MÉMOIRE DE PFE Développement de la technologie BIM et dimensionnement au séisme
Auteur
Yann TRÉGOAT Étudiant en 5ème année Spécialité Génie Civil Promotion 2016
Tuteur Pédagogique
Tuteur Entreprise
M. Vincent STEINER Enseignant à l’INSA de Strasbourg M. Xavier FREY Ingénieur Structure chez SBE Ingénierie
SOMMAIRE REMERCIEMENTS ............................................................................................................... 4 INTRODUCTION .................................................................................................................. 5 1. PRÉSENTATION DU PFE ............................................................................................... 6 1.1. Présentation de l’entreprise .............................................................................................. 6 1.2. Présentation de l’étude ..................................................................................................... 7 1.3. Présentation des projets pilote BIM Structure ................................................................... 9 1.3.1. Projet pilote pour l’étude sismique – L’ORIGINE DES SOURCES ........................................ 9 1.3.2. Projet pilote pour l’étude structurelle générale et synthèse - FISCHART ........................ 11 2. MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE PARASISMIQUE .................................................. 13 2.1. Cadrage de l’étude et intérêt ........................................................................................... 13 2.2. Problématiques de modélisation ..................................................................................... 13 2.2.1. Analyse des prérequis de modélisation avant exportation ............................................. 13 2.2.2. L’Origine des Sources: Hypothèses de modélisation pour l’analyse sismique ................. 16 2.2.3. Modélisation finale pour étude parasismique ................................................................. 17 2.3. Calculs parasismiques ...................................................................................................... 18 2.3.1. Hypothèses de calcul ....................................................................................................... 18 2.3.2. Analyse modale spectrale sur ROBOT .............................................................................. 22 2.3.3. Analyse sismique avec spectre horizontal de calcul ........................................................ 32 2.3.4. Conclusion de l’analyse .................................................................................................... 39 2.4. Exploitation des résultats ................................................................................................ 39 2.4.1. Points sensibles du projet ................................................................................................ 39 2.4.2. Dimensionnement des armatures réelles BA .................................................................. 39 2.5. Rédaction d’un mode opératoire BIM d’analyse sismique ............................................... 40 3. MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE STATIQUE COMPLEXE ......................................... 41 3.1. Cadrage de l’étude et intérêt ........................................................................................... 41 3.2. Paramètres des DDC manuelle et DDC ROBOT ................................................................. 42 3.3. Résultats ......................................................................................................................... 42 3.3.1. Résultats comparés en réactions d’appuis ...................................................................... 42 3.3.2. Résultats comparés en dimensionnement ...................................................................... 43 3.4. Conclusion de l’étude ...................................................................................................... 44 4. MAQUETTE NUMÉRIQUE ET SYNTHÈSE INTERNE BIM ................................................ 45 4.1. Intérêt de la synthèse interne BIM pour le département Structure .................................. 45 4.2. But et problématiques de développement ...................................................................... 45 4.3. Solutions de collaboration avec REVIT ............................................................................. 46 4.3.1. Solution 1 : Travail en Projets Partagés (PP) .................................................................... 46 4.3.2. Solution 2 : Travail en Fichiers Liés (FL) ........................................................................... 47 4.4. Planning de modélisation ................................................................................................ 51 4.4.1. Besoins de chaque département en terme de modélisation .......................................... 51 4.4.2. Planning indicatif sommaire de modélisation ................................................................. 52 4.5. Test de fonctionnement .................................................................................................. 52 4.6. Gabarits de projet ........................................................................................................... 53 4.6.1. Objectifs des gabarits ...................................................................................................... 53 4.6.2. Gabarits de Structure ....................................................................................................... 54 4.6.3. Gabarit STR Logement Neuf BA ....................................................................................... 54 4.7. L’export de plans DWG pour la phase EXE ....................................................................... 58
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4.7.1. Problématiques de la mise en plan de la maquette numérique ...................................... 58 4.7.2. Transition REVIT-AutoCAD chez SBE ................................................................................ 59 4.7.3. Avantages BIM de la mise en plan AutoCAD ................................................................... 61
CONCLUSION .................................................................................................................... 62 Table des Figures .............................................................................................................. 64 Table des Tableaux ........................................................................................................... 65 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................ 66 OUVRAGES ................................................................................................................................ 66 MÉMOIRES PFE INSA ................................................................................................................. 66 DOCUMENTS AUTODESK ........................................................................................................... 66 ANNEXES .......................................................................................................................... 67 Annexe 1 : Mode opératoire d’analyse sismique modale spectrale REVIT-ROBOT ...................... 67 Annexe 2 : Note de vérification sismique du BLOC A, Mittelhausbergen .................................... 67 Annexe 3 : Dimensions des puits busés, Sous-sol Bât D, Fischart en DDC Manuelle .................... 67
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REMERCIEMENTS Je tiens avant tout à remercier Mme. Michèle KANNENGIESER, Directrice de SBE Ingénierie, pour m’avoir offert l’opportunité de ce PFE complet, formateur et innovant ainsi que pour son grand soutien tout au long de mes démarches de développement. Je remercie également mon tuteur entreprise M. Xavier FREY ainsi que M. Thomas OBER, M. Richard RUNTZ, M. Alain KANNENGIESER, ingénieurs structure, pour leur accompagnement, leur enseignement et leur implication qui ont toujours été une grande source de motivation et d’inspiration. Mes remerciements vont également à l’ensemble des ingénieurs et projeteurs d’SBE Ingénierie pour leur collaboration et leur enthousiasme durant mon PFE : M. Chakir LAMARTI, M. Damien JEHL, M. Xavier GRASSER, M. Emanuel JUNG, M. François SKRIPALLE, M. Sébastien VAUDRY et M. Michael SILVA. Merci aussi à l’équipe d’administration pour leur collaboration et leur bonne humeur : Mme. Monique BOUÉ et M. Clément PAILLET, mais aussi aux autres stagiaires avec qui j’ai pu partager cette expérience riche : Loïc, Issam et Michael. Enfin je remercie M. Vincent STEINER, pour son suivi avisé et toujours sympathique tout au long de mon PFE, ainsi que l’ensemble de l’équipe pédagogique de la spécialité Génie Civil de l’INSA de Strasbourg.
INTRODUCTION J’ai effectué mon Projet de Fin d’Études (PFE) au sein du groupe d’ingénieurs Structure du bureau d’études SBE Ingénierie basé à La Wantzenau. La ligne directrice de ce projet est la mise en place d’un environnement BIM couvrant trois niveaux d’intervention : premièrement, pour l’étude structurelle, notamment parasismique, deuxièmement, pour le travail collaboratif sur une même maquette des départements Structure, Fluides et Électricité du bureau d’études, et enfin, pour l’optimisation de la mise en plan nécessaire au travail de l’ensemble des collaborateurs de SBE. Pour mener à bien cette transition, j’ai travaillé sur deux projets pilote qui étaient en cours d’étude. Partant d’une connaissance quasi-nulle du BIM en général et du fonctionnement d’un bureau de maîtrise d’œuvre tout corps d’état, ce stage de PFE m’a apporté un enseignement aussi riche que formateur. Je me suis confronté à des problématiques de conception bien réelles tout en essayant de développer un système qui va radicalement changer les méthodes de travail et le fonctionnement. L’appui de l’ensemble des ingénieurs qui m’encadraient a donc été primordial et m’a permis de toujours conserver une certaine critique face aux avancées et résultats obtenus. Ce rapport synthétise la totalité des recherches et des études sur l’environnement BIM développé au cours de ces 20 semaines de PFE. Il se décompose en quatre parties. La première présente le bureau d’études, les problématiques du sujet ainsi que les deux projets pilotes qui ont servi au développement des applications en Structure. Dans la deuxième est présentée l’étude parasismique complète du premier projet pilote, de la modélisation au dimensionnement des armatures de béton armé ainsi que le développement du process BIM pour cette application structurelle. Dans un troisième temps, une courte étude fait part de l’application pour l’analyse structurelle complexe sur le deuxième projet pilote, des problématiques de calcul rencontrées et des conclusions obtenues. Enfin, la quatrième partie présente l’ensemble du développement réalisé pour le travail collaboratif interne en BIM, de la modélisation en phase APS à la mise en plan EXE à partir de la maquette numérique.
1. PRÉSENTATION DU PFE 1.1.
Présentation de l’entreprise
Solutions Bureau d’Études S.A.S est un bureau de maitrise d’œuvre créé en 1968 par M. Alain Kannengieser (ingénieur ENSAIS). Durant près de 50 ans, l’entreprise développe son activité sur le territoire de Strasbourg, Metz et Mulhouse avec une politique d’adaptation continuelle aux exigences de performances structurelles, thermiques et financières. Figure 1 Logo Les missions du bureau se déclinent sous tous les aspects de la maîtrise d’œuvre, de la conception à l’exécution : - Génie Civil & Structure - Génie Énergétique & Fluides - Génie Électrique & SSI - Économie de la construction - OPC Ses domaines d’intervention en marchés publics ou privés sont très variés et touchent aussi bien la construction neuve que la réhabilitation ou l’amélioration technique : - Habitation - Éducation & Culture - Santé - Équipements publics - Infrastructures & Urbanisme - Tertiaire & Industriel L’entreprise est composée 18 collaborateurs dont 4 ingénieurs Génie Civil, 1 projeteur en structure, 3 ingénieurs Génie Climatique & Énergétique, 2 ingénieurs Génie Électrique, 1 OPC, 1 économiste de la construction et 3 assistants d’administration. Les récentes réalisations remarquables de SBE en Génie Civil sont, entre autres, l’église orthodoxe russe à Strasbourg, le hangar de fret de l’aéroport international d’Entzheim, la restructuration de la faculté de pharmacie de Strasbourg et la réhabilitation des anciennes archives départementales à Strasbourg rue Fischart. Figure 2 Siège de la Wantzenau
Figure 3 Projet Fischart (à droite) & Église orthodoxe (à gauche)
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1.2.
Présentation de l’étude
Le but principal de mon PFE est le développement de la technologie BIM, au sein de la cellule Structure chez SBE Ingénierie, dans un premier temps pour le calcul parasismique sur des bâtiments dits irréguliers au sens de l’Eurocode 8. Mes recherches sur le sujet ont consisté à tester et analyser les interactions de maquettes numériques REVIT avec le logiciel de calculs de structure Robot Structural Analysis Pro. Ces analyses m’ont permis de développer un mode opératoire de calcul parasismique et de dimensionnement. SBE intervenant en tant que MOE tout corps d’état de la plupart de ses projets, la mise en place d’un processus de synthèse BIM a été la deuxième priorité de mon projet. J’ai donc parallèlement développé des modes opératoires permettant de réaliser des métrés, des synthèses d’équipements et des estimatifs de coûts à partir de la maquette numérique. L’environnement BIM étant un concept relativement nouveau pour l’entreprise, son développement ne s’est pas fait de façon linéaire. Les applications concernées par mon PFE avaient pour vocation essentielle la compréhension globale de la maquette numérique et de ses débouchés afin d’appréhender l’ampleur de l’optimisation possible. Au delà des études structurelles et techniques, mon travail a surtout servi à dégager une base pour un changement radical de méthode de travail. L’objectif général était d’arriver à un environnement collaboratif BIM de niveau 2. J’ai réalisé l’ensemble de mes travaux d’analyse structurelle sur deux projets pilote : - L’Origine des Sources, 13 logements à Mittelhausbergen - Fischart, projet de réhabilitation des anciennes archives départementales rue Fischart à Strasbourg. Le choix de ces projets se basait non seulement sur une raison de calendrier mais également de stratégie de développement. En effet, commencer par un sujet très précis et complexe comme l’analyse sismique m’a permis de développer un outil pouvant répondre aux besoins fondamentaux en matière d’analyse structurelle. Avec les résultats obtenus, j’ai pu étendre ma démarche à des applications plus généralistes, que ce soit pour du calcul, de la synthèse ou de la mise en forme pour les rendus. Le développement de la synthèse BIM interne s’est effectué sur plusieurs autres opérations, à chaque fois de manière ciblée sur une problématique du projet, pour tester les outils mis en place. Les enjeux de cette première phase de développement ont donc été : - Le calcul de structures à partir de la maquette numérique (sismique et statique complexe) - L’interaction Fluides-Structure - L’édition de métrés et de synthèses d’équipement - L’optimisation des opérations de modélisation, de calcul et de rendus - L’exploration du nouveau système pour les sorties de plan en DWG Les livrables attendus de cette première phase de développement étaient : - des modes opératoires internes - des notes de calcul type basées sur des données BIM - des tutoriels et des outils d’aide à l’autoformation - des modèles REVIT prédéfinis (gabarits) pour l’utilisation en Structure
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Afin de mener à terme mon projet dans le temps imparti du stage, nous avons entrepris le schéma de développement suivant :
Figure 4 Schéma de développement de l'environnement BIM chez SBE Ingénierie
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1.3.
Présentation des projets pilote BIM Structure
1.3.1. Projet pilote pour l’étude sismique – L’ORIGINE DES SOURCES
Figure 5 Perspective extérieure côté rue de la Victoire
Le projet de L’Origine des Sources est un programme d’opération locative PLUS & PLAI de 13 logements sur la commune de Mittelhausbergen. Il est composé de deux blocs en R+2/R+3 + Sous-sol (nommés A et B pour l’étude) reliés entre eux par une cage d’escalier et des circulations extérieures en coursives. Il dispose d’une toiture végétalisée sur l’attique du bloc B en R+3 et d’un garage vélos attenant.
Figure 6 Perspective des coursives
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RDC R+1 R+2 R+3 - Attique TOTAL (m2 HAB)
BLOC A
(m HAB) 2
135,4 135,4 135,4 / 824,6
TYPE
7 logts T2 à T4
BLOC B
(m HAB) 2
118,1 127,1 127,1 46,71
TYPE
6 logts T3
Tableau 1 Répartition de la surface des logements - l'Origine des Sources
Structure : Le bâtiment est composé de deux blocs structurellement indépendants (séparés par un joint de dilatation). La cage d’ascenseur est reliée au bloc B et la cage d’escalier desservant les coursives est reliée au bloc A. Les deux blocs sont constitués de voiles et dalles en béton coulé sur place. Les coursives et balcons sont séparés des blocs par des rupteurs thermiques.
Figure 7 Élévation façade Est
Ce projet a été choisi comme projet pilote essentiellement pour sa simplicité face aux problématiques de modélisation BIM et de calculs sismiques. Le planning des études a également joué sur ce choix car il était calé sur celui de mon PFE. Des ratios de temps ont pu être dégagés entre l’utilisation du BIM et le calcul traditionnel. Enfin, ce type de projet est représentatif de la majeure partie des opérations du bureau d’étude, il était donc judicieux de le choisir comme exemple de référence pour l’édition de modes opératoires sismiques et de tutoriels internes.
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1.3.2. Projet pilote pour l’étude structurelle générale et synthèse - FISCHART
Figure 8 Perspective extérieure côté avenue de la Forêt Noire
Le projet de réhabilitation des anciennes archives départementales rue Fischart est une opération foncière de 55 logements clé en main. Il est composé des trois bâtiments existants A, B et C de style Neustadt en R+5 ainsi que d’un nouveau bâtiment D en R+3.
Figure 9 Perspective aérienne du projet
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RDC R+1 R+2 R+3 R+4 R+5 TOTAL 2 (m HAB)
BÂT A
(m HAB) 2
386 235 361 274 361 274 4598,7
TYPE
BÂT B
(m HAB) 2
168 159 / / / /
17 logts T3 à T5 en duplex
TYPE
BÂT C
(m HAB) 2
344 326 343 335 343 335
4 logts T3
TYPE
BÂT D
(m HAB) 2
383 332 232 116 / /
21 logts T2 à T5 en duplex
TYPE
13 logts T2 à T5
Tableau 2 Répartition de la surface des logements - Fischart
Structure : La réalisation du projet comporte des travaux importants de restructuration : - Démolition du bâtiment D existant - Création d’un parking sous-terrain aux abords des bâtiments existant - Démolition et reconstruction des planchers béton des bâtiments existant A, B et C - Construction d’un nouveau bâtiment D en voiles béton courbes avec dalles de transition audessus du nouveau parking sous-terrain
Figure 10 Élévation façades Est
Contrairement au premier projet, celui-ci présente une certaine complexité et donc des études conséquentes en structure. Le but de la modélisation BIM sur l’opération était de gagner un temps important sur les calculs de descente de charges sur la structure atypique du bâtiment D ainsi que sur les métrés de voiles et de dalles. La modélisation a également servi d’outil de communication permettant au bureau d’étude de présenter ses nouvelles compétences BIM à ses interlocuteurs directs (architectes et MOA).
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2. MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE PARASISMIQUE
2.1.
Cadrage de l’étude et intérêt
Ma première mission de développement BIM a été la rédaction d’un mode opératoire pour le calcul parasismique à partir d’une maquette numérique réalisée sur REVIT. Afin d’appréhender l’ensemble des problématiques de ce développement, j’ai travaillé sur le projet de l’Origine des Sources et ai réalisé une étude sismique complète à l’Eurocode 8 sur les deux blocs A et B, dont le rendu au stade PRO était programmé pour fin mars 2016. La cellule structure n’étant familiarisée ni avec l’analyse modale sur ROBOT, ni avec l’environnement BIM, cette étude a permis de développer simultanément le support de modélisation et une application structure qui manquait au panel d’outils des ingénieurs. Dans le cadre général de mon PFE, le but de cette étude n’était donc pas de rédiger l’ensemble des notes de calculs sismiques mais bien de dégager un mode opératoire clair et exhaustif qui puisse servir de base documentaire pour la cellule structure. Le mode opératoire réalisé, en fin d’étude, détaille ainsi (Voir Annexe 1) : - les interactions et les modalités d’exports REVIT-ROBOT - l’édition d’une analyse modale spectrale sur ROBOT - l’édition de l’analyse sismique à l’Eurocode 8 en découlant - les principaux axes de vérification - la récupération des résultats en efforts, déplacements et ferraillage La mise en forme de l’étude a fait l’objet de la création d’un gabarit REVIT (Cf. partie 4.6) pour la modélisation, d’un fichier Word pour la note sismique et d’une note de calcul Excel de vérification sismique.
2.2.
Problématiques de modélisation
Bien que facilitant considérablement le travail de modélisation pour l’étude structurelle, REVIT contient un nombre important de paramètres dont il faut assurer la justesse afin d’obtenir un modèle juste sur ROBOT. Durant les premières semaines de mon PFE, mon travail a essentiellement consisté à explorer et analyser l’impact de ces paramètres sur le calcul. 2.2.1. Analyse des prérequis de modélisation avant exportation 2.2.1.1. Modèle physique / modèle analytique Toute modélisation d’un bâtiment sur REVIT apparaît en premier temps sous la forme d’un modèle physique, c’est-à-dire un modèle 3D plus ou moins réaliste du projet. Ce modèle sert aux rendus visuels et de synthèse pour l’architecte et le MOA. Il prend en compte les épaisseurs de murs, de dalles, les matériaux, les éléments de second œuvre et même la topographie du site.
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Figure 11 Modèle physique REVIT de l'Origine des Sources (maquette architecte)
Les murs, poteaux, dalles et poutres peuvent être tracés selon des axes, et les portes, fenêtres positionnées sur ces murs. Lorsqu’elle est créée par l’architecte, l’ingénieur ou le projeteur, la maquette numérique produit automatiquement ce modèle physique et un modèle secondaire dit « analytique » Ce second modèle est un modèle théorique pour le calcul structurel et thermique, créé simultanément avec le modèle physique (pour les éléments structuraux uniquement). Il prend en compte toutes les caractéristiques physiques et thermiques des éléments de structure et les simplifie par des plaques et des barres (comme sur ROBOT).
Figure 12 Modèle analytique REVIT de l'Origine des Sources (maquette architecte)
Les caractéristiques du modèle analytique sont modifiables, en fonction du projet, de manière globale ou localisée. L’ajustement automatique (justification des plans de murs, jonctions mursdalles) fonctionne relativement bien pour les géométries simples. Pour des projets plus complexes, notamment celui du bâtiment D de Fischart, il faut trouver une logique de modélisation physique pour obtenir le rendu analytique le plus précis possible puis ajuster manuellement les zones imprécises.
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2.2.1.2. Propriétés de matériaux Chaque élément (mur, dalle, poteau, poutre) modélisé possède une batterie de propriétés géométriques, physiques, structurelles et thermiques. Ces propriétés peuvent être modifiées par la création de nouvelles géométries et/ou la création de nouveaux matériaux. Dans le cadre de l’analyse sismique, cette modularité des propriétés de matériaux a toute son importance car elle permet, dès le stade de la modélisation 3D, de prendre en compte les spécificités structurelles du béton des voiles de contreventement pour ce type d’analyse.
Figure 13 Propriétés des matériaux sur REVIT
En effet, pour prendre en compte l’état fissuré du béton lors d’un séisme, l’Eurocode 8 (EN 1998-1 Art. 4.3.1 (7)) recommande de diviser par 2 le module d‘élasticité des éléments de contreventement primaires. 2.2.1.3. Maillage ROBOT pour le calcul À partir du modèle analytique de la modélisation REVIT, le logiciel de calcul de structure va générer un maillage d’éléments finis sur les plaques et les barres. Ce maillage est une étape clé de l’analyse car c’est lui qui va jouer un rôle déterminant sur la précision des résultats. Autrement dit, une modélisation REVIT irréprochable ne pourra pas donner de résultats corrects d’analyse structurelle si le maillage généré sur ROBOT n’est pas adapté. De la même façon, le maillage ROBOT nécessite une modélisation REVIT sans erreur sur le modèle analytique, sans quoi le logiciel n’arrivera pas à calculer. Durant les premières semaines de mon PFE, j’ai étudié l’influence du modèle analytique sur ce maillage. Je me suis d’abord servi de la maquette architecte, dont le modèle analytique n’a pas été traité, pour identifier le champ global des problèmes pouvant être rencontrés. Puis j’ai tenté de modifier le modèle analytique pour arriver à un rendu viable pour la génération du maillage. Malheureusement, la maquette architecte était déjà trop détaillée et ajustée pour opérer efficacement sur le modèle analytique, qui était parasité notamment par des éléments de secondœuvre. J’ai donc re-modélisé le projet pour partir d’une base saine.
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Figure 14 Exemple du non fonctionnement du maillage ROBOT à partir de la modélisation architecte
Quelques considérations simples m’ont permis de réaliser un modèle générant un maillage sans erreur : - le tracé des axes et des niveaux de projet pour générer des points et des lignes d’accroche - la justification des murs analytiques à l’axe du mur et des dalles au niveau supérieur de celles-ci - le tracé des murs physiques en monocouche béton(et non multi-couche béton + isolant + bardage) J’ai donc dégagé de cette analyse une liste exhaustive de règles de modélisation pour la cellule structure. 2.2.2. L’Origine des Sources: Hypothèses de modélisation pour l’analyse sismique 2.2.2.1.
Hypothèses de fonctionnement structurel
Le projet est composé de deux blocs structurellement indépendants, le BLOC A et le BLOC B, séparés par un joint de dilatation. Dans l’analyse sismique suivante, on calcule donc les déplacements de chaque bloc indépendamment (calculs du BLOC B en 2.3, calculs du BLOC A en Annexe 2) Pour des raisons de considération des rupteurs thermiques et acoustiques, les dalles de balcon ne sont pas représentées dans le modèle analytique car elles ne s’apparentent pas à des éléments rigidifiant la structure. Pour le BLOC B, seules les dalles basses et hautes du sous-sol faisant la jonction avec la cage d’ascenseur sont prises en compte car elles constituent une attache rigide de la base de la cage d’ascenseur au bâtiment.
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2.2.2.2. Points faibles de la modélisation Certaines propriétés géométriques entre le modèle physique et le modèle analytique sont à prendre en compte pour estimer la précision des résultats du calcul parasismique sur ROBOT, qui se base donc sur le modèle analytique de la maquette REVIT. En effet, le logiciel de calcul génère son maillage aux éléments finis aux dimensions de ce modèle qui, par définition, diffère sensiblement du modèle physique réel. De manière générale, le modèle analytique aura tendance à redistribuer la matière au niveau des jonctions dalle-voile au profit des voiles. Les plaques théoriques les représentant sont donc toutes augmentées en hauteur d’une épaisseur de dalle. Ceci s’explique par le fait que le modèle analytique d’une dalle est représenté par un plan sur la surface supérieure de la dalle. Bien que cette subtilité de représentation ne présente aucun problème au niveau des sommes d’efforts et de réactions d’appuis, elle est à considérer au niveau des déplacements, justement au niveau des jonctions dalle-voiles où l’erreur peut atteindre une amplitude de ±7%. Dans notre étude, les résultats en déplacement étant relativement faibles, nous avons considéré cette erreur négligeable. 2.2.3. Modélisation finale pour étude parasismique Le modèle analytique final comportait les caractéristiques suivantes : - balcons et acrotères non modélisés - réservations de ventilation non-modélisés - cage d’ascenseur extérieure liée au BLOC B - cage d’escalier extérieure liée au BLOC A - modélisation de fondations filantes de section 900 x 300 mm2 (prédimensionnement) - modélisation du voile coupe feu lié au BLOC B - pas de modélisation de longrines parasismiques
BLOC A
BLOC B
Figure 15 Modélisation REVIT finale pour analyse parasismique (modèle analytique)
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2.3.
Calculs parasismiques
2.3.1. Hypothèses de calcul 2.3.1.1. Eurocode 8 et PS 92 Sur la base de mes cours de conception parasismique de l’INSA et grâce aux deux ouvrages de conception parasismique à l’Eurocode 8 {1}{2}, j’ai pu extraire les hypothèses normatives les plus adaptées au calcul sismique du projet pilote. De manière générale, là où l’Eurocode 8 ne donnait pas de précision suffisante, notamment pour l’analyse modale, j’ai utilisé les règles du PS 92. Pour l’analyse sismique de l’Origine des Sources, j’ai principalement utilisé les articles suivants : - Régularité du bâtiment (EN 1998-1 Art. 4.2.3.3) - Prise en compte de la fissuration, module d’Young divisé par 2 (EN 1998-1 Art. 4.3.1 (7)) - Coefficients de conversion de charges en masses (EN 1998-1 : 2004 Art. 4.2.4 Tab. 4.2) - Valeur de base du coefficient de comportement q0 (EN 1998-1 Art. 5.2.2.2) o Pour les bâtiments irréguliers en élévation, il convient de minorer la valeur de q0 de 20%. o q = max (kw.q0, 1,5) avec pour un système de murs non couplés 0,5 < kw <1,0. kw = (1+α0)/3 avec α0 = ΣHwi/ΣLwi dont : Hwi : hauteur des voiles de contreventement (sur tous les niveaux) Lwi : longueur des voiles de contreventement - Valeur admissible des déplacements entre étages (EN 1998-1 Art. 4.4.3.2 (1a)) dr x v < 0,005 x h Avec dr : déplacement entre étage h : hauteur entre étages v = 0,4 : coefficient de réduction (Décret du 22 octobre 2010) 2.3.1.2.
Matériaux
Le Bas-Rhin est une zone de sismicité dite modérée dans laquelle l’EC8 recommande une classe de ductilité B des aciers pour les voiles de contreventement. Cette hypothèse est garante du fait de se placer en ductilité moyenne (DCM) pour les matériaux constituants les éléments de contreventement primaire. On considère donc pour l’étude un béton C25/30 et des acier S 500 B : Béton : - C25/30 - fck = 25 MPa - Poids volumique : 25 kN/m3 - E = 15 738 MPa (E/2 pour les voiles de contreventement primaires) - Coefficient d’amortissement : 0,05
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Acier : - S 500 B - fyk = 500 MPa - E = 210 000 MPa 2.3.1.3.
Charges
Charges (EN 1991-1-1 Tab. 6.8, Tab. 6.10 & EN 1990 : 2001, Tab. A1.1) : - Permanentes : o Toiture végétalisée : 1,70 kN/m2 o Poids propre structure : 25 kN/m3 - Exploitations : o Toiture : 1,00 kN/m2 (Catégorie H) o Étages courants : 1,50 kN/m2 (Catégorie A) o Sous-sol Parking : 2,00 kN/m2 (Catégorie F) - Climatiques : o Neige : 1,30 kN/m2 Dalle Poids Toiture Exploitation Exploitation Exploitation basse Propre végétalisée courante Toiture parking Sous-sol V X X X V RDC V X V X X R+1 V X V X X R+2 V X V X X Attique & toiture V X V V X R+2 Toiture V V X V X R+3
Neige X X X X V
V
Tableau 3 Zones d'application des charges
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Coefficients de conversion de charges en masses (EN 1998-1 : 2004 Art. 4.2.4 Tab. 4.2) ΨEi = Ψ2i x φ - Permanentes : o Toiture végétalisée : 1,00 o Poids propre structure : 1,00 - Exploitations : o Toiture : 0,00 (car projet à une altitude < 1000 m) o Étages courants : 0,24 (catégorie A) o Sous-sol Parking : 0,60 (catégorie F) - Climatique o Neige : 0,00 (car projet à une altitude < 1000 m)
Tableau 4 Coefficients de pondération sismique EN 1998 (source: Autodesk)
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2.3.1.4.
Hypothèses sismiques
-
Zone de sismicité : BAS-RHIN, MODÉRÉE Classe de sol : C (d’après rapport de sol, FONDASOL) Catégorie de bâtiment : II
Figure 16 Zones de sismicité en Alsace (source: DREAL Alsace)
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2.3.1.5.
Hypothèses d’interactions sol-structure
Dans le cas général d’un sol hétérogène, la raideur du sol au niveau des fondations joue un rôle important dans l’analyse sismique. En effet, le séisme étant une accélération du sol appliquée sur le bâtiment, la raideur du sol est directement liée à l’amplitude de l’action sismique : plus le sol est raide, moins l’énergie est dissipée dans le sol, plus les efforts sismiques à la base du bâtiment sont importants. Le calcul des raideurs des fondations dépend de nombreux paramètres et génère globalement des efforts sismiques moins défavorables pour la structure. N’ayant pas de processus optimisé pour leur calcul, et dans une mesure de sécurité, nous avons considéré les fondations comme des encastrements rigides. 2.3.2. Analyse modale spectrale sur ROBOT 2.3.2.1. Principe L’analyse modale spectrale consiste à appliquer à une structure un ensemble de modes de vibrations et d’analyser la réponse du bâtiment en terme de pourcentage de masses modales excitées et de déplacements. Cette analyse se réalise en 4 étapes : - Recherche des modes propres - Application ou non d’un pseudo-mode - Extraction des modes principaux par direction (X, Y et Z) - Combinaison des réponses modales
Figure 17 Schéma de principe de l'analyse modale (source : IUT Toulouse)
L’avantage de cette analyse par rapport à une autre (modèle simplifié en brochette ou analyse par forces latérales, par exemple) réside dans le fait que la recherche des modes prépondérants permet de s’approcher au plus près du comportement réel de la structure tout en limitant l’étude dynamique du système à plusieurs degrés de liberté. Cette limitation n’est pas défavorable car au delà d’une certaine fréquence, appelée fréquence de coupure (fixée à 33 Hz pour un ouvrage à risque normal), les modes de vibration supplémentaires apportent une contribution négligeable à la réponse dynamique de la structure.
22
Evolution de la masse modale effective cumulée en fonction des modes de vibration Masse modale effective cumulée (%)
80 70 60 50 40
Masse modale cumulée X (%)
30
Masse modale cumulée Y (%) Masse modale cumulée Z (%)
20 10 0 -10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Fréquence (Hz)
Figure 18 Modes propres de l'analyse modale du BLOC B de l'Origine des Sources
La réponse globale approchée est déterminée par une combinaison d’un nombre limité de modes dits premiers et éventuellement d’un pseudo-mode. Ce dernier permet de prendre en compte les modes proches de la fréquence de coupure en un seul mode pour lequel est atteinte 100% de la masse modale effective cumulée. La recherche des modes propres consiste donc à appliquer un nombre de modes suffisant pour exciter un certain pourcentage de masses modales cumulées pour être certain de n’avoir oublié aucun mode prépondérant. L’application d’un pseudo-mode (ou mode résiduel) s’avère utile lorsque ce pourcentage n’est pas atteint au voisinage de la fréquence de coupure. La dépendance des périodes de vibration des modes propres trouvés permet de déterminer la formule de combinaison de modes prépondérants par direction pour la réponse globale dynamique du bâtiment. 2.3.2.2.
Paramètres d’analyse modale sur ROBOT
-
Maillage Delaunay à éléments finis quadratiques de taille 0,50 m Matrice des masses concentrées sans rotation Directions actives : X ; Y ; Z Densité négligée (prise en compte du poids propre dans cas de charge PERM) Vérification de Sturm
Le maillage Delaunay à éléments finis quadratiques est recommandé par le PS 92 pour l’analyse modale spectrale. La taille d’élément de 50 cm est optimale car elle permet d’obtenir un degré de précision très satisfaisant tout en limitant le temps de calcul. La matrice des masses concentrées est générée sans prendre en compte les degrés de liberté en rotation d’une part parce qu’il est inutile d’analyser les rotations à chaque nœud du modèle et d’autre part parce que l’application d’un mode résiduel n’est pas possible avec l’option «avec rotation ». La vérification de Sturm est un algorithme automatique qui permet de vérifier que les modes obtenus par itérations successives sont bien premiers. L’ensemble de ces paramètres d’analyse modale permet d’obtenir des résultats précis en un temps limité de calcul (environ 2 à 3 minutes).
23
Figure 19 Paramètres ROBOT de l'analyse modale
2.3.2.3. Critère de choix du nombre de modes L’EC 8 fixe l’arrêt de la recherche des modes lorsqu’au moins 90% de la masse modale effective cumulée a été atteinte dans les trois directions. Cependant cette condition est très rarement obtenue pour des fréquences inférieures à la fréquence de coupure, et dans un bon nombre de projets, il faut plus de 120 modes pour atteindre ce seuil. Seuls des bâtiments réguliers, en plan et en élévation, très contreventés avec des proportions particulières, peuvent y parvenir avec un nombre de modes restreint. Pour limiter la recherche, l’application d’un pseudo-mode est souvent utile car il permet de condenser tous les modes supplémentaires en un seul mode qui totalise 100% de masse modale effective cumulée. L’EC8 ne spécifiant rien sur le pseudo-mode, il se réfère au PS 92 pour son application :
24
Figure 20 Organigramme de choix des modes propres (source : Autodesk)
Dans le cas du BLOC B, on applique 30 modes dans un premier temps. Les 90 % de masse modale effective cumulée ne sont pas atteints pour une fréquence de coupure de 33Hz. Le dernier mode avant cette fréquence est le suivant :
Mode 28
Fréquence (Hz) 32,73
Masse cumulée X (%) 73,25
Masse cumulée Y (%) 67,91
Masse cumulée Z (%) 37,02
Tableau 5 Dernier mode avant la fréquence de coupure
Conclusion : - Utilisation d’un mode résiduel dans l’analyse sismique (mode 29) - Mode fondamental : Mode 1 à 2,06 Hz qui mobilise 3,09 % de masse selon X qui sera donc certainement la direction prédominante en terme de pourcentage de masse modale excitée.
25
2.3.2.4. Utilisation d’un pseudo-mode L’application du mode résiduel (ou pseudo-mode) se règle dans les paramètres d’analyse sismique sur ROBOT. En créant le cas de charge sismique, on peut éditer ce mode résiduel en limitant la recherche à la fréquence de coupure. Un dispositif de filtre permet de l’appliquer à partir du dernier mode avant le seuil de 33 Hz. Dans notre cas, le mode résiduel, mode n°29, s’applique donc juste après le mode n°28 à 32,95 Hz.
Figure 21 Paramétrage du mode résiduel sur ROBOT
Une simple vérification après lancement des calculs permet de vérifier que 100% des masses modales effectives cumulées sont bien atteintes dans les trois directions. Dans notre analyse, cette condition est vérifiée et donc aucun mode de premier rang n’a été omis dans la recherche. 2.3.2.5.
Extraction des modes prépondérants par direction
Direction X Y Z
Mode 4 6 26
Fréquence (Hz) 9,18 11,32 29,09
Période (s) 0,11 0,09 0,03
Masse (%) U… 48,26 32,96 14,17
Tableau 6 Modes prépondérants
Ces modes sont ceux excitant les plus grands pourcentages de masse modale dans chaque direction, ce sont donc eux qui sont prépondérants. 2.3.2.6.
Combinaison des réponses modales
Une fois les modes propres trouvés, il faut choisir la formule de combinaison de ces modes qui donnera la réponse dynamique globale du bâtiment. Deux types de combinaison existent pour deux situations différentes, prenant en compte la dépendance des modes entre eux. Pour choisir la bonne combinaison, l’EC 8 donne la condition suivante (EN 1998-1 Art. 4.3.3.3.2) : - Si le rapport de deux périodes voisines Ti / Tj < 0,9 alors les modes sont indépendants et on utilise la combinaison SRSS (racine carrée de la somme des carrés) - Si le rapport de deux périodes voisines Ti / Tj > 0,9 alors les modes sont dépendants et on utilise la combinaison CQC (combinaison quadratique complète, avec coefficient de corrélation βij). Cette combinaison est préférable, même si les modes sont indépendants car elle est plus précise. Dans notre analyse, la totalité des modes sont tels que Ti / Tj > 0,9, on opte donc pour la combinaison CQC (choisie automatiquement sur ROBOT).
26
Figure 22 Déformation modale selon X (mode 4)
27
Figure 23 Déformation modale selon Y (mode 6)
28
Figure 24 Déformation modale selon Z (mode 26)
2.3.2.7.
Vérification des masses modales du modèle
Une première vérification du bon fonctionnement de l’analyse modale consiste à comparer la somme totale de masse modale effective à la somme des charges pondérées par les coefficients d’action sismique : Masse modale effective totale (ROBOT) : 1 044 374,28 kg = 1044,37 t
29
Vérification avec descentes de charges ROBOT en combinaison sismique :
Figure 25 Tableau des réactions ROBOT
Cas 1 2 4 5 6 7
Nom PERM EXPLOIT Courant NEIGE EXPLOIT Sous-sol EXPLOIT Toiture PERM Toiture végét.
Force FZ (kN) 10109,79 867,56 289,15 354,30 56,00 95,19
Pondération ψEi 1,00 0,24 0,00 0,60 0,00 1,00
Tableau 7 Charges totales & pondérations sismiques
30
Soit une masse totale de (10109,79 x 1,00 + 867,56 x 0,24 + 289,15 x 0,00 + 354,30 x 0,60 + 56,00 x 0,00 + 95,19 x 1,00) / 9,81 = 1083,16 t On trouve donc un écart de 38,79 t. Cet écart s’explique en partie par le fait que le modèle du bâtiment présente des liaisons rigides au niveau de ses fondations. Ainsi, les masses au niveau des nœuds de liaison voiles/dalles-fondations ne sont pas prises en compte dans l’analyse modale. En prenant en compte le linéaire de voile et de dalle concerné (109,91 ml mesuré sur REVIT) sur une hauteur d’une demi-maille, on obtient : 109,91 x 0,20 x 2,5 x 0,5 / 2 + 109,91 x 0,25 x 2,5 x 0,5 / 2 = 30,91 t On obtient donc une masse totale de : 1044,37 + 30,91 = 1075,28 t ≈ 1083 t L’erreur relative sur la prise en compte des masses est alors de 0,73%. On peut donc conclure que l’analyse modale délivre des résultats cohérents avec ceux de la descente de charges ROBOT. La modélisation est donc vérifiée pour une analyse sismique.
31
2.3.3. Analyse sismique avec spectre horizontal de calcul 2.3.3.1.
Principe général de l’analyse sismique par analyse modale
Figure 26 Schéma récapitulatif de la démarche d'analyse sismique par analyse modale
2.3.3.2. Paramètres ROBOT Les paramètres d’analyse sismique sont prédéfinis dans ROBOT. Sa base de données permet de générer automatiquement le spectre de calcul horizontal du séisme en fonction de la zone de sismicité, de la catégorie d’importance du bâtiment et de la classe de sol. Il faut effectuer le calcul du coefficient de comportement en amont de cette analyse (son calcul est détaillé au paragraphe suivant).
32
Figure 27 Paramètres d'analyse sismique sur ROBOT
2.3.3.3. Vérification des torseurs sismiques à la base du bâtiment Cette vérification permet de déceler des éventuels problèmes de prise en compte de charges ou de direction de déclaration de masse modale. On vérifie ici que l’effort tranchant sismique, pour les modes prépondérants calculé par ROBOT, correspond bien au même effort tranchant calculé avec les formules de l’EC 8. - Coefficient de comportement q o Régularité du bâtiment (EN 1998-1 Art. 4.2.3.3) D’après l’article 4.2.3.3 de l’EC8, on peut conclure que le bloc B étudié est irrégulier en plan et en élévation car il ne présente, entre autres, pas de symétrie selon deux axes orthogonaux ni en plan ni en élévation. o Classe de ductilité Pour les bâtiments en béton armé de catégorie A (Résidentiel) dans le Bas-Rhin (zone de sismicité modérée), une classe de ductilité moyenne DCM est recommandée par l’EC8. On retient donc cette classe. o Valeur de base du coefficient de comportement q0 (EN 1998-1 Art. 5.2.2.2) Le schéma structurel du bloc B est un système de murs non couplés. On prend donc une valeur de base : q0 = 3,0
33
o
Valeur du coefficient de comportement q
Pour les bâtiments irréguliers en élévation, il convient de minorer la valeur de q0 de 20%. On obtient donc : q0 = 2,4. Enfin, q = max (kw.q0, ; 1,5) avec pour un système de murs non couplés 0,5 < kw <1,0. kw = (1+α0)/3 avec α0 = ΣHwi/ΣLwi = 158,85 / 245,92 = 0,626 (mesuré sur REVIT) Donc kw = (1+α0)/3 = (1+ 0,626)/3 = 0,54 q = max (kw.q0 ; 1,5) = max (0,54 x 2,4 ; 1,5) = max (1,3 ;1,5) Donc q = 1,5 - Accélération sismique o Accélération de référence ag En zone de sismicité modérée, ag= 1,1 m/s2. o Coefficient de topographie S Pour un sol de catégorie C et un spectre de type 2, S = 1,50. o Spectre de calcul horizontal Pour les deux directions sismiques X et Y, les périodes sont telles que TB < T < TC . On prendra donc la formule d’accélération sismique suivante : Sd(T) = ag x S x 2,5 / q Sd(T) = 1,1 x 1,50 x 2,5 / 1,5 Sd(T) = 2,75 m/s2 - Efforts tranchants sismiques o Direction X Le mode 4 mobilise 48,26% de la masse selon UX, donc l’effort tranchant sismique vaut: 1044,27 x 0,4826 x 2,75 = 1385,90 kN Vérification de l’analyse ROBOT :
Tableau 8 Synthèse des efforts sismiques ROBOT selon X (Mode 4)
L’erreur relative entre les deux valeurs est inférieure à 0,01%.
34
o
Direction Y
Le mode 6 mobilise 32,96% de la masse selon UY, donc l’effort tranchant sismique vaut : 1044,27 x 0,3296 x 2,75 = 946,53 kN Vérification de l’analyse ROBOT :
Tableau 9 Synthèse des efforts sismiques ROBOT selon Y (Mode 6)
L’erreur relative entre les deux valeurs est égale à 0,01%. Les torseurs sismiques des spectres horizontaux sont donc vérifiés. Le modèle et l’analyse sismique sont validés. 2.3.3.4.
Analyse des déplacements
- Déplacement maximum : L’EC8 ne donne pas de limitation de déplacement global maximum du fait de la prise en compte de 3 classes de ductilité DCL, DCM et DCH. Dans notre cas, DCM, le bâtiment est supposé assurer une dissipation d’énergie suffisante qui évite toute rupture fragile sur les éléments de contreventement primaire. - Combinaisons sismiques de Newmark : Afin de combiner les effets des actions sismiques de chaque direction (X, Y et Z), on utilise les formules de Newmark. Ces formules se composent en trois jeux de combinaisons pouvant décrire l’action sismique globale appliquée à la structure : Jeu 1 (X) : E = ± 1,0*EX ± 0,3*EY ± 0,3*EZ Jeu 2 (Y) : E = ± 0,3*EX ± 1,0*EY ± 0,3*EZ Jeu 3 (Z) : E = ± 0,3*EX ± 0,3*EY ± 1,0*EZ Chaque jeu propose donc 4 combinaisons, soit 12 combinaisons au total. Pour chacune d’elles, ROBOT prend en compte la combinaison modale CQC selon les trois directions sismiques. L’analyse des déplacements maxima sur le logiciel permet d’extraire les combinaisons les plus défavorables pour la structure. L’analyse ROBOT donne les résultats en déplacement suivant : - Déplacements maxima selon X pour le cas 12 (combinaison de Newmark) : 1*X + 0,3*Y + 0,3*Z
35
-
Déplacements maxima selon Y pour le cas 16 (combinaison de Newmark) : 0,3*X + 1*Y + 0,3*Z
Pour obtenir les déplacements de la combinaison accidentelle la plus défavorable, on créer deux cas de charges supplémentaires comprenant les charges permanentes, les charges d’exploitations affectées du coefficient 0,3 et l’effet de l’action sismique la plus défavorable en déplacement pour chaque direction. Déplacements maxima sous combinaison accidentelle :
Figure 28 Déplacements extrêmes globaux du Bloc B
Direction X Y
Combinaison Accidentelle G + 0,3.Q + E (12 CQC) G + 0,3.Q + E (16 CQC)
Dép. max Bât. (cm) 0,2 0,5
Dép. max Asc. (cm) 3,6 1,2
Tableau 10 Déplacements maxima pour les combinaisons accidentelles
On distingue les déplacements maxima du bâtiment de ceux de la cage d’ascenseur extérieure car cette dernière a une forme très élancée en élévation qui est de toute façon très préjudiciable face à l’action du séisme.
36
Figure 29 Déplacements sous combinaison accidentelle selon X
Figure 30 Déplacements sous combinaison accidentelle selon Y
37
2.3.3.5. Vérification des déplacements entre étages EN 1998-1 Art. 4.4.3.2 (1a) : dr x v < 0,005 x h Avec - dr : déplacement entre étage - h : hauteur entre étages - v = 0,4 : coefficient de réduction (Décret du 22 octobre 2010) DIRECTION X BÂTIMENT : 0,2 x 0,4 < 0,005 x 280 0,08 cm < 1,40 cm La condition est donc vérifiée sur la direction X pour le bâtiment. DIRECTION X ASCENSEUR : 3,6 x 0,4 < 0,005 x 280 1,44 cm < 1,40 cm La condition est donc non-vérifiée sur la direction X pour l’ascenseur (voir conclusion). DIRECTION Y BÂTIMENT : 0,5 x 0,4 < 0,005 x 280 0,1 cm < 1,40 cm La condition est donc vérifiée sur la direction Y pour le bâtiment. DIRECTION Y ASCENSEUR : 1,2 x 0,4 < 0,005 x 280 0,48 cm < 1,40 cm La condition est donc vérifiée sur la direction Y pour l’ascenseur. 2.3.3.6.
Condition de joint sismique
Un joint de dilatation est présent entre les blocs A et B au niveau de la cage d’escalier extérieure. Son dimensionnement, à partir des déplacements maxima selon X, prend en compte ceux des deux blocs : Bloc A : UXA = 0,5 cm Bloc B : UXB = 0,2 cm D > UXA + UXB = 0,5 + 0,2 = 0,7 cm La largeur minimale du joint doit donc être égale à 1 cm.
38
2.3.4. Conclusion de l’analyse Les déplacements du bâtiment du bloc B sont relativement faibles sous combinaison accidentelle avec les combinaisons sismiques de Newmark produisant le plus de déplacements. Cela est dû au fait que le bloc B présente une géométrie relativement monobloc, bien qu’étant jugée irrégulière en plan et en élévation. De plus, la considération d’une classe de ductilité moyenne DCM implique la bonne dissipation de l’énergie sismique à travers les voiles de contreventement. Il en résulte des déplacements minimes. Seul le bloc d’ascenseur extérieur n’est pas vérifié. Les déplacements indiquent même la rupture du bloc en partie haute. Ces résultats sont essentiellement dus à sa forme élancée et son ancrage rigide au niveau du sous-sol et du RDC qui lui confèrent un comportement de pendule inversé. Un système d’ancrage et de renforcement du bloc d’ascenseur est donc à prévoir. Les vérifications menées sur les masses modales, ainsi que sur les torseurs sismiques en bas de bâtiment, nous confirment que les résultats obtenus par l’analyse ROBOT sont justes.
2.4.
Exploitation des résultats
2.4.1. Points sensibles du projet L’analyse menée sur l’Origine des Sources nous a montré que la géométrie, les proportions et les matériaux constitutifs de la structure du bâtiment lui confèrent globalement une bonne dissipation de l’énergie sismique. Ces résultats sont déduits, entre autres, de la faible amplitude des déplacements sous combinaisons accidentelles. Cependant, certains points sensibles restent à vérifier au niveau des efforts de cisaillement sismique. En effet, la jonction entre l’infra et la superstructure est particulièrement exposée à ces efforts de part la différence de géométrie importante dans cette zone. Cette caractéristique se retrouvant dans un grand nombre de projets, il est apparu intéressant pour le mode opératoire général d’optimiser le traitement des données en efforts. 2.4.2. Dimensionnement des armatures réelles BA Pour dimensionner les armatures réelles, il faut isoler chaque élément (voile, dalle, poutre ou poteau) et le transposer dans un module ROBOT de calcul automatique du ferraillage, ou bien afficher les résultats en plaque et coques pour le ferraillage théorique, et utiliser un fichier Excel de calcul des armatures. La première méthode peut s’appliquer correctement pour des voiles, des poutres et des poteaux mais le module pour les dalles ne donne pas des résultats bien optimisés. On utilise alors les résultats de ferraillage théorique pour les dalles. Dans les deux cas, le processus est assez long et fastidieux. Mais le temps passé sur ce dimensionnement est à confronter au temps gagné sur la modélisation et les vérifications avec une méthode de calcul plus traditionnelle. L’autre avantage du module de dimensionnement ROBOT est l’édition de plans de ferraillage détaillés par élément, ce qui réduit de façon significative le temps passé en phase EXE pour l’édition de plans et de listes de fers, au moins en ce qui concerne les éléments simples.
39
Ces deux considérations, discutées avec mes encadrant en Structure, m’ont amené à optimiser ce processus de dimensionnement automatique. Pour chaque type d’élément, j’ai recherché les paramètres de calcul et de disposition des armatures les plus adaptées au projet de l’Origine des Sources.
Figure 31 Module de ferraillage ROBOT pour un voile extrait de la modélisation
2.5.
Rédaction d’un mode opératoire BIM d’analyse sismique
À mi-parcours de mon PFE, j’ai rédigé un mode opératoire détaillé complet pour l’analyse sismique sur ROBOT à partir d’une modélisation REVIT. J’ai également réalisé un tutoriel vidéo du processus permettant à mes collègues de se former (Voir Annexe 3). La présentation du procédé et le rendu des livrables de formation, le 11 avril 2016, a fait foi du bon achèvement de la première étape de mon PFE, en ce qui concerne la partie sismique.
40
3. MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE STATIQUE COMPLEXE 3.1.
Cadrage de l’étude et intérêt
En parallèle du développement de l’analyse sismique, j’ai travaillé sur la descente de charges statiques du nouveau bâtiment D des anciennes archives départementales rue Fischart. Tout comme l’analyse sismique, l’optimisation du temps de travail à travers l’environnement BIM était la problématique principale. Le projet du bâtiment D s’est avéré idéal pour cette étude, car sa géométrie demandait une étude structurelle manuelle à la frontière entre un fonctionnement RDM et un fonctionnement en plaques. En effet, les formes « patatoïdes » des dalles et la présence de voiles de façade non plombant rendaient la méthode RDM traditionnelle très délicate et imprécise dans ces zones du projet.
Figure 32 Modélisation REVIT du projet Fischart
Après une réflexion préalable avec le responsable Structure du projet, nous avons estimé judicieux de comparer les résultats de la méthode RDM manuelle à ceux de l’analyse en plaques aux éléments finis de ROBOT. J’ai donc modélisé le bâtiment D sur REVIT et exporté le modèle sur ROBOT pour calculer les réactions d’appuis et dimensionner les puits nécessaires. Pendant ce temps, le responsable Structure a réalisé la descente de charge manuelle. Notre étude comparative a été évaluée sur les critères suivants : - Écart des valeurs des réactions d’appuis au niveau des murs plombant du noyau (cage d’ascenseur et cage d’escalier) - Répartition des charges dans les dalles de transfert - Diamètre des puits busés résultant des réactions d’appuis
41
3.2.
Paramètres des DDC manuelle et DDC ROBOT
Le principe de la DDC manuelle pour le bâtiment D était de découper les dalles en tronçons de plus petite portée unidirectionnelle. Cette considération a permis, à défaut de précision, de dégager les zones et les valeurs d’efforts théoriques les plus préjudiciables pour la structure, notamment pour le poinçonnement des dalles. Les résultats au niveau des voiles du noyau ont été pris comme référence pour la comparaison avec méthode en plaques. Pour la DDC ROBOT, j’ai décomposé les cas de charge sur REVIT de la même façon que pour la DDC manuelle et ai paramétré les dalles de transfert comme bidirectionnelles, ce qui leur confère un réel fonctionnement en plaque sur le logiciel de calculs.
Figure 33 Modèle ROBOT du bâtiment D, exporté depuis REVIT
Pour comparer les résultats des deux DDC, j’ai paramétré les résultats en réactions d’appuis comme linéaires moyens (moyenne calculée par intégration des résultats aux nœuds des éléments finis de chaque plaque). Ce paramètre devrait, en théorie, donner des valeurs différentes pour les deux méthodes, mais dans le même ordre de grandeur.
3.3.
Résultats
3.3.1. Résultats comparés en réactions d’appuis DDC manuelle : Zone Valeur max des réactions d’appuis Noyau 240 kN/m Voiles périphériques 75 kN/m Voiles de refend 245 kN/m Poteaux 1245 kN Tableau 11 Récapitulatif en réactions d'appuis de la DDC manuelle
42
DDC ROBOT : Zone Noyau Voiles périphériques Voiles de refend Poteaux
Valeur max des réactions d’appuis 296 kN/m 40 kN/m 336 kN/m 517 kN
Tableau 12 Récapitulatif en réactions d'appuis de la DDC ROBOT
Les résultats en réactions d’appuis présentent des différences très importantes. Au niveau du noyau, les ratios sont en moyenne de 1,45 sur des petites longueurs de voile. Les résultats dans les zones de voiles périphériques sont bien plus faibles pour la DDC ROBOT, bien que les valeurs max pour cette zone soient relativement proches aux vues des deux méthodes de calcul. Là où les résultats ne sont pas satisfaisants, c’est au niveau des poteaux avec des ratios de près de 2,2.
Figure 34 Visualisation des réactions d'appuis sur ROBOT
3.3.2. Résultats comparés en dimensionnement Le dimensionnement des puits busés s’est appuyé sur des dispositions constructives recommandées par le rapport de sol. Celui-ci a déterminé une contrainte maximale qELS de 0,53 MPa, ce qui nous a permis de dégager les diamètres des 61 puits requis. Dans les deux cas, nous avons opté pour des diamètres courants avec au minimum un diamètre de puits de 100 cm (La disposition des pieux de la DDC manuelle est donnée en Annexe 4). DDC manuelle : Diamètre des puits (cm) Nombre Ratio Ø 120 34 55,7 % Ø 140 11 18 % Ø 160 10 16,5 % Ø 180 4 6,5 % Ø 200 2 3,3 % TOTAL 61 100 % Tableau 13 Récapitulatif des puits busés avec la DDC manuelle
43
DDC ROBOT : Diamètre des puits (cm) Ø 100 Ø 120 Ø 140 Ø 160 Ø 180 TOTAL
Nombre 34 11 11 4 1 61
Pourcentage 55,7 % 18 % 18 % 6,6 % 1,7 % 100 %
Tableau 14 Récapitulatif des puits busés avec la DDC ROBOT
3.4.
Conclusion de l’étude
De manière générale, les résultats obtenus n’ont pas été concluants, dans ce projet en particulier, pour l’utilisation de la DDC ROBOT. Cette conclusion s’explique essentiellement par la répartition de charges ROBOT jugée inadéquate. En effet, les résultats en efforts sont faibles en bordure de projet et au niveau des poteaux, comparativement à la DDC manuelle et parfois deux fois plus élevés dans certaines zones du noyau. Bien que la méthode RDM soit dans ce cas imprécise, les résultats au niveau des cages d’ascenseur et d’escalier ne devraient pas être si différents, car ils induisent une répartition trop hétérogène aux vues de la géométrie du projet. Après avoir vérifié la prise en compte de tous les cas de charge de manière globale, ainsi que les paramètres de l’analyse en plaques, nous avons conclu que les différences ne pouvaient provenir que du mode de calcul. J’ai donc effectué des recherches sur le sujet, notamment à travers des mémoires de PFE INSA, qui nous ont confirmé certains points non concluant de la DDC ROBOT. Ce que nous avons pu tiré de cette recherche est que le mode de calcul en plaques du logiciel est une méthode aux éléments finis, qui répartit les charges au prorata des raideurs. Dans un modèle aux éléments finis, ces raideurs sont directement proportionnelles à la concentration de nœuds du maillage 3D. En pratique, cela veut dire qu’un noyau composé de nombreux voiles forme un ensemble compact très maillé, donc très raide, et qu’un poteau, modélisé par une seule barre, forme un ensemble de 3 à 4 nœuds au plus, donc d’une raideur quasi nulle. Ainsi, la DDC ROBOT fait descendre les charges en grande majorité dans le noyau central, au maillage très resserré, et très peu dans les voiles périphériques courbes, au maillage beaucoup plus large et régulier. Quant aux poteaux du sous-sol, ils ne reprennent que la fraction de charge transmise par la dalle de transition du RDC sur une surface correspondant aux éléments finis adjacents à son extrémité. Toutes ces considérations, associées au fait que la méthode RDM est conservatrice et mène certainement à un surdimensionnement, explique les écarts énormes de valeurs entre les deux méthodes. Le mode de répartition exact de la DDC ROBOT n’étant pas entièrement connu, dans le temps imparti à l’étude, et le dimensionnement des puits n’étant pas globalement beaucoup plus défavorable avec la DDC manuelle, c’est cette dernière qui a été retenue pour les justifications du projet. Une simple note de synthèse a été délivrée au bureau pour rendre compte des résultats obtenus, la simplicité de l’opération n’ayant pas demandé de mode opératoire particulier.
44
4. MAQUETTE NUMÉRIQUE ET SYNTHÈSE INTERNE BIM 4.1.
Intérêt de la synthèse interne BIM pour le département Structure
La deuxième étape de mon PFE a été le développement d’un processus et d’un support de collaboration de modélisation interne entre les trois départements du bureau d’études. L’objectif général était de se rapprocher d’un fonctionnement BIM de niveau 2, c’est-à-dire un travail collaboratif simultané des différents corps de métiers sur un seul et même modèle. L’intérêt pour l’ensemble des départements est bien entendu le gain de temps et la facilitation de la synthèse, notamment au niveau des conflits de tracé. Pour le département Structure plus particulièrement, les enjeux de cette collaboration étaient : - la synthèse facilitée avec les département Fluides et Électricité pour tout ce qui concerne les réservations - la possibilité de calculer la structure plus efficacement en limitant les ressaisies - la possibilité d’extraire de la modélisation collaborative la base géométrique des projets pour l’élaboration de plans d’exécution (coffrage, ferraillage) Afin d’appréhender l’ensemble des problématiques de cette collaboration, j’ai travaillé de paire avec M. Loïc Ducerf, PFE en GCE5 au département Fluides chez SBE. Notre travail en commun sur le sujet a permis de dégager le mode de collaboration BIM le plus adapté pour les trois départements. Cette base nous a ensuite servi à chacun pour développer les applications dans nos départements respectifs.
4.2.
But et problématiques de développement
Le but général de cette première phase de développement interne est d’obtenir un procédé de modélisation et de calcul permettant : - un même support de modélisation - des espaces de travail séparés orientés département (Structure, Fluides et Électricité) La mise en place d’un tel environnement de travail a soulevé les problématiques suivantes : - interactions ou droits de modification sur le modèle - planning de modélisation en fonction des besoins de chaque département - Utilisation de gabarits de projet orientés département - Évolutivité de l’environnement mis en place - Liens externes au bureau d’études (Architecte et MOA) Avec ces problématiques, nous avons exploré les solutions de collaboration REVIT compatibles avec le mode de fonctionnement interne du bureau d’études. Nous avons pu dégager de ces recherches deux solutions principales.
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4.3.
Solutions de collaboration avec REVIT
4.3.1. Solution 1 : Travail en Projets Partagés (PP) 4.3.1.1. Projets partagés Le principe des Projets Partagés (PP), est de créer un fichier REVIT (Fichier Central) et de générer des « clones » de ce modèle (Fichiers Locaux), autant qu’il y a d’intervenants dans le projet. Les Fichiers Locaux sont synchronisés avec le Fichier Central qui sert de HUB d’information entre tous les intervenants. 4.3.1.2. Fichier Central & fichier locaux La particularité du système de collaboration en PP réside dans la synchronisation. En effet, si un Fichier Local synchronise des modifications de maquette avec le Fichier Central, ce dernier, mais aussi tous les autres Fichiers Locaux vont prendre en compte ces modifications.
Figure 35 Schéma de fonctionnement collaboratif en PP
Ainsi, à chaque ouverture de fichier par un intervenant, une synchronisation de démarrage permet de générer dans son fichier « clone » l’ensemble des mises-à-jour du modèle, opérées par les autres intervenants. Il peut dès lors observer la présence de conflits entre les différents éléments modélisés, par exemple entre une gaine et une poutre. Dans le principe, ce système est très bien adapté à la collaboration, mais au fur et à mesure de l’avancement du projet, la maquette peut devenir vraiment illisible. Comme il est rarement nécessaire de tout visualiser, il est judicieux d’utiliser un outil de filtrage des éléments modélisés : les sous-projets.
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4.3.1.3. Sous-projets Les sous-projets d’un même fichier REVIT fonctionnent comme une partition en plusieurs blocs de ce fichier. Ce système est similaire au système de calques 2D sur AutoCAD, mais appliqué à un modèle 3D paramétrique. Il peut y avoir autant de sous-projets que de disciplines, de lots ou d’intervenants. On peut donc afficher les sous-projets utiles à l’étude en cours et masquer ceux qui sont inutiles. Un autre avantage du travail en sous-projets est la définition des droits de modélisation. Pour éviter qu’un intervenant modifie involontairement le travail d’un autre, on peut rendre les sous-projets « non-modifiables » en en devenant le propriétaire. Le fonctionnement général en PP nécessite obligatoirement une décomposition minutieuse du fichier en sous-projets. 4.3.1.4. Avantages et inconvénients Un des principaux avantages du travail en PP est la présence d’un Fichier Central qui fait la synthèse de la totalité des éléments modélisés. Ce rendu commun aux trois départements du bureau d’études peut alors servir aux relations avec l’architecte, l’économiste de la construction et le MOA. À ceci s’ajoute également la rationalisation des supports de travail et donc une classification logique des différents éléments modélisés. Bien que cette centralité soit un réel avantage de fonctionnement, c’est pourtant le principal inconvénient des PP pour cette première phase de développement. En effet, la division du Fichier Central en Fichiers Locaux « clones » implique une structure de travail commune, passant dans la pratique par un gabarit de projet commun. Ce gabarit a pour but de pré-paramétrer l’ensemble des réglages de vues, de matériaux et des objets présents dans le projet (détails en partie 4.5). Or les trois départements du bureau ont chacun besoin d’un certain type de gabarit pour travailler efficacement. Par exemple, ce qui est optimisé pour la structure n’est d’aucune utilité aux Fluides et inversement. Dans un système de fonctionnement en PP, il faudrait donc développer un gabarit prenant en compte l’ensemble de ces préréglages pour chaque département, ce qui engendrerait un travail très conséquent de mise en place, malgré un manque de retour sur expérience. 4.3.2. Solution 2 : Travail en Fichiers Liés (FL) Une deuxième solution de collaboration est de travailler en Fichiers Liés (FL). Son principe de fonctionnement est différent de celui des PP car il repose non pas sur un seul modèle cloné, mais sur une multitude de modèles liés entre eux. 4.3.2.1. Fichiers Liés Le fonctionnement des FL peut être assimilé à celui des fonds de plan 2D sur AutoCAD (ou XRef) mais appliqué à la 3D paramétrique. Dans la même configuration que les PP, chaque département dispose d’un fichier REVIT propre sur lequel il peut modéliser, et ce fichier comporte deux liens vers les fichiers des deux autres départements.
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Figure 36 Schéma de fonctionnement collaboratif en FL (avec fichier de référence)
Afin de retrouver néanmoins le caractère centralisé des PP, le fonctionnement en FL peut inclure un fichier dit de référence prenant en compte l’intégralité des éléments modifiés. Dans certains cas, pour des raisons propres au marché ou de simplification, ce fichier pourra être confondu avec le fichier du département Structure, qui a de toute façon la priorité au niveau de la modélisation.
Figure 37 Schéma de fonctionnement en FL (sans fichier de référence)
4.3.2.2. Fichier de référence et fichiers de département Le fichier de référence sert donc de synthèse, mais également de lien externe avec l’architecte, l’économiste et le MOA. En ce sens, il peut aussi servir de socle commun de modélisation si on y inclut les données géométriques de base du projet (niveaux de projet, niveaux NGF, axes, topographie du site) communiquées ou modélisées directement par l’architecte. Dans le cas où il est
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confondu avec le fichier Structure, le fichier conserve ce rôle de synthèse, mais en limitant les liens externes. Les fichiers de département ont tous un fonctionnement autonome, chacun avec son propre gabarit de projet. Ceci permet, dans cette première phase de développement, de tester et d’optimiser au maximum les gabarits en fonction des besoins, sans gêner le fonctionnement général. La mise en commun des informations entre ces différents fichiers repose sur l’établissement de tous les liens REVIT, qui permettent d’obtenir une chaîne de transfert fermée. Le processus de modélisation résultant peut s’apparenter à la version numérique du fonctionnement sur chantier : chaque corps d’état travaille simultanément sur un même support, chacun apportant sa contribution au projet ainsi qu’une base aux autres pour travailler. 4.3.2.3. Liens REVIT La modélisation dans chaque fichier de département va se baser ou être orientée par la présence des fichiers liés des autres départements. Dans la pratique, ces fichiers liés sont en fait une base de modélisation 3D fixe mais évolutive. L’intelligence des liens réside justement dans le fait qu’ils servent d’outil de mise-à-jour du modèle, mais également de régulateurs de modélisation plus efficace et plus directement applicable qu’avec un fonctionnement en PP et sous-projets. On peut d’ailleurs travailler en sous-projets même avec un fonctionnement en FL, si on paramètre bien les liens REVIT.
Figure 38 Illustration d'un lien REVIT vers un fichier lié dans l'arborescence de projet
Car, bien que fournissant un modèle non-modifiable, les liens sont quand même paramétrables et peuvent être modulés en fonction du gabarit de projet du fichier en cours mais aussi celui du fichier lié. On pourra par exemple, dans le fichier Structure, récupérer les filtres du fichier Fluides à travers le lien REVIT et les appliquer au modèle lié Fluides. Ces options de visualisation peuvent être très pratiques lorsque la maquette est chargée d’objets. Il est également possible de copier certaines parties d’un fichier lié dans son propre fichier, par exemple les murs qui hébergent les radiateurs, pour tester des dispositions ou des raccordements sans gêner la modélisation originelle de ces murs. Les liens REVIT ont donc un fonctionnement bi- ou multilatéral qui permet aux fichiers liés d’échanger des informations « à la carte ». 4.3.2.4. Avantages et inconvénients L’avantage principal du fonctionnement en Fichiers Liés est la flexibilité de travail qu’il procure en phase de développement. La possibilité de créer un modèle en commun avec des outils propres à chaque département était la problématique majeure de nos recherches. Le fait que ces outils puissent être améliorés en continu séparément les uns des autres est un réel atout, car les trois départements n’avancent ni au même rythme ni sur les mêmes problématiques. L’absence d’un vrai support de synthèse est le seul inconvénient des FL. Comparativement à l’unique Fichier Central du fonctionnement en PP, les FL fournissent un groupe de fichiers et leurs liens. La maquette numérique devient alors compliquée à transmettre aux organismes extérieurs au bureau d’étude.
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Figure 39 Exemple de fonctionnement sur le fichier du département Structure : fichier STR (en haut), fichier FLU lié (au milieu) et synthèse des conflits (en bas)
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4.3.2.5. Solution retenue Étant donné le planning serré du PFE et l’inexistence de retour sur expérience du bureau en matière de collaboration BIM, nous nous sommes orientés vers un fonctionnement en Fichiers Liés. Les critères de ce choix ont porté sur : - la rapidité de mise en service - l’évolutivité et la flexibilité - la complexité des modes opératoires à fournir - le développement des gabarits de projet Cette manière de procéder va permettre à SBE de se développer progressivement en BIM, en séparant bien les problématiques de chaque département. Les modes opératoires développés en FL pourront servir à l’amélioration continue de l’environnement en interne. Après quelques retours d’expériences et améliorations système, un passage en PP pourra être envisageable dans le but d’optimiser la synthèse. En combinant les trois chartes de modélisation en une, on pourra alors développer un gabarit commun aux trois départements.
4.4.
Planning de modélisation
4.4.1. Besoins de chaque département en terme de modélisation À l’image d’un chantier réel de construction de bâtiment, la construction virtuelle via la maquette numérique doit s’effectuer par phases. Chaque département a besoin d’une base pour entamer la modélisation des éléments appartenant à son corps de métier : Département Base de modélisation requise Applications métier - Niveaux NGF et niveaux de projet (Sous- Descente de Charges sol, RDC, R+1,…) - Calculs sismiques - Axes des voiles en plan STRUCTURE - Dimensionnement - Position des ouvertures des armatures de - Réservations gaines (modélisation béton armé FLU/ELEC) - Étude Thermique - Gros Œuvre (modélisation STR) Dynamique FLUIDES - Second Œuvre (modélisation FLU/ELEC) - Étude de débits - Équipements (modélisation FLU/ELEC) - Tracé des réseaux - Calcul d’éclairage - Gros Œuvre (modélisation STR) - Calcul de puissances ÉLECTRICITÉ - Second Œuvre (modélisation FLU/ELEC) - Tracé des chemins de - Puissances (modélisation FLU/ELEC) câbles Tableau 15 Besoins de chaque département en terme de modélisation
De ces besoins, parfois réciproques, nous avons tiré un planning indicatif sommaire de modélisation qui sera affiné au fur et à mesure des expériences.
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4.4.2. Planning indicatif sommaire de modélisation
Figure 40 Schéma de fonctionnement en FL avec planning indicatif sommaire de modélisation
Figure 41 Schéma d'évolution de la maquette au fil du temps
4.5.
Test de fonctionnement
Afin de vérifier le bon fonctionnement de la collaboration, nous avons entrepris une simulation de travail en fichiers liés sur un petit projet de réhabilitation. Ce test nous a permis de vérifier : - la bonne mise à niveau des liens REVIT - la décomposition des liens en sous-projets - la copie d’éléments des liens sur le fichier de département - la cohérence du modèle sous deux gabarits différents (un pour le fichier STR, un pour le fichier FLU) - la synthèse des interférences de tracé de réseaux par rapport au tracé de structure Une attention particulière a été portée sur les conflits Structure-Fluides, notamment pour les gaines encombrantes (soufflage et aspiration) avec des poutres. Ce cas de figure s’est présenté au niveau du
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sous-sol du projet étudié. La partie haute d’une gaine de soufflage heurtait une poutre maîtresse de la structure. Nous avons décelé ce conflit grâce à l’outil de repérage des interférences de REVIT et avons procédé au dévoiement de la gaine dans le fichier de département Fluides (voir figure 41). L’enregistrement du fichier FLU a permis au lien présent dans le fichier STR de se mettre à jour et à l’interférence de disparaître. Cette simple application nous a montré les paramètres utiles à la bonne interaction des modèles entre eux, et surtout sur le mode opératoire de synthèse pour les réservations et dévoiements.
Figure 42 Visualisation des conflits de modélisation entre fichiers liés
De manière générale, les résultats de la simulation ont tous été concluants et nous ont permis d’entamer la rédaction d’un mode opératoire commun sur l’utilisation des FL au sein du bureau d’études.
4.6.
Gabarits de projet
4.6.1. Objectifs des gabarits Travailler sur REVIT est de base plus économe en temps que le travail traditionnel en plans. Cependant, des tâches de paramétrages systématiques sont relativement chronophages (réglage des unités, des styles de vue, des matériaux et objets utilisés) et peuvent être évitées par l’utilisation de gabarits de projet. Ces gabarits sont éditables à l’infini et permettent de pré-paramétrer un projet vierge. Le but final est bien entendu le gain de temps, mais aussi l’optimisation de l’ergonomie et de la précision de
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modélisation. Une étude temporelle globale de l’environnement BIM montre que le temps de travail se gagne sur 3 niveaux : - la modélisation elle-même, par les outils de synthèse 3D-2D - la gestion des paramètres et des informations, par les gabarits - la collaboration des différents corps de métiers, pour éviter la ressaisie et les erreurs Sans ces gabarits, l’environnement BIM développé n’aurait donc pas vraiment d’intérêt pour le bureau, car le temps gagné en modélisation serait perdu en temps de paramétrage. La dernière mission de développement de mon PFE a donc été l’élaboration d’un gabarit de projet Structure. 4.6.2. Gabarits de Structure Avant de démarrer la construction d’un gabarit, j’ai effectué une analyse des besoins auprès de mes collègues en terme d’ergonomie de modélisation. La synthèse de cette analyse montre les domaines de préréglages utiles : - Matériaux à créer - Familles d’éléments porteurs à charger - Paramètres pour les métrés - Paramètres de vue (gabarits de vue) - Arborescence de projet Cette synthèse a permis de dégager plusieurs axes de réflexion dont le plus intéressant était le développement de plusieurs gabarits orientés matériau (béton armé, charpente bois, charpente métallique) en deux variantes différentes (Neuf et Réhabilitation). N’ayant pas le temps de développer tous ces gabarits, je me suis concentré sur le logement neuf en béton armé, qui est le marché le plus fréquent du bureau. 4.6.3. Gabarit STR Logement Neuf BA 4.6.3.1.
Arborescence
L’arborescence de projet est un élément clé d’un bon gabarit de projet. Pour celui-ci, nous avons créé des paramètres de classification en deux grandes parties : - une partie CALCULS, pour la modélisation utile aux études structurelles, - et une partie RENDU, pour la mise en forme du modèle final en vue d’exporter des vues en DWG pour la mise en plan EXE (coffrage, ferraillage). Chaque partie se présente de la même manière et comporte : - des vues en plan d’étage, - des vues en plan de dalle haute, - des élévations, - des coupes, - des vues 3D Figure 43 Arborescence du gabarit STR Logement Neuf BA au début de son développement
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En queue d’arborescence se trouvent les feuilles de mise en forme pour l’export de plans ainsi que les nomenclatures qui correspondent aux métrés des éléments porteurs du projet (voiles, dalles, fondations, poteaux et poutres). 4.6.3.2. Paramètres de vues Pour travailler efficacement sur la modélisation du gros-œuvre, les ingénieurs Structure ont besoin d’avoir accès à plusieurs zones de la maquette, qui sont souvent cachés par d’autres zones périphériques. Il était donc nécessaire de créer des types de vue, notamment 3D, différentes en fonction de ce qu’on veut voir sur la maquette. Ces types de vue sont appelés gabarits de vue. Un gabarit de vue fonctionne comme un gabarit de projet, mais uniquement sur l’aspect graphique de la visualisation. Il ne préconfigure donc que des filtres et des paramètres d’affichage du modèle. On peut en créer autant que nécessaire, et ils peuvent être affectés au projet en cours et/ou d’autres projets. Pour ce gabarit précis, cinq types de visualisation au moins étaient nécessaires à la bonne manipulation du modèle : - Une vue 3D du projet global - Une vue 3D du projet sans les murs de façade - Une vue 3D du modèle analytique - Une vue 3D de coupe par étage - Une vue 3D d’isolement de chaque bloc structurellement indépendant Cette décomposition permet aux ingénieurs d’avoir accès aux éléments porteurs intérieurs et extérieurs de manière séparée, globalement sur l’ensemble du projet ou sur une zone particulière ciblée. La bonne visualisation du modèle analytique est d’ailleurs fondamentale pour l’export du modèle sur ROBOT. Tous ces réglages permettent aussi et surtout un gain de temps important au niveau de la manipulation des filtres de vues, qui peut s’avérer très chronophage.
Figure 44 Les différents gabarits de vues 3D : Bâtiment complet (en haut), Sans les voiles de façade (au milieu) et Modèle analytique (en bas)
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Bien évidemment, ces gabarits de vue fonctionnent pour des bâtiments en béton armé mais aussi pour d’autres types de structure. Pour des projets en charpente bois ou métallique, des vues supplémentaires pourront être nécessaires pour travailler sur les assemblages, par exemple. 4.6.3.3. Paramètres de métrés Les tables de nomenclatures REVIT sont entièrement paramétrables et dynamiques. Elles font l’inventaire de tous les objets 3D paramétriques présents dans le projet. Pour le gabarit présent, j’ai édité 5 tables de nomenclatures pour les différents éléments porteurs. Ces tables nous permettent d’obtenir directement les cubatures de béton, le linéaire de voiles par étage, le référencement des éléments préfabriqués ainsi que leur matériau. Il est possible de trier, filtrer et exporter ces tables dynamiques.
Figure 45 Nomenclature de voiles du gabarit (projet de l'Épicerie Sociale)
Le gain de temps que procurent ces tables est considérable par rapport à la méthode traditionnelle. En réalité, la comparaison est impossible car le calcul est instantané et simultané au processus de modélisation. Ainsi les tables se mettent à jour en continu en fonction des modifications du projet. Il est également possible de tirer des tables de synthèse pour des éléments présents dans un lien REVIT. Par exemple, dans notre cas d’étude, on peut éditer une table dynamique des réservations en fonction du fichier lié FLU.
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4.6.3.4. Paramètres d’éléments porteurs La particularité de REVIT pour la modélisation est le fait que n’importe quel élément est paramétrable de manière quasi-infinie. On peut alors créer des nouveaux paramètres d’identification, de calcul ou de représentation à chaque élément du projet, que ce soient des vues, des annotations, ou des objets 3D. Pour les éléments porteurs, il était intéressant de créer au moins deux paramètres d’identification booléens (OUI ou NON) pour la gestion des vues et la classification dans les nomenclatures : - élément de façade - élément préfabriqué Le premier paramètre est un attribut d’identification de l’objet, on peut donc l’appliquer à un élément ou à un ensemble de même type. Il m’a permis de créer un filtre associé « Façade » pour pouvoir masquer ou mettre en transparence les voiles de façade dans diverses vues. Le deuxième est un attribut de matériau, qui se retrouve dans les propriétés matériaux des éléments concernés.
Figure 46 Paramètres ajoutés pour les éléments porteurs (Préfa et Façade)
Certains éléments comme les poutres, les poteaux et les fondations isolées en béton, sont des familles d’objet qui ne sont pas chargées dans le gabarit de base de REVIT ni affiliés au bon matériau. J’ai donc chargé des modèles de base et les ai dupliqués autant que nécessaire pour fournir une bibliothèque de base d’éléments porteurs déjà optimisés pour le gabarit.
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Figure 47 Type de poutre en béton armé chargé et modifié pour le gabarit
4.6.3.5.
Paramètres de matériaux
Pour gagner encore un peu plus de temps de modélisation, j’ai paramétré une dizaine de matériaux utiles pour le logement neuf en béton armé, à savoir 4 classes de béton différentes, du BAP et 5 classes de bois pour la charpente. J’ai réglé pour chacun de ces matériaux les propriétés physiques, mécaniques et thermiques, pour que la modélisation soit aussi exploitable par le département Fluides pour les calculs de déperdition.
4.7.
L’export de plans DWG pour la phase EXE
4.7.1. Problématiques de la mise en plan de la maquette numérique Une problématique majeure du développement de l’environnement BIM est la mise en plan de la maquette numérique, notamment pour la phase EXE. En effet, bien que le bureau d’études s’habitue progressivement à ce nouvel environnement en interne, l’interface avec les entreprises et les organismes extérieurs reste encore le plan. Il permet le transfert d’informations de détails techniques et constructifs qui sont, à l’heure actuelle, encore peu maîtrisés sur REVIT, mais très matures sur AutoCAD. Une transition progressive vers des éléments de détails REVIT se fera au fil des développements des procédés BIM en interne, mais pour l’instant certaines tâches restent exclusivement réalisables sur le logiciel de mise en plan : - éléments de détails constructifs - plans de ferraillage - plans de coffrage Ces éléments de rendus ont un passif de mise au point continue sur AutoCAD (listes de fers, bibliothèques de blocs) qu’il faut réimplémenter sur REVIT, mais le procédé est long et délicat. Car il faut se rappeler que REVIT est un logiciel américain, développé depuis une dizaine d’années dans un pays où le béton n’est pas le matériau de référence. De ce fait, la maturité du logiciel en matière de rendu est parfaitement adaptée au marché nord-américain, dans lequel le BIM est devenu monnaie courante, pour des applications notamment en charpente métallique. Cependant, en France en
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2016, cette maturité est un réel handicap, car les problématiques de constructions varient sensiblement et le niveau général de développement est bien moindre. Il en résulte des applications REVIT parfaitement inadaptées au marché français, comme le module de ferraillage des éléments en béton armé. Ce dernier est développé de telle sorte que la logique de réalisation d’un plan global de coffrage-ferraillage sur un étage va à l’encontre de l’optimisation et de l’ergonomie. Une solution de transition pour la mise en plan doit être trouvée avant de basculer sur un processus 100% REVIT. 4.7.2. Transition REVIT-AutoCAD chez SBE L’ensemble des problématiques rencontrées pour la mise en plan EXE Structure nous a plutôt amené à développer, dans un premier temps, un procédé d’export DWG avec liaisons XREF depuis la maquette numérique. Ce fonctionnement permet au bureau d’étude de conserver les délais impartis des premières opérations conçues en BIM, qui demandent un certain temps d’adaptation au sein de l’équipe d’ingénieurs (prise en main du logiciel, astuces de modélisation, appropriation des applications de calculs, des procédés, et de la logique de développement). 4.7.2.1. Principe L’export DWG avec liaison XREF permet de pouvoir annoter et détailler un plan de coffrage ou de ferraillage à partir de la géométrie du bâtiment modélisé sur REVIT, sans pour autant perdre la connexion avec le modèle. Ainsi, des modifications apportées à la maquette numérique pourront être automatiquement implémentées sur la batterie de plans DWG en cours de réalisation. Le principe de fonctionnement est assez simple. Il suffit d’utiliser un fichier DWG tampon entre le fichier REVIT et le plan de rendu sur AutoCAD. Ce fichier tampon sert de XREF pour le DWG de rendu et de support pour le passage de la 3D paramétrique à la 2D. Ce fonctionnement nécessite un classement très précis de l’ensemble des fichiers, et le mode de connexion demeure quand même relativement archaïque, puisqu’il repose sur l’export et l’écrasement des fichiers tampons après chaque modification. Le but des développements ultérieurs, en matière de rendu en plan, sera donc de modéliser de plus en plus d’éléments de détails et d’annotation en amont sur les vues en plan de REVIT (d’où l’onglet RENDU de l’arborescence de projet) jusqu’au moment où l’export en DWG ne sera plus nécessaire.
Figure 48 Vue en plan REVIT (à gauche) et plan AutoCAD exporté (à droite)
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4.7.2.2. Paramétrage L’export peut être paramétré et personnalisé pour chaque type de vue selon les préférences d’utilisation sur AutoCAD. De base, le système est relativement bien développé puisqu’il crée pour chaque famille d’éléments un calque correspondant. Des paramètres d’épaisseur de trait, de gestion des motifs de hachures ou de polylignes peuvent également être modifiés.
Figure 49 Paramètres de gestion de l'exports DWG (calques, lignes, motifs,...)
Figure 50 Vue 3D REVIT (à gauche) et vue 3D AutoCAD (à droite)
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4.7.3. Avantages BIM de la mise en plan AutoCAD Malgré un processus qui n’est pas entièrement abouti, l’utilisation du BIM de la conception jusqu’à la mise en plan EXE est dorénavant possible au sein du bureau d’études. Et bien qu’étant en rupture avec le fonctionnement général de la maquette numérique, cette mise en plan sur AutoCAD présente plusieurs avantages. Premièrement, la connectivité entre les différents plans d’EXE, qui est orchestrée par les XREF exportés depuis la maquette, fait gagner un temps considérable par rapport à une méthode traditionnelle. La visualisation, la compréhension et la modification des plans est grandement facilitée. Le ratio de temps entre les deux méthodes de modification est intéressant, car il est d’autant plus faible qu’il y a de plans à modifier. Par exemple, une modification de tracé touchant les plans de 3 étages consécutifs sera effectuée approximativement en 33% du temps requis habituellement, 25% pour 4 étages, 16,5% pour 6 étages, et ainsi de suite. Deuxièmement, ce système présente aussi l’énorme avantage d’être adaptatif aux besoins des intervenants extérieurs (entreprises, architectes, maîtres d’ouvrages et contrôleurs techniques) qui ont tous des rythmes de développement différents au niveau du BIM. Le bureau d’études peut donc continuer de développer son propre environnement en interne, sans que cela ait d’incidences sur le transfert des informations entre les différents intervenants du projet. Les plans transmis aux entreprises de Gros Œuvre, par exemple, auront toujours la même qualité et la même précision, qu’ils soient réalisés à 50% ou à 95% sur REVIT. Enfin, le travail de détails sur AutoCAD permet de déceler l’ensemble des éléments à réimplementer dans les gabarits REVIT. Le plan DWG devient alors un indicateur des mises-à-jour à opérer pour l’amélioration continue de l’environnement BIM. Chaque mise en plans d’un projet amènera des nouveaux éléments de détails et d’annotation qui, une fois réimplémentés, viendront étoffer la bibliothèque d’éléments REVIT du bureau d’études.
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CONCLUSION Au départ, l’environnement BIM chez SBE ne comprenait que les logiciels nécessaires à sa mise en place, sans aucun procédé. On pouvait donc dire qu’il était inexistant. À la fin de mon PFE, le bureau avait à sa disposition des process de conception, de calcul et de rendu qui lui permettent de rentrer définitivement dans la démarche de transition vers la maquette numérique. Le but global de mon étude était d’obtenir un développement sur 3 thématiques correspondant à 3 niveaux d’intervention : - les applications spécifiques Structure, au sein du département lui-même, - la collaboration entre les 3 départements, à l’échelle du bureau d’études, - le rendu en plans, pour l’ensemble des collaborateurs du projet. Au premier niveau, la mise en place d’un nouveau système de travail BIM a permis de développer de nouvelles procédures pour le calcul et le dimensionnement de structures : - modélisation et création des cas de charges sur REVIT - optimisation du modèle en plaque et coques pour ROBOT - analyse sismique par analyse modale spectrale - dimensionnement des armatures par élément sur ROBOT à partir d’une maquette complète L’étude effectuée sur le projet pilote de l’Origine des Sources à Mittelhausbergen nous a conduit à mettre en pratique tous ces éléments. Elle a mis en exergue des problématiques de modélisation, de prise en compte des charges en masses, ainsi que des modalités de dimensionnement des armatures pour les dalles. La synthèse de cette étude a été validée pour la rédaction d’un mode opératoire de calcul parasismique par analyse modale spectrale, et a fait l’objet d’un tutoriel vidéo. Durant la suite de mon stage, ce process a été mis en application sur un autre projet du bureau d’études en phase de réception. Les résultats obtenus étaient en accord avec les éléments structurels mis en place et le process a pu donc être doublement validé. Au niveau supérieur, un mode de fonctionnement collaboratif sur la maquette numérique a été développé selon le travail en Fichiers Liés. Ce système a été testé et retenu pour la suite du développement. Un autre mode en fonctionnement en Projets Partagés, applicable ultérieurement, a également été exploré et demeure un objectif général de l’environnement BIM chez SBE. Le travail commun entre le département Fluides et le département Structure a permis d’optimiser au mieux ce système, afin qu’il soit opérationnel pour fin juin 2016. Il fournit donc un support de modélisation commun, la maquette du projet, dont les éléments constitutifs peuvent être réalisés en simultané par les différents départements. Enfin, au dernier niveau, la liaison entre le bureau d’études et les autres acteurs a été assurée par la mise en place d’un process de rendu en plans à partir de la maquette numérique. Afin de conserver la même qualité de rendu que celle de la méthode traditionnelle, notre développement s’est tourné vers une transition progressive et maîtrisée d’AutoCAD vers REVIT par le biais d’exports DWG des vues de la maquette. Cette solution permet à chaque département de travailler avec le nouvel environnement, tout en optimisant la mise en plans, que ce soit au niveau des éléments de détails qu’au niveau des modifications et des révisions apportées. Le but de cette démarche est aussi d’acquérir de l’expérience au fil des projets, pour réimplementer l’ensemble des éléments de détails des plans
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AutoCAD sur REVIT. Les avantages sont multiples et résident essentiellement dans le caractère autoformateur du procédé en interne. De manière générale, ce nouvel environnement BIM va permettre au bureau de gagner un temps considérable sur les études. Ce gain de temps est observé essentiellement au niveau de la modélisation, en évitant les ressaisies et ainsi la perte d’informations et les erreurs mais également au niveau des métrés et de la mise en plan. À terme, ce gain pourra contrebalancer l’investissement nécessaire au développement du BIM. Pour que cet équilibre soit atteint le plus rapidement possible, le transfert de connaissances était une étape primordiale de la mise en place. La rédaction de modes opératoires internes et la réalisation de tutoriels vidéo, pour chaque niveau de développement, ont permis de créer la base d’une bibliothèque de documentation. Cette dernière a pour objectif de rendre les équipes opérationnelles sur l’ensemble des applications métier et sur le fonctionnement général du travail collaboratif. Ce transfert de connaissances a occupé la totalité de mes dernières semaines de PFE et a fait l’objet d’une formation REVIT que j’ai suivie pendant trois jours à Paris. Cette première phase de développement n’est bien sûr qu’un premier pas vers une opérabilité BIM efficace et maîtrisée. Plusieurs autres pistes de développement corrélées, selon les 3 niveaux évoqués plus haut, sont déjà en cours d’étude. Les plus importantes sont : - le développement pour la charpente bois et la charpente métallique - l’optimisation de la liste de fers sur REVIT - l’optimisation des métrés pour les pièces écrites (CCTP et DPGF)
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Table des Figures FIGURE 1 LOGO ……………………………………………………………………………………………………………………………………………......4 FIGURE 2 SIÈGE DE LA WANTZENAU ………………………………………………………………………………………………………………….4 FIGURE 3 PROJET FISCHART (À DROITE) & EGLISE ORTHODOXE (À GAUCHE) …………………………………………………….4 FIGURE 4 SCHEMA DE DEVELOPPEMENT DE L'ENVIRONNEMENT BIM CHEZ SBE INGENIERIE .............................. 8 FIGURE 5 PERSPECTIVE EXTERIEURE COTE RUE DE LA VICTOIRE ............................................................................ 9 FIGURE 7 ELEVATION FAÇADE EST ........................................................................................................................ 10 FIGURE 8 PERSPECTIVE EXTERIEURE COTE AVENUE DE LA FORET NOIRE ............................................................ 11 FIGURE 10 ELEVATION FAÇADES EST .................................................................................................................... 12 FIGURE 11 MODELE PHYSIQUE REVIT DE L'ORIGINE DES SOURCES (MAQUETTE ARCHITECTE) ........................... 14 FIGURE 12 MODELE ANALYTIQUE REVIT DE L'ORIGINE DES SOURCES (MAQUETTE ARCHITECTE) ...................... 14 FIGURE 13 PROPRIETES DES MATERIAUX SUR REVIT ............................................................................................ 15 FIGURE 14 EXEMPLE DU NON FONCTIONNEMENT DU MAILLAGE ROBOT A PARTIR DE LA MODELISATION ARCHITECTE ................................................................................................................................................. 16 FIGURE 17 SCHEMA DE PRINCIPE DE L'ANALYSE MODALE (SOURCE : IUT TOULOUSE) ....................................... 22 FIGURE 19 PARAMETRES ROBOT DE L'ANALYSE MODALE .................................................................................... 24 FIGURE 20 ORGANIGRAMME DE CHOIX DES MODES PROPRES (SOURCE : AUTODESK) ...................................... 25 FIGURE 22 DEFORMATION MODALE SELON X (MODE 4) ..................................................................................... 27 FIGURE 23 DEFORMATION MODALE SELON Y (MODE 6) ..................................................................................... 28 FIGURE 24 DEFORMATION MODALE SELON Z (MODE 26) ................................................................................... 29 FIGURE 25 TABLEAU DES REACTIONS ROBOT ....................................................................................................... 30 FIGURE 26 SCHEMA RECAPITULATIF DE LA DEMARCHE D'ANALYSE SISMIQUE PAR ANALYSE MODALE ............. 32 FIGURE 27 PARAMETRES D'ANALYSE SISMIQUE SUR ROBOT ............................................................................... 33 FIGURE 28 DEPLACEMENTS EXTREMES GLOBAUX DU BLOC B ............................................................................. 36 FIGURE 29 DEPLACEMENTS SOUS COMBINAISON ACCIDENTELLE SELON X ......................................................... 37 FIGURE 30 DEPLACEMENTS SOUS COMBINAISON ACCIDENTELLE SELON Y ......................................................... 37 FIGURE 31 MODULE DE FERRAILLAGE ROBOT POUR UN VOILE EXTRAIT DE LA MODELISATION ......................... 40 FIGURE 32 MODELISATION REVIT DU PROJET FISCHART ...................................................................................... 41 FIGURE 33 MODELE ROBOT DU BATIMENT D, EXPORTE DEPUIS REVIT ............................................................... 42 FIGURE 34 VISUALISATION DES REACTIONS D'APPUIS SUR ROBOT ..................................................................... 43 FIGURE 35 SCHEMA DE FONCTIONNEMENT COLLABORATIF EN PP ..................................................................... 46 FIGURE 36 SCHEMA DE FONCTIONNEMENT COLLABORATIF EN FL (AVEC FICHIER DE REFERENCE) .................... 48 FIGURE 37 SCHEMA DE FONCTIONNEMENT EN FL (SANS FICHIER DE REFERENCE) ............................................. 48 FIGURE 38 ILLUSTRATION D'UN LIEN REVIT VERS UN FICHIER LIE DANS L'ARBORESCENCE DE PROJET .............. 49 FIGURE 39 EXEMPLE DE FONCTIONNEMENT SUR LE FICHIER DU DEPARTEMENT STRUCTURE : FICHIER STR (EN HAUT), FICHIER FLU LIE (AU MILIEU) ET SYNTHESE DES CONFLITS (EN BAS) ............................................... 50 FIGURE 40 SCHEMA DE FONCTIONNEMENT EN FL AVEC PLANNING INDICATIF SOMMAIRE DE MODELISATION 52 FIGURE 41 SCHEMA D'EVOLUTION DE LA MAQUETTE AU FIL DU TEMPS ............................................................ 52 FIGURE 42 VISUALISATION DES CONFLITS DE MODELISATION ENTRE FICHIERS LIES ........................................... 53 FIGURE 45 NOMENCLATURE DE VOILES DU GABARIT (PROJET DE L'EPICERIE SOCIALE) ...................................... 56 FIGURE 46 PARAMETRES AJOUTES POUR LES ELEMENTS PORTEURS (PREFA ET FAÇADE) .................................. 57 FIGURE 47 TYPE DE POUTRE EN BETON ARME CHARGE ET MODIFIE POUR LE GABARIT ..................................... 58 FIGURE 48 VUE EN PLAN REVIT (A GAUCHE) ET PLAN AUTOCAD EXPORTE (A DROITE) ....................................... 59 FIGURE 49 PARAMETRES DE GESTION DE L'EXPORTS DWG (CALQUES, LIGNES, MOTIFS,...) ............................... 60 FIGURE 50 VUE 3D REVIT (A GAUCHE) ET VUE 3D AUTOCAD (A DROITE) ............................................................ 60
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Table des Tableaux
TABLEAU 1 REPARTITION DE LA SURFACE DES LOGEMENTS - L'ORIGINE DES SOURCES ...................................... 10 TABLEAU 2 REPARTITION DE LA SURFACE DES LOGEMENTS - FISCHART ............................................................. 12 TABLEAU 3 ZONES D'APPLICATION DES CHARGES ................................................................................................ 19 TABLEAU 4 COEFFICIENTS DE PONDERATION SISMIQUE EN 1998 (SOURCE: AUTODESK) ................................... 20 TABLEAU 5 DERNIER MODE AVANT LA FREQUENCE DE COUPURE ...................................................................... 25 TABLEAU 6 MODES PREPONDERANTS .................................................................................................................. 26 TABLEAU 7 CHARGES TOTALES & PONDERATIONS SISMIQUES ............................................................................ 30 TABLEAU 8 SYNTHESE DES EFFORTS SISMIQUES ROBOT SELON X (MODE 4) ....................................................... 34 TABLEAU 9 SYNTHESE DES EFFORTS SISMIQUES ROBOT SELON Y (MODE 6) ....................................................... 35 TABLEAU 10 DEPLACEMENTS MAXIMA POUR LES COMBINAISONS ACCIDENTELLES .......................................... 36 TABLEAU 11 RECAPITULATIF EN REACTIONS D'APPUIS DE LA DDC MANUELLE ................................................... 42 TABLEAU 12 RECAPITULATIF EN REACTIONS D'APPUIS DE LA DDC ROBOT .......................................................... 43 TABLEAU 13 RECAPITULATIF DES PUITS BUSES AVEC LA DDC MANUELLE ........................................................... 43 TABLEAU 14 RECAPITULATIF DES PUITS BUSES AVEC LA DDC ROBOT .................................................................. 44 TABLEAU 15 BESOINS DE CHAQUE DEPARTEMENT EN TERME DE MODELISATION ............................................. 51
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BIBLIOGRAPHIE OUVRAGES {1} JALIL W., JALIL A., 2014, Conception et analyse sismiques du bâtiment, guide d’application de l’Eurocode 8 à partir des règles PS 92/2004, AFNOR et Groupe Eyrolles, ISBN AFNOR : 978-2-12465458-1, ISBN Eyrolles : 978-2-212-13873-3, 352 pages. {2} DAVIDOVICI V., CORVEZ D., CAPRA A., 2013, Pratique du calcul sismique, guide d’application, AFNOR et Groupe Eyrolles, ISBN AFNOR : 978-2-12-465401-7, ISBN Eyrolles : 978-2-212-13582-4, 244 pages. {3} RENOU J., CHEMISE S., 2015, REVIT pour le BIM, Initiation générale & Perfectionnement structure, Groupe Eyrolles, ISBN : 978-2-212-14334-8, 482 pages. {4} LEBÈGUE É., CUBA SEGURA J.-A., 2015, Conduire un projet de construction à l’aide du BIM, CSTB & Groupe Eyrolles, ISBN CSTB : 978-2-86891-636-5, ISBN Eyrolles : 978-2-212-14268-6, 84 pages. {5} KENSEK K., 2015, Manuel BIM, Théorie et applications, Groupe Eyrolles, ISBN : 978-2-212-141801, 256 pages.
MÉMOIRES PFE INSA GANGLOFF A.-X., 2011, Étude parasismique de 3 bâtiments en béton armé à Colmar, entreprise d’accueil : INGÉROP, 75 pages. SARI M., 2014, Modélisation et dimensionnement aux Eurocodes du projet d’habitation Kellermann, entreprise d’accueil : SERUE Ingénierie, 66 pages. BOCQUILLON J., 2015, Production et développement de la maquette numérique Synthèse, en accord avec la conception multi-métiers, entreprise d’accueil : BOUYGUES CONSTRUCTION HABITAT SOCIAL, 52 pages.
DOCUMENTS AUTODESK BALMAIN S., 2010, L’Eurocode 8 et Robot Structural Analysis, Document PDF, 36 pages.
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ANNEXES
Annexe 1 : Mode opératoire d’analyse sismique modale spectrale REVITROBOT Annexe 2 : Note de vérification sismique du BLOC A, Mittelhausbergen Annexe 3 : Dimensions des puits busés, Sous-sol Bât D, Fischart en DDC Manuelle
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MODE OPÉRATOIRE ANALYSE SISMIQUE MODALE SPECTRALE SUR REVIT & ROBOT Yann TRÉGOAT
AVRIL 2016 / SBE INGENIERIE Autodesk REVIT® 2016 Autodesk ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS PRO® 2016
SOMMAIRE 1. SUPPORT DE L’ANALYSE MODALE SPECTRALE
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1.1. MODELISATION REVIT 1.2. FEUILLE DE VERIFICATION SISMIQUE ET CALCUL DU COEFFICIENT DE COMPORTEMENT (EXCEL) 1.3. NOTE SISMIQUE SUR LE FONCTIONNEMENT GENERAL DU CONTREVENTEMENT (WORD)
4 4 4
2. VERIFICATION DES PARAMETRES D’ENTREE REVIT
4
2.1. CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX 2.2. DISPOSITIONS STRUCTURELLES DALLES ET VOILES 2.3. MODELE ANALYTIQUE JUSTE
4 5 5
3. EDITIONS DES HYPOTHESES SISMIQUES SUR LA FEUILLE DE CALCULS
5
3.1. HYPOTHESES GENERALES 3.2. HYPOTHESES SISMIQUES 3.3. DESCENTE DE CHARGE SISMIQUE
5 6 6
4. EXPORT SUR ROBOT & MAILLAGE ELEMENTS FINIS
7
4.1. PARAMETRES D’EXPORT ET MIS-A-JOUR DU MODELE 4.2. MAILLAGE
7 8
5. ANALYSE MODALE
9
5.1. PARAMETRES DE RECHERCHE DES MODES 5.1.1. ÉDITION DE L’ANALYSE MODALE 5.1.2. CONVERSION DES CAS DE CHARGE EN MASSES 5.2. VISUALISATION DES RESULTATS 5.3. MODES PREPONDERANT & COMBINAISON MODALE
9 9 10 10 12
6. VERIFICATION DE L’ANALYSE MODALE
13
6.1. PARAMETRES DE VERIFICATION DES MASSES MODALES EXCITEES 6.2. MASSE TOTALE DE LA DESCENTE DE CHARGES SISMIQUE 6.3. LINEAIRE DE VOILES LIE AUX APPUIS
13 13 14
7. ANALYSE SISMIQUE
14
7.1. PARAMETRES DE L’ANALYSE SISMIQUE 7.2. REGULARITE DU BATIMENT 7.3. TYPE DE STRUCTURE DE CONTREVENTEMENT 7.4. CALCUL DU COEFFICIENT DE COMPORTEMENT 7.4.1. VALEUR DE BASE Q0 7.4.2. CAS D’UN CONTREVENTEMENT MIXTE, MURS COUPLES 7.4.3. CAS D’UN SYSTEME DE MURS 7.5. ÉDITION DE L’ANALYSE SISMIQUE ROBOT 7.5.1. COMBINAISONS DE NEWMARK 7.5.2. FILTRE DES MODES UTILES 7.5.3. MODE RESIDUEL
14 15 15 15 15 15 15 16 17 18 18
8. VERIFICATION DE L’ANALYSE SISMIQUE
19
8.1. ÉDITION DES TABLEAUX DE TORSEURS SISMIQUES ROBOT 8.2. VERIFICATION DES TORSEURS SISMIQUES ROBOT AVEC LA THEORIE
19 19
2
9. VERIFICATION EN DEPLACEMENT
20
10. EXPLOITATION DE LA MODELISATION POUR DIMENSIONNEMENT
21
10.1. 10.2. 10.3. 10.4.
21 21 24 27
METHODE GENERALE POUR DIMENSIONNEMENT DU FERRAILLAGE DALLES VOILES POTEAUX & POUTRES
ANNEXES
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3
1. Support de l’analyse modale spectrale Pour le bon fonctionnement et l’archivage des fichiers d’analyse sismique, chaque dossier type est composé de 4 documents : - la modélisation REVIT G.O. du projet (hors dossier sismique) - le fichier ROBOT de l’analyse sismique - une note de calculs (format Excel) de vérification sismique - une note sismique sur le fonctionnement général du contreventement (format Word)
1.1. Modélisation REVIT Cette modélisation est la base géométrique et structurelle de l’analyse sismique du bâtiment étudié. Elle est de préférence la modélisation appartenant au sous-projet GO de la maquette centrale. Si nécessaire, une copie peut être utilisée au préalable afin de tester différents paramètres. Si le projet comporte des joints de dilatations et qu’il peut être jugé comme comportant plusieurs blocs structurellement indépendants, il faut mener une analyse sismique par bloc. Par exemple, si un projet comporte 3 blocs structurellement indépendants, une seule modélisation REVIT donnera 3 dossiers d’analyse sismique.
1.2. Feuille de vérification sismique et calcul du coefficient de comportement (Excel) Cette feuille a plusieurs objectifs : - l’édition simplifiée des hypothèses sismiques - la vérification des analyses modale et sismique ROBOT - le calcul du coefficient de comportement - la vérification des critères en déplacement et de la condition de joint sismique à l’EC 8
1.3. Note sismique sur le fonctionnement général du contreventement (Word) Enfin, une note sismique permet de détailler : - le fonctionnement général du contreventement du bâtiment et/ou de ses différents blocs - d’énoncer clairement les hypothèses de calcul et d’analyse sismique - de conclure quant aux dispositions constructives sismiques pour le projet
2. Vérification des paramètres d’entrée REVIT Avant toute manipulation d’export sur ROBOT, certains paramètres des éléments structuraux du projet doivent être vérifiés sur REVIT.
2.1. Caractéristiques des matériaux Pour des bâtiments en béton armé, il faut s’assurer que l’ensemble des matériaux béton utilisés dans le projet ait les bonnes caractéristiques, notamment : - la masse volumique (25 kN/m3) - le coefficient de Poisson
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-
le module d’Young (E/2 pour les éléments de contreventement primaires, E pour les autres)
2.2. Dispositions structurelles dalles et voiles Il existe des dispositions structurelles paramétrables pour les dalles et les voiles dans REVIT au niveau des propriétés de ces deux éléments. Voiles : Dans le cadre de l’analyse sismique, il est préférable de régler le modèle analytique de l’ensemble des voiles de contreventement comme porteurs LATERAL. ! Pour appliquer cette propriété à l’ensemble des voiles, cliquer sur un voile, puis cliquer droit, SELECTIONNER L’ENSEMBLE DES OCCURRENCES, PRÉSENTES DANS LE PROJET, ce qui sélectionne l’ensemble des voiles du même type. ! Puis dans les Propriétés, MURS ANALYTIQUES, Porteurs : LATERAL. Dalles : ! Pour régler un sens de portée de dalle, sélectionner la dalle puis dans les Propriétés, SOL ANALYTIQUE, Sens de Portée : UNIDIRECTIONNEL / BIDIRECTIONNEL. Ce réglage aura vraiment son importance dans le calcul sur ROBOT.
2.3. Modèle analytique juste Enfin, avant de passer à l’export du projet ou d’un bloc sur ROBOT, il est conseillé de s’assurer de la justesse du modèle analytique. Plusieurs points sont à vérifier : - Non chevauchement planaire de 2 éléments - Non chevauchement linéaire de 2 éléments - Chaque jonction entre voile et dalle est composée d’une seule ligne - Chaque élément porteur vertical au premier niveau comporte une fondation (isolée ou filante) (Pour + de détails, Cf. Guide des bonnes pratiques de modélisation)
3. Éditions des hypothèses sismiques sur la feuille de calculs Dans la feuille de calculs Excel, certaines informations sont requises pour l’édition de l’analyse modale sur ROBOT.
3.1. Hypothèses générales Ces hypothèses permettent à la feuille de trier des coefficients de charges et de coefficient de comportement : ! Bâtiment : o Nombre d’étages (donnée à entrer) o Type de structure (menu déroulant) o Irrégularité (menu déroulant)
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! Altitude du projet (menu déroulant)
3.2. Hypothèses sismiques Ces hypothèses sont celles de l’EC 8 pour l’analyse sismique, notamment pour l’édition du spectre de référence et le calcul de la valeur de base du coefficient de comportement : ! Catégorie d’importance du bâtiment (menu déroulant) ! Zone de sismicité (menu déroulant) ! Classe de sol (menu déroulant)
3.3. Descente de charge sismique Dans la section Vérification de la masse modale totale, dans le tableau de descente de charges : ! Affecter le type d’action (menu déroulant, cf. EC 0) à chaque cas de charge de l’analyse. Le calcul des coefficients sismiques est ainsi fait automatiquement. Ils seront utiles par la suite pour : o La conversion des cas de charges en masse sur ROBOT o La vérification de la masse modale totale
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4. Export sur ROBOT & maillage éléments finis
4.1. Paramètres d’export et mis-à-jour du modèle ! Le module d’export sur ROBOT se trouve dans l’onglet ANALYSER, ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS, INTÉGRATION AVEC ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS.
! Dans la boîte de dialogue qui apparaît, sélectionner suivant le cas ENVOYER LE MODÈLE et INTÉGRATION DIRECTE. ! Dans où on veut uniquement exporter une partie du projet, un bloc structurellement indépendant par exemple, il suffit de sélectionner au préalable le bloc puis dans la boîte de dialogue d’export cliquer sur OPTIONS D’ENVOI. Sélectionner alors ENVOYER SEULEMENT LA SELECTION ACTUELLE.
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! Au passage, on peut vérifier que le cas de charge pris pour le poids propre est bien celui défini, ou bine on peut négliger le poids propre en cochant NÉGLIGER LE POIDS PROPRE. ! Une fois toutes les options choisies, cliquer sur OK pour lancer l’exportation. Cette opération peut prendre plusieurs minutes et ouvre automatiquement ROBOT. Vérifier à la fin de l’export, qu’aucun message d’erreur n’est présent dans la boîte de dialogue d’envoi qui s’affiche.
4.2. Maillage Une fois passé sur ROBOT, vérifier d’abord que le projet ou bloc a été exporté sans erreurs sur le modèle analytique. Erreur pouvant survenir : - inversion de vides et de pleins dans les voiles avec ouvertures - mauvaise délimitation des ouvertures dans les voiles - mauvaise jonction dalle-voile - absence d’appuis sous un élément porteur La résolution de ces erreurs ne peut se faire que sur REVIT et il est vivement déconseillé de modifier le modèle directement sur ROBOT (sauf s’il s’agit de la suppression d’éléments non voulus dans l’exportation). ! Pour éditer le maillage, aller dans l’onglet ANALYSE, MAILLAGE, OPTION DE MAILLAGE : - Sélectionner le type de maillage DELAUNAY - Prendre une taille d’élément fini de 0,5 m
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Remarque : cette taille de maillage permet d’obtenir des résultats précis tout en limitant le temps de calcul. Une taille plus grande n’est pas assez précise, notamment pour les zones d’ouvertures et une taille plus petite augmentera considérablement le temps de calcul sans gagner beaucoup de précision. Le type de maillage Delaunay est préconisé pour les analyses modales et sismiques.
5. Analyse modale
5.1. Paramètres de recherche des modes 5.1.1. Édition de l’analyse modale ! Cliquer sur le bouton TYPE D’ANALYSE, pour ouvrir la boîte de dialogue et créer un nouveau cas de charge en cliquant sur le bouton NOUVEAU. ! Sélectionner MODALE et cliquer sur OK pour ouvrir les paramètres d’analyse modale. La boîte de dialogue ci-dessous apparaît : ! Entrer le nombre de modes souhaités ; pour choisir ce nombre, se référer à l’Annexe 1 : Organigramme de choix des modes propres. ! Vérifier que la case Matrice des masses CONCENTRÉES SANS ROTATIONS est cochée. ! Cocher les cases NÉGLIGER LA DENSITÉ et VÉRIFICATION DE STURM. ! Pour valider, cliquer sur OK.
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5.1.2. Conversion des cas de charge en masses Pour que les cas de charges édités sur REVIT soient pris en compte dans l’analyse modale, il faut les convertir de kN/m2 ou kN/ml en kg. ! Pour cela, on se positionne dans l’onglet MASSES de la boîte de dialogue TYPES D’ANALYSE. ! Entrer le N° de chaque cas de charge avec son coefficient sismique (Cf. Tableau de la feuille de calculs) selon la direction Z_. ! Une fois tous les paramètres rentrés, lancer le calcul en cliquant sur CALCULS. Selon le nombre de modes, les calculs par itérations successives peuvent durer entre 1 et 3 minutes.
5.2. Visualisation des résultats Une fois les calculs achevés, vérifier la présence d’erreurs. ! Pour visualiser le tableau des résultats modaux, aller dans l’onglet RÉSULTATS, AVANCÉS, MODES PROPRES. Une fenêtre s’ouvre avec le tableau suivant :
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! Analyser le dernier mode calculé : o La fréquence est-elle supérieure à 33 Hz ? o Le pourcentage de masse modale cumulée est-il > 90% dans les 3 directions ?
! Dans le cas où le nombre de modes est insuffisant pour conclure, on peut redémarrer les calculs uniquement pour des modes supplémentaires (ce qui évite de tout recalculer). Dans le menu ANALYSE : o REDÉMARRER LES CALCULS, une boîte de dialogue s’ouvre : o Sélectionner ANALYSE MODALE
o o o
Dans la boîte de dialogue de l’analyse, modifier le nombre total de modes Cocher la case REDÉMARRER LES CALCULS UNIQUEMENT AVEC LES MODES SUPPLÉMENTAIRES Valider en cliquant sur OK
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o
De retour sur la première boîte de dialogue, cliquer sur REDÉMARRER LES CALCULS.
5.3. Modes prépondérant & Combinaison modale ! Une fois le nombre de modes atteint pour une fréquence > 33 Hz, relever pour chaque direction le mode prépondérant et le noter dans le tableau de la feuille de calculs, section Résultats de l’analyse modale sur ROBOT. ! Ajouter la masse totale excité (en Tonnes) à l’emplacement m1 = … T
! Afin de vérifier le type de combinaison modale à utiliser pour la suite des calculs, cliquer droit sur le tableau des résultats modaux dans ROBOT. Puis cliquer sur COLONNES. ! Dans la boîte de dialogue apparaissant, cocher la case PROPORTIONS DES PÉRIODES TI/TJ et valider sur OK. ! Dans le tableau des modes apparaît pour chaque mode le rapport Ti/Tj ainsi que le type de combinaison modale utilisée par le logiciel : CQC ou SRSS.
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6. Vérification de l’analyse modale Dans la section qui suit, on vérifie le bon fonctionnement de l’analyse modale ROBOT avec la feuille de calculs Excel.
6.1. Paramètres de vérification des masses modales excitées Dans le tableau de charges sismiques de la feuille de calculs, section Vérification de la masse modale totale, entrer la valeur de charge sismique prise par ROBOT :
! Pour trouver ces valeurs, aller dans le menu RÉSULTATS, RÉACTIONS pour afficher le tableau des réactions. ! Choisir le cas de charge dans le menu déroulant : PERM, EXPLOIT, etc … ! Aller tout en bas du tableau de réactions et relever la valeur comme sur l’image suivante :
! Effectuer pour chaque cas de charge en changeant le cas dans le menu déroulant.
6.2. Masse totale de la descente de charges sismique La somme totale de la descente de charges sismique et sa conversion en masse se fait automatiquement sur la feuille de calculs et donne un résultat m2 en tonnes. Dans la plupart des cas, cette somme est différente de la masse totale excitée par l’analyse modale ROBOT. Le calcul de l’écart m2-m1 est fait automatiquement. Cet écart s’explique par la non prise en compte des masses des voiles et dalle en liaison direct avec les appuis, qui par défaut sont rigides. La manipulation suivante consiste à estimer la quantité de masse non excitée et à la comparer à l’écart m2-m1.
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6.3. Linéaire de voiles lié aux appuis Pour calculer cette quantité, il faut relever le linéaire de voile (= au linéaire de dalle) en lien direct avec les fondations. Cette valeur peut être facilement extraite avec une bonne précision de la nomenclature des murs dans REVIT. Sur la feuille de calculs, à la section Vérification de la masse modale totale : ! Entrer le linéaire de voiles : L = … m ! Entrer l’épaisseur des voiles en contact avec les appuis : ev = … m ! Entrer l’épaisseur de la dalle en contact avec les appuis : ed = … m ! Entrer la taille des éléments finis du maillage ROBOT
La masse non prise en compte dans l’analyse modale (m,npc) est calculée automatiquement en fonction de ces paramètres ainsi que l’erreur relative avec m2-m1. Si l’erreur relative est > 1% ; alors on peut juger que le modèle est incohérent. Ceci peut être dû à une erreur de modélisation, de justification du modèle analytique ou d’implémentation de charges.
7. Analyse sismique Lorsque l’ensemble des vérifications de l’analyse modales est validé, on peut alors éditer une analyse sismique à l’EN 1998-1.
7.1. Paramètres de l’analyse sismique Le module d’analyse sismique ROBOT permet d’entrer les mêmes données que sur la feuille de calcul, dans le but de calculer une accélération sismique d’après le spectre de référence. Avant de lancer cette analyse, certains paramètres doivent être pris en compte : - la régularité du bâtiment - le type de contreventement - le coefficient de comportement
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7.2. Régularité du bâtiment Sur la feuille de calcul, on a déjà renseigné la régularité du bâtiment, il faut juste s’assurer que le choix opéré correspond bien aux critères de l’EC 8 car ce paramètre est déterminant pour le calcul du coefficient de comportement, et donc pour la réponse. Dans le cas d’une irrégularité en élévation, un coefficient réducteur de 20% s’applique automatiquement au résultat final du coefficient de comportement.
7.3. Type de structure de contreventement Là aussi, on a déjà renseigné ce paramètre sur la feuille de calcul. Il faut juste s’assurer que le choix effectué n’augmente pas trop le coefficient de comportement dans le cas d’une irrégularité. De manière générale, plus le coefficient de comportement sera élevé, moins les efforts sismiques dans la structure seront importants.
7.4. Calcul du coefficient de comportement Le calcul du coefficient de comportement est assez fastidieux, selon les types de contreventement. Une partie de son calcul est donc automatisé sur la feuille Excel. Son calcul consiste à prendre le maximum entre 1,50 et la valeur q0 x kw. 7.4.1. Valeur de base q0 Le calcul de q0 peut mener soit à une valeur numérique, soit à une formule impliquant un autre rapport en fonction de la classe de ductilité choisie (DCL, DCM ou DCH). Dans la feuille de calculs, à la section Calcul du coefficient de comportement : ! Dans le cas où une formule s’affiche, renseigner la valeur de αu/αi (menu déroulant, se référer au tableau présent dans la feuille à l’onglet Tableaux de valeurs EC). ! Dans le cas où une valeur s’affiche, cette valeur est celle de q0 (calculée automatiquement). 7.4.2. Cas d’un contreventement mixte, murs couplés Dans ce cas, le coefficient de mode de rupture kw est égal à 1. Cette valeur est comptabilisée automatiquement. Aucune autre manipulation n’est nécessaire et le résultat de q s’affiche. 7.4.3. Cas d’un système de murs Dans ce cas, une étape supplémentaire est nécessaire. Deux lignes s’affichent : - Hauteur des voiles - Linéaire des voiles ! Renseigner la somme des hauteurs tous niveaux confondus des voiles de contreventement : Σhwi = … m ! Renseigner la longueur cumulée des voiles de contreventement : ΣLwi = … m
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Remarque : ces valeurs ne peuvent être automatisées car elles sont propres à chaque projet. La meilleure méthode de sommation est de regarder 1 à 1 les voiles de contreventement et d’additionner leur hauteur sur tout étage et leurs longueur. Exemple : 3 voiles Voile n° Longueur (m) Étages plombants Hauteurs d’étages (m) 1 5,00 2 + SS Sous-sol = 2,80 2 7,00 3 RDC = 3,00 3 12,00 3 + SS R+1 à R+3 = 3,00 On obtient par sommation : Σhwi = (2*3,00+ 1*2,80) + (3*3,00) + (3*3,00 + 1*2,80) = 29,60 m ΣLwi = 5,00 + 7,00 + 12,00 = 24 m Une fois ces valeurs rentrées, on obtient automatiquement la valeur de q.
7.5. Édition de l’analyse sismique ROBOT Une fois le coefficient de comportement final obtenu, on peut définir l’analyse sismique sur ROBOT. Pour cela : ! Ouvrir la boîte de dialogue TYPES D’ANALYSES et cliquer sur NOUVEAU. ! Une autre boîte de dialogue apparaît. Cocher SISMIQUE et choisir la norme EN 1998-1 dans le menu déroulant. ! Les paramètres de l’analyse sismique à l’EC 8 s’affichent. Renseigner : o Le département (vérifier la zone de sismicité qui s’affiche !) o La classe d’importance du bâtiment o La classe de sol o La valeur de coefficient de comportement calculé sur la feuille Excel
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! Ensuite, 3 boutons permettent de régler les cas de charge sismique, les modes de vibrations choisis et l’addition d’un mode résiduel si besoin : o Définir la direction o Filtres o Mode résiduel 7.5.1. Combinaisons de Newmark En cliquant dur le bouton DÉFINIR LA DIRECTION, on ouvre la boîte de dialogue ci-dessous : ! Cocher les jeux 1,2 et 3 pour obtenir les 12 combinaisons sismiques de Newmark. Ces combinaisons permettent de prendre en compte le séisme dans sa globalité dans les trois directions de l’espace. ! Valider sur OK.
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7.5.2. Filtre des modes utiles ! De retour dans les paramètres de l’analyse sismique, cliquer sur le bouton FILTRES. ! Régler la plage de modes intéressants pour l’analyse sismique (exemple : 1A23 = les 23 premiers modes, de préférence ceux dont la fréquence est < 33 Hz). Dans le cas de l’ajout d’un mode résiduel, ce filtre permet de ne pas prendre en compte dans le calcul sismique les modes inutiles.
7.5.3. Mode résiduel ! De retour dans les paramètres de l’analyse sismique, cocher la case à gauche du bouton grisé MODE RÉSIDUEL puis cliquer sur le bouton. ! Afin de se limiter à une fréquence de coupure de 33 Hz, cocher la case LIMITE DE FRÉQUENCE puis cliquer sur OK.
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! De retour dans les paramètres de l’analyse sismique, cliquer sur OK pour valider les paramètres. L’ensemble des cas de charge sismiques est ainsi créé dans la boîte de dialogue TYPE D’ANALYSE. ! Cliquer sur CALCUL pour lancer l’analyse. Les calculs peuvent prendre jusqu’à 5 minutes en fonction du nombre de modes.
8. Vérification de l’analyse sismique Une fois les calculs achevés, on peut vérifier le bon fonctionnement de l’analyse sismique en comparant les résultats ROBOT avec les calculs théoriques sur la feuille Excel.
8.1. Édition des tableaux de torseurs sismiques ROBOT ! Dans le Tableau des RÉACTIONS, choisir le cas de charge SISMIQUE X dans le menu déroulant puis le mode prépondérant selon X dans l’autre menu déroulant.
8.2. Vérification des torseurs sismiques ROBOT avec la théorie ! En bas de tableau s’affiche alors la somme de l’effort tranchant sismique à la base du bâtiment. Reporter cette valeur sur la feuille de calculs à la section Spectre horizontal de calcul, Direction X, Effort ROBOT : … kN.
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La valeur théorique de cet effort tranchant sismique est calculée automatiquement sur la feuille de calcul en fonction des paramètres d’analyse sismiques rentrés précedemment. ! L’erreur relative entre la valeur ROBOT et la valeur théorique est calculée automatiquement. Si elle est supérieure à 1%, alors l’analyse contient certainement une erreur. ! Opérer de la même manière pour la direction Y.
9. Vérification en déplacement Sur ROBOT : Pour afficher les déplacements max dans les deux directions du séisme, aller dans RÉSULTATS, DÉPLACEMENTS. Le tableau des déplacements s’affiche. Cliquer sur l’onglet EXTRÊMES GLOBAUX pour obtenir les déplacements max et le cas de charge correspondant.
Sur Excel : Dans la section Vérification en déplacement, reporter les valeurs de déplacement max pour les deux directions X et Y.
20
Puis définir la nature des éléments non structuraux du projet (qui influe sur l’amplitude des déplacements admissibles du critère de vérification) : - Fragiles - Ductiles - Pas d’éléments Enfin, entrer la hauteur entre étages en cm.
Le calcul des déplacements max réduits et admissibles se fait automatiquement, le critère est validé ou non selon la véracité de l’inégalité.
10. Exploitation de la modélisation pour dimensionnement 10.1.
Méthode générale pour dimensionnement du ferraillage
L’analyse sismique et la vérification en déplacement sont terminées. On peut donc passer au dimensionnement des éléments de contreventement. Dans tous les cas, le principe consiste à isoler un élément du modèle 3D sur ROBOT et à mener un calcul de ferraillage réel.
10.2.
Dalles
! Sélectionner la dalle et l’isoler avec le bouton ISOLER UN ÉLÉMENT Après avoir cliqué sur le bouton FERRAILLAGE RÉEL DES ÉLÉMENTS BA dimensionnement apparaît comme ci-dessous :
, l’interface de
21
Paramètres du ferraillage : ! Pour configurer un dimensionnement en treillis, cliquer sur le bouton DISPOSITION DE FERRAILLAGE. Options de calcul
Disposition de ferraillage Note de calculs Plan d’armatures
! Dans l’onglet GÉNÉRAL, définir le mode de ferraillage (barres, treillis + barres ou treillis seuls)
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! Dans l’onglet TREILLIS, indiquer dans Position des panneaux la direction de portée des treillis (selon X ou Y du repère local de la visualisation)
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! Valider en les paramètre en cliquant sur OK.
Calculs : ! De retour sur la visualisation, cliquer sur le bouton CALCULER pour lancer le dimensionnement. De base ROBOT propose une liste de solutions classées de la moins consommatrice en acier à la plus consommatrice. Elles sont visualisables dans le menu déroulant LISTE DES SOLUTIONS POSSIBLES. Si la solution est convaincante, on peut éditer la note de calculs et la plan de ferraillage à l’aide des deux boutons NOTE DE CALCULS et PLAN D’ARMATURES.
10.3.
Voiles
! Même manipulation que pour les dalles, seule l’interface change. ! Une boîte de dialogue s’affiche pour valider la prise en compte des cas de charge. Conserver de préférence la configuration CAS SIMPLES et valider sur OK.
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! Le schéma du voile s’affiche. Pour extraire les efforts réduits en bas de voile, cliquer sur l’onglet VOILE-SCHÉMA DE CHARGE.
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! Pour une solution en treillis soudés, procéder de la même façon que pour les dalles. Ne pas oublier de sélectionner la plage de treillis désirés cliquant sur l’icône Options de calculs, onglet TREILLIS SOUDÉS.
! Lancer les calculs en cliquant sur l’icône
! Le tableau et le schéma de ferraillage sont visualisables en cliquant sur l’onglet VOILEFERRAILLAGE.
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! Si la solution est convaincante, on peut sortir la note de calculs
10.4.
Poteaux & poutres
! Même démarche que pour les dalles et les voiles.
27
Annexes -
ANNEXE 1 : Organigramme de recherche des modes propres et mode résiduel ANNEXE 2 : Résumé de l’analyse sismique par la méthode d’analyse modale
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Annexe 1 : Organigramme de choix des modes propres
Source : Autodesk
Annexe 2 : RÉSUMÉ ANALYSE SISMIQUE PAR LA MÉTHODE D’ANALYSE MODALE
Principe général L’analyse sismique par analyse modale spectrale est utilisée pour définir les effets d’un séisme sur une structure lorsque celle-ci ne peut pas faire l’objet d’une analyse simplifiée (modèle en brochette, par exemple). Le principe de cette analyse est de déterminer les modes de vibrations prépondérant de la structure afin que l’application du séisme soit le plus défavorable possible. Dans la pratique, les modes de vibration prépondérant vont exciter un certain pourcentage de masse dans chaque direction de l’espace. L’analyse sismique qui découle de cette étude consiste à appliquer une accélération sismique selon un spectre de référence à ces mêmes pourcentages pour obtenir la réponse en efforts et vibrations la plus défavorable. Les grandes étapes de cette analyse sont : - l’analyse modale et la recherche des modes prépondérant - affectation d’un type de combinaison quadratique modale pour combiner les effets de vibration dans les 3 directions de l’espace - l’analyse sismique et le calcul de l’accélération sismique de référence - l’application de cas charge accidentels sismiques prenant en compte : o les charges permanentes o les charges d’exploitation o l’action du séisme
Principe de fonctionnement de l’analyse modale L’analyse modale consiste à appliquer à une structure un ensemble de modes de vibrations et d’analyser la réponse du bâtiment en terme de pourcentage de masses modales excitées et de déplacements. Cette analyse se réalise en 4 étapes : - Recherche des modes propres - Application ou non d’un pseudo-mode - Extraction des modes principaux par direction (X, Y et Z) - Combinaison des réponses modales
Figure 1 Schéma de principe de l'analyse modale (source : IUT Toulouse)
L’avantage de cette analyse par rapport à une autre (modèle simplifié en brochette ou analyse par forces latérales, par exemple) réside dans le fait que la recherche des modes prépondérant permet de s’approcher au plus près du comportement réel de la structure tout en limitant l’étude dynamique du système à plusieurs degrés de liberté. Cette limitation n’est pas défavorable car au
delà d’une certaine fréquence, appelée fréquence de coupure (fixée à 33 Hz pour un ouvrage à risque normal), les modes de vibration supplémentaires apportent une contribution négligeable à la réponse dynamique de la structure. Evolution de la masse modale effective cumulée en fonction des modes de vibration Masse modale effective cumulée (%)
80 70 60 50 40
Masse modale cumulée X (%)
30
Masse modale cumulée Y (%) Masse modale cumulée Z (%)
20 10 0 -10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Fréquence (Hz)
Figure 2 Modes propres de l'analyse modale du BLOC B de l'Origine des Sources
La réponse globale approchée est déterminée par une combinaison d’un nombre limité de modes dits premiers et éventuellement d’un pseudo-mode. Ce dernier permet de prendre en compte les modes proches de la fréquence de coupure en un seul mode pour lequel est atteinte 100% de la masse modale effective cumulée. La recherche des modes propres consiste donc à appliquer un nombre de modes suffisant pour exciter un certain pourcentage de masses modales cumulées pour être certain de n’avoir oublié aucun mode prépondérant. L’application d’un pseudo-mode (ou mode résiduel) s’avère utile lorsque ce pourcentage n’est pas atteint au voisinage de la fréquence de coupure. La dépendance des périodes de vibration des modes propres trouvés permet de déterminer la formule de combinaison de modes prépondérant par direction pour la réponse globale dynamique du bâtiment. Critère de choix des modes propres L’EC 8 fixe l’arrêt de la recherche des modes lorsqu’au moins 90% de la masse modale effective cumulée a été atteinte dans les trois directions. Cependant cette condition est très rarement obtenue pour des fréquences inférieures à la fréquence de coupure et dans un bon nombre de projets, il faut plus de 120 modes pour atteindre ce seuil. Seuls des bâtiments réguliers en plan et en élévation avec des proportions particulières peuvent y parvenir avec un nombre de modes restreint. Pour limiter la recherche, l’application d’un pseudo-mode est souvent utile car il permet de condenser tous les modes supplémentaires en un seul mode qui totalise 100% de masse modale effective cumulée. L’EC8 ne spécifiant rien sur le pseudo-mode, il se réfère au PS 92 pour son application :
Figure 2 Organigramme de choix des modes propres (source : Autodesk)
Combinaisons de réponse modale : CQC ou SRSS ? Une fois les modes propres trouvés, il faut choisir la formule de combinaison de ces modes qui donnera la réponse dynamique globale du bâtiment. Deux types de combinaison existent pour deux situations différentes, prenant en compte la dépendance des modes entre eux. Pour choisir la bonne combinaison, l’EC 8 donne la condition suivante (EN 1998-1 Art. 4.3.3.3.2) : - Si le rapport de deux périodes voisines Ti / Tj < 0,9 alors les modes sont indépendants et on utilise la combinaison SRSS (racine carrée de la somme des carrés) - Si le rapport de deux périodes voisines Ti / Tj > 0,9 alors les modes sont dépendants et on utilise la combinaison CQC (combinaison quadratique complète, avec coefficient de corrélation βij). Cette combinaison est préférable, même si les modes sont indépendants car elle est plus précise. Analyse sismique : spectre de référence et accélération sismique Hypothèses sismiques L’ensemble des hypothèses sismiques permet de déterminer les périodes caractéristiques du spectre de référence du séisme : - la zone de sismicité, donnant l’accélération sismique de base ag - la catégorie d’importance du bâtiment, donnant le coefficient d’importance γi - la classe de sol, donnant le coefficient topographique S ainsi que les périodes de référence TB, TC et TD Toutes ces valeurs se retrouvent dans les formules d’accélération sismique du spectre de calcul.
Figure 4 Zones de sismicité en Alsace
Spectre de calcul Les formules de l’Eurocode 8 du spectre de calcul pour l’analyse élastique sont les suivantes : 0 < ! < !! : !! ! = !! . ! .
! !
+
! !!
.
!,! !
−
! !
2,5 ! 2,5 !! ! ! = !! . ! . . !! < ! < !! : ! ! ! ≥ !. !! 2,5 !! . !! !! ! = !! . ! . . !! < ! ∶ ! !! ≥ !. !! !! < ! < !! : !! ! = !! . ! .
Dans tous les cas, l’accélération sismique dépend d’un coefficient q, appelé coefficient de comportement qui prend en compte la forme du bâtiment, son type de conreventement ainsi que la ductilité de ses matériaux : - Forme du bâtiment : nombre d’étages, régularité en plan et/ou en élévation - Type de contreventement : murs non couplés, ossatures mixtes, noyau,… - Ductilité des matériaux : classes de ductilité faibles (DCL), moyennes (DCM) et hautes (DCH) Son calcul peut s’avérer particulièrement complexe et fastidieu mais il confère une réelle importance dans la réponse globale au séisme (de part sa position au dénominateur dans les formules). Efforts sismiques horizontaux à la base de la structure : Enfin, le calcul des accélérations sismiques, pour les périodes correspondantes, permet de déterminer les efforts sismiques à la base du bâtiment pour les deux directions horizontales orthogonales X et Y.
Schéma récapitulatif
Bibliographie {1} JALIL W., JALIL A., 2014, Conception et analyse sismiques du bâtiment, guide d’application de l’Eurocode 8 à partir des règles PS 92/2004, AFNOR et Groupe Eyrolles, ISBN AFNOR : 978-2-12-465458-1, ISBN Eyrolles : 978-2-212-13873-3, 352 pages. {2} DAVIDOVICI V., CORVEZ D., CAPRA A., 2013, Pratique du calcul sismique, guide d’application, AFNOR et Groupe Eyrolles, ISBN AFNOR : 978-2-12-465401-7, ISBN Eyrolles : 978-2-212-13582-4, 244 pages. {3} RENOU J., CHEMISE S., 2015, REVIT pour le BIM, Initiation générale & Perfectionnement structure, Groupe Eyrolles, ISBN : 978-2-212-14334-8, 482 pages.
NOTE DE CALCULS DE VERIFICATION ANALYSE SISMIQUE Affaire n° : 672565 Auteur : Y.T. Hypothèses générales
Nom : Date :
L'Origine des Sources - Mittelhausbergen - Bloc A 07/04/2016 A B C D E
Bâtiment :
Nombre d'étages : 3 Type de structure : Murs non couplés contreventement mixte, mursMurs couplés non couplés Noyau Pendule inversé Irrégularité : en plan & élévation régulier en plan en élévation en plan & élévation Altitude du projet : < 1000 m donc ψ2, neige = < 1000 m > 1000 m
0
F G
Hypothèses sismiques I
II
Catégorie d'importance :
II très faible modérée
Zone de sismicité :
donc faible donc
A Classe de sol :
III
IV ϒi =
1 moyenne 1,1 1,1
modérée agr = ag = agr*ϒi =
B
C
D
forte m/s2 m/s2 E
C
d'où le Spectre de référence :
Calcul du coefficient de comportement q :
S 1,5
TB (s) 0,06
DCL
Classe de ductilité
TC (s) 0,4
DCM
TD (s) 2
DCH
DCM 1
Valeur de base q0 : Mode de calcul : FORMULE / VALEUR : Rapport αu/αi : EC 8 Tab. 5.2.2.2 :
1,1
1,2
Formule / Valeur 3 sans objet sans objet
Irrégularité en élévation donc réduction de 20%
Coefficient de mode de rupture kw : Formule : Hauteur des voiles Σhwi : Linéaire des voiles ΣLwi :
kw=(1+ α0)/3
1,3
donc q0 =
3
donc q0 =
2,4
avec α0 =Σhwi/ΣLwi
158,85 m 245,92 m
d'où α0 =
0,646
donc kw =
0,549
donc q=max(kw*q0;1,5)=
1,50
Résultats de l'analyse modale sur ROBOT Nombre de modes : Modes prépondérant :
Direction X Y Z
Masse modale totale excitée :
Mode 5 2 7
m1 =
Fréquence (Hz) 11,11 8,74 14,63
Période (s) 0,09 0,11 0,07
Masse (%) 44,19 50,02 15,38
ψ2i 1 1 0 0,3 0,6 0,6 0,6 0,8 0,6 0
ϕ 1 1 1 0,8 1 0,5 1 1 1 1
ψEi = ψ2i*ϕ 1 1 0 0,24 0,6 0,3 0,6 0,8 0,6 0
1074,6 T
Vérification de la masse modale totale Descente de charges Analyse modale sur ROBOT:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Somme :
Poids Propre PERM Toiture EXPLOIT toiture EXPLOIT étages corrélés EXPLOIT étage indé 1 EXPLOIT étage indé 2 EXPLOIT étage indé 3 EXPLOIT étage indé 4 EXPLOIT étage indé 5 Neige
Type d'action PERM PERM H A F C D E F CLIM
Valeur (kN) 10224,18 0 65,03 873,25 591,19
m2 = ({1]*ψE1 + {2]*ψE2 + … {10]*ψE10) / 9,81 =
1099,74 T
Ecart m2 - m1 :
25,14 T
Vérifictaion de l'écart avec les liasons rigides du modèle au niveau des appuis : Linéaire de voiles en contact avec les appuis : Epaisseur des voiles en contact avec les appuis : Epaisseur de la dalle en contact avec les appuis : Taille d'élément fini du maillage ROBOT : Masse non prise en compte : L*(ev+ed)*2,5(T)*t/2 = Total : Erreur relative :
L= ev = ed =
72,12 m 0,2 m 0,25 m
t=
0,5 m
m,npc =
20,28 T 1094,88 T 0,44%
Spectre horizontal de calcul
DIRECTION X Période du mode prépondérant :
Mode 5 T= 0,09 s donc TB < T < TC et
Sd(T) =
2,75 m/s2
Calcul de l'effort tranchant sismique à la base du bâtiment : E = m1*M%UX*Sd(T) =
1305,88 kN
Effort ROBOT :
1305,8 kN
Erreur relative :
0,006%
DIRECTION Y Période du mode prépondérant :
Mode 2 T= 0,11 s donc TB < T < TC et
Sd(T) =
2,75 m/s2
Calcul de l'effort tranchant sismique à la base du bâtiment : E = m1*M%UX*Sd(T) =
1478,17 kN
Effort ROBOT :
1478,21 kN
Erreur relative :
-0,003%
Vérification en déplacement fragiles Critère de déplacement entre étages (EN 1998-1 Art. 4.4.3.2. (1a)) : Eléments non-structuraux:
ductiles
pas d'éléments
fragiles donc avec v=0,4
dr*v <
0,005
*h
Hauteur entre étages h =
280 cm
Déplacement max (cm) : Critère :
0,5 cm 0,2
<
1,4
Vérifié
Déplacement max (cm) : Critère :
0,5 cm 0,2
<
1,4
Vérifié
DIRECTION X
DIRECTION Y
