Première rénovation totale en 2012

Après huit ans de fonctionnement sans aucune opération d’entretien et il est intéressant de le souligner, la balance a dû être rénovée en avril 2012. Les poutres d’acier avaient été pliées et le plateau usé en raison d’importants frottement et des nombreux impacts de roches. « Nous pouvions plus prendre le risque d’une percée du plateau, qui aurait pu détruire les capteurs situés en dessous» continu Mr Fritschi.

La rénovation a été conséquente : tout d'abord l'équipe a dû détourner l'Illbach et déblayer les routes d’accès pour le passage de l’excavatrice. Ensuite est venu le travail de remplacement du plateau et des poutres. D'une part, les scientifiques pouvaient continuer d'employer la technologie de mesure. Pour faire ceci ils ont monté les roulements d'élastomère et les cellules de mesure sur une nouvelle structure métallique.

Avant de mettre en place le nouveau plateau sur le cadre, l’équipe de rénovation a vérifié une première fois les capteurs sans charge. Pour cela, le bâti et le plateau ont été pesés individuellement et les données ont été comparées aux valeurs de mesure enregistrées au début du projet.

« Nous avions suspecté que le point zéro des capteurs avait changé au cours des années, » précise Mr Fritschi, tout en expliquant le processus. « Et les valeurs ont dévié de 10 tonnes, mais les résultats ont démontré que la variation était constante et que nous pourrions donc la factoriser dans les résultats très facilement. Cela signifie que nous pouvons continuer d'utiliser les vieux capteurs de mesure. » Un remplacement n’avait pas été initialement  possible car les boulons d'ancrage maintenant les capteurs en place ne pouvaient plus être libérés.

Six mois plus tard, après la saison d’été et après des efforts considérables, les scientifiques ont finalement enlevé les capteurs pour les examiner en laboratoire et corriger toutes les dérives possibles ou de remplacer les capteurs défectueux. Les capteurs seront réinstallés dans la balance au printemps 2013. Mr Fritschi conclut : « Nous voudrions continuer la recherche ici à Illgraben durant quelques d'années, nous ne comprenons pas encore tous les effets  physiques des glissements de terrain. »

Mesurer des forces extrêmes pendant des glissements de terrain

Pendant les glissements de terrain, des tonnes de débris, de boue et d'eau se précipitent rapidement en bas des montagnes vers les vallées. Pour mieux comprendre les forces générées, le Swiss Federal Research Organization WSL utilise une balance spéciale équipée d’un système de mesure HBM.

« Si vous avez déjà vu un glissement de terrain se précipiter en bas d'une montagne, vous ne pouvez pas oublier de sitôt le tonnerre et le hurlement », explique Dr. Yolanda Deubelbeiss, un scientifique de cet institut Swiss Federal Research Institute WSL.

En montagne, des glissements de terrain se produisent fréquemment pendant ou après une forte précipitation d’eau ou de neige fondue. Quand les matières mal fixées deviennent  saturées d’eau, elles commencent à glisser et ramassent plus de débris à leur passage tout au long du chemin parcouru. Des arbres et des rochers peuvent également être emportés par cet écoulement et dégringoler vers le bas de la vallée. Bien souvent, ils suivent le cours des criques ou des caniveaux à une vitesse de plusieurs mètres par seconde avec des résultats dévastateurs pour tout ce qui est sur leur chemin. « C’est particulièrement dangereux si le glissement de terrain prend un nouvel itinéraire en sortant de son lit habituel. Alors cela peut causer de sérieux dommages aux maisons, ponts ou routes, » explique le géologue.

Les cartes de risque indiquent les points cruciaux pour lesquels un danger existe et le niveau de dommages potentiels pouvant se produire. Ces cartes sont basées en partie sur des résultats de simulations enregistrés sur ordinateur à partir de scénarios définis, mais également et d'une manière primordiale sur des observations de terrain et de données de dommages prises lors de glissements de terrain récents. Cette connaissance joue un rôle important dans l'aménagement du territoire, par exemple, ou peut mener la construction de barrières et de barrages ou bien encore l'élargissement de lits d’écoulement. La « modélisation sur ordinateur nous permet uniquement de tirer des conclusions théoriques sur le comportement d'un écoulement pendant un glissement de terrain.

« Pour assurer une meilleure protection des personnes et des biens contre ces énormes forces, nous avons besoin d'une meilleure compréhension sur ce qui se produit à l'intérieur d'un glissement de terrain. Cela permet d’avancer sur notre travail de réalisation des modèles de simulation et leur permettre de refléter plus réellement les effets naturels » explique Dr. Deubelbeiss. Cela pourrait permettre de prévoir facilement, part exemple, à quelle distance quelques morceaux pourraient aller en dehors de l'écoulement principal.

Technique de pesage pour comprendre les glissements

Dans cet esprit, le Swiss Federal Research Institute for Forest, Snow and Landscape (WSL) a installé, en 2000, une station d'observation des glissements de terrain dans l’Illgraben, un torrent d'écoulement pour débris dans le canton de Wallis dans les Alpes Suisses. « L'endroit est idéal, car Illbach est l'un des torrents de montagne des plus actifs dans les Alpes Suisses et plusieurs glissements de terrain se produisent ici chaque année, ainsi nous pouvons mesurer les effets naturels » confirme Dr. Deubelbeiss. Depuis 2004, une caméra vidéo, des sondes et des appareils de mesure à ultrasons ont été ajoutées à la balance de mesure de glissements de terrain. « La balance nous aide mieux à comprendre les effets physiques à l'intérieur du glissement de terrain au lieu de les observer de l'extérieur, » poursuit cet expert. Selon l'institut de recherche, le projet est le premier et le plus grand de ce type dans le monde.

 

Mesure découplée des forces

Installation de la balance
Capteurs de pesage et de force à l'intérieur de la balance

Les scientifiques ont utilisé la base en béton du pont pour la balance. Sa forme U plate recouvre le lit d’écoulement d’Illbach. La balance réelle est enfoncée dans cette base. Un plaque d’acier de huit mètres carré, de douze millimètres d'épaisseur et de 300 kg est soutenu par une armature en acier composée de sections HEB360 (2800 kg), qui reposent à leur tour sur les capteurs.

« Ce n'était pas une chose simple de construire une balance capable de mesurer de telles importantes forces dynamiques. En effet, le glissement de terrain est constamment en mouvement. Il ne s'arrête pour que nous puissions peser. » explique Bruno Fritschi, expert en technique de pesage chez à WSL. Pour représenter les forces d’un glissement de terrain, la balance enregistre les forces normales verticales. Ce sont les forces qui exercent une pression du haut vers le sol. Simultanément, elle détermine également les forces de cisaillement horizontales.

Cela représente le chargement produit par les mouvements continu des matières emportées. Le tirant d'eau, la vitesse d'écoulement et la pression d'eau interstitielle sont également mesurés. « Tout d’abord, nous obtenons une vue d'ensemble réaliste des forces agissant pendant le glissement de terrain en combinant ces points de données. En même temps, cette interaction est le plus grand défi en technique de mesure parce que les valeurs doivent être représentées découplées entre elles » explique Fritschi. « Quelle est la raison pour laquelle nous avons décidé d'utiliser des capteurs de force HBM. Leurs produits offrent non seulement une grande précision de mesure mais ils nous permettent également de mesurer la force verticale sans que les forces horizontales n’affectent le résultat. »

Un des points critiques de l’installation a été de réaliser le transfert de la force sur les capteurs (type C2 de 50T). à partir du plateau acier. Pour cela les paliers élastomères élastomère ZEL, composé de plaques d’appui et de couches en caoutchouc disposés en alternance et liées entre elles par vulcanisation, ont été installés. Lorsque le palier  transfère une force, la partie élastique compense pratiquement les efforts horizontaux, les différentes couches se déplacent de sorte que les effets de la force latérale ne soient pas transférés au capteur de pesage. Deux capteurs U2A absorbent également la force horizontale du glissement (20T), réduisant au minimum les shunts de force grâce à leurs montages rotulés.

Résistance aux impacts lourds

Les scientifiques mesurent des forces en tonnes, ce qui est une bonne indication des énormes forces impliquées. « Ainsi les capteurs doivent non seulement renvoyer des informations  précises, mais ils doivent aussi résister à des impacts plus forts » explique Mr Fitschi. « Les grands rochers déboulant sur la balance à des vitesses élevées, agissent comme des impacts. Les capteurs de force doivent pouvoir résister à ce chargement massif car nous ne pouvons établir à l’intérieur aucune protection contre les surcharges. Le glissement de terrain doit simplement peser ce qu'il est réellement. »

A partir des mesures faites jusqu'ici à Illgraben, il a été constaté des charges allant jusqu’à 40 tonnes se déplaçant jusqu'à des vitesses de six mètres par seconde. Les paliers élastomères montés sur les capteurs HBM absorbent ces forces. Cependant, les forces ne sont pas le seul défi pour les capteurs, ils doivent également fonctionner correctement dans des environnements extrêmes. « La balance est entourée de boue et d’eau. Il fait froid en hiver et chaud en été. Le système est maintenu au sec, mais les conditions de mesure sont extrêmement dures, » ajoute Mr Fritschi.

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