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Introductioun à la conception parasismique

Qu'est-ce que la conception parasismique et quels sont les intérêts ?

Introduction

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Bien que les séismes soient des évènements de courte durée, les dégâts qu’ils causent peuvent être dramatiques en raison de l’énergie qui est libérée.

Ils résultent de mouvements de la croute terrestre qui engendrent des vibrations transitoires dans le sol.

Sauf cas exceptionnel, ce ne sont pas les séismes qui font des victimes mais le mauvais comportement des constructions bâties par l’homme.

L’urbanisation grandissante de ces derniers siècles fait que les dommages causés par les tremblements de terres sont de plus en plus importants.

Cependant, les séismes ont toujours existé sur Terre. L’homme n’a pas attendu les avancées scientifiques du XXème siècle pour concevoir des ouvrages qui résistaient et qui résistent encore aux séismes, comme le Machu-Pichu ou le palais impérial de Tokyo. Cela prouve qu’il existe des règles simples qui permettent d’assurer la pérennité des ouvrages.

Afin de comprendre quelles dispositions constructives ont pu être mises en œuvre sur ces ouvrages pour résister aux séismes, il est important de comprendre comment l’énergie se transmet aux édifices.

Qu’est-ce qu’un séisme ?

Lors d’un séisme, la croûte terrestre emmagasine l’énergie liée aux mouvement tectoniques puis cède violemment. Ce relâchement brutal de l’énergie contenue dans les sols produit différents types d’ondes qui partent d’un point appelé foyer ou hypocentre. La projection verticale de l’hypocentre sur la surface du globe est appelée épicentre.

Selon le type d’onde, les ouvrages sont soumis à différents type de mouvements :

Mouvement de pompage

Ces mouvements de « pompage » correspondant à un déplacement de haut en bas sont générés par les ondes Primaires (ou ondes P). Ces ondes sont longitudinales et engendrent un phénomène de compression / décompression des sols. Ce sont les ondes les plus rapides (entre 6 et 8km/s).

Mouvement de tamis

Les mouvements de « tamis » correspondant à une translation de l’ouvrage sont générés par les ondes Secondaires (ou ondes S). Il s’agit d’ondes de cisaillement qui se déplacent dans le globe terrestre.

Les ondes S sont plus lentes que les ondes P et se déplacent à une vitesse comprise entre 3 et 5km/s. Contrairement aux ondes P, elles ne se propagent pas dans les milieux liquides ou gazeux.

Mouvement de roulis

Le mouvement de roulis est généré par les ondes dites de Rayleigh. Contrairement aux ondes P et S qui sont des ondes de volume et qui se propagent dans le globe terrestre, les ondes de Rayleigh sont des ondes de surface. Elles se déplacent dans un mouvement elliptique rétrograde, à l’image d’une poussière dans la houle. Cela entraine des compressions / tractions ainsi que des cisaillements dans le sol.

Mouvement de lacet

Le mouvement de lacet est dû aux ondes de Love. Elles se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation et font tourner l’édifice sur lui-même.

A partir de ces mouvements élémentaires, il est bien sûr possible de les coupler afin d’avoir des mouvements de la structure plus complexes. La figure ci-dessous présente les différents mouvements induits par ces ondes.

Figure 1: Réponses d'un corps rigide au mouvements provoqués par l'action sismique.

(Source: V. Davidovici)

Les effets des séismes sur les ouvrages

Ce sont donc les ondes citées ci-dessus qui mettent les ouvrages en mouvement : lors d’un séisme les différents éléments des ouvrages rentrent dans un mouvement dynamique et sont ainsi soumis à des forces d’inertie. La structure (poteaux, poutres) mais également tout le second-œuvre font face aux secousses sismiques, se déforment et peuvent amener à la rupture de la structure.

Pour avoir un édifice qui résiste parfaitement à un séisme, il faudrait que la structure soit dimensionnée afin de pouvoir reprendre l’ensemble des efforts dynamiques et l’ensemble du second-œuvre. Compte tenu des niveaux d’énergie générés, il est facile de comprendre que cela entrainerait une augmentation massive du dimensionnement des ouvrages et augmenterait ainsi énormément les coûts de la construction. C’est pourquoi les autorités nationales et européennes ont défini les niveaux de risques acceptables en fonction de plusieurs critères.

L'approche probabiliste

L’Eurocode 8 définit 3 différents niveaux de protections :

-       Le premier niveau est d’assurer le non-effondrement de l’ouvrage : c’est la protection minimale. Il est important que le bâtiment ne s’effondre pas sur les personnes présentes à l’intérieur. On appelle cela la prescription de non-effondrement.

-       Le deuxième niveau est d’assurer que l’ensemble des ouvrages comportant des installations nécessaires aux services de secours d’urgence (hôpitaux, centres de secours, etc…) soit opérationnel après l’évènement tellurique. On appelle cela la prescription de limitation de dommages.

-       Le troisième niveau vise à éviter les conséquences indirectes, c’est-à-dire empêcher que des désordres, même limités, dans certains ouvrages ou installations industrielles puissent entraîner des répercussions graves pour l’environnement. Cet article ne traitera pas de ce troisième niveau qui est notamment recherché pour les structures spéciales, telles les centrales nucléaires.

Les actions sismiques appliquées à la structure dépendent de nombreux facteurs comme la durée de vie escomptée du bâtiment, les conséquences engendrées par sa ruine, la sauvegarde de vies et certains critères économiques.

C’est pourquoi l’une des notions les plus importante dans la conception parasismique est la période de retour. Elle peut être définie par le temps moyen entre 2 séismes d’une intensité donnée. Ainsi, lorsque nous disons dans le langage courant qu’un séisme de magnitude X se produit tous les 100 ans, cela signifie que la période de retour d’un tel évènement est de 100 ans. Attention, cela ne signifie pas qu’il y a un séisme tous les 100 ans car il s’agit ici de valeurs statistiques.

Si nous regardons de plus près les valeurs proposées par l’Eurocode 8, nous pouvons en déduire que pour un bâtiment d’habitation dont la durée de vie est d’environ 50 ans, en considérant la période de retour recommandée de 475 ans, il y a une probabilité d’environ 10 % que la condition de non-effondrement ne soit pas respectée au cours de la durée de vie du bâtiment.

Pour des bâtiments plus importants néanmoins, le décret et l’arrêté du 22 octobre 2010 donne des coefficients de sécurité supplémentaires qui reviennent à augmenter la période de retour. Ainsi, un bâtiment dont le fonctionnement est primordial pour la sécurité civile, pour la défense ou le maintien de l’ordre public comme les hôpitaux, les services de sécurités (police, gendarmerie, pompier) la période de retour est de 1 300 ans.

De même, pour les bâtiments dont la défaillance présente un risque élevé pour les personnes comme les établissements recevant du publique de 1re, 2e et 3e catégories (les établissements scolaires par exemples) ont une période de retour de 820 ans. A contrario, les bâtiments dans lesquels est exclue toute activité humaine (hangars agricoles par exemple) la période de retour est de 225 ans.

Conclusion

Cette approche probabiliste peut choquer, mais elle permet de rationaliser les coûts de construction tout en réduisant les risques humains. A ce stade, nous avons donc vu comment l’administration publique a défini le risque acceptable d’effondrement des structures. Néanmoins, de nombreuses blessures peuvent être occasionnées aux occupants ou gêner leurs évacuations. Par conséquent une prévention efficace du risque sismique doit également considérer les éléments non-structuraux, à l’intérieur comme à l’extérieur du bâtiment. Ce sujet fera l’objet d’un prochain article.

Auteur : François Régnier

Sources

Conception-Construction parasismique – Victor Davidovici – Eyrolles - 2016

 http://www.planseisme.fr/Batiments-a-Risque-Normal.html

Guide pour la conception parasismique des bâtiments en acier ou en béton selon l’Eurocode 8 – The institution of Structural Engineers ; AFPS

Eurocode 0 : EN 1990 :2002

Eurocode 8 :EN 1998-1 :2004

Arrêté du 22 Octobre 2010 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la classe dite « à risque normal »

Rapport sur Les techniques de prévision et de prévention des risques naturels : séismes et mouvements de terrain ; M. Christian KERT ; Tome I : Conclusions du rapporteur. Office Parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques

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