Étude du comportement des ancrages chevillés dans les ouvrages de génie civil des installations nucléaires françaises

Les systèmes d’ancrage chevillé assurent la liaison au génie civil de nombreux éléments importants pour la protection des intérêts (EIP). La notion de qualification au séisme de ces chevilles est assez récente. Aussi la plupart des chevilles présentes sur le parc nucléaire français, à l’exception des chevilles mises en place ces dernières années, ne sont pas qualifiées pour les charges sismiques et le sont uniquement pour les charges statiques et quasi-statiques.

La qualification des chevilles en zones sismiques est couverte depuis 2013 en Europe suite à la publication de l’annexe E du guide ETAG 001 (Guide d’agrément technique européen). Les chevilles métalliques pour béton peuvent être qualifiées selon deux catégories de performances sismiques (C1 et C2), fonction de l’activité sismique et de la classe d’importance des bâtiments :

• catégorie sismique C1 : similaire aux homologations américaines et adapté aux applications non structurelles ;
• catégorie sismique C2 : les essais sont plus sévères notamment en ce qui concerne les essais avec mouvements de fissure ; adapté aux applications plus exigeantes structurelles et non structurelles.

Dans les deux cas, l’effet de la fissuration du support en béton est pris en compte. Pour la catégorie C1, la largeur de fissure sera au maximum de 0,5 mm et elle sera de 0,8 mm pour la catégorie C2.

L’Annexe E de l’ETAG 001 décrit l’ensemble des essais à réaliser pour qualifier les fixations au séisme pour chacune des catégories.

Des essais réalisés ces dernières années au CSTB sur des ancrages non qualifiés au séisme montrent que la capacité résistante des ancrages sous sollicitations sismiques est difficilement prévisible et que l’effort maximal de cisaillement sous sollicitation sismique que peut supporter les chevilles est très inférieur à l’effort de cisaillement admissible sous sollicitations statiques. EDF estime à plusieurs dizaines de milliers le nombre de chevilles de fixation de matériels EIP par tranche (environ 33 000 sur les 900 MWe et environ 44 000 pour les 1300 MWe) et le retour d’expérience post-sismique montre que les ancrages sont un point sensible vis-à-vis du comportement sismique d’un matériel.

L’évaluation du comportement des ancrages existants sous chargement sismique représente de ce fait un enjeu majeur pour la sûreté. Ce travail se raccroche à la question scientifique de la modélisation du comportement sismique des structures en béton armé endommagées, mise en évidence au niveau de l’enjeu n° 5 de la démarche de recherche déclinée pour le groupe thématique « risques naturels ». Le verrou scientifique associé est la prise en compte de l’endommagement du béton dans l’analyse du comportement des ancrages et la modélisation non linéaire à y associer.

L’objectif de la thèse, en collaboration avec le CSTB (Marne-la-Vallée) et le LMT de l’ENS Paris-Saclay est l’évaluation du comportement, en cas de séisme, des ancrages présents dans les ouvrages des installations nucléaires.

La démarche scientifique proposée dans le cadre de cette thèse consiste à utiliser deux modélisations numériques complémentaires pour évaluer le comportement de ces ancrages en cas de chargement sismique.

À l’échelle de l’ancrage, une modélisation de type discrète sera utilisée pour représenter explicitement la dégradation du béton. Une extension 3D du code déjà disponible en 2D au LMT est nécessaire afin de prendre en compte les effets volumiques. La base expérimentale de qualification des chevilles « anciennes » du CSTB, rassemblant les données de plusieurs centaines d’essais, permettra de valider cette modélisation. En effet, le CSTB dispose dans ses archives, des essais de qualification de différents types d’ancrage chevillé. Il s’agit d’essais en majorité statiques avec quelques essais dynamiques en quasi-statique de catégorie sismique C1 et parfois de C2.

A l’échelle de la structure, un modèle simplifié en variables généralisées sera développé pour représenter le comportement non-linéaire des ancrages. Ce type de modélisation macroscopique simplifiée permet de réaliser rapidement un grand nombre de calculs pour les analyses de vulnérabilité.

Le modèle discret à l’échelle de l’ancrage sera utilisé comme outil d’expérimentation numérique pour formuler et calibrer le modèle macroscopique. En effet, il est nécessaire de compléter les résultats expérimentaux déjà disponibles pour décrire correctement le comportement sismique des ancrages. Certaines chevilles, utilisées à l’époque, ne sont plus disponibles et ne peuvent donc pas être testées sous charges sismiques. Il est donc important de disposer d’outils numériques pour obtenir des informations complémentaires.