CAHIER TECHNIQUE N° 38 – Mars 2017 Guide pour la conception et le dimensionnement des fondations profondes sous actions sismiques des bâtiments à risque normal
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Membres du Groupe de Travail Président
Patrick BERTHELOT
BUREAU VERITAS
Animateur
Michel GLANDY
SOFFONS
Secrétaire
Michel GLANDY
SOLETANCHE-BACHY-PIEUX
Membres rédacteurs Delphine
AUVIGNE
A-I-A INGENIERIE
Anne
BERGÈRE
TERRASOL
Stéphane
BRÛLÉ
MÉNARD
Nicolas
CASENAVE
BUREAU VERITAS
Fahd
CUIRA
TERRASOL
Frédéric
DURAND
STRUCTURE GEOTECHNICS
Damien
FOLLIARD
FUGRO
Jean-Robert
GAUTHEY
SPIE FONDATIONS
Eric
JANDEL
FONDASOL
Emmanuel
JAVELAUD
EDF
Sandrine
JUSTER LERMITTE
ARCADIS
Dominique
KUSTER
BUREAU VERITAS
Julie
MAUCOTEL
BOTTE FONDATIONS
Nicolas
NAYRAND
FRANKI FONDATION/BUREAU VERITAS
Pierre-Alain
NAZÉ
GEODYNAMIQUE ET STRUCTURE
Dominique
NIBEL
BOTTE FONDATIONS
Alain
PECKER
CONSULTANT
Gildas
POTIN
TRACTEBEL Engie
Alexandre
REYNAUD
FUGRO
Mathieu
ROBY
TRACTEBEL Engie
Gurvan
SAYER
SOCOTEC/CTE
Didrik
VANDEPUTTE
EDF
Jean-Paul
VOLCKE
FRANKI FONDATION
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Ont également participé à la rédaction Pascal
AGUADO
APAVE/GEOTEC
Eric
ANTOINET
ANTEA
Nader
ASTHARI
APAVE
Luis
CARPINTEIRO
SOCOTEC
Yves
GUILLON
CONSULTANT
Serge
LAMBERT
KELLER
François
LARGESSE
IMSM
Pierre
de LAVERNÉE
SOLETANCHE-BACHY
Estelle
NARCY
KELLER
Olivier
PAL
EIFFAGE
Olivier
PAYANT
SOCOTEC
Panagiotis
KOTRONIS
ECOLE CENTRALE DE NANTES
Léo
QUIRIN
KELLER
Paul
QUISTIN
ANCO
Pierre-Eric
THEVENIN
OXAND
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BASES DU GUIDE .................................................................................................................................... 21
1.2.
OBJET DU GUIDE .................................................................................................................................... 21
1.3.
SYNOPTIQUE DU DIMENSIONNEMENT ......................................................................................................... 21
1.4.
CLASSES DE SOLS .................................................................................................................................... 23
1.5.
STRATÉGIE DE CONCEPTION DES BÂTIMENTS................................................................................................. 25
1.5.1.
Conception « non dissipative » ou « élastique » ...................................................................... ..... 27
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3.4.2.
La raideur de la structure .................................................. ....................................................... ..... 51
3.4.3.
Les modes propres et combinaisons ............................................................................................. 51
3.4.4.
A propos du spectre de réponse et de l’Interaction Sol -Structure ................................................. 52
3.4.5.
A propos de l’amortissement .................................................................................. ...................... 53
3.5.
4.
3.5.1.
Combinaisons d’actions apportées en pied de structure ........................................ ...................... 54
3.5.2.
C ombinaisons d’actions en tête de fondations ................................................................ ............. 56
PRINCIPES DE CONCEPTION DES PIEUX ................................................................................................. 57 4.1.
CONDITIONS AUX LIMITES ................................................... ....................................................... ............... 57
LES EFFETS DU SÉISME.............................................................................................................................. 54
ECHANGES DE DONNÉES ENTRE LE BET STRUCTURES , LE GÉOTECHNICIEN ET L’ENTREPRISE DE FONDATIONS PROFONDES ........................................................................................................................................................... 71
4.5.1.
Données à fournir par le BET Structures ....................................................................................... 71
4.5.2.
Données à fournir par le Géotechnicien ........................................................ ................................ 71
4.5.3.
Données à fournir par l’Entreprise de Fonda tions Profondes ................................ ....................... 73
LIQUÉFACTION ET DÉGRADATION CYCLIQUE ........................................................................................ 74 5.1.
CAS DU TRAITEMENT DE SOL « ANTI-LIQUÉFACTION » ..................................................................... ............... 74
5.2.
CAS SANS TRAITEMENT SYSTÉMATIQUE DE SOL « ANTI-LIQUÉFACTION » ............................ ................................ 75
5.2.1.
Présence de lentilles discontinues ....................................................... .......................................... 75
5.2.2.
Présence de couches de faible épaisseur et continues à l’échelle du projet. ................... ............. 76
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6.
DÉTERMINATION DES EFFETS INERTIELS ............................................................................................... 80 6.1.
MÉTHODE DE CUMUL PROPOSÉE.................................................... ....................................................... ... 111
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9.
DIMENSIONNEMENT ET CRITÈRE DE JUSTIFICATION ........................................................................... 112 9.1.
Paroi moulée non liée à une superstructure ou supportant un bâtiment conçu en DCL ........ 123
10.8.2.
Paroi moulée supportant un bâtiment conçu en DCM ........................................................... 123
ECRAN À BASE DE PIEUX OU PAROI MOULÉE ...................................................................................... 123
11.1.
CALCUL DE LA POUSSÉE ACTIVE DES TERRES SOUS SÉISME ........................................................................... ... 123
11.1.1.
Cas d’un sol frottant et cohérent ................................ .......................................................... . 123
11.1.2.
Cas d’un sol non drainé .................................................................. ........................................ 124
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11.1.3.
Effort dû à la poussée des terres sur les Structures enterrées ................................................ 124
11.2.
CALCUL DE LA POUSSÉE PASSIVE (BUTÉE) DES TERRES SOUS SÉISME ...................................................... ........... 124
11.3.
COEFFICIENT DE RÉACTION...................................................................................................................... 124
11.4.
COEFFICIENT D’AMPLIFICATION TOPOGRAPHIQUE « ST » ...................................... ........................................ 124
11.5.
PIEUX DE PAROI COMPOSITE ................................................................................................................... 125
RÔLE DU BET STRUCTURES .................................................................................................................... 159
13.2.
RÔLE DU BET GÉOTECHNIQUE .................................................................................. .............................. 160
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13.3.
RÔLE DE L’ENTREPRISE DE FONDATIONS PROFONDES ................................................................................... 160
ANNEXE A : RÉFÉRENCES NORMATIVES ET RÉGLEMENTAIRES ..................................................................... 166 ANNEXE B : DOCUMENTS DE RÉFÉRENCE ..................................................................................................... 168 ANNEXE C : CARACTÉRISTIQUES C ARACTÉRISTIQUES DES BÂTIMENTS B ÂTIMENTS DCL ................................................................................. 170 ANNEXE D : LESSLOSS .................................................................................................................................. 172 ANNEXE E : SYNTHÈSE DES DIFFÉRENTES MÉTHODES M ÉTHODES DE CONSTRUCTION DE G(Z)....................................... 174 ANNEXE F : MÉTHODE AVEC DÉGRADATION, EXEMPLE ............................................................................... 175 F.1
MÉTHODE AUX ÉLÉMENTS FINIS AVEC UTILISATION DES LOIS DE DÉGRADATIONS DES SOLS ............................. ........... 175
F.1.1
Détermination des lois de dégradation des sols .............................................................. ........... 175
F.1.2
Calcul non linéaire des raideurs horizontales en tête de pieux ................................................... 177 177
F.1.3
Présentation des résultats de calculs ...................................................................... .................... 177
F.1.4
Utilisation dans un programme d’analyse modale spectrale ............. ........................................ 178 178
F.2
EXEMPLE ................................................................................................................................................. 179
Calculs aux éléments finis volumiques en non linéaire .............................................................. . 180
ANNEXE G : MÉTHODE M ÉTHODE US ARMY ................................................................................................................. 183 ANNEXE H : CALCUL D’INTERACTION SOL-STRUCTURE (ISS) ......................................................................... 185 H.1
MOUVEMENT D’INTERACTION CINÉMATIQUE ............................................................................................. 187
H.4.1
Détermination des impédances des pieux .................................................... .............................. 188
H.4.2
Détermination de la réponse inertielle ......................................................... .............................. 189
H.5
SOLLICITATIONS SUR LES PIEUX ................................................................................................................ 192
H.5.1
Modèle d’un pieu isolé .................................................................................. .............................. 193
H.5.2
Modèle du système de fondations profondes ......................................................... .................... 193
ANNEXE I : EXEMPLE .................................................................................................................................... 194 I.1
GÉOMÉTRIE DU PROJET .................................................. ......................................................... .................... 194
I.2
MATRICE DE RIGIDITÉ PSEUDO -ÉLASTIQUE .................................................................................. .................... 194
I.3
RIGIDITÉ VERTICALE PAR LA MÉTHODE DE FRANK ET ZHAO ................................................... .............................. 195
g(z) selon Madera ................................................... ....................................................... ............. 196
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I.4.2
Exemple pieu diamètre 72 cm ................................................... .................................................. 201
I.5
RÉPARTITION DE L ’EFFORT HORIZONTAL AU PRORATA DES DIAMÈTRES ET DES X ,Y ..................... .............................. 202
I.6
DESCENTES DE CHARGE ÉLÉMENTAIRE DE LA DERNIÈRE ITÉRATION ......................................... .............................. 205 I.6.1
Avec couplage ......................................................... ......................................................... ........... 205
I.6.1
Sans couplage – appuis appuis articulés a rticulés ............................................................................................... . 207
I.6.2
Sans couplage – appuis appuis articulés a rticulés et/ou encastrés .................................................. .................... 210
COMPARATIF SUR LES PIEUX N° 9 ET 29 ........................................................................... .............................. 214
I.9
FERRAILLAGE : EXEMPLE DES PIEUX N ° 9 ET 29 ........................................................ ........................................ 224 I.9.1 Pieu n° 9 ............................................................................................................................................ 224 I.9.2 Pieu n° 29 .......................................................................................................................................... 227
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Liste des FIGURES et des TABLEAUX
Figure n° 1 : Logigramme général de dimensionnement (d’après Alain Pecker) ................................... ................... ................ 22 Figure n° 2 : Spectre de réponse élastique (d’après l’EC8-1) l’EC8-1) .......................................................................... .......................................................................... 26 Figure n° 3 : Principe du coefficient coefficient de comportement .................................................................................... .................................................................................... 26 Figure n° 4 : Spectre de calcul de réponse élastique (d’après EC8-1) EC8 -1) et rappel des paramètres S, T B , T C et T D. .................................................................................................................................................................... 27 C et Figure n° 5 : Différents types de modélisation modélisation ..................................................................................................... 29 Figure n° 6 : Principe constructif constructif à partir de longrines .................................................................................... longrines .................................................................................... 32 Figure n° 7 : Pont traversant le Big River .............................................................................................................. .............................................................................................................. 35 Figure n° 8 : Salinas Bridge Bridge ........................................................................................................................................ 35 Figure n° 9 : Pont de Showa à Niigata, 1964 ........................................................................................................ 1964 ........................................................................................................ 36 Figure n° 10 : Schéma de rupture des pieux au droit du Pont de Showa à Niigata, 1964 ................... 1964 ................... 36 Figure n° 11 : Pieux d’appui d’appui du bâtiment NHK cisaillés par la diffusion latérale pendant le tremblement de terre de Niigata, 1964 (Hamada, 1991) [3] .............................................................. [3] .............................................................. 37 Figure n° 12 : Corrélation entre les dommages survenus aux pieux et les conditions du site – bâtiment NHK (Doi et Hamada, 1992) [4] .................................................................................................. 37 Figure n° 13 : Exemple de phénomène et de typologie des désordres sur une pile de pont suite au passage du tsunami tsunami du séisme de Tohoku en 2011 au Japon. A gauche gauche : arrachement arrachement du tablier. A droite : désordre de flexion sur les piles (Kawashima, 2012) [8]. ................................... [8]. ................................... 39 Figure n° 14 : Pont de l’autoroute 1, Wastonville, Loma Prieta (1989). Retour d’expérience ........... d’expérience ........... 40 Figure n° 15 : Localisation de l'épicentre du séisme (source USGS) ............................................................ 41 Figure n° 16 : Affaissement et déversement vers la mer du radier du port de pêche de Kashiwazali (photos AFPS). AFPS). ....................................................................................................................................................... 41 Figure n° 17 : Modes de rupture observés lors des tremblements de terre (Wilson 1998) [9]. .......... [9]. .......... 43 Figure n° 18 : Mécanismes de rupture d’un pieu dans un sol liquéfiable (Boulanger (Boulanger at al. 2003) [10]. [10]. ........................................................................................................................................................................... 44 Figure n° 19 : Illustration de la l a déformation latérale excessive. excessive. Séisme d’El Mayor -Cucupah -Cucupah du 4 avril 2010 au Mexique. Vue du pieu de fondation sous l’angle nord -est -est de la culée du pont Drew Road. Photo de Mc. Crink, 4/8/10. (N32.761742, W115.690290). ......................................... ..................... .................... 45 Figure n° 20 : Illustration du mode de rupture des pieux dans un sol multicouche avec remblais en tête selon Tokimatsu (1997) [11] Mécanisme de rupture suite au déplacement latéral induit par la liquéfaction des sols. sols. .............................................................................................................................. 46 Figure n° 21 : Peignes de longrines et zone de dallage non armé (d’après FD P06-031) P06-031) .................... .................... 61 Figure n° 22 : Définitions de Z ancrage ancrage et Z pied ........................................................................................................... 64 Figure n° 23 : Modélisation d’un pieu par une matrice de rigidité en tête .......................................... ..................... ........................... ...... 66 Figure n° 24 : V s à considérer dans le cas où le pieu est représenté par une matrice de rigidité ...... ...... 67 Figure n° 25 : V s à considérer dans le cas d’une modélisation des pieux toute hauteur avec des ressorts disposés le long du pieu. .................................................................................................................... pieu. .................................................................................................................... 67
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Figure n° 26 : Modélisation des pieux avec soutènement ................................................................................ ................................................................................ 69 Figure n° 27 : Modélisation des pieux intérieurs et extérieurs avec soutènement .................................. .................................. 70 Figure n° 28 : Exemple de bâtiment où la description du mouvement sismique n’est pas la même à la surface du sol et à la base des fondations du bâtiment. .................................................................... bâtiment. .................................................................... 70 Figure n° 29 : Critères de liquéfaction liés à l’épaisseur de la lentille ......................................................... lentille ......................................................... 75 Figure n° 30 : Critères de liquéfaction liés à la répartition des lentilles .................................................... lentilles .................................................... 76 Figure n° 31 : Essai au scissomètre : cohésion de pic et cohésion résiduelle (d’après G. Philipponnat at al. Fondations et ouvrages en terre 2008) [17] ................................................................................... [17] ................................................................................... 77 Figure n° 32 : Prise en compte du frottement négatif ....................................................................................... ....................................................................................... 79 Figure n° 33 : Loi de dégradation du sol en fonction du domaine de déformation ................................ déformation ................................ 81 Figure n° 34 : Modèle de type « p- y » d’un pieu sous sollicitations latérales latérales ............................................ ............................................ 82 Figure n° 35 : Loi de réaction frontale .................................................................................................................... frontale .................................................................................................................... 83 Figure n° 36 : Loi de mobilisation de la réaction tangentielle ....................................................................... tangentielle ....................................................................... 85 Figure n° 37 : Longueur de calcul des frottements latéraux .......................................................................... .......................................................................... 86 Figure n° 38 : Détermination de c L en fonction du facteur de sécurité vis-à-vis de la l iquéfaction F s .................................................................................................................................................................................... 87 Figure n° 39 : Modèle de type « t- z t- z » d’un pieu pieu sous sollicitations sollicitations verticales ........................................... verticales ........................................... 88 Figure n° 40 : Principe de comportement d’un pieu soumis en tête soit à un effort horizontal soit à un moment .............................................................................................................................................................. 91 Figure n° 41 : Modélisation du couplage par décalage du point de liaison. ............................................. liaison. ............................................. 92 Figure n° 42 : Mod élisation élisation des trois conditions d’appuis en rotation................... rotation ....................................... ..................................... ................. 93 Figure n° 43 : Comportement d’un pieu sous les effets cinématiques a) Pieu ancré b) Pieu non ancré dans un substratum sismique pour différentes conditions en tête..................................................... tête..................................................... 96 Figure n° 44 : Spectre de réponse élastique en déplacement ................................ ................................ ....................................... ..................... .................. 100 Figure n° 45 : Déformation du sol en monocouche non compris substratum ............ substratum ................................ ............................ ........ 102 Figure n° 46 : Déformation du sol en bicouche non compris substratum ................................. substratum ................................. ............... 103 Figure n° 47 : Profil de sol multicouche..................... multicouche......................................... .......................................... ........................................... ......................................... ............................ ........ 103 Figure n° 48 : Principe de discrétisation profil multicouche ................................. multicouche ................................. ....................................... ..................... .................. 106 Figure n° 49 : Détermination de la période d’un sol « T » par application successive de la méthode du bicouche (Madera) [21] ............................................................................................................................. [21] ............................................................................................................................. 107 Figure n° 50 : Principe de calcul g(z) pour un multicouche.......................................................................... multicouche.......................................................................... 108 Figure n° 51 : Conditions d’ancrage du pieu dans le substratum s ubstratum sismique ............................... sismique ............................... .............. 109 Figure n° 52 : Schéma des zones « structurelles » ............................................................................................ 115 Figure n° 53 : Coupe type micropieu avec double tube.................... tube ......................................... .......................................... ......................................... ...................... 121 Figure n° 54 : Principe constructif d’une cage de paroi de paroi moulée.................... moulée......................................... ........................................... ......................... ... 122 Figure n° 55 : Principe de construction du bâtiment ...................................................................................... ...................................................................................... 126
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Figure n° 56 : Plan d’implantation des appuis................................................................................................... 127 Figure n° 57 : Spectre élastique et spectre de calcul ....................................................................................... 129 Figure n° 58 : Déformation en champ libre g(z) ............................................................................................... 138 Figure n° 59 : Vecteurs sismiques horizontaux élémentaires....................................................................... 141 Figure n° 60 : Spectre de calcul ............................................................................................................................... 142 Figure n° 61 : Détermination du C L en fonction du facteur de sécurité vis-à-vis de la liquéfaction .................................................................................................................................................................................. 173 Figure n° 62 : Variation du module de cisaillement pour différents indices de plasticité (I p ) avec pour un sable I p = 0 et une argile I p > 50 % (Vucetic et Dobry, 1991) [23]. .................................. 176 Figure n° 63 : Variation de l’amortissement pour différents indices de plasticité (I p ) avec pour un sable
I p = 0 et une argile I p > 50 % (Vucetic et Dobry, 1991) [23]. ................................................................... 176
Figure n° 64 : Transformation de la courbe non linéaire « effort appliqué en tête / déplacement en tête », en une série de segments de droite ................................................................................................. 177 Figure n° 65 : Modèle géotechnique servant d'exemple ................................................................................... 179 Figure n° 66 : Présentation du modèle de calcul ................................................................................................. 180
Figure n° 67 : Variation de l’amortissement pour différents indices de plasticité (I p ) avec pour un sable I p = 0 et une argile I p > 50 % (Vucetic et Dobry, 1991) [23]. ................................................................... 181 Figure n° 68 : Résolution d’un problème d’Interaction Sol -Structure décomposée suivant le théorème
de Kausel. ............................................................................................................................................................... 186 Figure n° 69 : Géométrie du projet ........................................................................................................................... 194 Figure n° 70 : Graphique des raideurs verticales en fonction de la charge verticale par diamètre .... 195 Figure n° 71 : Déformation en champ libre suivant les différentes méthodes ........................................... 200 Figure n° 72 : Etude cinématique sous FOXTA pour un pieu de diamètre 72 cm libre en tête .............. 201 Figure n° 73 : Etude cinématique sous FOXTA pour un pieu de diamètre 72 cm encastré en tête ......201 Figure n° 74 : Spectres de calcul ............................................................................................................................... 213 Figure n° 75 : Comparaison des efforts tranchants suivants les différentes modélisations .................. 215 Figure n° 76 : Comparaison des efforts tranchants suivants les différentes modélisations .................. 216 Figure n° 77 : Courbe des moments fléchissants ................................................................................................. 218 Figure n° 78 : Comparaison des moments fléchissants suivants les différentes modélisations ........... 219 Figure n° 79 : Courbes des déformées ..................................................................................................................... 222 Figure n° 80 : Comparaison des déformées suivant les différentes modélisations................................... 223 Figure n° 81 : Pieu n° 9 - Epures de ferraillages des moments féchissants ................................................. 224 Figure n° 82 : Pieu n° 9 - Epures des efforts tranchants .................................................................................... 226 Figure n° 83 : Pieu n° 29 - Epures des moments fléchissants........................................................................... 228 Figure n° 84 : Pieu n° 29 - Epures des efforts tranchants.................................................................................. 230
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Tableau n° 26 : Coefficient d’amortissement ...................................................................................................... 130 Tableau n° 27 : Capacités maximales STR........................................................................................................... 130 Tableau n° 28 : Dispositions maximales pour les armatures longitudinales de l’exercice ................ 131 Tableau n° 29 : Capacités maximales GEO en kN ............................................................................................. 131 Tableau n° 30 : Raideurs surfaciques du sol ....................................................................................................... 133 Tableau n° 31 : Matrice de souplesse élastoplastique..................................................................................... 134 Tableau n° 32 : Matrice de rigidité élastoplastique......................................................................................... 134 Tableau n° 33 : Rigidité horizontale ...................................................................................................................... 134 Tableau n° 34 : Matrice de rigidité pseudo-élastique ..................................................................................... 135 Tableau n° 35 : Rigidité horizontale pseudo-élastique................................................................................... 135 Tableau n° 36 : Raideur horizontale dans le cas d’un monocouche........................................................... 135 Tableau n° 37 : Raideurs verticales selon la méthode de Frank & Zhao .................................................. 136 Tableau n° 38 : Raideurs verticales selon la méthode forfaitaire............................................................... 136 Tableau n° 39 : Module de réaction linéique pour calcul cinématique (à partir de G)........................ 138 Tableau n° 40 : Moment et effort tranchant sous effet cinématique ......................................................... 139 Tableau n° 41 : Résultats de la répartition des efforts horizontaux – pieux articulés ........................ 145 Tableau n° 42 : Résultats de la répartition des efforts horizontaux – pieux articulés ou encastrés .................................................................................................................................................................................. 146 Tableau n° 43 : Tableau récapitulatif des diamètres pour le calcul de la première itération . ........ 147 Tableau n° 44 : Tableau récapitulatif des diamètres à l’issue de la dernière itération (avec couplage - approche 1) .................................................................................................................................... 149 Tableau n° 45 : Tableau récapitulatif des diamètres à l’issue de la dernière itération (approche 2cas 2 :sans couplage – pieux articulés) ...................................................................................................... 150 Tableau n° 46 : Tableau récapitulatif des diamètres à l’issue de la dernière itération (approche 2 – cas 1 : sans couplage – pieux articulés et/ou encastrés) ..................................................................... 151 Tableau n° 47 : Comparaison des diamètres de pieu à l’issu de la convergence ................................... 152 Tableau n° 48 : Efforts tranchants globaux suivant EX .................................................................................. 155 Tableau n° 49 : Efforts tranchants globaux suivant EY .................................................................................. 156 Tableau n° 50 : Résultante des efforts tranchants globaux .......................................................................... 157 Tableau n° 51 : Efforts de traction globaux ........................................................................................................ 158 Tableau n° 52 : Champs d’application de la catégor ie DCL en fonction du type de construction ; a) bâtiments en BA, b) bâtiments en CM c) bâtiments en maçonnerie .......................................... 170 Tableau n° 53 : Valeur du coefficient C L ............................................................................................................... 172 Tableau n° 54 : Logigramme de synthèse des g(z) et des différentes méthodes.................................... 174 Tableau n° 55 : Récapitulatif des raideurs horizontales en fonction de l’incrément de charge ...... 182 Tableau n° 56 : Récapitulatif des raideurs en rotation en fonction de l’incrément de charge .........182
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