Parasismique

SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES

Alberto Burri – Village de Gibellina – Il Cretto – 1984/1989 Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg












1.0 - Tremblements de terre 1.1 – Origines Les séismes peuvent être déclenchés par des éruptions volcaniques ou par des effondrements souterrains. Mais, dans leur grande majorité (environ 90% des enregistrements), les tremblements de terre ont une origine tectonique due au passage d’ondes sismiques générées par la libération d’efforts accumulés dans la croûte terrestre lorsque se produit un déplacement au droit d’une faille géologique.

1.2 – Magnitude La magnitude d’un tremblement de terre est repérée selon l’échelle de Richter par des séismographes. Elle définit l’énergie totale du tremblement de terre sans considération aux effets locaux. Cette échelle de magnitude est établie à partir d’un tremblement de terre standard.

1.3 - Intensité du séisme L’intensité d’un séisme se mesure d’après l’échelle MSK (de Medveder, Sponheuer et Karnik) pour les effets locaux sur les gens, les ouvrages de construction et la surface de la terre. En vue du calcul des ouvrages, des cartes des intensités les plus fréquemment rencontrées sur des périodes de retour de 100 et même 1000 ans pour les zones sismiques reconnues ont été établies. Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


4 - Amplitude : En physique classique, on nomme amplitude la mesure scalaire (une coordonnée) d’un nombre positif caractérisant l’ampleur de l’oscillation d’une onde par rapport à sa valeur moyenne.

5 – Fréquence En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps, c'est-à-dire le nombre de fois qu'un phénomène temporel régulier se reproduit identique à lui-même par intervalle de temps donné. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision, on sousentend la plupart du temps une fréquence temporelle. Par extension le terme est également utilisé lorsque qu'un phénomène est périodique dans l'espace : on parle alors de fréquence spatiale.





2.0 - Les différents types d’ondes : Lors de la rupture des roches, l’énergie est émise sous forme d’ondes élastiques qui se propagent à l’intérieur de la terre. On distingue deux types d’onde : • les ondes de compression-dilatation et • les ondes de cisaillement. Les ondes de compression-dilatation (qui sont longitudinales) sont appelées ondes P (primaires) car elles sont plus rapides (environ 1.8 fois) que les ondes de cisaillement (transversales) appelées ondes S (secondaires). Lorsque le train d’onde arrive au niveau de la surface, il se forme des ondes qui se propagent parallèlement à la surface libre. Ce sont : les ondes de Love et de Rayleigh (fig. 2.6). Elles sont, en général, plus lentes et de plus forte amplitude que les ondes P et S et peuvent provoquer d’importants dommages.





3.0 - Types de dégâts 3.1 - Effondrement en galette (pancake) Évidemment, pour résister aux sollicitations sismiques, la stabilisation latérale de la structure est primordiale. Elle requiert des éléments verticaux présentant une certaine rigidité et une résistance suffisante. Ces éléments peuvent être des cadres (portiques), des refends (voiles) ou des contreventements. Cependant, même dans des régions à forte sismicité, un grand nombre de bâtiments est doté d’une stabilisation latérale nettement insuffisante, voire inexistante. La sanction de cette lacune est implacable et se traduit souvent par un effondrement général de la structure, le fameux « pancake» (fig. ci-contre).









3.2 - Fissures en croix Les fissures en croix dans les murs sont caractéristiques des sollicitations sismiques. En effet, elles mettent en évidence le caractère cyclique ainsi que la direction principalement horizontale de l’action sismique. La forme en croix découle du fait que l’action sismique ne s’exerce pas uniquement dans un seul sens, mais qu’elle s’inverse plusieurs fois durant l’événement. Les sollicitations horizontales entraînent des efforts de cisaillement dans les élément verticaux. Conformément aux principes de base de la mécanique des solides, selon l’orientation considérée, le cisaillement se traduit par de la traction. Dès que la résistance à la traction est dépassée, des fissures obliques peuvent se former. Les fissures en croix dans les éléments en maçonnerie sont caractéristiques de l’action sismique. Elles naissent des tractions diagonales perpendiculaires à la compression principale



Les fissures en croix apparaissent principalement dans les murs en maçonnerie car ceux-ci sont généralement peu élancés et résistent donc essentiellement en cisaillement. De plus, la maçonnerie présente une faible résistance à la traction. Une fois les fissures en croix formées, l’endommagement va se poursuivre avec l’ouverture des fissures jusqu’à la rupture de l’élément et l’effondrement éventuel de la structure. De surcroît, les murs en maçonnerie sont spécialement sensibles aux sollicitations transversales (hors de leur plan) et les fissures en croix les fragilisent encore plus car elles découpent des panneaux qui s’effondrent fréquemment transversalement.



3.3 - Étage souple (soft-storey) L’étage souple ou soft-storey est certainement le dégât sismique le plus répandu car, à chaque reprise, il est responsable d’une majeure partie des effondrements de bâtiments. Dans beaucoup de régions du monde, malheureusement souvent fortement exposées sismiquement, le premier étage des immeubles est traditionnellement réservé à une affectation commerciale et doit donc offrir un espace maximal. Pour cette raison, il est libéré d’éléments structuraux encombrants comme les refends qui y sont interrompus et remplacés par des colonnes. Cette configuration implique un comportement sismique particulièrement défavorable. En effet, conformément à l’illustration de la figure 3.2, les déformations globales (en tête) du bâtiment ne peuvent être produites que par une concentration des déformations locales à la base et au sommet du premier étage. Dans ces conditions, même des sollicitations sismiques moyennes vont provoquer des dégâts importants. La suite inéluctable est constituée par l’effondrement classique du bâtiment sur son premier étage. Le même phénomène peut intervenir à un autre étage si les éléments de stabilisation y sont affaiblis ou interrompus





3.4 - Colonne captive et colonne courte (short column) Les phénomènes de colonne captive et de colonne courte surviennent régulièrement causant une part notable des dégâts sismiques. Ces deux phénomènes sont apparentés et sont souvent réunis sous la dénomination short column. Comme l’illustre la partie gauche de la figure ciaprès, la colonne (généralement celle d’un cadre) devient captive lorsqu’elle est entravée sur une partie de sa hauteur dans ses déformations latérales par un autre élément, souvent un mur en maçonnerie. Lors d’un fort séisme, les extrémités de la partie libre de la colonne sont fortement sollicitées en flexion. La flexion est accompagnée d’un effort tranchant d’autant plus important que la hauteur libre est réduite. Si la résistance à l’effort tranchant de la colonne est insuffisante, ce qui est inévitable si elle a été dimensionnée pour un effort tranchant correspondant à sa hauteur totale, une rupture par cisaillement accompagnée de fissures caractéristiques à 45° survient.



Il faut souligner que, dans la plupart des cas, les colonnes sont entravées par des éléments non porteurs mis en place après l’intervention de l’ingénieur, souvent à son insu. A l’instar de la partie droite de la figure ci-dessous, le problème se retrouve dans le cas de colonnes peu élancées. Alors que le dimensionnement ne l’a souvent pas prévu, les sections d’extrémités atteignent leur moment plastique (Mpl) sous les sollicitations sismiques. Plus la longueur (1) de la colonne est réduite, plus le gradient de moment (donc l’effort tranchant) est important. La résistance à l’effort tranchant de la colonne n’est en général pas suffisante face aux sollicitations imposées, entraînant là aussi une rupture par cisaillement accompagnée de fissures caractéristiques à 45°.



3.5 - Détails d’armature Pour les éléments en béton armé, quelques lacunes récurrentes dans la conception ou la réalisation des détails d’armature provoquent des dégâts sismiques typiques. Ces erreurs classiques sont les suivantes : • ancrage déficient de l’armature transversale, • espacement excessif de l’armature de stabilisation, • recouvrement dans les zones sensibles de fortes déformations plastiques.



L’armature transversale assume un rôle essentiel dans le comportement du béton armé lors des fortes déformations plastiques imposées par les sollicitations sismiques. D’une part, les étriers confinent le béton comprimé, étendant ainsi sa capacité de déformation. D’autre part, elle constitue un appui transversal pour l’armature longitudinale l’empêchant de flamber latéralement lorsque celle-ci est comprimée pendant la phase de fermeture des fissures juste après avoir été étirée plastiquement (fig. ci-après). Le danger de flambage latéral est encore accru par le fait qu’à ce stade, le béton de couverture a généralement déjà éclaté lors des cycles précédents. L’éclatement du béton de couverture a justement également une incidence sur l’ancrage des étriers qui, s’il est réalisé, comme c’est souvent le cas, avec des crochets à 90°, n’est alors plus assuré. L’ouverture des étriers qui en résulte n’empêche plus le flambage de l’armature longitudinale ce qui peut conduire à l’effondrement de la structure (fig. 3.4 à gauche).




SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES Concernant le flambage de l’armature longitudinale, l’espacement de l’armature de stabilisation (étriers et barres de liaison) joue un rôle primordial. Même pour les actions traditionnelles, un resserrement des étriers dans les zones sensibles (extrémités des colonnes, par exemple) est préconisé afin d’améliorer la capacité de déformation. Hélas cette règle de l’art n’est fréquemment pas appliquée avec rigueur, si ce n’est pas totalement ignorée. Dans le cas de sollicitations sismiques, en raison des fortes déformations plastiques imposées, les conditions d’espacement sont encore plus draconiennes et un espacement trop important n’empêche pas le flambage latéral de l’armature longitudinale (fig. ci-contre).



Les recouvrements de l’armature longitudinale constituent une zone problématique des éléments en béton armé. Le passage des efforts d’une barre à l’autre par l’intermédiaire du béton s’accommode mal des sollicitations plastiques et cycliques imposées par les séismes. Malheureusement, les recouvrements sont traditionnellement disposés aux pires endroits, à la base des refends par exemple, coïncidant avec les zones de fortes déformations plastiques. Souvent doublées d’une déficience d’armature transversale, les zones de recouvrement sont sujettes à des ruptures allant jusqu’à découper la section au niveau de l’interruption de l’armature d’attente (fig. ci-contre).



3.6 – Martèlement Étant donné que les bâtiments sont sujets à des déformations horizontales importantes durant un séisme, deux bâtiments voisins peuvent entrer en collision si l’espace qui les sépare est insuffisant. Le martèlement (entrechoquement) des bâtiments constitue un dégât sismique typique en zone urbaine.

Comme l’illustre la figure ci-dessus, le danger est particulièrement important si les bâtiments sont de hauteurs différentes car ils n’oscillent pas de concert, en raison de leur caractéristiques dynamiques différentes (fréquences fondamentales), augmentant les possibilités de collision.



De surcroît, à l’instar de la partie droite de la figure cicontre, des hauteurs d’étage qui ne correspondent pas, constituent la situation la plus défavorable car les dalles percutent alors de plein fouet les colonnes du bâtiment voisin. Les dégâts engendrés par la collision entraînent souvent dans ce cas l’effondrement d’un, voire des deux bâtiments.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 3.7 - Longueur d’appui insuffisante Les zones d’appui (de liaison) des structures non monolithiques, tels que les structures en béton préfabriqué et les ponts constitués d’une suite de poutres simples par exemple, sont très sensibles aux sollicitations sismiques qui imposent d’importantes déformations horizontales. Dans ces zones, les déplacements entre les éléments assemblés peuvent être bloqués, par un goujon par exemple, ou être guidés dans une ou plusieurs directions. Cependant les appuis fixes ne résistent généralement pas au caractère dynamique de l’action sismique qui engendre des efforts colossaux. Après leur rupture, l’élément appuyé n’est alors plus fixé et risque de tomber si les longueurs des zones d’appui ne sont pas suffisantes pour l’en empêcher, d’autant que les mouvements sismiques peuvent conduire à un écartement des appuis



3.8 - Liquéfaction, perte de portance des fondations Même s’il ne s’agit pas à proprement parler d’un dégât de la structure, la liquéfaction du sol ou la perte de portance du sous-sol de fondation sont des phénomènes qui peuvent provoquer, dans certains cas, une large part des dégâts sismiques. Une couche de terrains meubles en surface peut amplifier de manière très significative les secousses sismiques (effet de site). En plus, s’il s’agit de sables fins ou de limons peu compacts et saturés en eau, les surpressions interstitielles engendrées par les sollicitations sismiques peuvent conduire à la perte de leur consistance (diminution de la contrainte effective entre les grains), induisant un comportement momentanément semblable à celui d’un liquide. Sous l’effet des ébranlements, les grains de sable ou de limon des dépôts lâches et saturés en eau «veulent» se compacter et gagner ainsi du volume, mais en se déplaçant pour le compactage, ils se mettent à flotter. Ce phénomène apparaît en raison de la faible perméabilité des sables fins et des limons car la pression interstitielle n’a pas le temps de se résorber entre deux cycles de charge.



En pente, il en résulte un danger accru de glissements de terrain qui peuvent être encore plus dévastateurs que les effets directs du séisme. En terrain moins accidenté, l’effet peut provoquer l’affaissement de zones étendues dans lesquelles la perte de portance des fondations entraîne l’enfoncement ou le renversement des bâtiments. Comme le montre la figure cicontre, l’enfoncement (A) et le renversement (B) sont accompagnés d’un déplacement latéral et vertical du terrain sousjacent.


A

B




Effondrement en galette (pancake)

Liquéfaction



4.0 - Classification des dégâts








SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.0 – Conception des bâtiments 5.1 - Introduction Même si elle ne repose pas directement sur une procédure de calcul bien définie, la conception constitue l’étape cruciale du projet car c’est à ce stade que les décisions déterminantes pour le comportement de la structure vont intervenir. L’importance de la conception n’est pas l’apanage exclusif du génie parasismique, mais elle y est exacerbée en raison du caractère particulier des sollicitations sismiques et des conséquences dramatiques auxquelles de petites lacunes peuvent conduire. Dans le génie parasismique, une erreur de conception ne peut pas être rattrapée par des calculs, aussi sophistiqués soient-ils, et la sanction de la nature est implacable, souvent catastrophique. La conception vise à garantir un bon comportement sismique de la structure. Pour y parvenir, le maître mot est régularité. En effet, les extravagances dans la forme du bâtiment, ou dans son système porteur, ont toujours tendance à fortement amplifier les effets des séismes et à entraîner des concentrations importantes d’efforts. De plus, l’évaluation de la réponse sismique est d’autant plus incertaine et complexe que la structure est irrégulière. Au contraire, une forme compacte et un système structurel régulier assurent un cheminement clair et direct des efforts, donc un comportement favorable face aux séismes et permet à l’ingénieur de maîtriser la réponse sismique de la structure. Il ne faut tout de même pas en conclure que seuls les bunkers sont adaptés aux séismes.



5.2 - Enjeux de la conception : L’importance prédominante de la conception par rapport à l’analyse de la structure est bien résumée dans l’adage suivant : Un bâtiment bien conçu et mal calculé se comportera toujours mieux face aux séismes qu’un bâtiment bien calculé, mais mal conçu. Les éléments qui interviennent dans le cadre de la conception parasismique des bâtiments peuvent être regroupés dans les quatre catégories suivantes : 1.

la forme du bâtiment (en plan et en élévation),

2.

le système structurel de contreventement,

3.

l’insertion des éléments non porteurs,

4.

l’implantation du bâtiment.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.3 - Forme du bâtiment : La forme du bâtiment est primordiale car elle influence fortement la réponse d’ensemble de l’édifice aux sollicitations sismiques. Pour un bon comportement sismique, il faut tendre vers des formes simples, compactes et régulières, tant en plan qu’en élévation. Les formes complexes engendrent : des vibrations de torsion et des vibrations localisées qui vont se traduire par des déformations accentuées et entraîner des concentrations locales d’efforts. La fragmentation des formes complexes en plusieurs formes simples par des joints parasismiques est un remède efficace pour éviter ces dangereuses oscillations perturbatrices. Il faut également tendre vers une répartition régulière des caractéristiques structurelles sur la hauteur du bâtiment. Une répartition non uniforme des masses, ou de la rigidité, provoque des oscillations différentielles qui engendrent des concentrations d’efforts précisément au droit des changements structuraux. Les sollicitations supplémentaires dues aux irrégularités de la forme du bâtiment peuvent entraîner des ruines localisées, voire l’effondrement complet de l’édifice.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.3.1 - Forme en plan Les formes en plan les plus favorables d’un point de vue sismique sont les formes compactes et régulières. A ce titre, les formes symétriques, comme celles représentées sur la figure cidessous, conviennent particulièrement bien. Étant donné qu’elles possèdent plusieurs axes de symétrie, les centres de masse (M) et de cisaillement (S) coïncident, évitant les problèmes de torsion. Lorsque les centres ne sont pas confondus, le bâtiment subit non seulement une sollicitation horizontale, mais également un effort de torsion qui entraîne une augmentation des efforts et des déformations dans les éléments de la structure.



La figure A ci-contre montre, deux formes en plan, symétriques, dans lesquels une excentricité sépare les centres de masse (M) et de cisaillement (S).

A

Comme l’illustre B, lors de sollicitations sismiques, le bâtiment subit une torsion qui augmente les efforts dans les éléments de construction.

B Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


Par ailleurs, il faut prendre garde aux parties saillantes ou rentrantes ainsi qu’aux évidements. La partie A de la figure ci-contre montre deux sections qui, bien que symétriques, ne sont pas compactes. Elles comportent des angles rentrants à la jonction de deux parties du bâtiment dont la rigidité est différente. Un tel type de configuration engendre des oscillations différentielles et entraîne des concentrations d’efforts.

A

La partie B de la figure ci-contre illustre l’aspect de la déformation de ces sections sous sollicitation sismique. Les parties dont la rigidité est plus faible (qui ont le moins de profondeur suivant la direction de la sollicitation) se déforment plus que les parties plus rigides. Les efforts se concentrent alors là où les déformations différentielles apparaissent.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.3.1a - Fragmentation en formes simples Le comportement sismique est notablement amélioré si une forme complexe est fragmentée en plusieurs formes plus compactes par l’introduction de joints parasismiques. La figure cicontre montre comment améliorer sensiblement le comportement sismique des formes complexes .

La séparation en formes compactes permet d’annuler toute excentricité entre les centres de cisaillement et les centres de masse, les sollicitations sismiques agissant alors au centre de masse de chaque fragment de bâtiment. Les joints parasismiques doivent être suffisamment larges pour que les blocs voisins n’entrent pas en collision au cours de leur mouvement. Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


Les joints parasismiques doivent être plans, mais pas trop inclinés (à gauche). En tout cas, il ne faut pas introduire de décrochement comme, par ex., ceux des joints « en baïonnette » (au centre) ou en élévation (à droite). Les joints doivent couper les éléments le plus perpendiculairement possible pour éviter des angles trop biais. Par ailleurs, en général les joints parasismiques ne sont pas prolongés dans les fondations.

OUI

NON


NON


Une réflexion similaire concerne les formes très allongées. Les déplacements dus aux séismes ne peuvent alors plus être considérés comme uniformes dans le cas des longues structures dont le rapport longueur/largeur (l/b) est supérieur à 3.

A

Comme l’illustre schématiquement la partie A de la figure ci-contre, une longue construction peut subir des déplacements différentiels sur sa longueur. Ces déplacements différentiels engendrant un accroissement important des sollicitations, il est conseillé de fragmenter le bâtiment en plusieurs parties (dont le rapport longueur/largeur (l’/b) est inférieur à 3) et de les séparer au moyen de joints parasismiques.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.3.2 - Forme en élévation D’une manière générale, les formes en élévation les plus favorables d’un point de vue sismique sont les formes continues et régulières. L’action sismique agissant au centre de gravité de la structure, la position de ce dernier a une forte influence sur l’intensité des efforts engendrés à la base de la construction. Dans ce sens, les silos, les châteaux d’eau et les structures similaires, avec leur centre de gravité très haut, sont particulièrement défavorables d’un point de vue sismique. Quelques exemples de constructions concernées sont schématiquement représentés à les figure ci contre. Dans le but de rapprocher le centre de gravité de la base et ainsi de diminuer les efforts dans les éléments de structure au pied de la construction, il est souhaitable, dans ce cas, d’élargir la base de la structure ou de diminuer ses dimensions en direction de son sommet. Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg

SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES Toute discontinuité des caractéristiques structurales sur la hauteur du bâtiment provoque des oscillations différentielles qui engendrent des concentrations d’efforts précisément au droit des discontinuités. Les schémas ci-contre présentent quelques exemples de typologie de bâtiments dont la forme en élévation est discontinue. Un changement brusque de la section du bâtiment, créé pour engendrer un volume qui diffère du reste de l’édifice, est une discontinuité. L’excroissance ainsi créée possède des caractéristiques vibratoires distinctes de celles du reste de la structure. Par conséquent, dans ce type de bâtiments, les ensembles structuraux ont des modes d’oscillations différents qui entraînent des concentrations d’efforts lors des sollicitations sismiques, donc des dommages supplémentaires, au droit des discontinuités.

A

B


C


Une variation progressive de la section sur la hauteur du bâtiment est nettement préférable du point de vue sismique (fig. A ci-contre ).

La fragmentation de la forme discontinue en plusieurs formes continues au moyen de joints parasismiques est assurément la meilleure solution (fig. B ci-contre).

A

B



La figure ci-dessous présente des exemples d’autres types de configurations défavorables du point de vue sismique. A côté de la variation brusque de section (A), le décalage des niveaux est particulièrement défavorable pour les sollicitations des éléments de la jonction (B). Même si la forme extérieure est parfaitement continue, il faut prendre garde aux discontinuités internes comme une répartition inégale des masses ou des rigidités, par exemple. Ces discontinuités internes vont perturber les oscillations de la structure (C).

A


C

SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.3.2 a - Hauteurs d’étage irrégulières La figure ci-dessous présente des exemples de bâtiments avec des hauteurs d’étage irrégulières. Une hauteur d’étage inhabituellement grande (fig. A) ou petite (fig. B) conduit à des variations brusques de la rigidité au droit de la discontinuité et y engendrent des concentrations de sollicitations. Une variation progressive de la hauteur d’un étage, comme dans le cas d’un bâtiment implanté sur une pente (fig. C), n’est pas plus favorable car les efforts vont alors se concentrer dans les éléments les plus courts de l’étage irrégulier.

A


C




5.3.2b - Discontinuité des contreventements En dehors de la forme en élévation de l’enveloppe du bâtiment, il faut également veiller à la régularité et à la continuité de la stabilisation latérale. Bien que le système de contreventement ne ressorte pas toujours clairement de la forme du bâtiment, c’est pourtant lui qui va déterminer la réponse sismique de l’édifice. Dans ce sens, toute discontinuité de la stabilisation latérale est défavorable du point de vue sismique. Les 3 figures suivantes présentent quelques exemples de discontinuité du système de contreventement dans le cas où celui-ci est assuré par des refends (voiles).



L’interruption des refends au rez-dechaussée (fig. ci-contre) est le cas typique de discontinuité de la stabilisation latérale. Les dégâts sismiques fréquemment constatés montrent que cette disposition conduit inexorablement à l’étage souple car les sollicitations se concentrent alors sur les quelques éléments restants au rez-dechaussée.



Un phénomène analogue se produit si l’interruption intervient à un autre étage; qu’il s’agisse d’un refend ou d’une colonne (fig. A ci-contre).

A

Le décalage des éléments de stabilisation est particulièrement défavorable (fig. B cicontre). Bien qu’admis dans le cas statique, le cheminement tortueux des charges qui lui est associé n’est pas compatible avec des sollicitations cycliques, plastiques et dynamiques. Par conséquent, le comportement sismique des contreventements décalés n’est pas satisfaisant. Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg

B


5.3.2 c - Variations brusques Les trois figures ci-après présentent des exemples de changements brusques, des sauts des caractéristiques du bâtiment. La réduction abrupte de rigidité introduite au deuxième étage du bâtiment ci-contre provoquera une concentration des efforts à cet étage, pouvant conduire à l’effondrement de celui-ci. Une variation progressive de la rigidité est nettement préférable, du moins si elle s’opère avec une diminution vers le sommet. Une variation, même progressive, avec augmentation vers le haut est à éviter.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES Le bâtiment de la figure A souffre d’un changement de système de stabilisation horizontale avec brusque changement de rigidité. Les refends des étages supérieurs sont interrompus au rez-dechaussée et remplacés par des cadres. Étant donné la différence de rigidité, les efforts vont se concentrer sur les cadres du rezde-chaussée et le comportement sismique s’apparentera alors à celui de l’étage souple.

A

Dans le bâtiment de la figure B, les dalles ne peuvent plus faire office de diaphragme et répartir ainsi les charges horizontales à cause des grandes ouvertures dont elles sont percées.



5.4 - Système de contreventement A côté de la forme du bâtiment, le choix du système de stabilisation horizontale influence de manière prépondérante la réponse sismique de l’édifice. D’une manière générale, il est préférable d’opter pour un système porteur qui possède une certaine redondance (hyperstaticité) de façon à répartir plus favorablement les sollicitations sismiques et à éviter l’effondrement complet de la structure lorsqu’une défaillance locale survient. Etant donné qu’il s’agit de résister à des sollicitations horizontales, les systèmes de contreventement habituels peuvent être envisagés pour la stabilisation parasismique. Ces principaux systèmes sont les suivants : • les refends (également appelés voiles), • les cadres (également appelés portiques), • les contreventements triangulés. Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


Certains de ces systèmes de contreventement sont parfaitement adaptés aux sollicitations sismiques, d’autres doivent être renforcés (au sens parasismique du terme) par des dispositions constructives, d’autres, enfin, ne sont pas recommandés. Cependant, pour distinguer leurs performances sismiques, il faut absolument les considérer en relation avec les matériaux de construction dont ils sont constitués. Ainsi pour les refends, par exemple, ceux en béton armé constituent une solution optimale alors que les refends en maçonnerie non armée ne sont pas bien adaptés.



Les systèmes porteurs spéciaux comme les systèmes en coque, en arcs, suspendus, etc., peuvent également être utilisés pour la stabilisation parasismique. Ils ne sont pas traités ici car ils doivent faire l’objet d’investigations particulières qui sortent du cadre de ce cours. Il faut encore noter la possibilité d’utiliser des structures préfabriquées. Du point de vue sismique, le problème des constructions préfabriquées se situe au niveau de leurs liaisons. Ces structures sont souvent constituées d’éléments supportés par un appui fixe et un appui mobile. Il faut alors veiller à munir : les appuis fixes d’un nombre suffisant de goujons et les appuis mobiles, d’une longueur d’assise suffisante. Aussi, il faut éviter le renversement latéral d’éléments horizontaux préfabriqués (par des dispositifs constructifs adéquats).



5.4.1 - Refends (voiles) La stabilisation latérale des bâtiments par des murs porteurs (refends, voiles) découle naturellement de l’utilisation des éléments de façade et de cloisonnement pour la résistance horizontale. Les systèmes correspondants sont relativement rigides, ce qui a l’avantage de limiter les déformations. Les refends sont habituellement en béton armé ou en maçonnerie. Ils peuvent également être en bois, très rarement en acier. Idéalement, les refends ne devraient pas comporter d’ouvertures. Etant donné que les ouvertures sont indispensables à l’utilisation des bâtiments, il faut absolument les proscrire dans les zones de fortes déformations plastiques, comme la base des refends en béton armé, et les disposer dans les zones qui resteront dans l’état élastique. L’alignement vertical des ouvertures, comme les fenêtres par exemple, améliore le comportement sismique car il permet d’éviter les irrégularités des refends sur la hauteur du bâtiment.



5.4.1a - Refends (voiles) en béton armé Les refends en béton armé sont très bien adaptés aux sollicitations sismiques (fig. ci-contre). En effet, de nombreuses observations post-sismiques ont relevé la très bonne tenue des bâtiments avec des refends en béton armé. Même sans précautions particulières, les refends en béton armé sont efficaces car ils possèdent une certaine ductilité et leur rigidité limite les déformations du bâtiment.



Par ailleurs, ces éléments peuvent aisément être conçus de manière ductile, les déformations plastiques se concentrant à la base du refend. Pour cela, il faut favoriser un comportement contrôlé par la flexion avec un élancement suffisant (fig. A). Il faut surtout, éviter toute rupture non ductile comme celle contrôlée par l’effort tranchant (fig. B).

A

En général, deux refends élancés en béton armé par direction suffisent à garantir la stabilisation latérale des bâtiments.



5.4.1b - Refends (voiles) en maçonnerie Bien que la maçonnerie soit certainement le matériau de construction le plus répandu dans le monde, non armée elle n’est pas un matériau adapté à de fortes sollicitations sismiques car elle associe une grande rigidité à une faible ductilité. Ses performances sismiques peuvent être notablement améliorées par l’adjonction d’une armature. Constructivement, il faut disposer une armature horizontale dans les lits et une armature verticale renforcée aux extrémités. Une telle armature permet d’éviter les glissements entre les joints d’assise et d’assurer une certaine ductilité. Idéalement, et conformément aux prescriptions de la plupart des normes parasismiques, seule la maçonnerie armée devrait être utilisée dans les régions sismiquement exposées mais, malheureusement en pratique, ce n’est pas la règle générale.



Les murs porteurs en maçonnerie utilisés pour la stabilisation latérale des bâtiments se comportent comme des refends (fig. ci-dessous).


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES Essentiellement en fonction de leur élancement et de leur taux d’effort normal, les refends en maçonnerie non armée sont susceptibles de présenter, dans leur plan, un des trois modes de rupture représentés schématiquement ci-dessous. • le balancement (rocking), • le glissement le long des joints (sliding) et • le cisaillement (shear) accompagné des fissures caractéristiques à 45°. Ces modes de rupture peuvent parfois apparaître ensemble sur le même élément. Il faut encore relever une particularité importante des éléments en maçonnerie qui tient à leur nature même (briques superposées, liées par du mortier); il s’agit de leur grande vulnérabilité aux sollicitations hors de leur plan.

A

B


C


5.4.2 - Cadres (portiques) Les systèmes de cadres sont bien adaptés pour la stabilisation horizontale des ouvrages De par le monde, ce sont de loin les systèmes structuraux les plus utilisés pour la stabilisation parasismique. D’une manière générale, les cadres sont des systèmes redondants, plutôt flexibles face aux efforts latéraux, ce qui est souvent un avantage pour le comportement sismique. Cependant il sont sujet à de grandes déformations. Il faut alors que les éléments non porteurs et leurs fixations (façades, cloisons, etc.) soient suffisamment déformables pour suivre les déformations imposées par la structure.



Avec les systèmes de cadres, il faut être extrêmement attentif aux colonnes captives ou colonnes courtes. A chaque reprise, le phénomène de colonne courte est responsable d’une bonne partie des dommages sismiques. Les déformations latérales des colonnes peuvent être entravées par la structure elle-même (poutres larges et rigides, constructions sur terrain en pente, poteaux sur vide sanitaire, etc.), par une structure indépendante accolée, un élément de structure secondaire (escalier, mezzanine) mais surtout, par des élément non porteurs souvent mis en place après le gros œuvre et sans consultation préalable des ingénieurs structure Les cadres peuvent être en acier, en béton armé et en bois. Dans le comportement parasismique, il faut considérer deux familles : 1 - Les cadres en acier et en béton armé 2 - Les cadres en bois



5.4.2 a - Cadres (portiques) en béton armé ou en acier

A

Les cadres en béton armé ou en acier peuvent aisément être conçus de manière ductile pour autant que les zones de déformations plastiques soient situées dans les poutres plutôt que dans les colonnes (fig. A).

Il faut relever que ce n’est généralement pas le cas pour les bâtiments existants où l’action sismique a été ignorée et dans lesquels les colonnes sont moins résistantes que les poutres. Comme le montre la partie droite de la figure B, cette situation fréquente conduit à un comportement sismique défavorable en raison de la forte concentration des déformations plastiques aux extrémités des colonnes du premier étage (manque de ductilité globale de la structure).


B


Un autre élément important conditionnant le comportement sismique des cadres réside dans la conception et la réalisation des noeuds. Dans le cas du béton armé, il s’agit de l’ancrage et de la stabilisation des barres d’armature et, dans le cas de l’acier, il s’agit des phénomènes d’instabilité (flambage, voilement, etc.) ou des ruptures locales non ductiles (soudures, par exemple).



5.4.2 a - Cadres (portiques) en bois Les cadres en bois sont bien adaptés aux sollicitations sismiques. Leur utilisation est toutefois limitée aux bâtiments de faible hauteur. Les cadres en bois peuvent être conçus de manière ductile pour autant que les zones de déformations plastiques soient situées dans les assemblages. En effet, les éléments en bois sont sujets à des ruptures fragiles lorsqu’ils sont sollicités dans le sens des fibres, comme dans les poteaux et les poutres. De même, les éléments assemblés par collage ne présentent pas de ductilité. En revanche, les assemblages à broches, les assemblages cloués ou vissés sont ductiles. Il faut toutefois veiller à la possible migration des éléments d’assemblage lors des sollicitations cycliques. Pour l’éviter, il faut ajouter des boulons aux assemblages à broches ou augmenter la pénétration dans le cas des assemblages cloués ou vissés. Les nœuds des cadres ductiles en bois peuvent également être réalisés avec des assemblages mécaniques.



5.4.3 - Contreventements triangulés Couramment utilisés pour la stabilisation latérale des structures face aux actions traditionnelles (vent, par exemple), les contreventements triangulés peuvent également être utilisés pour les sollicitations sismiques. Ces contreventements peuvent être en béton armé ou en bois, mais sont le plus souvent en acier.


SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES 5.4.3 a - Contreventements triangulés en acier La figure ci-dessous schématise les principaux types de contreventements triangulés en acier. Malgré le fait que l’acier soit le matériau ductile par excellence, tous les contreventements triangulés usuels en acier ne peuvent pas être considérés comme bien adaptés aux sollicitations sismiques. Par exemple, les contreventements diagonaux (fig. A) n’offrent pas une dissipation d’énergie suffisante si les diagonales sont trop élancées car elles flambent dès l’inversion du cycle sans se plastifier en compression. Leur comportement n’est alors pas véritablement favorable du point de vue sismique. Il en va de même pour d’autres types de contreventements triangulés comme ceux en V (fig. B) ou, pire encore, les contreventements en K (fig. C) qui ne sont pas particulièrement adaptés au cas sismique car ils doivent impérativement rester dans l’état élastique .

A

B

C Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg

SÉISMES & MESURES PARASISMIQUES Les liaisons ont une influence prépondérante pour le comportement sismique car des ruptures non ductiles peuvent intervenir dans ces zones délicates. Le comportement sismique est nettement meilleur si l’élancement des diagonales des contreventements est réduit ou, mieux encore, avec des contreventements à liaisons excentrées. Il s’agit là de systèmes spécialement développés pour des sollicitations sismiques élevées où l’énergie est dissipée dans des rotules plastiques travaillant en flexion et en cisaillement dans les zones d’excentricité, le reste du contreventement restant dans l’état élastique (fig. ci-dessous).



5.4.4 - Systèmes mixtes D’une manière générale, les systèmes mixtes, composés de systèmes au comportement dynamique différent, ne sont pas recommandés. En effet, leur incompatibilité dynamique génère des dommages sismiques localisés à leur interface. Toutefois, l’association de deux systèmes permet dans certains cas, comme celui des bâtiments en maçonnerie, de pallier la grande vulnérabilité sismique de l’un d’eux. Il faut relever qu’un bâtiment peut être stabilisé dans les deux directions principales par différents systèmes porteurs, par exemple des cadres en béton armé dans le sens transversal et des refends en maçonnerie dans le sens longitudinal. Il ne s’agit pas, dans ce cas, à proprement parler de système mixte mais il en résulte des comportements sismiques différents dans chaque sens et, souvent, une direction particulièrement sensible aux sollicitations sismiques.



5.4.4 a - Bâtiments en maçonnerie renforcés par des refends en béton armé

Le comportement sismique de bâtiments en maçonnerie peut être notablement amélioré par l’adjonction de quelques refends en béton armé. Pour cela, il faut s’assurer que les refends en béton armé soient suffisamment rigides afin de limiter les déformations pour ne pas dépasser la faible capacité de déformation de la maçonnerie. Les refends en béton armé doivent donc être dimensionnés de manière à ne pas quitter le domaine élastique. Il faut encore relever ici l’incompatibilité en déformation des refends en béton armé et des refends en maçonnerie. En effet, les premiers travaillent essentiellement en flexion alors que les seconds travaillent en cisaillement. Les deux systèmes doivent donc être bien séparés par des joints adéquats pour que leurs déformations ne soient pas entravées.



5.4.4 b - Systèmes mixtes formés de refends en maçonnerie et de cadres en béton armé

Les systèmes porteurs mixtes composés de cadres en béton armé et de refends en maçonnerie ne sont pas adaptés aux sollicitations sismiques, même s’ils sont fréquemment utilisés (fig. ci-dessous).



En effet, même avec des cadres massifs, les efforts sismiques se reportent pratiquement intégralement sur les refends qui sont bien plus rigides. Si les refends en maçonnerie s’effondrent sous l’effet des efforts sismiques, ils ne participent plus à la reprise des charges verticales ce qui conduit le plus souvent à un effondrement total de la structure (fig. ci-dessous).



5.4.4 b - Cadres remplis avec de la maçonnerie Dans de nombreuses régions, particulièrement en Europe méridionale, la construction traditionnelle de bâtiments est constituée de cadres en béton armé dont les vides sont ensuite remplis de panneaux en maçonnerie (fig. ci-dessous). D’un point de vue sismique, il s’agit d’une combinaison défavorable de deux types de construction au comportement très différent.



En effet, les cadres sont souples et, en général, plutôt ductiles alors que la maçonnerie est rigide et peu ductile. Les incompatibilités de déformations accentuent les efforts obliques dans les panneaux de maçonnerie qui sont déjà peu résistants en raison de leur faible taux de compression (fig. ci-contre).



Si le panneau subit un glissement, il peut également cisailler les colonnes du cadre (fig. ci-contre droite). Il faut encore relever qu’il arrive fréquemment que, le remplissage ne soit pas effectué au rez-dechaussée, mais seulement au niveau des étages supérieurs qui sont ainsi rigidifiés. Ce cas constitue un exemple type d’étage souple (soft-storey) conduisant inexorablement à un effondrement du bâtiment sur son premier étage.



5.5 - Disposition des éléments de contreventement D’une manière générale, les éléments de contreventement doivent être disposés de façon à conférer à la construction une grande rigidité à la torsion. Il faut donc tendre vers un arrangement aussi symétrique que possible et privilégier les emplacements à la périphérie, en façade ou près des façades, pour profiter d’un grand bras de levier (fig. ci-dessous). La translation des éléments suivant leur axe n’affectant ni la position du centre de cisaillement ni la rigidité à la torsion, d’autres critères peuvent intervenir dans le choix de leur emplacement.



Dans le cas habituel de dalles de plancher en béton armé, il convient, par exemple, de considérer les effets différés (retrait et fluage). Les éléments de stabilisation créant des points fixes, il est préférable de les disposer en regard l’un de l’autre pour limiter l’entrave aux déformations des dalles (fig. ci-dessous) et éviter ainsi la formation de fissures de retrait.



Dans le cas fréquent de deux éléments perpendiculaires en contact, il n’est en général pas judicieux de les lier (fig. ci-dessous). La section ainsi formée possède une rigidité importante qui va attirer vers elle le centre de cisaillement et engendrer des problèmes de torsion. Par ailleurs, d’un point de vue mécanique, dans le cas de la maçonnerie, la transmission de l’effort rasant à la jonction est difficile et, dans le cas du béton armé, la ductilité de la section est significativement amoindrie par une table de compression réduite (pénétration démesurée de l’axe neutre dans la section).



5.5.1 - Résistance à la torsion Les éléments de stabilisation doivent être disposés de manière symétrique et à la périphérie, conférant ainsi une grande rigidité à la torsion du bâtiments

Une disposition asymétrique engendre une torsion néfaste



Plus les éléments sont regroupés vers le centre plus le bâtiment est vulnérable par rapport aux phénomènes de torsion



5.5.1 - Noyaux et cages d’escalier Les noyaux et les cages d’escalier sont issus de la concentration des circulations verticales (escaliers, ascenseurs, gaines techniques, etc.) dans le bâtiment. De ce fait, ils couvrent habituellement toute la hauteur du bâtiment de manière ininterrompue, propriété bénéfique du point de vue sismique. Généralement constitués de parois rigides en béton armé ou en maçonnerie, ils conviennent à la stabilisation horizontale. Il faut cependant s’assurer qu’ils ne comportent pas trop de percements qui limiteraient leur efficacité. Il faut également relever le cas fréquent où le noyau ne forme pas une section fermée mais plutôt une section ouverte en forme de C ou de L. Ces sections peuvent être utilisées, mais elles présentent une faible ductilité dans le sens de leur axe faible (table de compression réduite). Un renforcement d’extrémité des ailes permet d’améliorer la ductilité de ce type de section en limitant la pénétration de l’axe neutre dans la section.



Concernant la torsion du bâtiment, comme l’illustre la figure ci-contre, il faut respecter les règles générales énoncées ci-dessus. Ainsi, un petit noyau central n’assure pas une assez grande rigidité à la torsion.

Par ailleurs, il faut prendre garde aux noyaux excentrés car, en raison de leur rigidité importante, ils vont attirer le centre de cisaillement et engendrer une excentricité avec le centre de masse (fig. ci-contre).



Les cages d’escalier externes sont déconseillées car leur connexion avec les dalles de plancher sont difficiles à réaliser en raison des longueurs de contact limitées (fig. ci-contre).



5.6 – Diaphragmes Le rôle des diaphragmes est de transmettre les charges horizontales aux éléments verticaux de contreventement, de stabiliser les refends (surtout en maçonnerie) hors de leur plan et de raidir le bâtiment. La transmission doit être la plus uniforme possible pour ne pas surcharger un élément en particulier et l’amener à la rupture. Dans ce but, le diaphragme doit être : dans son plan, plus rigide que les éléments verticaux de la stabilisation et, une bonne liaison doit être assurée entre eux.



Les diaphragmes sont des éléments plans, rigides, horizontaux ou inclinés, tels que les dalles, planchers, toitures, etc. La rigidité du diaphragme dépend principalement du matériau dont il est constitué et de sa forme. Une dalle en béton armé est préférable car elle est nettement plus rigide dans son plan qu’un plancher en bois, par exemple. Des diaphragmes longs et étroits ainsi que des diaphragmes percés de grandes ouvertures sont à éviter car ils sont trop flexibles. Dans le cas de diaphragmes constitués d’éléments préfabriqués, il faut prêter une attention particulière à l’ancrage et à la solidarisation des éléments constitutifs, par exemple à l’aide d’une armature appropriée (longueur d’ancrage majorée, armature de continuité, etc.). L’effondrement de ce type de plancher par perte d’appui est un dommage sismique fréquemment constaté.



Distribution de l’effort horizontal du diaphragme aux contreventement verticaux Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


5.7 - Fondations La conception parasismique d’un ouvrage doit s’étendre à celle de ses fondations. D’une manière générale, les fondations doivent transmettre les efforts de la structure porteuse au sous-sol sans subir de plastification. Dans ce but, il faut privilégier un système de fondation homogène. Par ailleurs, étant donné que les sollicitations sismiques proviennent du sol, la solidarisation des points d’appui de la structure est indispensable pour s’opposer à leur déplacement relatif dans le plan horizontal. Cette solidarisation peut être assurée par des longrines, des semelles filantes ou un radier, voire par le plancher d’un vide sanitaire.



Dans le cas de sols de mauvaise qualité, une amélioration préalable de leurs caractéristiques peut être nécessaire. Dans les nombreux traitements possibles que l’ingénieur a à disposition, il y a, entre autres : • les injections, • la consolidation dynamique, • le compactage par vibroflottation, • les colonnes ballastées, etc.; Il faut prêter une attention particulière aux sols liquéfiables. Bien qu’il soit envisageable de traiter ce type de sols, une fondation profonde sur pieux est préférable, mais il vaut encore mieux éviter ces sous-sols délicats. Les fondations peuvent être classées en deux catégories : les fondations superficielles et profondes. Évidemment, quel que soit le type de fondation, il faut garantir une bonne liaison entre la structure porteuse et les éléments de fondation.



5.7.1 - Fondations superficielles Comme l’illustre schématiquement la figure ci-après, les fondations superficielles comprennent : • les semelles isolées (sous les poteaux), • les semelles filantes (sous les murs), • les radiers. Ce type de fondation est indiqué uniquement en présence de sols de bonne qualité, compacts et homogènes. Un radier général permet d’éviter les problèmes de tassements différentiels. Néanmoins, si la nature et les caractéristiques du sol varient fortement sous l’étendue du bâtiment, il peut être avantageux d’opter pour une fragmentation du bâtiment (par des joints parasismiques) avec des blocs de fondation distincts. Dans le cas de semelles isolées ou de semelles filantes, il importe que les éléments de fondation soient solidaires pour résister aux actions sismiques. La solidarisation est généralement réalisée à l’aide de longrines.



A - Les éléments de fondation superficielle (semelles isolées) A

B - semelles filantes doivent être solidarisés par des longrines pour résister aux actions sismiques

B

C - Un radier général permet d’éviter les tassements différentiels. C Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg


5.7.2 - Fondations profondes Les pieux et les micropieux constituent les fondations profondes les plus courantes. Les parois moulées peuvent parfois offrir une solution pour les cas difficiles. Ce type de fondation s’impose lorsque les couches supérieures du terrain sont de qualité médiocre. Les pieux appuyés en pointe sont parfaitement indiqués pour les sollicitations sismiques. En revanche, les pieux flottants doivent être évités car des défaillances sismiques allant jusqu’à leur arrachement ont souvent été constatées. Toutefois, si les charges verticales ne posent pas de problème, les pieux présentent une faible résistance aux charges horizontales. Par conséquent, il convient d’encastrer le bâtiment dans le sol pour limiter les déformations horizontales des têtes de pieux.



5.7.3 - Isolation sismique L’isolation sismique représente l’option extrême dans laquelle la structure est séparée du sol afin de la préserver des mouvements sismiques. Cette solution présente l’avantage de limiter drastiquement les dommages que la structure subira lors d’un séisme. D’une manière générale, elle peut être envisagée pour des ouvrages spéciaux et vulnérables comme les monuments historiques, par exemple, ou pour garantir l’utilisation de bâtiments importants après un séisme (hôpitaux, bâtiments des services du feu, postes de police, etc.). Concrètement, l’isolation sismique consiste à introduire des appareils d’appui dont la rigidité horizontale est nettement plus faible que celle de la structure sus-jacente. Les appuis sont généralement placés entre les fondations et la superstructure, entre le sous-sol et le rez-de-chaussée ou encore, entre le rezde-chaussée et le premier étage. Les déplacements induits par le tremblement de terre se concentrent au niveau de ces appuis, conçus pour pouvoir absorber d’importants déplacements, et la structure se déplace d’un bloc (il faut s’assurer qu’elle soit bien rigide).



Ce système permet d’améliorer substantiellement le comportement sismique des bâtiments. Étant donné que la structure n’est plus que faiblement sollicitée par les mouvements induits par le séisme, non seulement les restrictions sur les formes en plan et en élévation ne sont plus aussi strictes, mais le dimensionnement en est aussi largement simplifié. Cependant, vu l’importance des déplacements de l’ensemble de la structure, il faut dimensionner les ouvrages annexes et installations reliant la structure à l’espace extérieur, comme des escaliers, des conduites de gaz, etc., en conséquence. Par ailleurs, si plusieurs bâtiments isolés sismiquement se côtoient, il faut s’assurer qu’ils ne s’entrechoquent pas sous l’effet de grands déplacements. Arnauld Saint-Clair de Bussierre d’Ortenberg








5.8 - Éléments non porteurs Bien entendu, les dégâts sismiques concernent également les éléments non porteurs. Ces dégâts représentent même la majorité, sinon la totalité, des pertes financières dans le cas d’événements modérés. Il s’agit par conséquent d’accorder une attention particulière à ces éléments dans le cadre de la conception parasismique. D’autant plus que la mise en place malencontreuse d’éléments non porteurs peut conduire à l’effondrement de la construction (remplissage partiel de cadre conduisant au phénomène de colonne captive, par exemple) et que, même si la structure reste intacte, leur défaillance peut mettre des vies en péril (chute de faux plafonds, par exemple).



Les éléments non porteurs sont les éléments qui, bien qu’indispensables à l’exploitation de l’ouvrage, ne participent pas à la résistance de la structure. Ils délimitent les espaces à l’extérieur et à l’intérieur du bâtiment (façades, cloisons). Ainsi, ils permettent son utilisation et contribuent à son confort (isolation, revêtement, faux plafonds, etc.). Il faut distinguer deux types d’éléments non porteurs: ceux qui par leur nature même ne contribuent pas à la résistance (installations, corps d’éclairage, revêtement, etc.) et ceux dont la faible résistance n’est pas considérée pour la sécurité de l’ouvrage (façades, cloisons, colonnes, etc.). Dans le cadre sismique, la stabilisation horizontale est primordiale; par conséquent, le terme non porteur s’applique principalement à cette direction. Ainsi, des colonnes admises bi-articulées sont considérées comme non porteuses dans le sens horizontal alors qu’elles transmettent une grande partie des charges verticales.



5.8.1 - Cloisons souples Les cloisons souples sont généralement constituées de matériaux légers et peu rigides comme le plâtre, par exemple. De masse modeste et n’entravant pas les déformations de la structure porteuse, les cloisons souples sont bien adaptées aux sollicitations sismiques. Il faut cependant veiller à leur renversement lors d’un séisme et, par conséquent, les assurer latéralement avec des cornières métalliques, par exemple.



5.8.2 Cloisons rigides Les cloisons rigides et fragiles comme celles en maçonnerie ne sont pas véritablement bien adaptées aux sollicitations sismiques. En particulier, si la structure porteuse est plus souple que les cloisons, ces dernières vont subir d’importants dommages. En revanche, si la rigidité de la structure porteuse est du même ordre de grandeur que celle de ce type de cloison, les problèmes de compatibilité des déformations sont moins aigus. C’est le cas avec un système de contreventement formé de refends (voiles) en béton armé, qui sont assez rigides pour limiter les déformations induites par les séismes. Cependant le comportement des refends est dominé par la flexion alors que celui de la maçonnerie est dominé par le cisaillement, entraînant des incompatibilités de déformation si les éléments de nature différente ne sont pas séparés. Par conséquent, afin d’éviter l’endommagement de la structure porteuse et des parties en maçonnerie, il est toujours conseillé de disposer des joints le long des refends et des colonnes. Ces joints devront être en matériau souple, compressible et insonorisant (caoutchouc, laine de roche tendre, etc.). Leur épaisseur dépendra de l’intensité du séisme de dimensionnement, du degré de protection souhaité et de la rigidité des éléments de structure.



5.8.3 - Façades Lors d’un tremblement de terre, la chute de pans de façade peut provoquer d’importants dommages de toutes natures. Par conséquent, les éléments de façade doivent non seulement être fixés verticalement, mais aussi dans les deux directions horizontales afin de pouvoir encaisser les déformations dues aux séismes. Dans le cas de structures flexibles comme les cadres (en acier ou en béton armé), des façades légères et déformables sont indiquées. Ces façades peuvent être constituées par des éléments de protection et d’isolation thermique fixés à la structure porteuse. Ces éléments peuvent être composés de bardages verticaux ou horizontaux en tôles ondulées, des parements en béton ou de plaques en verre et d’un système d’isolation thermique.



5.8.4 – Faux plafonds et corps d’éclairage Les faux-plafonds et les corps d’éclairage doivent être bien arrimés aux éléments de structure pour qu’ils ne s’écroulent pas lors d’un tremblement de terre en mettant la vie des occupants en danger. La conception des fixations doit tenir compte des efforts engendrés par les accélérations et les oscillations tant verticales (soulèvement) qu’horizontales. En particulier, il faut prévoir des longueurs d’appui suffisantes pour les éléments appuyés.



5.8.5 – Installations internes et équipements Les installations internes et équipements sont, par exemple, les conduites, les systèmes de protection contre l’incendie, etc, doivent faire l’objet d’une attention particulière. A titre d’exemple, l’introduction de cols de cygne dans les conduites permet d’absorber les déformations (à droite). Tout élément sujet à renversement doit être arrimé à la structure porteuse



5.9 - Implantation de l’ouvrage En amont de la conception de la structure, des considérations parasismiques peuvent déjà intervenir dans le choix de l’implantation de la construction. Ces considérations concernent d’une part le soussol et, d’autre part, l’environnement construit à proximité de l’édifice projeté.

5.9.1 - Sous-sol Pour le sous-sol, en premier lieu, il faut éviter d’implanter l’ouvrage sur une faille ou dans ses alentours immédiats. A côté du risque lié à la rupture d’une faille en surface, il faut éviter les emplacements potentiellement instables en cas de secousses sismiques. Parmi les conditions dangereuses, il faut citer: les terrains en pente susceptibles de subir des glissements, les talus instables, les bords de falaises, les pieds de falaises pouvant subir des éboulements et, bien sûr, les terrains meubles saturés sujets à la liquéfaction.



5.9.2 - Environnement construit Si les règles de conception traitées jusqu’ici ont pour objectif de conférer à l’édifice concerné un bon comportement sismique, il faut également considérer le problème dans sa globalité et tenir compte des autres constructions à proximité. En effet, la nouvelle construction n’est généralement pas isolée et son intégrité peut être mise à mal par l’effondrement d’un bâtiment voisin vulnérable ou bien par l’entrechoquement avec des bâtiments limitrophes. D’une manière générale, un bâtiment neuf ne doit pas avoir de mur commun avec une construction existante. Si le bâtiment projeté est proche de bâtiments existants, il faut les séparer par un joint parasismique. Dans le cas où des bâtiments manifestement vulnérables se situent à proximité, il convient de renforcer le mur limitrophe pour résister aux chocs. L’accessibilité et les réseaux utilitaires sont également des éléments qui entrent en ligne de compte dans la considération de l’environnement de l’ouvrage. Des voies d’accès et des réseaux vulnérables ne sont pas acceptables pour les bâtiments classés comme vitaux après un événement sismique (hôpitaux, centres de secours, etc.).



5.10 - Exemple de conception parasismique

Un exemple fictif de bâtiment permet de mettre en pratique les principes fondamentaux énoncés précédemment. La première esquisse du bâtiment, présentée cicontre, comporte plusieurs défauts :



• La forme en plan n’est pas compacte. • Les deux portions de bâtiment comportent un nombre d’étages différent. • La disposition des contreventements n’est pas symétrique. • Certains refends ne sont pas continus sur la hauteur du bâtiment. • Certains refends ont des formes (L, T) ou des dimensions incompatibles avec un comportement ductile. • La cage d’escalier externe ne peut pas être utilisée dans le contreventement.



L’application des principes fondamentaux de la conception permet d’améliorer notablement le comportement sismique de ce bâtiment. Tout d’abord, pour éviter les oscillations différentielles et les problèmes de torsion, il faut fragmenter le bâtiment en deux parties par un joint parasismique. Un radier général sous les deux parties permet d’éviter les tassements différentiels et d’avoir le même nombre d’étages, donc des comportements dynamiques similaires. Les contreventements sont simplifiés et re disposés de manière symétrique. La cage d’escalier externe est séparée du bâtiment et n’intervient pas dans le contreventement.



La conception améliorée présentée figure ci-contre est nettement plus favorable du point de vue sismique. Le système de contreventement, bien que simplifié, est plus performant car il assure un cheminement clair et direct des efforts jusqu’aux fondations. Il faut noter que l’application des principes fondamentaux de la conception parasismique conduit à un bâtiment plus simple sans pour autant nuire à sa fonctionnalité.


















Parasismique

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