Des mesures de pression d'impact ont montré que les avalanches pouvaient avoir des pressions instantanées dépassant 1 000 kPa (100 t/m²), des valeurs qui poussent à la construction de bunkers ou d'abris anti-atomiques mais pas à la construction de bâtiments courants.
Donc, on admet qu'on ne puisse construire que dans les zones où on estime que le risque est tel que si une avalanche y arrivait, elle aurait suffisamment ralenti et la pression serait inférieure à 30 kPa (3 t/m²).
D'un point de vue physique, en première approximation, on peut définir la pression dynamique de référence Pd de la manière suivante :
Pd = ½ r V² (en Pascal) avec r : masse volumique moyenne de l'avalanche [kg/m³]
V : vitesse [m/s]
Si on fait une application numérique à l'envers, 30 kPa (3 t/m²), avec une masse volumique de 400 kg/m³, cela donne une vitesse de 12 m/s (45 km/h), et avec une masse volumique de 300 kg/m³, on obtient 14 m/s (50 km/h), des valeurs déjà conséquentes mais qui peuvent facilement être atteintes.
30 kPa (3 t/m²) est donc une valeur conséquente, mais arbitraire. Elle a été fixée parce qu'on a estimé que c'était une valeur avec laquelle on savait encore construire à un coût raisonnable. Dans les faits, on retourne le problème qui devient le suivant : soit une pression de 30 kPa (3 t/m²), quelles sont les zones où cette pression a des risques d'être dépassée ?
Le tracé des limites d'une zone rouge, d'une zone bleue et d'une zone blanche est sous la responsabilité des services en charge de l'instruction des PPR.
Si pour les avalanches coulantes, le chiffre de 30 kPa (3 t/m²) sert unanimement de référence, pour les avalanches en aérosol on trouve une plus grande fourchette pour les valeurs indiquées dans les documents techniques. A titre d'exemple, pour des zones considérées comme "bleues" dans différents documents on trouve ceci :
Actuellement en France, l'usage est
relativement lâche en matière de
préconisation concernant les avalanches en
aérosol : l'éventail des valeurs de
référence est plus ouvert, dans un rapport de
plus de 1 à 10, de 3 à 30 kPa
(300 kg/m² à 3 t/m²), ce
qui peut ne pas être sans conséquences sur la
construction, surtout au niveau de la conception des ouvertures, comme
nous le verrons dans le chapitre consacré aux
réponses constructives.
Si on reprend le point de vue
physique exposé plus haut, avec Pd = ½ r V², en
prenant r = 10 kg/m3
[1], 3 kPa
(300 kg/m²) donne une vitesse de 25 m/s
(90 km/h), 10 kPa
(1 t/m²) une vitesse de
45 m/s
(160 km/h) et 30 kPa
(3 t/m²) une vitesse de 78 m/s
(280 km/h).
Pour fixer les idées
concernant ces valeurs, on peut signaler que la pression dynamique de
base pour le vent dans la zone la plus exposée de la France
métropolitaine est de 0,56 kPa
(56 kg/m²), elle correspond à un vent de
30 m/s (108 km/h). Pour un cyclone, avec un vent de
70 m/s (252 km/h), on obtient 3 kPa
(300 kg/m²)[2].
Un aérosol de 3 kPa (300 kg/m² ) est un ordre de grandeur comparable à 1 cyclone, ou à 5 vents "normaux".
Un aérosol de 10 kPa (1 t/m²) correspond à 3 cyclones, ou à 18 vents "normaux"./p>
Avec une avalanche à 30 kPa (3 t/m²) on arrive à 10 cyclones ou 53 vents "normaux".
Pour ce qui concerne la variation des valeurs des pressions de référence, il existe en pratique plusieurs approches réglementaires. Ainsi, dans le canton des Grisons, on trouve dans les prescriptions du GVA les éléments suivants :
On retrouve peut être cette approche, mais sous une forme moins méthodique, dans des règlements français, qui font varier les pressions de références en fonction des localisations, par exemple :
Toutefois, la tendance qui semble se
dessiner en France est de ne plus faire de variation à
l'intérieur des zones bleues.
En effet, d'une part, on sait bien que le trait qui sépare la zone rouge de la zone bleue et celui qui sépare la zone bleue de la blanche, sont des traits qui sont le fruit d'une interprétation humaine et d'une décision politique. Dans ces conditions, vouloir faire une interpolation linéaire rigoureuse entre deux limites qui peuvent fluctuer est sans doute un peu illusoire.
D'autre part, si on considère le front d'arrêt d'une avalanche importante, c'est bien souvent un mur vertical et on ne trouve généralement pas une variation linéaire des hauteurs et une fin en pente douce : l'arrêt donne l'impression d'être assez brutal.
Pour ces raisons, l'usage actuel en France veut que, dans les règlements des PPR, on s'oriente plutôt vers un système de tout ou rien, 30 kPa ou 0.
[1] ce qui est une valeur moyenne admise pour un aérosol, en général on donne un ordre de grandeur compris entre 5 et 20 kg/m3
[2] pour calculer les efforts dus au vent, dans les Eurocodes on considère une masse volumique de l'air de 1,25 kg/m3
Un autre paramètre important pour étudier un bâtiment est la hauteur d'application de la charge. Là aussi, à titre indicatif, nous donnerons une fourchette des valeurs que l'on trouve dans différents documents, suivant les deux types d'avalanche.
Dans les documents déjà cités, les hauteurs d'application sont les suivantes :
Pour l'avalanche en
aérosol, tous les documents cités indiquent que
la pression s'applique sur toute la hauteur des murs
exposés. Cela semble normal étant
donné la hauteur d'un aérosol qui peut se
développer jusqu'à plus de 100 m de
haut, 30 ou 40 m étant des valeurs courantes.
On doit toutefois signaler que dans
des études particulières d'avalanche pour des
ouvrages élevés, on trouve une variation sensible
des pressions en fonction de la hauteur.
Par exemple, pour un
aérosol de 40 m de haut, si on donne une valeur de
10 kPa (1 t/m²) pour la tranche entre 0 et
4 m du sol, on donne 5,6 kPa
(560 kg/m²) entre 4 et 8 m, et
1.25 kPa (125 kg/m²) de 8 à
40 m.
Pour des ouvrages
élevés, une étude
particulière prenant en compte cet aspect peut
s'avérer très judicieuse.
Pour ce qui concerne la direction d'application, on estime en général que la direction de propagation du phénomène est celle de la ligne de plus grande pente. Mais cette appréciation doit être nuancée avec les réflexions suivantes :
Pour toutes ces raisons, il est sans doute assez peu probable qu'une avalanche suive rigoureusement une belle flèche tracée sur un plan.
Dans les prescriptions du GVA déjà cité, on indique qu'il faut tenir compte d'une déviation de plus ou moins 20° par rapport à la direction principale de l'écoulement, avec des écarts plus importants si des obstacles sont à prendre en considération (certains experts estiment que 30 à 35° d'écart serait préférable, d'autres vont même jusqu'à indiquer 45° en cas d'obstacle).
En dehors des règlements particuliers annexés au PPR et du règlement Neige et Vent, il n’existe aucun document technique normatif à l’usage des constructeurs définissant les efforts d’avalanche ou de poussée de neige à prendre en compte. Dans ce qui suit, nous donnerons simplement des indications qui ressortent des pratiques constatées.
Par défaut, il est souvent estimé qu'une avalanche coulante rapide se traduit sur une surface plane orientée d'un angle a par rapport à la direction de l'écoulement, par un effort normal s et un effort tangentiel t, avec les formules suivantes:
où Pd désigne la pression de référence au sein de l’écoulement et c un coefficient de forme traduisant la manière dont l’ouvrage interagit avec l’écoulement (on prend en général c = 2 sin²a pour un mur droit).
Ces efforts s'appliquent à toutes les parois exposées, frontales ou latérales, en tenant compte de la variation en plus et en moins de la direction d'application de l'avalanche (+ ou – 20°, ou plus si on estime que la valeur doit être supérieure).
En général, en l'absence d'études spécifiques, pour les parties de façade latérale qui sont protégées par un mur d'aile, on estime qu'il n'y a pas d'effort pour la partie "à l'ombre" du mur d'aile. Toutefois, l'angle à prendre en compte pour définir la zone "hors risque" n'est pas rigoureusement fixé : le GVA suisse indique 20° mais certains praticiens retiennent plutôt 45°, "sans grande certitude d'être dans le vrai" suivant leurs dires.
Sur le plan vertical, si le bâtiment est susceptible d'être submergé, il faut tenir compte de la hauteur de neige au-dessus de la couverture. On prend en général une masse volumique pour la neige de 3 à 4,5 kN/m3 (300 à 450 kg/m3).
Toujours pour les actions verticales, si une partie d'un bâtiment peut être envahie par le dessous (par exemple porche, ou étage en saillie), on prend en compte une force verticale vers le haut égale à 0,4 fois la pression dynamique de références Pd.
Si les efforts des avalanches coulantes sont de l'ordre des efforts de poussée et des forces de frottement, les avalanches en aérosol sont plus proches des effets du vent avec des phénomènes de surpression et de dépression sur les parois. Mais par rapport aux "simples" effets du vent, un aérosol se singularise par deux aspects.
D'une part, il y transport de matière ce qui augmente notablement les pressions (la masse volumique de l'air est en général de 1,25 kg/m3, celle d'un aérosol de l'ordre de 5 à 20 kg/m3 en moyenne, soit 4 à 16 fois plus, ce qui, sur la base du ½ de mV², se traduit par des pressions au sein de l'aérosol 4 à 16 fois plus élevées à vitesse égale).
D'autre part, les aérosols ont des écoulements très fortement turbulents et leurs effets sur les constructions sont assez complexes à étudier./p>
Toutefois, dans des documents, on donne parfois des indications sur les efforts à prendre en compte. Par exemple, dans le PER de Val d'Isère, on indique qu'une avalanche en aérosol avec une pression de référence Pd de 10 kPa (1 t/m²) donne lieu à :
Dans des études particulières, on trouve parfois des répartitions un peu différentes avec :
En fait, pour comprendre cette disparité dans la répartition des efforts, on peut se rapporter à des études du Cemagref qui font intervenir la pente du sol avec les éléments suivants :
D'une manière pratique, et à défaut de l'intervention d'un spécialiste pour valider ces valeurs, il semble raisonnable de prendre 0,8 pour la pression "subverticale" et 0,5 pour la pression "latérale". En tout cas, en prenant des valeurs "enveloppe" on se place du côté de la sécurité. (Nota : il existe aussi très certainement un effet de dépression pour les façades "sous le vent", mais dans la mesure où il n'y a pas d'impact de matière, on estime en général pour un bâtiment que les effets sont comparables à un vent violent)
En dernier lieu, lorsqu'il y a
des
risques de descente de troncs d'arbres, de blocs de pierre ou de glace,
il faut prendre en compte un effort d'impact ponctuel.
Dans les prescriptions du GVA suisse, on indique qu'il faut prendre en considération une force statique équivalente, s'appliquant sur un diamètre de 25 cm, et dont la valeur est la suivante en fonction de la pression de références de l'avalanche :
Il est précisé que cette charge ponctuelle fait effet en même temps que la pression de l'avalanche et qu'elle peut se situer à n'importe quel niveau à l'intérieur de la hauteur d'effet de l'avalanche.
Pour les combinaisons d'actions, on admet en général les éléments suivants :