Avalanches
Les avalanches peuvent emporter ou endommager des forêts entières ou des infrastructures massives. Dans la zone de décrochement et de transit (le long de sa trajectoire), l'avalanche gagne en vitesse ainsi qu’en masse et en volume jusqu’à s’arrêter complètement dans la zone de dépôt. Les bâtiments sont généralement situés dans la zone de dépôt des avalanches, là où les vitesses d’écoulement sont faibles en raison de l'aplatissement du terrain et de la dispersion latérale. Mais même dans la zone de dépôt et avec une hauteur d’écoulement de quelques mètres à peine, les avalanches ont un immense pouvoir de destruction, surtout si elles charrient des matières solides comme des troncs d'arbres. Dans le pays montagneux qu’est la Suisse, la gestion des avalanches est une longue tradition, a grandement déterminé le développement des premières cartes des dangers et a contribué à une approche des dangers naturels adaptée aux risques.
Il est possible de délimiter la zone effective des avalanches : au niveau spatial, grâce au terrain et aux ouvrages de protection, et au niveau temporel, en connaissant les conditions de neige et la situation météorologique (bulletins d'avalanches). Pour protéger les personnes, les voies de circulation et les bâtiments, il est donc particulièrement efficace d’opter pour une combinaison de mesures d’aménagement du territoire, de mesures techniques et de mesures organisationnelles.
Les objectifs de protection nationaux pour les nouveaux bâtiments se réfèrent à la norme SIA 261/1. Cette norme définit l’événement tricentennal comme objectif de protection contre les dangers naturels gravitationnels (crues, glissements de terrain, laves torrentielles, chutes de pierres, avalanches) pour les bâtiments résidentiels et commerciaux standard (CO I). Il convient également de respecter les directives cantonales et communales, ces dernières n’excédant toutefois pas en général les exigences de la norme SIA 261/1. Concrètement, le bâtiment doit rester intact et protéger des personnes se trouvant à l’intérieur même en cas d’événement tricentennal.
À partir de la classe d’ouvrage CO II, les exigences à respecter sont plus sévères (facteurs d’importance et majorations de la hauteur selon SIA 261/1).
On distingue les différentes avalanches en fonction de la forme de leur décrochement, de leur mouvement et des caractéristiques de la neige. Les avalanches qui partent d'un point précis sont appelées avalanches de neige meuble et se déclenchent la plupart du temps à partir d'une pente d'environ 40° seulement. Le plus souvent, et déjà dans des pentes à partir de 30° de déclivité, ce sont des avalanches de plaques de neige qui se produisent. Elles sont caractérisées par un décrochement linéaire et un déclenchement très subit sur une couche de glissement clairement définie. Si cette couche de glissement se trouve en contact direct avec la surface du sol, on parle alors d’avalanche de fond. Le mécanisme de mouvement par lequel les masses de neige et de glace glissent, tombent ou chutent dans la vallée est particulièrement déterminant pour le dimensionnement des mesures de protection. Il faut aussi connaître la composition et la densité de l’avalanche. En la matière, on distingue les avalanches coulantes et les avalanches poudreuses, même s’il existe des formes mixtes.
Les avalanches coulantes se déplacent surtout en coulant ou en glissant sur la surface (une autre couche de neige ou la surface du sol) et restent en contact direct avec le sol durant leur mouvement. Les avalanches coulantes peuvent atteindre des vitesses maximales de 40 m/s et ont typiquement une densité de 200‑300 kg/m3. Pour les avalanches de neige mouillée, on recense des vitesses de 10 et 20 m/s, pour une densité approximative de 300-500 kg/m3. Dans la zone de dépôt, les avalanches coulantes ont généralement une hauteur d’écoulement de 2-10 m et des vitesses inférieures à 10 m/s. Les pressions générées par l'avalanche peuvent détruire des bâtiments.
Les avalanches poudreuses se développent toujours à partir d’avalanches coulantes. Elles sont constituées d'un nuage de neige sec et tourbillonnant qui jaillit dans les airs à la vitesse de 20 à 80 m/s. Des avalanches purement poudreuses, sans composante coulante, surviennent lorsqu’une avalanche coulante se trouve entièrement en suspension lors d’une chute en terrain raide ou lorsque la composante coulante au sol et la poussière de neige sont séparées en raison des caractéristiques du terrain. Leur densité est nettement moindre (5-10 kg/m3) et leur hauteur d’écoulement supérieure aux avalanches coulantes. Même en cas de contre-pente, les avalanches poudreuses peuvent causer des dégâts sur de longues distances. La pression générée est capable de renverser des arbres et des pylônes ou d’endommager fortement des fenêtres et des toits de bâtiments. La poussière de neige comprimée contre les façades reste visible un certain temps. Les avalanches poudreuses atteignent souvent des hauteurs d’écoulement de plus de 50 m dans la zone de dépôt. Dans les 5 mètres les plus profonds, elles charrient souvent des blocs de neige. Cette « couche de saltation » est soumise aux mêmes forces qu’une avalanche coulante, mais elles sont nettement plus faibles. Toute avalanche de grande ampleur peut charrier des matières solides, souvent du bois, des éboulis ou d’autres objets emportés.
Le glissement de neige est un phénomène similaire aux avalanches. Toute la couche neigeuse glisse et rampe lentement et de manière continue sur la base du terrain en aval. Le glissement de la neige peut déjà survenir à partir d’une inclinaison de 15°, surtout dans les talus fortement ensoleillés avec une faible rugosité du sol. Une forte pente, un terrain à la base humide, des hauteurs de neige importantes et des périodes de chaleur durables renforcent les mouvements de reptation et de glissement. Une activité de glissement de neige élevée se caractérise typiquement par une rupture de la couche de neige en forme de croissant (« gueule de poisson ») et par un bourrelet au pied de la pente. Une couche de neige en glissement peut exercer des forces de pression et de cisaillement importantes sur les obstacles.
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Glissement de neige (source : GVG)
Autres termes techniques :
La hauteur de neige décrit la hauteur de la couche de neige.
La hauteur d’écoulement correspond à la hauteur atteinte par l'avalanche en mouvement.
La hauteur de retenue indique quelle est la hauteur de la neige lors de l’impact de l’avalanche (accumulation contre l’obstacle).
La densité (masse volumique) varie au sein de la couche de neige et augmente généralement avec son ancienneté (l’ancienne neige a une densité 2 à 5 fois supérieure à celle de la neige fraîche sèche).
La pression dynamique correspond à l’augmentation de la pression à la surface d’un obstacle touché par l’avalanche.
On nomme toit-terrain une construction dont le toit est raccordé sans discontinuité au terrain naturel ou à un remblai du côté amont.
Les avalanches coulantes et les avalanches poudreuses peuvent être simulées au moyen de modèles d'avalanches. Les spécialistes ont aujourd’hui à leur disposition des modèles de calcul des avalanches en une et deux dimensions. Pour dimensionner les mesures de protection des bâtiments, il faut connaître la hauteur d’écoulement, la direction d’écoulement, la vitesse, la densité et les charges individuelles de l’avalanche. Au lieu de la vitesse et de la densité, il est aussi possible de se baser sur la pression et la hauteur d’écoulement agissant sur un grand obstacle plan et disposé perpendiculairement à la direction d’écoulement.
Pour les avalanches poudreuses, le dimensionnement ne nécessite qu’une valeur indicative sur le souffle auquel il faut s’attendre. Ces données peuvent être tirées des cartes d’intensité et du rapport technique. S’il n’existe aucune donnée concernant l’intensité, elle doit être déterminée par un spécialiste des avalanches.
Notations
| hn [m] | Hauteur de neige |
| hf [m] | Hauteur d’écoulement |
| hg [m] | Hauteur du bâtiment |
| hstau [m] | Hauteur de retenue de l’avalanche coulante |
| hsalt [m] | Hauteur de la couche de saltation de l’avalanche poudreuse |
| hsusp [m] | Hauteur de la couche en suspension de l’avalanche poudreuse |
| vf [m/s] | Vitesse de l’avalanche coulante |
| vs [m/s] | Vitesse de l’avalanche poudreuse |
| g [m/s2] | Accélération gravitationnelle (10 m/s2) |
| lh [m] | Épaisseur de la paroi en béton armé |
| ls [m] | Portée de la paroi en béton armé |
| ρn [t/m3] | Densité de la neige déposée naturellement |
| ρa [t/m3] | Densité de la neige déposée par l’avalanche |
| ρf [t/m3] | Densité de l’avalanche coulante |
| ρs [t/m3] | Densité de l’avalanche poudreuse |
| hg [m] | Hauteur du bâtiment |
| b [m] | Largeur du bâtiment |
| m [t] | Masse d’une charge concentrée |
| α [°] | Angle de déviation (angle d’incidence) |
| β [°] | Déclivité de la pente |
| γ [°] | Angle d’ouverture de l’étrave |
| δ [°] | Angle de déviation par un toit-terrain dans le plan vertical |
| lu [m] | Longueur du segment de déviation par un toit-terrain |
| qn [kN/m2] | Pression exercée par la neige déposée naturellement |
| qf [kN/m2] | Pression exercée par l’avalanche coulante |
| qs [kN/m2] | Pression exercée par l’avalanche poudreuse |
| qf,α [kN/m2] | Pression en cas d’incidence oblique |
| qf,v [kN/m2] | Pression exercée sur les parties saillantes du bâtiment |
| qa [kN/m2] | Charge verticale exercée par la neige déposée par l’avalanche |
| qaf [kN/m2] | Charge verticale exercée par l’avalanche coulante |
| qu [kN/m2] | Pression due à la déviation par un toit-terrain dans le plan vertical |
| qk [kN/m2] | Pression due au glissement et à la reptation de la neige |
| qf,r [kN/m2] | Frottement spécifique |
| qe [kN/m2] | Pression statique de remplacement due à une charge concentrée (choc) |
| qh [kN/m2] | Pression statique horizontale |
| cd | Coefficient de résistance |
| μ | Coefficient de frottement |
| λ | Coefficient de hauteur d’accumulation |
| A [m2] | Surface d’impact d’une charge concentrée |
| N | Facteur de glissement |
| K | Facteur de reptation |
| Qe [kN] | Force statique de remplacement due à une charge concentrée (choc) |
Situation de danger 1 : une avalanche coulante contourne un bâtiment
L’avalanche coulante heurte frontalement un bâtiment et le contourne. Le choc provoque une retenue de hauteur hstau, dont le cumul avec la hauteur d’écoulement hf et l’épaisseur de la neige déposée naturellement hn ne dépasse par la hauteur du bâtiment. L'ensemble du toit ne subit donc aucune action directe. L’action principale est la pression qf exercée sur la paroi exposée. Elle est influencée par la forme du bâtiment, la densité de la neige et la vitesse de l’avalanche. Il est admis que la vitesse de l'avalanche est constante sur toute la hauteur d’écoulement. Pour les parois latérales et toutes les parois atteintes obliquement, on appliquera une pression réduite en fonction de l’angle d’incidence α. Ces parois sont en outre soumises à des forces de frottement (qf,r). L’impact de matières solides (troncs d'arbres ou blocs de roche) doit être pris en compte comme pression statique de remplacement.
Situation de danger 2 : une avalanche coulante submerge un bâtiment
Situation de danger 3 : une avalanche coulante contourne un bâtiment précédé d’une étrave
Ce cas particulier de la situation de danger 1 est comparable à l'effet d'une avalanche sur des parapets ou des jetées. L’étrave est soumise à des pressions dues au contournement et au frottement ; grâce à l'angle de déviation α, la pression se réduit de qf à qf,α. Mais l'angle de déviation a peut se monter à 30° au maximum, sans quoi l'avalanche atteint le bâtiment comme en cas d’impact (situation de danger 1). L’étrave doit en outre être suffisamment haute, car elle ne doit pas être submergée (situation de danger 2).
Situation de danger 4 : une avalanche coulante submerge un bâtiment équipé d’un toit-terrain
C'est un cas particulier de la situation de danger 2, transposable aux galeries de protection (OFROU/CFF, 2007). Sur le toit de plain-pied s'appliquent la charge verticale de l'avalanche coulante ou arrêtée qa et celle de la neige accumulée naturellement qn. Si le terrain fait un coude au-dessus du toit-terrain, une charge verticale qu supplémentaire s’applique sur une distance de 1,5 fois la hauteur d’écoulement hf en raison de la déviation. Le toit du toit-terrain ne devrait pas se trouver dans ce secteur présentant une force de déviation accrue. Les sollicitations résultent de forces normales et tangentielles (frottements). Pour les parois latérales et les parois éventuellement atteintes obliquement, on appliquera une pression réduite en fonction de l’angle d’incidence a. Les contraintes de frottement seront également prises en compte.
Situation de danger 5 : une avalanche poudreuse atteint un bâtiment.
L’action exercée par une avalanche poudreuse sur un bâtiment est comparable à l’action due au vent. On appliquera donc la même approche que celle décrite dans la norme SIA 261, chiffre 6 (vent).
Situation de danger 6 : la pression de la neige agit sur un bâtiment
Le glissement et la reptation de la neige exercent une pression sur les faces extérieures concernées du bâtiment. La hauteur et la densité du manteau neigeux, la déclivité de la pente et l’exposition, de même que la couverture du sol, sont des facteurs d’influence importants.
Hauteur de retenue de l’avalanche coulante :
Cette formule s’applique uniquement si la largeur b de l’objet est nettement supérieure à la hauteur d’écoulement hf. La constante de conversion de l'énergie Λ dépend de la nature de la neige dans l'avalanche :
avalanches légères, sèches: Λ = 1,5
avalanches denses, mouillées: 2 ≤ Λ ≤ 3
Pression exercée par l’avalanche coulante :
La pression statique exercée par la contrainte dynamique dépend de la vitesse et de la densité de l’avalanche coulante, de l'angle d’incidence et de la forme de l’ouvrage contourné, exprimée par le coefficient de résistance cd, ainsi que du type de neige.
De manière générale, pour les avalanches coulantes et les bâtiments avec une surface rectangulaire, cd = 2 en cas de neige sèche et cd = 4 à 6 en cas de neige mouillée. Pour la densité ρf, on admet comme valeur cible pour des avalanches coulantes sèches 0,3 [t/m3], et pour des avalanches de neige mouillée 0,4 [t/m3]. Exemple : une avalanche coulante sèche de vitesse v = 10 m/s exerce sur un grand obstacle plan perpendiculaire à la direction d’écoulement une pression qf = 0,5 * 2 * 0,3 * 100 = 30 kN/m2.
En cas d’incidence oblique sur des surfaces non perpendiculaires à la direction d’écoulement, on tiendra compte de l’angle de déviation α:
Pour les parois latérales parallèles à la direction d’écoulement, on calculera la pression de l’avalanche et le frottement spécifique correspondant à un angle de déviation des masses de neige a = ± 20°. Dans la zone de dépôt en particulier, la direction de mouvement des avalanches peut beaucoup varier, générant des dépôts d'avalanche « en forme de doigts ».
((evtl. Bild: „Fingerartige“ Lawinenablagerung um Gebäude, z.B. von Wilerbachlawine Blitzingen im Obergoms oder Holderliloui Guttannen im 1999))
Le choc contre les parois peut provoquer des forces verticales dirigées vers le haut. Elles agissent par exemple sur les avant-toits et les dalles des balcons :
Pression exercée par l’avalanche poudreuse :
Pour les avalanches poudreuses, on peut utiliser les valeurs cd selon la norme SIA 261, chiffre 6 (vent), en remplaçant la pression due au souffle par la pression de l'avalanche poudreuse. Comme la densité de l’avalanche poudreuse est supérieure à celle de l’air, il y a lieu d’augmenter l’effet du souffle en conséquence. Comme valeur indicative de la pression due au souffle qs (voir situation de danger 5), on utilise 3 à 5 kN/m2.
Charge verticale :
la charge due à la neige déposée naturellement (valeur indicative de la densité ρn = 0,4 [t/m3]) est de :
La charge de la neige déposée par une avalanche (valeur indicative de la densité ρa = 0,5 [t/m3]) sur des constructions équivaut approximativement à ce qui suit pour la situation de danger 2 :
Dans la situation de danger 4, la hauteur du dépôt doit être déterminée par un spécialiste des avalanches.
La charge due à l'avalanche coulante sur les bâtiments est de :
Pour les avalanches de neige sèche, on peut admettre ρf = 0,3 [t/m3], pour de la neige mouillée 0,4 [t/m3].
Déviation verticale :
La pression statique qu due à la déviation verticale (situation de danger 4) sur les toits-terrains ou autres ouvrages similaires équivaut, selon la directive concernant les avalanches sur les galeries de protection (OFROU/CFF, 2007) :
Après le coude du terrain, la force de déviation augmente fortement sur une distance de 1,5·hf et se monte à 4 qu (voir illustration d'un toit-terrain).
Frottement :
Le frottement est pris en compte par l’entremise d’un coefficient de frottement m. Il vaut :
|
Sec |
Mouillé |
|
|---|---|---|---|
μ |
0.2 |
0.35 |
interface : neige / neige |
μ |
0.25 |
0.45 |
interface : neige / surface lisse (par ex. béton, herbe) |
μ |
0.35 |
0.55 |
interface : neige / surface brute (par exemple éboulis) sur un sol rugueux ou des surfaces abrasives |
Le frottement spécifique parallèle à la surface qf,r est calculé à partir de la pression exercée perpendiculairement à la surface qf en appliquant la formule suivante :
Force de choc due à des charges concentrées :
Si l’avalanche peut entraîner des troncs d’arbre ou de gros blocs, il faut ajouter à la pression exercée par l'avalanche la force de choc due à ces charges concentrées (glissements/éboulements).
Lors du choc provoqué par des troncs d’arbre ou de gros blocs, des déformations importantes du système porteur sont possibles. Les forces statiques de remplacement mineures se calculent comme suit :
Forces statiques de remplacement suite à un choc lors d'avalanches
| Masse m [kg] | Vitesse v [m/s] | Énergie E [kJ] |
Force statique de remplacement Qe [kN] (Poinçonnements| Flexion) |
100 |
5 |
1.25 |
39 | 10 |
100 |
10 |
5 |
156 | 38 |
500 |
5 |
6.25 |
194 | 48 |
500 |
10 |
25 |
778 | 192 |
1000 |
5 |
12.5 |
389 | 96 |
1000 |
10 |
50 |
1556 | 384 |
La force statique de remplacement due au choc d'un tronc d’arbre Qe [kN] se superpose avec la pression exercée par l'avalanche qf :
On admet que cette charge concentrée agit simultanément avec la pression qf exercée par l’avalanche coulante. Applicable à n’importe quel endroit sur la hauteur de l’écoulement, elle est répartie uniformément sur la surface d’impact A.
Pression statique de remplacement due à une charge concentrée (choc) :
Si la paroi affectée adopte un comportement fragile et non ductile (poinçonnement par la charge concentrée), il y a lieu de prendre en compte une force statique de remplacement plus élevée (éboulements).
Pression due au glissement et à la reptation de la neige :
La pression statique due au glissement et à la reptation de la neige représente approximativement, sur une paroi verticale de bâtiment :
avec facteur de reptation K = 0,83 * sin2β (pour rn = 0,4 t/m3)
La hauteur de neige hn peut être déterminée pour une période de retour de 100 ans selon la directive OFEFP/WSL 2007. La pression calculée s’applique aux objets de grande largeur. Les objets étroits et la bordure des objets de grande taille peuvent être le siège de forces de bord élevées. Le facteur de glissement N dépend de la couverture végétale et de l’exposition du terrain :
| Couverture du sol | Exposition ONO-N-ENE |
Exposition ENE-S-ONO |
Eboulis formé de blocs / blocs isolés |
1.2 |
1.3 |
Couverture continue de buissons / irrégularités du terrain très marquées / éboulis grossier |
1.6 |
1.8 |
Couche d’herbe à longue tige / éboulis fin / irrégularités du terrain peu marquées |
2.0 |
2.4 |
Couche lisse d’herbe à courte tige / dalles lisses de roche en place |
2.6 |
3.2 |
Défaillance du système porteur :
La plupart des dommages surviennent parce que les systèmes sont trop faiblement dimensionnés et ne peuvent pas suffisamment absorber les forces qui agissent.
Rupture de certains éléments de construction comme les fenêtres, les portes et les portails :
Souvent, une avalanche fait sortir les fenêtres, les portes et les portails de leurs gonds, car les charnières sont trop peu stables, ou des murs entiers sont enfoncés.
Dommages à la toiture et aux éléments en saillie :
Lorsqu’ils submergent le toit, l’avalanche et les matériaux solides qu’elle charrie peuvent emporter la toiture et les éléments en saillie.
Des mesures en termes de conception et de renforcement permettent de réduire considérablement le danger pour les personnes et les biens, par exemple si le bâtiment est intégré au terrain pour être protégé de manière optimale ou si l'on a choisi une forme et une orientation adaptées pour le bâtiment. Pour obtenir une protection supplémentaire, il faut adopter des mesures de protection suffisamment dimensionnées et placées en amont du bâtiment, comme des digues ou des étraves. Évitez de créer des ouvertures dans la paroi extérieure côté avalanche et ne prévoyez, dans le secteur exposé aux avalanches, que des locaux où les personnes séjournent peu de temps. Les parois extérieures et les ouvertures doivent être construites de manière renforcée.
Propositions de concepts et de mesures de protection pour les différentes parties du bâtiment :
Egli, Th. (2005): Recommandations - Protection des objets contre les dangers naturels gravitationnels. Association des établissements cantonaux d'assurance incendie, Berne.
Fondation de prévention des établissements cantonaux d'assurance (2014): Prevent-Building – une méthode et un outil d’évaluation de l’efficacité, de la rentabilité et de l’acceptabilité des mesures de protection des bâtiments, destinés à parer aux risques naturels gravitationnels et météorologiques. Rapport concernant la phase 1 incluant les adaptations de la phase 2. Groupe de travail Prevent-Building: WSL-Institut pour l'étude de la neige et des avalanches SLF, Egli Engineering AG, Geotest SA, B,S,S. Volkswirtschaftliche Beratung, Version 12.05.2014. (Download)
Suda J. und Rudolf-Miklau F. (Hrsg.) (2012): Bauen und Naturgefahren, Handbuch für konstruktiven Gebäudeschutz. Springer, Wien.
OFROU (2007): Directive Actions d'avalanches sur les galeries de protection. Office fédéral des routes OFROU en collaboration avec CFF SA, Berne.
BFF (1984): Richtlinien zur Berücksichtigung der Lawinengefahr bei raumwirksamen Tätigkeiten. Bundesamt für Forstwesen / Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung, EDMZ, Bern.
GVA (1994): Vorschriften für bauliche Massnahmen an Bauten in der blauen Lawinenzone. Gebäudeversicherungsanstalt des Kantons Graubünden.
Leuenberger, F. (2003): Bauanleitung Gleitschneeschutz und temporärer Stützverbau, Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, Davos.
Margreth, S. (2007): Construction d’ouvrages paravalanches dans la zone de décrochement. Aide à l’exécution: directive technique. L’environnement pratique no 0704. Office fédéral de l’environnement Berne, WSL Institut Fédéral pour l’Étude de la Neige et des Avalanches ENA, Davos.
Margreth, S. (2016): Ausscheiden von Schneegleiten und Schneedruck in Gefahrenkarten. WSL Berichte, Heft 47.
Rudolf-Miklau, F. und Sauermoser, S. (Hrsg.), 2011: Handbuch Technischer Lawinenschutz. Ernst & Sohn GmbH & Co. KG. Berlin. 464 S.
Salm, B et al. (1990): Berechnung von Fliesslawinen. Eine Anleitung für Praktiker mit Beispielen, Mitteilung Nr. 47, Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung, Davos.