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Mémoire du Travail de Fin d'Études Pour l'obtention du diplôme d'Ingénieur d'État de l'EHTP

Conception et dimensionnement du quai vraquier du nouveau port de Safi

TRAVAIL REALISE PAR LES ELEVES INGENIEURS : AMINI JASSIM

JABARI KARAM

AVEC L’ENCADREMENT DE : NAJIB CHERFAOUI (PROFESSEUR EHTP – INGENIEUR DES PONTS ET CHAUSSEES) M. JARIFI (DIRECTEUR DE POLE BVP) M. ADJAR (CHEF DE DIVISION DES AMENAGEMENTS MARITIMES) M. BOURASS (INGENIEUR C.I.D) M. KROULI (INGENIEUR C.I.D)

Dédicace À Dieu : Le Très Miséricordieux, celui qui étend Sa générosité et Sa miséricorde, Celui qui abaisse, Celui qui élève, Celui qui donne puissance et considération… A nos parents pour leur amour … A tous nos proches pour leur soutien… A nos honorables amis. A tous ceux qui nous aiment. AMINI Jassim / JABARI Karam

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Remerciements Au terme de ce travail de fin d’étude, on tient à exprimer nos sincères gratitudes et notre profonde reconnaissance à toutes les personnes qui ont contribué à la réalisation de ce travail. On voudra remercier en particulier, notre encadrant interne Mr. CHERFAOUI NAJIB, d’avoir accepté d’encadrer notre travail, pour sa disponibilité et ses conseils pertinents. Mr Najib Cherfaoui n’a pas seulement été un encadrant dont les instructions ciblées et les remarques nous ont été de grande aide, mais aussi un coach qui nous a inculqué l’esprit de l’ingénieur exemplaire citoyen et soucieux de la pérennité de ses créations. Nous sommes très reconnaissants envers toute la connaissance qu’il n’a cessé de nous prodiguer. Nous remercions vivement nos encadrants externes M. JARIFI directeur du pôle BVP et M. ADJAR, Chef de division des aménagements maritimes au C.I.D de nous avoir accueilli au sein du C.I.D. On exprime nos vifs remerciements à M.SOUFIANE BOURASS, notre encadrant à C.I.D, pour l’attention et le temps qu’il nous a accordés, ainsi que les efforts qu’il a déployés le long de cette période dans un seul objectif voir le fruit et le résultat de ce travail.

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On remercie vivement notre cher professeur et président de jury Mr Said Rhouzlane pour ses aides, ses conseils visés et sa grande disponibilité pour faire réussir ce projet. Finalement, on remercierait Mr Hosny Bekkali pour ses précieuses aides, sa grande disponibilité, il faut dire qu’il a été le catalyseur qui nous a poussé à aller de l’avant lorsqu’on en avait le plus besoin, Merci Mr Bekkali. Tout le corps professoral du département Génie Civil pour les efforts qu’ils fournissent pour nous procurer une formation solide digne d’un ingénieur de l’avenir. A toute personne ayant contribué de près ou de loin à la réussite de ce travail.

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Résumé Pendant la durée de notre projet de fin d’étude au sein du C.I.D, on a travaillé sur la conception et le dimensionnement du quai vraquier pour charbon du nouveau port de SAFI. Après avoir présenté notre projet, on a procédé dans un premier lieu au prédimensionnement de notre caisson type. On a étudié la stabilité externe de notre quai : Stabilité de la couche d’assise du caisson, la stabilité de ce dernier vis-à-vis le glissement, le renversement et le pivotement, avant de traiter la stabilité interne et le calcul de ferraillage par le logiciel de calcul de structures « EFFEL ». Notre ouvrage étant stable intérieurement et extérieurement ne restait plus qu’à vérifier la stabilité au glissement globale, chose qui sera réalisée à l’aide du logiciel « TALREN ». L’ouvrage étant immergé dans l’eau, pour prendre en compte les agents corrosifs, on a mené une étude de la protection cathodique. Nous avons établi en outre une estimation financière globale de notre quai.

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Table des matières Table des matières .................................................................................................................................. 6 Introduction........................................................................................................................................... 10 Chapitre 1 : Description du projet ......................................................................................................... 12 1.

Contexte ........................................................................................................................................ 12

2.

Le site............................................................................................................................................. 13 2.1 Configuration du port ............................................................................................................... 13 2.2 Bathymétrie et Topographie .................................................................................................... 14 2.2.1 Bathymétrie ....................................................................................................................... 14 2.3 Océanographie et météorologie............................................................................................... 14 2.3.1 Période de retour et vie des ouvrages............................................................................... 14 2.3.2 Niveaux de la mer ............................................................................................................. 15 2.3.3 Vents .................................................................................................................................. 15 2.3.4 Synthèse houles ................................................................................................................. 15 2.3.5 Densité de l’eau de mer ..................................................................................................... 16 2.4 Géologie et géotechnique en mer ............................................................................................ 16 2.4.1 Géologie régionale du site ................................................................................................. 16 2.4.2 Reconnaissance géophysique par sismique réflexion marine .......................................... 17 2.4.3 Sondages à la lance ............................................................................................................ 18 2.4.4 Synthèse des données géotechniques .............................................................................. 18

3.

Étude sédimentologique ............................................................................................................... 18 3.1 Analyse de la dynamique sédimentaire.................................................................................... 18 3.1.1 Etat aménagé – Analyse du risque de sédimentation ....................................................... 19

4.

Critères du projet .......................................................................................................................... 20 4.1 Navires de projet ...................................................................................................................... 20 4.2 Profondeurs des quais .............................................................................................................. 21 4.3 Les besoins en quai ................................................................................................................... 21 4.4 Critères opérationnels (Étude d’agitation) .............................................................................. 22 4.4.1 Données et hypothèses de calcul ...................................................................................... 22 4.4.2 Synthèse de l’étude d’agitation ......................................................................................... 23

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5.

Choix, justification et description des ouvrages d’accostage........................................................ 24 5.1 Choix du type d’ouvrages d’accostage ..................................................................................... 24 5.2 Charges et surcharges considérées .......................................................................................... 26 5.2.1 Charges de l’outillage ........................................................................................................ 26 5.2.2 Charges de stockage .......................................................................................................... 26 5.2.3 Charges d'amarrage ........................................................................................................... 27 5.2.4 Charges d'accostage .......................................................................................................... 28

6.

Dimensionnement des ouvrages d’accostage ............................................................................... 28 6.1 Hypothèses de calcul ................................................................................................................ 28 6.1.1 Séisme ................................................................................................................................ 28 6.1.2 Caractéristiques des matériaux ......................................................................................... 28 6.1.3 Formules de calcul ............................................................................................................. 29 6.1.4 États-limites à vérifier ........................................................................................................ 32 6.1.5

Formules de calculs et coefficients limites ...................................................................... 33

6.2 Description sommaire des ouvrages ........................................................................................ 34 6.2.1 Quais charbon a –16.0 m/Zh............................................................................................. 34 6.2.2 Equipements des quais ...................................................................................................... 35 7.

Justification du choix de la variante caisson : ............................................................................... 35

Chapitre 2 : ETUDE DES CAISSONS ........................................................................................................ 36 1. Coupe type des caissons : ............................................................................................................... 36 2. Type de caissons de projet : ........................................................................................................... 36 3. Hypothèses de calcul ...................................................................................................................... 37 3.1 Hypothèse hydraulique :........................................................................................................... 37 3.2 Caractéristiques des matériaux : .............................................................................................. 37 3.3 Hypothèse de chargement : Poussée du remblai de remplissage des caissons ....................... 38 3.4 Calcul de la poussée du ballast à l’intérieur des alvéoles : ....................................................... 39 3.5 Efforts appliqués sur les caissons ............................................................................................. 40 3.6 Poussée hydrostatique ............................................................................................................. 45 3.7 Effort dû au gradient thermique............................................................................................... 45 3.8 Effort d’accostage et choix des défenses ................................................................................. 45 3.8.1 Types d’accostages ............................................................................................................ 45

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3.8.2 Navires de projet ............................................................................................................... 46 3.8.3 Détermination de l’énergie d’accostage :.......................................................................... 48 3.8.4 Détermination de l’énergie d’accostage ........................................................................... 52 3.8.5 Choix des défenses ............................................................................................................ 53 3.9 Effort d’amarrage ..................................................................................................................... 53 4. Etude de stabilité du caisson : ........................................................................................................ 53 4.1 La géométrie ............................................................................................................................. 53 4.2 Hypothèses hydrauliques : ....................................................................................................... 54 4.3 Hypothèses de chargement : .................................................................................................... 54 4.4 Calcul de stabilité externe du caisson :..................................................................................... 54 4.4.1 Hypothèses pour les matériaux : ....................................................................................... 54 4.4.2 Hypothèses hydrauliques .................................................................................................. 55 4.4.3 Hypothèses de chargement à l’état normal : .................................................................... 55 4.4.4 Vérification de stabilité à l’ELS :......................................................................................... 60 4.4.5 Vérification de la stabilité à l’ELU : .................................................................................... 61 4.4.6

Calcul de stabilité externe dans le cas sismique :............................................................ 62

5. Calcul de structure par EFFEL : ....................................................................................................... 65 5.1 Calcul du ferraillage .................................................................................................................. 68 5.2 Ferraillage: ................................................................................................................................ 70 5.3 Modélisation et calcul par Effel : .............................................................................................. 72 6.

Estimation des couts ...................................................................................................................... 78

7. Stabilité au glissement global ......................................................................................................... 79 Chapitre 3 : Etapes de mise en place des caissons................................................................................ 87 1. La planéité ....................................................................................................................................... 87 2. Préfabrication sur terreplein .......................................................................................................... 88 3. Mise à l’eau des caissons ................................................................................................................ 89 4. Remorquage des caissons............................................................................................................... 89 5. Préfabrication à quai des caissons .................................................................................................. 90 6. Remorquage des caissons : ............................................................................................................. 91 7.

Echouage des caissons : ................................................................................................................ 91

8.

Vibro-compaction du sable de remplissage des caissons : ........................................................... 91

Chapitre 4 : La protection anticorrosion des caissons .......................................................................... 92

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1. La corrosion .................................................................................................................................... 92 2. Diagramme potentiel-pH du fer ..................................................................................................... 93 3. La protection anticorrosion ............................................................................................................ 95 3.1 La galvanisation ........................................................................................................................ 95 3.2 La protection cathodique ......................................................................................................... 96 3.2.1 Généralités......................................................................................................................... 96 3.2.2 Protection par anodes sacrificielles ................................................................................... 97 Conclusion et recommandations......................................................................................................... 102 Liste des figures ................................................................................................................................... 134 Liste des tableaux ................................................................................................................................ 136 Bibliographie :...................................................................................................................................... 137

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Introduction Le nouveau port à Safi a été envisagé en vue de répondre aux besoins pressants de l’ONE en termes d’importation du charbon destiné à la station thermique pour la production de l’électricité et entrera en service au courant de l’année 2014. Ce projet constitue une infrastructure de base extensible pour faire face également à l’augmentation des exportations de l’OCP en phosphates et ses dérivés ainsi que pour le développement de l’activité conteneurs dans ce port dans le cadre de la stratégie logistique nationale. C’est dans ce cadre que l’on s’est intéressé dans notre étude à la conception et au dimensionnement du quai vraquier principal destiné aux importations en charbon. Ce quai de 700 mètres linéaires sera construit essentiellement en caissons, c’est dans ce cadre que vient notre projet de fin d’études.

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Chapitre 1 : Description du projet 1. Contexte Il s’agit d’un nouveau port situé à environ 7km au sud de Safi et des ouvrages de prise et rejet d’eau de mer de la future centrale thermique qui se situe à environ 8km au sud de Safi.

Figure 1: Le site du projet

Le port devra satisfaire les besoins actuels et futurs de l’ONE, de l’OCP et des activités commerciales (notamment conteneurs), avec, pour ces dernières, une complémentarité à définir avec le port actuel de Safi.

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2.

Le site

Le site pour l’implantation du nouveau port de Safi est situé approximativement à 7km au sud de Safi, sur la côte atlantique du Maroc. 2.1 Configuration du port Le complexe portuaire est constitué d’une zone portuaire et d’une zone extra portuaire. Le port est protégé par une digue principale d’une longueur de 2120 ml à -18 m, et d’une digue secondaire d’une longueur de 740 ml de 0 à -15m. Les principaux constituants du port sont les suivants :



La zone portuaire est constituée de :

 Un terminal à conteneurs 4500 EVP.  Un terminal vraquier (charbonnier).  Un terminal vrac liquide.  Un terminal MULTIPURPOSE.  Un quai de service.



La zone extra portuaire est constituée par :

 Un site « centrale ONE » phase1.  Un site « centrale ONE » phase2.  Une zone de stockage des liquides.  Un parc charbon Options 1a, 1b, et 3 de 75 000 m² chacune.  Une zone logistique 130 ha.

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2.2 Bathymétrie et Topographie 2.2.1 Bathymétrie

Figure 2: Bathymétrie

2.3 Océanographie et météorologie 2.3.1 Période de retour et vie des ouvrages Conformément à l’état de l’art, nous assumons pour ce projet une période de retour des phénomènes traités statistiquement (houle, vent, niveau de la mer) de 100 ans. La vie de l’ouvrage est considérée pour l’horizon 2010 (85 ans, dans l’hypothèse d’une construction en 2015).

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2.3.2 Niveaux de la mer

Tableau 1: Synthèse des valeurs des niveaux d’eau

Le niveau de + 4,50m/ZH sera utilisée comme niveau haut de projet. C’est à noter que ce niveau ne comprend pas la surcote due à la houle (wave set-up) qui est générée naturellement dans les modèles physiques utilisés pour le dimensionnement des ouvrages. Le niveau de + 0,20 m/ZH sera utilisée pour les vérifications de stabilité à niveau bas. 2.3.3 Vents

Tableau 2: Vent de projet

2.3.4 Synthèse houles La synthèse des conditions de projet au large est fournie dans le tableau suivant.

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Tableau 3. Houle de projet extrême au large

2.3.5 Densité de l’eau de mer Sur la base des indications des Instructions Nautiques [3], une valeur de 1,026 tonnes/m3 est assumée comme donnée de projet pour l’eau de mer. 2.4 Géologie et géotechnique en mer 2.4.1 Géologie régionale du site La zone du projet appartient à la région du Maroc occidental, où se distinguent deux grandes régions naturelles, disposées en bandes sensiblement parallèles à l'océan. Ces deux régions géologiques sont : le Sahel, bassin endoréique côtier à l'Ouest et la plaine des AbdaDoukkala à l'Est. Cette dernière appartient à la grande unité géologique que constitue la Meseta marocaine, définie par le régime tabulaire des dépôts secondaires et tertiaires. Ceux-ci reposent sur des terrains primaires, fortement plissés par l'orogénèse hercynienne.

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Figure 3: Géologie régionale du secteur étudié

2.4.2 Reconnaissance géophysique par sismique réflexion marine Dans le cadre de cette reconnaissance par sismique réflexion réalisée en 2009, le LPEE a effectué 34 profils au cap 130-310 (perpendiculaire à la ligne de côte), espacés de 150 mètres. De l’ensemble de tous ces profils, 34 coupes acoustiques exemplaires, espacées de 150 m, ont été présentés. Les profils transversaux montrent un affleurement du rocher constitué de calcaire gréseux quasi général sur l’ensemble des coupes. Les affleurement partent de la cote et continuent au fond de la mer. Lorsqu’on a des sédiments, leur épaisseur est comprise entre 1 et 3 m dans les zones proches de la cote. Les sédiments sont plus épais quand on s’éloigne de la cote et atteignent 6 m.

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Les profils longitudinaux montrent une alternance de zones d’affleurement et de zones de sédiments. L’épaisseur des sédiments quand ils existent varie entre 2 et 3m. 2.4.3 Sondages à la lance L’implantation et résultats des sondages à la lance réalisés dans le cadre de ce projet montre que la couche meuble est limitée en espace et en hauteur (hauteur 3,50 La valeur limite du rayon hydraulique est égale à 7,5m ou 15m suivant le type de vidange, on a: 𝒓𝒉 =1,09 m < 7,50 m. 4. Valeur limite de l’importance de la trémie et du talus supérieur : (h-h’)/H= (H-0)/H = 1 ≥ 0,60. Un ouvrage est de type silo, si son élancement, son rayon hydraulique et sa hauteur vérifient les valeurs limites indiquées ci-dessus. D’où l’alvéole du caisson peut être assimilé à un ouvrage type "silo". 3.5 Efforts appliqués sur les caissons Poussée due au remplissage des alvéoles : Dans le calcul du ferraillage des voiles intérieurs, on considère le cas de remplissage suivants qu’on a estimé le plus contraignant pour nos voiles:

Figure 9: Cas en cours de remplissage

Les poussées à l’intérieur des alvéoles résultent d’un état de contrainte de type « Silo », elles seront calculées par la méthode recommandée par l’annale de l’ITBTP Juillet- Août 1986. Pression du sable : normal, tangente et sur le font a) Pression normal et tangente du sable :

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L’angle d’inclinaison de la poussée sur la paroi en béton est :

Le premier état d’équilibre est caractérisé par la valeur la plus faible à prendre en compte pour λ

Cet état se produit en général après remplissage, lorsque celui-ci est effectué en une seule étape, et lorsque le massif pulvérulent demeure au repos. La hauteur de référence:

La profondeur réduite x est :

En générale ; La pression appliquée sur les parois est égale à :

Entre les niveaux -16.00 et + 3.85 m/Zh (λ = 1,80 t/m3)

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b) Pression du sable sur le font du caisson : La pression sur le fond (fond plat horizontal) :

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On trouve :

Pression du ballast : normal, tangente et sur le font a) Pression normal et tangente du ballast : L’angle d’inclinaison de la poussée sur la paroi en béton est :

Le premier état d’équilibre est caractérisé par la valeur la plus faible à prendre en compte pour λ

Cet état se produit en général après remplissage, lorsque celui-ci est effectué en une seule étape, et lorsque le massif pulvérulent demeure au repos. La hauteur de référence:

La profondeur réduite x est :

En générale ; La pression appliquée sur les parois est égale à :

Entre les niveaux -16.00 et + 3.85 m/Zh (λ = 1,80 t/m3)

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b) Pression du ballast sur le font du caisson : La pression sur le fond (fond plat horizontal) :

On trouve :

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3.6 Poussée hydrostatique Le niveau de la marée est pris égal au niveau de plus basse mer +0,20 m/zh. Le niveau d’eau à l’intérieur des alvéoles est pris égal au niveau du PHMVEE +4.5 m/zh. La différence du niveau entre le remblai du caisson et le bassin est égale à 2 m.

3.7 Effort dû au gradient thermique Notre caisson est submergé jusqu’à la poutre de couronnement, il est donc protégé contre l’effet du gradient thermique. 3.8 Effort d’accostage et choix des défenses 3.8.1 Types d’accostages

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On s’intéressera dans notre étude à un accostage latéral. À l'accostage, le navire dérive avec une vitesse de 10 à 15 cm/sec. Compte tenu de sa masse importante, il impose à l'ouvrage un effort horizontal (1) qui peut dépasser une centaine de tonnes. Une défense déformable permet d'absorber une partie de l'énergie d'accostage. Sous l'effet du vent et des courants éventuels, l'effort d'amarrage (2) peut atteindre une centaine de tonnes. 3.8.2 Navires de projet Les navires de projet retenus sont présentés dans le tableau suivant. Ce tableau donne les paramètres dimensionnels nécessaires pour le dimensionnement des différents ouvrages portuaires :

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Tableau 11: Caractéristiques des navires de projet On se trouve dans les fourchettes suivantes :

Les vitesses d’accostage dépendront de la facilité ou de la difficulté de l’approche, de l’exposition du poste et de la taille du navire. Il y a cinq catégories de conditions, comme indiqué sur le tableau ci-dessous :

Tableau 12: Types d’accostage

Des petits navires remorqueurs poussent le navire pour accoster ce qui rend l’accostage facile, et en tenant compte d’un vent fort sur le site on a choisi le type d’accostage : facile exposé.

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Figure 10: Diagramme de BROLSMA

Pour évaluer cette vitesse on a utilisé le diagramme de BROLSMA : 𝑉𝑎𝑐𝑐 =200 mm/s. Pour notre navire qui a un poids de 80 000 tonnes (compris entre 10000 et 300000 T), la vitesse d’accostage peut être évaluée par des formules dépendantes du type d’accostage choisi, suivant le règlement AIPCN.

3.8.3 Détermination de l’énergie d’accostage : Le choix du type de défenses à utiliser se base sur la détermination de l’énergie d’accostage. Cette dernière peut se calculer à travers plusieurs approches : 1- La méthode cinétique : c’est la plus ancienne et la plus utilisée, elle est basée sur l’expression E = 1/ 2×MV². M : Déplacement d’eau du navire accostant. V : Vitesse d’approche du navire au moment de l’impact contre la défense.

2- La méthode statique : Basée sur des mesures réelles des énergies d’impact relevées dans des postes d’accostage existants similaires à notre site.

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Dans notre cas, on se limitera au calcul par l’approche cinétique. L’énergie cinétique du navire accostant, en supposant que le navire se déplace en translation pure, est 1 /2×MV² ; or l’énergie que doit absorbé le système de défense s’écrit sous le forme :

Coefficient de masse ajoutée 𝑪𝑴 :

Le coefficient de masse ajoutée permet d’estimer la masse d’eau entourant le navire et trainée par celui-ci lors d’un lancement latérale. En effet, lorsque le navire entre en contact avec la défense, la partie de l’eau entraînée continue à s’appliquer contre sa coque, ce qui accroît sa masse totale. Au moment où le navire touche la défense, ce n’est pas seulement la masse du navire MS qui doit subir une décélération, c’est le cas également d’une certaine masse d’eau MW qui entoure le navire et qui se déplace avec celui-ci. Il faut donc ajouter les forces d’inertie de cette masse d’eau à celle du navire. La méthode de Vasco Costa est adoptée dans notre cas, car la profondeur d’eau n’est pas beaucoup plus importante que le tirant d’eau.

Figure 11: Méthode de Vasco Costa

Coefficient de Bloc 𝑪𝑩:

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Le coefficient de Bloc CB est fonction de la forme de la coque, et s’exprime comme suit :

Coefficient d’excentricité 𝑪𝑬 :

Figure 12: Accostage du navire

Pour déterminer le coefficient d’excentricité, il faut d’abord calculer K, le rayon de giration longitudinal R, la distance du centre de gravité au point d’impact et γ l’angle entre R et VB composante orthogonale au quai du vecteur vitesse V.

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Sachant que l’accostage se fait dans le tiers avant c'est-à-dire que :

Pour un accostage sur le tiers avant les valeurs d’excentricité sont généralement comprises dans la fourchette suivante :

Coefficient de configuration de quai 𝑪𝑪: Le coefficient de configuration de quai permet de tenir compte de l’effet d’amortissement dû à la masse d’eau retenue entre le navire et le quai. La valeur de CC dépendra également de l’angle d’accostage du navire. S’il est supérieur à environ 10°, alors CC sera égal à 1. De même, si la hauteur d’eau sous la quille, KC, est élevée par rapport au tirant d’eau, la masse d’eau retenue peut facilement s’échapper en passant sous le navire, et CC est moins favorable.

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On a une structure fermée et KC /D = 0,5625> 0,5.

-

Figure 13: Configuration du quai

Coefficient de souplesse 𝑪𝑺: Ce facteur établi la relation entre la rigidité du navire et celle de la défense. Pour une défense souple CS= 1 dans la mesure où pratiquement aucune déformation n’intervient dans la coque du navire.

Figure 14: souplesse du navire

3.8.4 Détermination de l’énergie d’accostage Par la suite on va calculer EN qui est l’énergie cinétique normale du navire, calculée selon son mode d’accostage sur Ducs D’albe, pour un accostage latéral, cette énergie est : EN = 0,5 × MD × VB² × CM × CE × CS × CC.

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3.8.5 Choix des défenses

Pour le terminal à charbon, le quai à -16 m/Zh sera équipé par des défenses SCN 1400 de Type 𝐸2.2 avec un espacement de 20m.

3.9 Effort d’amarrage On considère d’après FENTEK un effort d’amarrage de 190T incliné de 30° appliqué au bollard. Fh = 190 x cos(30°) = 164.5 T Fv = 190 x sin(30°) = 95 T.

4. Etude de stabilité du caisson : 4.1 La géométrie

Figure 15: Géométrie du caisson

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4.2 Hypothèses hydrauliques :

PHMVEE=+ 4.5 Zh. PBMVEE= +0.2 Zh.

On considère une surélévation du plan moyen d’eau côté mer magistrale de 2,00m. 4.3 Hypothèses de chargement : Poids propre et remplissage :  Poids propre total du caisson vide =6330 T.  Remplissage ballast : 2518.3 T.  Remplissage sable : 5036.6 T.  Poutre de couronnement = 1700T.  Le poids Total est 15584.9 T . 4.4 Calcul de stabilité externe du caisson : 4.4.1 Hypothèses pour les matériaux : Béton pour les caissons :  Dosage : Q400.  Résistance à 28 jours : 30 MPa  Poids volumique : γ = 2.5 T/m3  Poids volumique déjaugé : γ’=1.5 T/m3 Matériaux de remplissage des alvéoles : 

Sable :  φ= φ’= 25°  Poids volumique : γ = 1.8 T/m3  Poids volumique déjaugé : γ’=1.1 T/m3



Enrochements d’assise :

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γ= 1.6T/m3 ; γ’= 1.6T/m3 ; φ’= 31° ; C’= 110 kPa. 

Ballast :

γ= 1.6T/m3 ; γ’= 1.1T/m3 ; φ’= 40° ; C’= 0 kPa. 

Epaulement :

Enrochements : 10/100 kg.  φ= φ’= 25°  γ= 1.8T/m3 ; γ’= 1.1T/m3 4.4.2 Hypothèses hydrauliques PHMVEE= +4.5m/ Zh ; PBMVEE= +0.2m/Zh. Gradient hydraulique : Grad = (4.5 – 0.2)/2 = 2.15m 4.4.3 Hypothèses de chargement à l’état normal : Poussée du sol : Coefficient de poussée : On a un angle de frottement de 40°, la formule de Poncelet nous donne :

K  ad

2 cos (  )

 sin(    ). sin(  ) cos(  ). 1    cos(  ). cos(  )  2

D’où Kad= 0.2. Kan= Ka.cos(  ) Kat= Kan.tg(  )

Poids du remblai au-dessus du caisson :  h=0.5m

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 Pv=h.γ = 0,5 . 1,8 . 0,9 Diagramme de poussée :

n(z)= γ’ . Kan . z + n (z=0)

t(z)= γ’ . Kat . z + t (z=0)

n(z)=1,1 . 0.179 . z + 0,9 . 0.179 t(z)= 1,1 . 0,09 . z + 0,9 . 0.09

Figure 16: Poussée du sol

Poussée due au gradient hydraulique :

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Figure 17: Poussée due au gradient hydraulique

Poussée des surcharges sur le terre-plein : La charge sur le terreplein est de 6T/m2.

n(z)= S.Kan = 6,00 . 0,179 T/m2 t(z) = S.Kat = 6,00 . 0,09 T/m2

n(z) = 1,07 T/m2 t(z) = 0,54 T/m2 Effort d’amarrage : On considère d’après FENTEK un effort d’amarrage de 190T incliné de 30° appliqué au bollard.

Fh= 190.cos(30°)= 164,5 T Fv= 190.sin(30°)=95T

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Efforts dus aux surcharges du portique : Pour le calcul de ces efforts on considère que les charges maximales sont appliquées sur les galets arrière (sur terre-plein). [C’est le cas le plus défavorable pour la stabilité.] D’après le catalogue de descente de charges des outillages portuaires _ Rosa 2000 , la bougie arrière applique une charge normale : P=333,9 T.

Répartition de la poussée sur le plan transversal : On applique la méthode de Krey : Répartition suivant un angle α=Arctan(1/2)= 27° dans le plan horizontal. Qp=P. tan (π/2-φ/2)

Figure 18: Méthode de Krey

Méthode de Krey Pour une bougie arrière P=333,9T ; Avec un angle de frottement φ=40°, Qp=155,7T. σpn=1,59T.

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σpt=0,799T.

Gradient thermique : Le caisson est immergé jusqu’au couronnement, d’où la nullité de l’effet gradient thermique. Efforts d’accostage : L’effort d’accostage est un effort stabilisant, on choisit de ne pas prendre son effet sur le caisson.

Charge

Effort V

Effort H

Mstab

Poids propre

6330,9

-5760,3

Remplissage

7554,9

-68749,6

390,6

-3554,5

Poids du remblai Poussée du sol (horiz.)

1294,2

Poussée du sol (vert.)

651,6

Poussée du gradien hydro (h)

9214,7 -10751,4

1075,2

Poussée du gradient hydro (v)

10859,5

-495,6

Effort d'amarrage (h)

5848,1 164,5

Effort d'amarrage (v)

3857,5

-95

Effort portique (v)

Mrenv

128,2

55,93

-922,8

Effort portique (h)

111,3

1830,9

Poussée surcharge (h)

639,6

6824,5

Poussée surcharge (v)

322,8

Total

14716,1

-5439,2

3284,8

95178,6

38563,4

Tableau 13: Récapitulatif des efforts

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4.4.4 Vérification de stabilité à l’ELS : ΣV=14716,1 T ; ΣH=3284,8 T ; ΣMs=95178,6 T ; ΣMr=38563,4 T.

Stabilité vis-à-vis du renversement : Csr= ΣMs/ ΣMr = 2,47 > 1,5 ; vérifié.

Stabilité vis –à-vis du glissement : 

tan(δ)= ΣH/ ΣV= 0,223



tan(δlim)=tan(35°)= 0,699



Csg = tg(δlim) / tan(δ) = 3,13 > 1,5 Vérifié.

Stabilité vis-à-vis du poinçonnement : e/A = (-Ms+Mr)/ ΣV = - 3,85. e/G = L/2+ e/A = 5,25 m. 

L/6 < e/G , la base est donc partiellement comprimée.



σmey= 45,7 T/m2.

Les caissons sont posés l’un à coté de l’autre, le calcul de portance de la couche d’enrochement se ramène donc au cas d’une semelle filante.

Calcul de la portance par la méthode C-φ : qu=1/2.γ.B’.N γ + γ.D.Nq + C.Nc. Le D.T.U 13.12 nous fournit les valeurs N γ, Nq, et Nc tabulées en fonction de φ. 

N γ= 18,2



Nc=32,6 

D’où qu=5,26 MPa.

Inclinaison de la charge : δ=Arctan(ΣH/ΣV)=12,58° iδ=(1- δ/φ)^2 = 0,35

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quδ=184,1 T/m2 Csp= quδ/ σmey = 4,02>3. Notre caisson est stable vis-à-vis du poinçonnement. 4.4.5 Vérification de la stabilité à l’ELU : Le fascicule 62 titre V fournit les combinaisons de charges à considérer :

Les efforts à l’ELU sont : ΣV=14838,3 T ; ΣH=4583,1 T ; ΣMs=-102122,6 T ; ΣMr=50483,3 T. Stabilité au renversement : Csr= ΣMs/ ΣMr = 2,02 > 1,2 ; Stabilité au renversement à l’ELU vérifiée. Stabilité vis-à-vis du glissement : 

tan(δ)= ΣH/ ΣV= 0,31



tan(δlim)=tan(31°)= 0,6 

Csg = tg(δlim) / tan(δ) = 1,94 > 1,2 Vérifié.

Stabilité vis-à-vis du poinçonnement : e/A= -3,48 m.

e/G= 5,62m. L/6= 3,03 < e/G 

La base du caisson est partiellement comprimée.

La contrainte de Meyeroff est σmey=50,9 T/m2 ce qui donne un coefficient de sécurité au poinçonnement de 2. 

Notre caisson est parfaitement stable au poinçonnement à l’ELU.

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4.4.6

Calcul de stabilité externe dans le cas sismique :

Sismicité L’analyse du site avait permis d’évaluer le Séisme Maximal Possible (SMP) à une magnitude de M=5.5 à sept kilomètres du site. Ainsi, une accélération maximale déterministe de l’ordre de 22% de g, générée par une faille non loin du site toutes les dix milles années. Vu l’importance des ouvrages et leur emplacement dans une zone sismiquement active, le LPEE avait préconisé que le séisme Maximal de Dimensionnement (SMD) de l’ouvrage soit pris égale au SMP ; soit une accélération maximale de l’ordre de 22% de g. Le calcul selon la méthode pseudo statique des efforts au séisme est similaire à celui du cas normal avec un angle de frottement sol/paroi diminué du double par rapport au cas normal et des incréments d’efforts dus à l’accélération sismique. On a δ=φ/3=13,33°, Ce qui donne un coefficient de poussée Ka de 0,258. La poussée du sol dans le cas sismique est donc comme le résume le schéma suivant :

Figure 19: Poussée du sol

Poussée hydrostatique : Gradient hydraulique de 2m.

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Effort d’amarrage : L’effort d’amarrage est de 190T incliné de 30°. Incrément de la poussée au séisme : Le coefficient de poussée du sol au séisme est :

   sin(     ). sin(    ) cos(    ). cos(  ). 1    cos(    )   2 cos ( )

K  ad

2

Notre ouvrage est de type poids et le site est de type 2 : 0,07 ; Séisme de niveau 1 σh= 0,45 . aN.τ/g =

0,099 ; Séisme de niveau 2

0,028 ; Niveau 1 σv= 0,4. σh = 0,04 ; Niveau 2 3°89’ ’ θ = Arctan (σh / (1+ σv) ) = 5°43’’ 0.243 (1) Kad = 0,250 (2) Résultante de la poussée dynamique au séisme : P1 = 58,35 T/m2 P = ½ . γ’. H2. . (1+ σv).Ka= P2= 59,03 T/m2

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P0=

Ka.γ’.z.dz

P0 = 56 T/ml Résultante de l’incrément du au séisme : 2,35 T/ml ∆ Pc = 3,03 T/ml

Surpression hydrodynamique : Psur = 7/30 . γw.H2.σH Dépression hydrodynamique : Pdep = 7/12 . γw.H2.σH

Poids mobilisé par le séisme : Le poids mobilisé lors du séisme comprend le poids du caisson, du remplissage, et le poids du remblai au-dessus du caisson, ce qui donne un poids total de : M= 14 276,4 T Effort sismique horizontal : 999,3 T ; Pour un séisme de niveau I Fh = σh . M =

1413,3 T ; Pour un séisme de niveau II

Incrément de la poussée des surcharges : ∆P= (½ . S. (1+σv). Kad . H^2)/2- ½ .S. Ka. (H^2)/2 Niveau I : ∆P 1,1 OK Csr = Niveau II : 2,3 > 1,1 OK Stabilité au glissement : Niveau I : Csg = 2,3 > 1,1 Ok Niveau II : Csg = 2,2 > 1,1 Ok Stabilité vis-à-vis du poinçonnement : Csp 1 = 3,35 > 1,1 Ok Csp 2 = 2,12 > 1,1 Ok Conclusion Notre quai est bien stable dans le cas sismique.

5. Calcul de structure par EFFEL : Effel2007 - Structure - 16.1 SP0

© GRAITEC

03/04/11

Code

Num

Type

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Titre

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Code

Num

Type

Titre

BAGMAX1

1

Statique

Poids propre

BAGMAX1

2

Statique

Poussée du sol

BAQ1

3

Statique

Charge d'exploitation

BAQ1

4

Statique

Poussée hydrostatique

BAGMAX1

5

Statique

Poussée du ballast

BAGMAX1

6

Statique

Poussée du sable

BAGMAX1

7

Statique

Remblai

BAQ1

8

Statique

Effort normal- Portique

REV1

22

Statique

Poussée du sol sismique

REV1

422

Statique

Poussée hydrostatique sismique2

BAS1

322

Statique

Surcharge sismique2

BAS1

222

Statique

incrément sol 2

CAS

121

Statique

Séisme2X

CAS

122

Statique

Séisme2Y

REV1

82

Statique

Effort noraml portique sismique

REV1

92

Statique

Effort tangeantiel portique sismique

BAGMAX1

10

Statique

Remplissage sur fond

BAGMAX2

11

Statique

Cas2 Eau + Remplissage (2alvéoles)

BAQ2

12

Statique

Amarrage

BAQ1

13

Statique

Ptr de crnmt + Bllrd + Prtq

CAS

123

Statique

Séisme2Z

CAS

224

Statique

Poussée sismique Sol n:2

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Code

Num

Type

Titre

BAQ2

40

Statique

Poussée hydrostatique

BAQ2

330

Statique

Charges d'exploitation

BAQ2

460

Statique

Amarrage2

RED1

500

Statique

Poussée du ballast s

RED1

600

Statique

Poussée du sable s

REV1

300

Statique

Charge d'exploitation phi/3

COMB

601

Comb_Lin

Somme des RED1

COMB

602

Comb_Lin

Somme des REV1

BAS

603

Comb_Lin

Somme des BAS1

BAGMAX

604

Comb_Lin

Somme des BAGMAX1

BAQ

605

Comb_Lin

Somme des BAQ1

BAELS

608

Comb_Lin

Gmax+Q

BAELU

609

Comb_Lin

1.35Gmax+1.5Q

COMB

610

Comb_Lin

ELUsismique

COMB

611

Comb_Lin

Somme des BAQ2

BAELU

700

Statique

Flotaison à vide

Tableau 14: Cas de charge de la structure

N° Combinaison= Combinaison des cas de charges 601 = + 1.000*600 + 1.000*500 602 = + 1.000* 22 + 1.000*422 + 1.000* 82 + 1.000* 92 + 1.000*300 603 = + 1.000*322 + 1.000*222

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N° Combinaison= Combinaison des cas de charges 604 = + 1.000* 1 + 1.000* 2 + 1.000* 5 + 1.000* 6 + 1.000* 7 605 = + 1.000* 3 + 1.000* 4 + 1.000* 8 608 = + 1.000*604 + 1.000*605 609 = + 1.350*604 + 1.500*605 610 = + 1.000* 1 + 1.000* 7 + 1.000*422 + 1.000* 22 + 1.000*222 + 0.400*300 + 0.400* 12 611 = + 1.000* 12 + 1.000* 40 + 1.000*330 + 1.000*460 Tableau 15: Combinaisons de la structure

5.1 Calcul du ferraillage On utilisera le logiciel Effel pour la détermination des déplacements, des contraintes et du ferraillage, selon trois variantes de façon à obtenir le cas le plus défavorable, ces variantes sont :  Flottaison à vide : le caisson n’est soumis qu’à la poussée hydrostatique et à son poids propre, on étudiera cette variante seulement pour les parois extérieures qui subissent la poussée hydrostatique, cette variante peut être déterminante pour les parois extérieures car l’effort intérieur du ballast qui équilibre la poussée de l’eau, est nul.  Modèle en cours de remplissage : Deux alvéoles pleines sont décalées pour induire le moment maximal qui peut être créé pour les parois intérieures, donc ce modèle peut être déterminant surtout pour les parois intérieures.  Modèle des caissons en place : toutes les charges et surcharges sont appliquées pour les deux types des caissons. Flottaison à vide :

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- Charges appliquées : Poids propre + Poussée hydrostatique + Archimède. Note de calcul de la hauteur immergé et de la poussée hydrostatique appliquée :  Poids total béton = 5938,7 T  Archimède = -(434 . Z) T L’équilibre des efforts verticaux donne : Poids total béton = Force d’Archimède La profondeur de notre caisson en flottaison est : H = 13,7 m.

Figure 20: Zones isométriques de déplacement (cm)

Donc pour le modèle flottaison à vide, la contrainte de traction de béton est vérifiée au niveau de la zone de marnage où il y a un grand risque de fissuration de béton et de corrosion des armatures ; mais, en bas du caisson, en remarque qu’il y aura des fissures de traction, car le caisson est de grande hauteur, 20 mètres environ, par conséquence on utilisera une protection cathodique pour protéger les armatures de la corrosion. En effet : On travaille avec une qualité de béton de 𝑓𝑐28 = 40 MPa.

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Donc : 𝑓𝑡28 = 0,06 × 𝑓𝑐28 + 0,6 = 3 MPa > 1,00 MPa ≈ la contrainte de traction maximale appliquée sur le caisson près de la zone de marnage. 5.2 Ferraillage: Pour cette variante – flottaison à vide – on s’intéressera seulement au ferraillage des parois sollicitées, à savoir : les parois externes. En ce qui est des parois internes, elles seront dimensionnées par la variante : caisson en place, caisson en cours de remplissage vu les sollicitations appliquées. On exposera dans ce rapport une coupe longitudinale du caisson. Pour voir les résultats de ferraillage de l’ensemble caisson et du radier veuillez consultez l’annexe.

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Figure 21: Coupe longitudinale du ferraillage

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5.3 Modélisation et calcul par Effel : Puisqu’il n’y a pas de différence entre la phase en remplissage et la phase finale (caisson en place) que dans le nombre des alvéoles remplies, c'est-à-dire dans les cas de charges à prendre en compte, on va prendre en compte les deux phases dans le calcul. On étudiera les deux en même temps, et EFFEL donnera automatiquement le ferraillage de la variante la plus déterminante.

Figure 22: Chargement en cas de flottaison

Résultats :

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Figure 23: Contraintes SXX+

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Figure 24: Contraintes SYY+

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Figure 25: Contrantes SXX-

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Figure 26: Contraintes SYY-

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Figure 27: Déplacements du caisson (cm)

On remarque qu’il y aura des fissures de traction en bas du caisson, car le caisson est de grande hauteur (20 mètres environ). C’est pourquoi on va utiliser une protection cathodique des armatures et on va travailler avec une grande valeur d’enrobage (6 cm), ce qui rend l’attaque des agents corrosifs aux armatures, difficile même s’il y a des fissures.

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6.

Estimation des couts Désignation

Unité

Prix unitaire (DH .HT)

Dragages /Déroctages Dragage /Déroctage de la souille de fondation des quais

m3

500

Enrochements 1-50kg

m3

320

Sacs en mortier (tapi anti-affouillement)

m3

3 500

Enrochement 500kg-1000kg (tapi anti-affouillement)

m3

380

Béton hydrofuge Q400 pour caissons

m3

2 000

Armature HA pour caissons

kg

18

Pose des caissons

m3

750

Béton Q300 pour clavetage latéral des caissons

m3

1 800

Caillasse 40/70 pour remplissage des alvéoles

m3

380

Sable de remplissage des alvéoles

m3

150

Béton Q400 pour couronnement

m3

2 000

Armature HA pour couronnement

kg

18

Epaulement en enrochements 10-100 kg

m3

350

Stériles de carrière 0/200 mm

m3

250

Filtre granulaire

m3

400

Filtre géotextile

m2

100

Tout-venant 0.1-500 kg

m3

300

Filtre granulaire

m3

400

Sous couche en enrochement 0.2-1T

m3

450

Carapace en enrochement 1/3T

m3

450

Souille des quais

Caissons & blocs

Poutre de couronnement

Terre-plein

Jetées

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Béton pour buter du cavalier

m3

1 800

Filtre géotextile

m2

100

Tableau 16: Estimation des couts

Le tableau récapitulatif des estimations et les détails de calcul des coûts des travaux des différents ouvrages sont donnés ci-après : OUVRAGES D’ACCOSTAGE Prix du linéaire Terminal ONE (Dh/ml) Quai à -16.00 (Quai charbon) 850 000

Linéaire du quai (ml) Montant partiel (Dh.HT) 700

595 000 000

Tableau 17: Résultat de calcul des couts

7. Stabilité au glissement global La stabilité au grand glissement sera établie par le logiciel « TALREN » de l’éditeur « Terrasol ». Les principales méthodes utilisées à cet effet sont :  Méthode d’analyse par contraintes effectives  Méthode des tranches  Méthode de Bishop Méthode de Bishop :

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Figure 28: Polygone des forces

Figure 29: Méthode des tranches

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Méthode de Bishop :

Si on utilise des tranches, quelle que soit la forme assumée de la surface de rupture, nous avons comme déjà vu : (5N – 2) inconnus et 3 N équations À peu près toutes les méthodes assument que la force normale à la base de la tranche est appliquée au centre de celle-ci, nous avons alors : (4N – 2) inconnus et 3N équations Nous devons donc faire N-2 autres hypothèses.

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Figure 30: Méthode des tranches (2)

Les cas traités pour la stabilité vis-à-vis du glissement global seront :  Ouvrage soumis à la charge du au portique dans le cas normal ;  Ouvrage soumis à la charge d’exploitation dans le cas normal ;  Ouvrage soumis à la charge du portique dans le cas d’un séisme ascendant ;  Ouvrage soumis à la charge du portique dans le cas d’un séisme descendant ;  Ouvrage soumis à la charge d’exploitation dans le cas d’un séisme ascendant ;  Ouvrage soumis à la charge d’exploitation dans le cas d’un séisme descendant.

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Données du projet : Cas du chargement du à seul l’effet du portique

Tableau 18: Cas du chargement du à seul l’effet du portique

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Résultat du calcul TALREN :

Figure 31: Calcul du cas du chargement du à seul l’effet du portique

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Données relatives au cas de chargement du à la charge d’exploitation :

Tableau 19: cas de chargement du à la charge d’exploitation

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Résultats du calcul TALREN :

Figure 32: Calcul du cas de chargement du à la charge d’exploitation

Les cas sismiques (séisme ascendant et descendant) seront détaillés dans les annexes.

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Conclusion : Le calcul par logiciel « TALREN » nous indique que la stabilité globale au glissement est vérifiée, ceci est dû essentiellement à la qualité du sol de fondation rocheux.

Chapitre 3 : Etapes de mise en place des caissons 1. La planéité La mise en place du ballast, pour garantir l’horizontalité de la couche de pose des caissons, sera effectuée par une benne installée dans une grue de grande capacité, par décharges de précision. La grue est positionnée dans un ponton que donnera assistance à l’équipe de plongeurs en charge d’effectuer la régularisation du ballast. Pour faire la régularisation du ballast, les plongeurs utiliseront des « guides métalliques » avec l’appui topographique de façon à garantir le nivellement préconisé.

Figure 33: Mise en place du ballast

La couche de ballast 40/60 aura une épaisseur de 30 cm maximum. Le ponton de mise en place du ballast sera équipé d’un système de positionnement D.G.P.S., permettant de visualiser toujours et en temps réel sa position planimétrique (M et P). De

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cette façon et en tout instant s’obtient l’information du positionnement du ponton ainsi que de sa position par rapport à terre. Le ballast sera chargé au quai par une pelle hydraulique et d’une chargeuse.

Figure 34: Chargement du ballast

Remarques : Les images suivantes sont pour des caissons quadrilobés, mais c’est le même principe de mise en place pour les caissons rectangulaires.

2. Préfabrication sur terreplein La préfabrication des caissons s’effectue sur une ligne de préfabrication à terre sur une hauteur de 13m ; les caissons sont déplacés le long de la ligne de préfabrication à l’aide de chariots auto-tracteurs, depuis les aires de bétonnage du radier et des voiles. Une fois préfabriqué, la première partie consiste à le soulever et à le déplacer à l’aide d’un transbordeur pour être d’abord stocké dans une zone où le béton parviendra à maturation. Au bout de deux jours, le caisson est à nouveau soulevé pour être mis à l’eau et remorqué, pour la deuxième phase du bétonnage.

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Figure 35: La préfabrication des caissons

3. Mise à l’eau des caissons A l’issue de la maturation, les caissons seront translatés avec les chariots auto-tracteurs vers le ber pour être mis à l’eau.

4. Remorquage des caissons Après mise à l’eau, les caissons seront remorqués à l’aide de remorqueurs attelés aux caissons par des platines vers une zone de stockage temporaire ou vers le quai de rehausse.

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Figure 36: Remorquage des caissons

5. Préfabrication à quai des caissons Après mise à l’eau et remorquage, les caissons sont amarrés au quai de rehausse à l’aide de platines dans le but d’y construire la partie haute des voiles : 6,20 m environ.

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Figure 37: Préfabrication à quai des caissons

6. Remorquage des caissons : À la fin de la préfabrication à quai des caissons, les coffrages sont démontés et les apparaux d’échouage sont installés (plateforme de treuils, de ballastage, etc…). Les caissons sont ensuite remorqués à l’aide de remorqueurs attelés aux caissons par des platines vers une zone de stockage temporaire ou vers leur lieu d’échouage en position finale.

7.

Echouage des caissons :

Les travaux d’échouage des caissons seront organisés de la manière suivante :  Mise en place et réglage de la couche d’assise des caissons (voir la partie de la couche d’assise précédemment).  Echouage des caissons par ballastage liquide (eau de mer), pour atteindre la profondeur finale que doit atteindre le caisson.  Ballastage solide (ballast ou sable, dans notre cas c’est le ballast).

8. Vibro-compaction du sable de remplissage des caissons : Les matériaux de dragage utilisés pour le remplissage des lobes des caissons sont densifiés par Vibro-compaction.

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Chapitre 4 : La protection anticorrosion des caissons 1. La corrosion Tout ouvrage maritime immergé dans l’eau doit être muni d’un système de protection contre la corrosion. La corrosion désigne l'altération d'un objet manufacturé par l'environnement. Les exemples les plus connus sont les altérations chimiques des métaux dans l'eau avec ou sans oxygène , telles la rouille du fer et de l'acier, ou la formation de vert-de-gris sur le cuivre et ses alliages (bronze, laiton). Ces altérations chimiques sont regroupées sous le terme de corrosion aqueuse. Elles sont dues à des effets de plusieurs sortes : dissolution des métaux dans l'eau, apparition de piles électrochimiques, existence de gradients de concentration, aération différentielle ou piqûration. La corrosion des métaux consiste essentiellement en leur oxydation, qui est un « retour à l'état naturel». Cependant, l'oxydation n'est pas nécessairement la combinaison d'un élément avec de l'oxygène. D'une manière plus générale, il s'agit d'une réaction chimique au cours de laquelle un composé considéré cède des électrons. La corrosion des métaux en milieu aqueux résulte de l'oxydation du métal, mais pas nécessairement par le dioxygène de l'air qui est dissous dans l'eau : l'oxydation peut également se produire avec d'autres espèces chimiques, notamment des ions. Lorsque l'on plonge du fer dans une solution acide (pH < 7), le fer se dissout avec un dégagement de dihydrogène. En fait, il s'agit là d'une version accélérée de la corrosion en milieu aqueux :

Les ions Fe3+ passent alors en solution, et peuvent éventuellement se combiner avec l'oxygène dissout dans l'eau et former de l'hématite. Cette dissolution est favorisée en milieu acide, mais elle est aussi possible dans une solution aqueuse neutre (pH = 7) ou basique (pH > 7) puisque l'eau contient de toutes manières des ions H3O+. La stabilité du fer dans l'eau dépend :

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 Du pH, qui détermine la concentration d'ions H3O+ dans l'eau.  Du potentiel électrique de la pièce en fer par rapport à la solution, qui détermine la capacité des électrons à quitter le fer.

Figure 38: Diagramme E-PH fer

On peut ainsi tracer un diagramme potentiel-pH (E , pH), en indiquant les zones de stabilité du fer (Fe), les zones de stabilité de l'ion Fe+ (ou ion fer II), les zones de stabilité de l'ion Fe3+ (ou ion fer III) et les zones de passivation. Il s'agit donc d'une sorte de « carte », les zones délimitées par des frontières indiquant les couples de valeurs (E, pH) pour lesquelles une espèce est stable. Ce diagramme porte le nom de diagramme de Pourbaix, et peut être tracé pour tous les métaux. Pour savoir si un matériau est adapté à un milieu, il suffit de regarder le diagramme de Pourbaix de ce matériau. Si le couple (E, pH) se situe dans une zone de stabilité, le matériau est protégé contre la corrosion généralisée.

2. Diagramme potentiel-pH du fer Un métal ou un alliage donné, en contact avec un milieu aqueux, peut se trouver dans l’une des trois situations suivantes :

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- Il peut être en état de corrosion localisée (points de rouille, piqûres, chancres) ou généralisée (enrouillement général, dissolution anodique) les atomes du métal peuvent alors quitter le réseau cristallin. - Il peut être en état d’immunité. Les atomes du métal sont comme bloqués et ne peuvent pas quitter le réseau cristallin. - Il peut être en état de passivité. Un film d’oxyde protecteur se forme à l’interface métalélectrolyte, et peut être, par lui-même, protecteur. Le diagramme, relatif au fer, va permettre la discussion, à la fois, des problèmes de corrosion et des problèmes de protection. Comme pour l’eau, ce diagramme a été établi en prenant en considération les potentiels thermodynamiques (ou les enthalpies libres de formation) du solvant aqueux, des corps dissous, des corps condensés et même des corps gazeux susceptibles d’être présents. Un tel diagramme peut changer légèrement de forme selon que tel ou tel oxyde formé est considéré comme protecteur. En fait, trois zones sont délimitées, et correspondent à une corrosion (faible ou forte), à l’immunité ou à une passivation. On voit qu’aux environs de pH = 14, un triangle de corrosion caustique apparaît. Mais, en dessous d’un potentiel EH = – 1,2 V ; aucune corrosion du fer ne peut se produire. Supposons qu’une mesure (EH = – 0,3 V; PH = 7) a fixé un point figuratif P1 pour la structure en fer. Si, par un artifice d’ordre électrique, on rend cette structure plus négative. On dira plus cathodique, le pH va devenir plus alcalin à la suite de dégagement de H2 et d’une concentration concomitante en ions OH– dans l’environnement immédiat du fer (là où le champ électrique est important). Le point figuratif passera en P2 qui se trouvera dans le domaine de l’immunité (coordonnées : EH = – 0,8 V; pH = 9,5, qui seront confirmées par de nouvelles mesures). On aura ainsi réalisé une protection cathodique de la structure en fer. Dans ses diagrammes, M. Pourbaix a bordé les zones de corrosion sévère par des plages où la corrosion est de plus en plus accentuée. Il a admis qu’un métal est corrodable si le milieu peut en dissoudre 10–6 atomes-grammes par litre, soit 0,06 mg par litre pour le fer. Nous avons représenté en traits interrompus cette frontière, tant du côté immunité que du côté passivation.

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Figure 39: Diagramme potentiel-pH du fer

3. La protection anticorrosion 3.1 La galvanisation La galvanisation est l'action de recouvrir une pièce d'une couche de Zinc, dans le but de la protéger contre la corrosion. Le principe est celui de la protection cathodique par anode sacrificielle :  Le zinc a une tendance anodique plus forte que l'acier et va donc s'oxyder à la place de l'acier qu'il protège.  Le zinc ayant une cinétique d'oxydation environ 25 fois plus lente que celle de l'acier, l'oxydation est retardé. Mais ce procédé présente un inconvénient majeur, si les aciers galvanisés sont attaqués par l’eau, on doit soit les protéger cathodiquement, ou bien les changer. C’est le cas de la mosquée Hassan ІІ.

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On opte pour la protection cathodique. Pour garantir le passage du courant à travers les aciers, on vérifie tout d’abord la continuité des aciers des caissons par des points de soudures entre les barres, ensuite on mesure le potentiel de la boucle hors tension. L’avantage présenté par la protection cathodique c’est que si les conditions de travail change par, par exemple, augmentation de la concentration de 𝑐𝑙−, on peut modifier le réglage de la protection facilement, et à la limite même changer l’anode, tandis que dans l’autre cas il faut changer l’acier galvanisé de tout l’ouvrage. 3.2 La protection cathodique 3.2.1 Généralités La protection cathodique permet de protéger un métal contre la corrosion. Le principe de base est de porter le potentiel d'un métal à un niveau dit de passivation. Pour modifier le potentiel du métal à protéger cathodiquement, on utilise une anode installée dans le même électrolyte. Les anodes peuvent être de deux types soit des anodes ayant un potentiel plus électronégatif que le métal à protéger (anode sacrificielle), soit des anodes couplées à un générateur de tension continue imposant une différence de potentiel entre les deux métaux (méthode à courant imposé). La Protection Cathodique est une technique pour contrôler la corrosion d’une surface métallique en transformant cette surface en cathode d’une cellule électrochimique. La protection cathodique est utilisée pour protéger les structures métalliques de la corrosion, notamment l’acier, les canalisations d’eau, les oléoducs, les réservoirs, les piliers métalliques des jetées, les navires et les plateformes pétrolières, les structures en béton armé. Aujourd’hui les anodes réactives ou sacrificielles peuvent avoir différentes formes et sont faites en utilisant des alliages de zinc, de magnésium et d’aluminium. Le potentiel électrochimique de ces métaux/alliages est plus bas que ceux des alliages de fer (les alliages de fer seront donc plus nobles et serviront de cathodes). De plus, la capacité de courant et le taux de consommation de ces alliages en font de bons candidats. Les anodes sacrificielles sont conçues et choisies pour avoir un potentiel électrochimique plus négatif que le métal de la structure à protéger. Pour que la protection cathodique soit

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efficace la surface à protéger est polarisée. La force qui sous-tend la protection cathodique est la différence de potentiel électrochimique entre l’anode et la cathode. Pour déterminer le type et la quantité d'anodes nécessaires pour la protection d'une structure donnée, les facteurs principaux qui interviennent sont la dimension de la surface exposée à l'agent corrosif (eau de mer, par exemple), la nature de cette surface (matériau, revêtement, rugosité...) et la durée de vie de la structure ou l'intervalle de renouvellement des anodes. La nature de l'agent corrosif (la température et la salinité de l'eau de mer, par exemple) a aussi une influence à prendre en compte dans les calculs. Les anodes sacrificielles sont naturellement autorégulées et répondent à la demande de corrosion du métal à protéger, les courants suivent alors les cycles thermiques quotidiens et saisonniers. Les structures peuvent être de différentes natures, acier, béton armé ou mixte. Selon sa forme et la quantité de métal à protéger une structure pourra être polarisée plus ou moins rapidement. Dans le cas du béton armé les anodes sacrificielles sont disposées régulièrement entre les armatures en acier. L’eau de mer est un milieu vivant et chimiquement tamponné. Le tableau suivant donne quelques caractéristiques importantes de l’eau salée :

Figure 40: Caractéristiques de l'eau salée

En général en prendra une salinité globale de 33g/l. 3.2.2 Protection par anodes sacrificielles Lorsque des ouvrages métalliques subissent la corrosion, que cette dernière prenne la forme d’une lente dissolution ou une forme davantage localisée (piqûres, chancres), on peut arrêter ces évolutions en associant ces ouvrages à des anodes sacrificielles très

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électronégatives et qui, selon le courant électrique qu’elles vont débiter, rendront d’avantage négatifs le potentiel moyen des couples de corrosion, en les amenant dans le domaine de l’immunité. Les qualités premières des anodes sacrificielles seront, quelle que soit leur nature :  Leur degré d’électronégativité, mesuré au moyen d’une électrode de référence.  Leur résistance à la passivation.  Leur capacité exprimée en ah/kg : cette valeur permettant de calculer leur durée de vie.  Leur degré de non nocivité pour le milieu ambiant (lente dissolution des composants de l’anode et leur dispersion) ou pour l’exploitation (dégagement de gaz en cours de fonctionnement). Calculs pratiques pour l’anode : Dans les calculs relatifs à la protection cathodique par anodes sacrificielles, on tient compte des deux phases successives suivantes : Polarisation de la structure à protéger en l’amenant de son potentiel actuel (mesuré sur place) au potentiel d’immunité. Et l’entretien, par la suite, de cette polarisation pendant toute la durée de service. On définira ainsi deux générateurs à force électromotrice. L’un nécessaire pour polariser l’ouvrage, l’autre indispensable pour entretenir cette polarisation le reste du temps prévu. Il a été montré que l’abaissement du potentiel jusqu’au domaine d’immunité était une affaire de densité de courant, compte tenu des caractéristiques de polarisabilité cathodique du matériau à protéger. En conséquence, le problème qui va se poser est le calcul du courant que vont débiter la ou les anodes pour protéger la structure d’une surface donnée, dans les deux phases indiquées plus haut. La force électromotrice étant connue, le courant i débité par une anode va dépendre de la résistance de cette électrode et, également, de la résistance de la structure à protéger. La surface de parois en contact avec les agents corrosifs est S= 2 162 m² (Surface des parois extérieures).Le calcul de besoin total en courant s’effectue à partir des hypothèses de densité de courant de protection j, la valeur de j varie de 0,2 à 200 mA/m², selon la nature de l’électrolyte ainsi que du type d’acier et de son revêtement. On est dans le cas des

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surfaces à protéger non munies de quelque revêtement (peinture). Ces surfaces peuvent être oxydées avant l’application du courant de protection ou réduites et munies, au bout d’un certain temps de fonctionnement, d’un dépôt cathodique, plus ou moins épais, et dû à l’activité cationique. Le dépôt cathodique, riche en ions 𝑂𝐻−, est nécessairement alcalin. Il contribue à l’abaissement du potentiel des surfaces protégées vers le domaine de l’immunité. Dans de nombreux cas, la présence du dépôt cathodique confère une certaine inertie au potentiel de la cathode. La protection cathodique de l’acier nu nécessite, à la cathode, les densités de courant indiquées dans le tableau suivant :

Figure 41: Les densités de courant

Suivant le tableau, on prend la valeur : 80mA/m² pour j, on trouve : I = 0,08 × 2 162 = 172.9A. Il existe maintenant de nombreux alliages proposés sur le marché, se divisant approximativement en deux classes : les anodes à rendement médiocre et les anodes à haut rendement.

Figure 42Potentiels et rendements des alliages

Il est donc démontré que l’on peut fabriquer de bonnes anodes à base d’aluminium et que l’on peut profiter de sa trivalence pour obtenir des électrodes sacrificielles très intéressantes. On pourra adopter les paramètres suivants pour les anodes à haut rendement:

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 Echarge / (Ag/AgCl) : – 1,05 V (eau de mer).  capacité : 2 900 Ah/kg.  consommation : 3,4 kg/(A · an).  densité : 2,6 à 2,75. Lors de la dissolution lente de ces anodes, les traces de mercure sont émises dans le milieu sous forme métallique hydratée et il n’en résulte donc aucune nocivité pour le milieu ; les traces d’indium seraient plus nocives, ce métal étant tératogène. L’anode est de dimensions : R =125mm, L= 1120mm, la masse nette de l’anode est 74 Kg. Le nombre d’anodes N à installer pour une durée D de 15 ans est donnée par : N = D×I×m/ (M×u) = 15×172.9×3,4 /74×0,9 = 133. Avec : u = 0,9 est le facteur d’utilisation de l’anode. m = la consommation massique du matériau de l’anode. D =la durée de vie souhaitée. L’eau de distribution des villes accuse une résistivité comprise entre 20 et 30 Ω · m. Si elle est douce, la résistivité monte à 50- 100 Ω · m, au contraire, une eau très chargée en sels peut être dix fois moins résistante et se situer entre 2 et 5 Ω ·cm. Vérifions l’adéquation de ce système en calculant le potentiel théorique qu’aura la structure en début de vie mais après polarisation. La résistance de l’anode fonctionnant dans l’eau de cette mer de résistivité 𝝆= 23 Ω.m, exprimée à l’aide de la formule de Dwight est : R= ρ 2×π×L(2,3×log 4L r -1). Avec : L(m) = longueur de l’électrode (anode ou cathode). r(m) = rayon équivalent de la section droite. p étant le périmètre de cette section. R= 0,084 Ω. Le débit individuel théorique d’une anode sera : i = I/n= 172,9/133=1,3. Le potentiel de la structure 𝐸c sera donc de : Ec = Ea + R×i = -1,05 + 0,084×1,3 = -0,94 V(Ag-AgCl).

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Le potentiel est bien dans la fourchette -0,8 à -1 V(Ag-AgCl), par conséquent le potentiel est correct et le dimensionnement peut être jugé valable. Répartition des anodes : La zone d’éclaboussures est le siège de corrosions localisées (fort taux d’humidité, bonne oxygénation, concentration en sels lors des périodes de séchage lié à l’ensoleillement) de même que la zone des basses eaux (aération différentielle due à la différence de concentration d’oxygène dissout en fonction de la profondeur). La zone en fiche, au contact sol-eau est également susceptible de développer une corrosion de type bactérienne si le métal est dans un terrain meuble type vase. C’est pourquoi une grande quantité des anodes sera placées dans ces parties.

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Conclusion et recommandations  Les résultats trouvés de contraintes, de déplacements et de flèches sont raisonnables pour le caisson.  La stabilité du caisson vis-vis du glissement, du renversement est bien vérifiée.  Aucun risque d’érosion des enrochements de la couche d’assise n’est décelé. Toutefois, elle est protégée par un tapis Anti-affouillement.  La protection cathodique des caissons sera sous forme d’anodes sacrificielles.  Notre quai disposera d’un système de défenses SCN 1400 de Type 𝐸2.2 espacées de 20m.

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ANNEXES

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Système de défenses

Figure 43: Dimensions des défenses tronconiques

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Figure 44: Performances des défenses tronconiques

Toutes les absorptions d’énergie et forces de réaction sont données pour une déflexion nominale de 72%. La déflexion maximale est de 75%. Les énergies (EN) sont exprimées en kNm. Les réactions (RN) sont exprimées en kN. Les valeurs sont données pour 1 défense. Les défenses tronconiques sont généralement utilisées avec un bouclier métallique recouvert de PE-UHMW. Les tolérances de performance standard sont applicables sur les valeurs de ce tableau.

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Figure 45: Défenses à translation simple cône - Performances standard

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Figure 46: Vitesses d'accostage (extrait du FENTEK)

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Figure 47: Caractéristiques du portique

Lieu : Nouveau port de Safi Quai vraquier charbonnier Marque : CAILLARD Type : Portique à benne Date de mise en service : Années 70

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Extrait du cahier des clauses techniques générales Applicables aux marchés publics de travaux FASCICULE N° 62 - Titre V

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Calcul de stabilité au glissement global (TALREN)

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Figure 48: Calcul TALREN à l'état normal

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Figure 49: TALREN Charge d'exploitation avec un séisme ascendant

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Figure 50: TALREN Charge d'exploitation (Séisme descendant)

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Figure 51: Données du projet avec charge du portique

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Figure 52: ELS Portique

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Figure 53: Charge du portique (Séisme ascendant)

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Figure 54: Charge du portique (Séisme descendant)

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Détails du ferraillage

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Sismicité du Maroc

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Figure 55: Carte des accélérations maximales vraisemblablement ressenties

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Calcul des silos selon ITBTP Juin- Août 1986

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Liste des figures Figure 1: Le site du projet ...................................................................................................................... 12 Figure 2: Bathymétrie ............................................................................................................................ 14 Figure 3: Géologie régionale du secteur étudié .................................................................................... 17 Figure 4: Courbes de dépassement de Hs aux postes : alternative 6 ................................................... 24 Figure 5: Actions de l’outillage .............................................................................................................. 26 Figure 6: Coupe type des caissons......................................................................................................... 36 Figure 7: Type de caissons de projet ..................................................................................................... 37 Figure 8: Remplissage d'alvéole ............................................................................................................ 39 Figure 9: Cas en cours de remplissage .................................................................................................. 40 Figure 10: Diagramme de BROLSMA ..................................................................................................... 48 Figure 11: Méthode de Vasco Costa...................................................................................................... 49 Figure 12: Accostage du navire ............................................................................................................. 50 Figure 13: Configuration du quai ........................................................................................................... 52 Figure 14: souplesse du navire .............................................................................................................. 52 Figure 15: Géométrie du caisson ........................................................................................................... 53 Figure 16: Poussée du sol ...................................................................................................................... 56 Figure 17: Poussée due au gradient hydraulique .................................................................................. 57 Figure 18: Méthode de Krey .................................................................................................................. 58 Figure 19: Poussée du sol ...................................................................................................................... 62 Figure 20: Zones isométriques de déplacement (cm) ........................................................................... 69 Figure 21: Coupe longitudinale du ferraillage ....................................................................................... 71 Figure 22: Chargement en cas de flottaison ......................................................................................... 72 Figure 23: Contraintes SXX+ .................................................................................................................. 73 Figure 24: Contraintes SYY+ .................................................................................................................. 74 Figure 25: Contrantes SXX- .................................................................................................................... 75 Figure 26: Contraintes SYY- ................................................................................................................... 76 Figure 27: Déplacements du caisson (cm) ............................................................................................. 77 Figure 28: Polygone des forces.............................................................................................................. 80 Figure 29: Méthode des tranches ......................................................................................................... 80 Figure 30: Méthode des tranches (2) .................................................................................................... 82 Figure 31: Calcul du cas du chargement du à seul l’effet du portique .................................................. 84 Figure 32: Calcul du cas de chargement du à la charge d’exploitation ................................................. 86 Figure 33: Mise en place du ballast ....................................................................................................... 87 Figure 34: Chargement du ballast ......................................................................................................... 88 Figure 35: La préfabrication des caissons.............................................................................................. 89 Figure 36: Remorquage des caissons .................................................................................................... 90 Figure 37: Préfabrication à quai des caissons ....................................................................................... 91 Figure 38: Diagramme E-PH fer ............................................................................................................. 93 Figure 39: Diagramme potentiel-pH du fer ........................................................................................... 95 Figure 40: Caractéristiques de l'eau salée ............................................................................................. 97

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Figure 41: Les densités de courant ........................................................................................................ 99 Figure 42Potentiels et rendements des alliages ................................................................................... 99 Figure 43: Dimensions des défenses tronconiques ............................................................................. 104 Figure 44: Performances des défenses tronconiques ......................................................................... 105 Figure 45: Défenses à translation simple cône - Performances standard........................................... 106 Figure 46: Vitesses d'accostage (extrait du FENTEK)........................................................................... 107 Figure 47: Caractéristiques du portique .............................................................................................. 109 Figure 48: Calcul TALREN à l'état normal ............................................................................................ 116 Figure 49: TALREN Charge d'exploitation avec un séisme ascendant................................................. 117 Figure 50: TALREN Charge d'exploitation (Séisme descendant) ......................................................... 118 Figure 51: Données du projet avec charge du portique ...................................................................... 119 Figure 52: ELS Portique........................................................................................................................ 120 Figure 53: Charge du portique (Séisme ascendant) ............................................................................ 121 Figure 54: Charge du portique (Séisme descendant) .......................................................................... 122 Figure 55: Carte des accélérations maximales vraisemblablement ressenties................................... 128

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Liste des tableaux Tableau 1: Synthèse des valeurs des niveaux d’eau ............................................................................. 15 Tableau 2: Vent de projet ...................................................................................................................... 15 Tableau 3. Houle de projet extrême au large........................................................................................ 16 Tableau 4: Caractéristiques des navires de projet ................................................................................ 21 Tableau 5: Profondeurs disponibles au niveau des postes à quais ....................................................... 21 Tableau 6: linéaire du poste à quai ....................................................................................................... 21 Tableau 7: Taux d’agitation pour l’alternative 6 ................................................................................... 23 Tableau 8: Catégories des bollards........................................................................................................ 27 Tableau 9: Etats limites de vérification de la stabilité des quais ........................................................... 33 Tableau 10: Valeurs limites de vérification de la décompression ......................................................... 33 Tableau 11: Caractéristiques des navires de projet .............................................................................. 47 Tableau 12: Types d’accostage .............................................................................................................. 47 Tableau 13: Récapitulatif des efforts .................................................................................................... 59 Tableau 14: Cas de charge de la structure ............................................................................................ 67 Tableau 15: Combinaisons de la structure ............................................................................................ 68 Tableau 16: Estimation des couts.......................................................................................................... 79 Tableau 17: Résultat de calcul des couts............................................................................................... 79 Tableau 18: Cas du chargement du à seul l’effet du portique .............................................................. 83 Tableau 19: cas de chargement du à la charge d’exploitation .............................................................. 85

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Bibliographie :  Résiliences, systèmes portuaire au Maroc de la naissance à 2060, de Mr CHERFAOUI NAJIB et HAMADI DOGHMI.  FULGURANCES (2005), sciences de l’ingénieur, Mr CHERFAOUI NAJIB, Maroc.  Etude et évaluation des prix pour les projets BTP, cours de Mr Guissi (EHTP).  Règles professionnelles de conception et de calcul des silos en B.A ou B.P(1986).  Protection cathodique par Denis Petrocokino.  Le catalogue FENTEK : Marine Fendering Systems.  Guide AFPS 90, Tome 3.  L’encyclopédie libre wikipédia.  Travail de fin d’étude 2009 : ETUDE DU WHARF DE KOGO EN GUINEE EQUATORIALE, de Hatim ALAHIANE et Soufiane BOURASS.  Cours BAEL de Mr AZIZI et Mme KHADOURI (EHTP).

Travail de fin d’études (EHTP – CID)

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