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Dimensionnement des chevilles en zone sismique

A quoi dois-je faire attention ?

Introduction

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Les tremblements de terre surviennent tous les jours, partout dans le monde et à une fréquence bien plus élevée que ce que nous pourrions imaginer.

Lorsqu’aucune mesure n’a été prise pour limiter leurs conséquences, ils peuvent coûter des vies, conduire à des dégâts importants sur le bâtis et, plus globalement, nuire à l’économie du territoire touché.

Il est encore aujourd’hui impossible de prédire la date, l’épicentre et l’intensité d’un séisme. Comme nous ne pouvons procéder en avance aux évacuations nécessaires pour la mise en sécurité des personnes, la meilleure prévention reste la construction parasismique.

Qu’est-ce que la construction parasismique ?

La construction parasismique désigne la réalisation de bâtiments et structures résistant aux séismes. Il s’agit de bâtir des structures qui ne seront pas endommagées par des séismes mineurs et qui ne s’effondreront pas en cas de séisme majeur.

Des normes de conception parasismique aident à concevoir et construire les bâtiments pour qu’ils résistent au mieux aux tremblements de terre. Dans l’Union Européenne par exemple, c’est l’Eurocode 8 qui mentionne les différentes mesures à appliquer.

La conception parasismique ne s’applique pas seulement aux éléments structurels des bâtiments et infrastructures. Les éléments non structurels à l’intérieur comme à l’extérieur des bâtiments sont également concernés. Les recherches ont d’ailleurs prouvé que ce sont les systèmes non structurels qui subissent le plus de dommages dans les bâtiments industriels ou commerciaux en cas de séisme. La figure qui suit présente les différents coûts de réparation selon le type de bâtiment et selon que l’élément soit structurel, non-structurel ou le mobilier.

De plus, en cas de séisme, les éléments non-structuraux peuvent occasionner des blessures aux occupants ou gêner leurs évacuations. Ils peuvent ainsi se révéler dangereux pour la sécurité des personnes, même lors de séisme d’intensité modérée. C’est pourquoi le Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable a publié en 2014 un guide concernant le dimensionnement parasismique des éléments non structuraux du cadre bâti (valable uniquement pour les bâtiments de catégorie d’importance 1, 2 ou 3).

Dans un bâtiment ou une infrastructure construit en zone sismique, tout élément dont la rupture pourrait conduire à l’effondrement total ou partiel de la structure, causer un risque sur des vies humaines ou conduire à des pertes économiques importantes doit donc être dimensionné en conséquence. Ainsi, les éléments de liaisons (chevilles par exemple) utilisés pour des applications structurelles doivent bien sûr considérer leurs résistances aux contraintes sismiques. Concernant les éléments non-structuraux, lorsque leurs ruptures peuvent porter atteinte aux occupants et/ou gêner leurs évacuations il est également important de choisir et calculer les bonnes chevilles.

Le tableau ci-dessous reprend l’article 3 de l’arrêté du 22 octobre 2010 et présente les cas où le dimensionnement des éléments non-structuraux sont requis.

Le comportement d’une cheville lors d’un tremblement de terre

Une cheville est un système d’ancrage ou de liaisonnement qui est utilisé pour transmettre des efforts d’une pièce à fixer préfabriquée à un support rigide, généralement en béton pour les charges moyennes à lourdes.

Comme expliqué dans un article précédent, en statique, la tenue d’une cheville dans un matériau support peut être assurée par frottement, verrouillage de forme ou collage.

De nombreux paramètres peuvent influencer la performance de tels ancrages : type de cheville, profondeur d’ancrage, distances au bord, épaisseur du support, degré de fissuration, nature et direction de la charge, etc.

En condition sismique, le comportement des chevilles implantées dans des éléments en béton peut être radicalement différent par rapport à des conditions statiques. La nature des charges appliquées et ses conséquences sur la fissuration du matériau support en sont les principaux responsables.

La fissuration

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Contrairement à ce que l’on pourrait croire, il est normal qu’un béton fissure. Cependant, il existe différents types de fissurations :

  • La fissuration que j’appellerai accidentelle qui peut être due à la sédimentation, le retrait chimique ou plastique, à la corrosion des aciers…
  • La fissuration structurelle

Le béton résiste très bien à la compression, mais sa résistance à la traction est très faible. Par conséquent, les Eurocodes considèrent un modèle de bielles-et-tirants pour le dimensionnement du béton armé. Dans ce modèle, des fissures apparaissent dans les éléments de béton armé soumis à de la flexion ou de la traction.

Or, d’après Eligehausen, lorsqu’il y a de la fissuration évolutive dans un élément de béton, il y a une grande probabilité que celle-ci intercepte la position de la cheville. En effet, le trou de la cheville qui fournit un champ de concentration de contrainte ainsi que les contraintes locales supplémentaire appliquées par la cheville (précontrainte, chargement appliqué) favorisent la fissuration dans ces zones.

En raison du mode de fonctionnement des chevilles, la présence d’une fissure est souvent préjudiciable pour la résistance. Ainsi le schéma ci-contre présente les courbes schématiques charge/déplacement d’une cheville à couple contrôlé testée en traction dans un béton fissuré et non-fissuré.

On voit bien d’une part qu’avec des chevilles qui ont été développées pour fonctionner dans du béton fissuré, il y a une phase de résistance élastique jusqu’à la rupture. Et nous constatons que la rupture apparait bien plus tôt et avec un plus grand déplacement que dans du béton non-fissuré. D’autre part, avec des chevilles qui n’ont pas été développées pour fonctionner dans du béton fissuré, il n’y a pas vraiment de zone élastique. Dès que l’on applique une force de traction, nous rentrons directement dans une zone plastique ou l’effort repris ne croît plus mais le déplacement est très grand.

Position des fissures

En condition statique, des fissures ne se produisent que dans les zones de tension de la structure en béton. La position de ces fissures peut ainsi être prédite et le type et la position de la cheville choisis en conséquence.

Lorsqu’un bâtiment en béton est soumis à un séisme, des fissures peuvent apparaître partout sur la structure. C’est la raison pour laquelle, en sismique, on considèrera toujours que le matériau est fissuré.

Le schéma ci-dessous représente les différentes localisations possibles de la fissuration en statique ou lors d’un événement sismique.

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Largeur des fissures

La largeur des fissures est importante pour la tenue des chevilles. Des études ont montré qu’en chargement quasi-permanent, la majorité des fissures ne dépassaient pas les 0,3 mm. Ainsi, pour des largeurs de fissures de 0,3 à 0,4 mm, les charges de rupture des chevilles à expansion et/ou à verrouillage de forme sont en moyenne de 0,75 fois la valeur de rupture en béton non-fissuré.

Cette proportion reste relativement constante avec des largeurs de fissures plus petites. Eligehausen et Ozbolt (1992) ont trouvés grâce à une analyse aux éléments finis qu’avec une épaisseur de fissure variant de 0,1 à 0,3 mm, le facteur de réduction était constant et de 0,7 fois la résistance en béton non-fissuré.

Lors de la rédaction de l’ETAG 001, des travaux de recherche approfondis ont été réalisés afin d’estimer la largeur des fissures en conditions sismiques. Le graphique ci-dessous représente l’évolution de la largeur des fissures en fonction du temps. Le maximum est atteint autour de 11 secondes avec une largeur de 0,8 mm.

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Cycle d’ouverture / fermeture des fissures

En état de service, on considère un chargement quasi-permanent. Par définition, cela signifie que les changements de charges se font progressivement. Ainsi, les fissures ne s’ouvrent et ne se referment que très légèrement. Ce sont en fait les barres d’armatures qui reprennent les efforts. Dans de telles situations, une fois que la cheville est bien mise en place, le risque de glissement dans une fissure en statique reste limité, à condition d’avoir respecté le facteur de réduction vu ci-dessus.

Le chargement sismique est quant à lui dynamique : les fissures subissent des cycles d’ouverture / fermeture rapides qui ont tendance à faire glisser les chevilles plus facilement qu’en statique.

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Ainsi, en zone sismique, la sécurité des personnes et de l’ouvrage ne peut être garantie que si les phénomènes physiques supplémentaires sont pris en compte lors du choix et du dimensionnement de la cheville.

Auteur : Clément Cerniot

Blog ingénierie

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