| Le parasismique |
| LE GENIE PARASISMIQUE |
| Etude des différentes forces causées par les séismes |
| Problématique: En quoi le Génie parasismique permet-il aux bâtiments de résister aux séismes ? |
| Le parasismique |
| LE GENIE PARASISMIQUE |
| Etude des différentes forces causées par les séismes |
| Problématique: En quoi le Génie parasismique permet-il aux bâtiments de résister aux séismes ? |
Le génie parasismique est l’étude des fondations et des structures d’un bâtiment par rapport aux mouvements du sol créés par les séismes et la tentative d’atténuer ces effets par la construction de bâtiments spécifiques. Depuis des milliers d’années, des civilisations se trouvant partout dans le monde ont établi des édifices ayant résisté à de nombreux séismes tels que le palais impérial de Tokyo ou encore le site andin de Machu- Picchu. Malgré la séparation par plusieurs milliers de kilomètres entre ces civilisations, les techniques qu’ils utilisaient étaient fortement similaires. On peut dont en conclure que les constructions parasismiques suivent des règles simples et ne sont que la suite de questions de bon sens. A partir de ces concepts fondamentaux, un ensemble de règles a été établi formant le code parasismique qui ne cesse de changer. Nous sommes aujourd’hui à la troisième série de règles.
Le sol joue un rôle important dans la construction parasismique. De ce fait, on remarque que lors d’un séisme, les bâtiments qui sont fondés sur rocher sont moins vulnérables que ceux qui sont fondés sur sol meuble. En effet, l’effet d’une onde sismique peut être amplifié sous l’influence du site ou encore par l’interaction entre le sol et la structure construite sur ce sol. Par exemple, le sol meuble se comporte comme un oscillateur qui amplifie l’excitation appliquée sur la base du bâtiment. Ces déformations du sol peuvent avoir de graves répercussions sur le maintien du bâtiment.
Pour mesurer l’influence des sols, on étudie, tout d’abord, le comportement des bâtiments par rapport aux mouvements du sol. Les facteurs qui intéressent les spécialistes sont les périodes de ces mouvements. Le but de cette étude est de voir si ces périodes sont de même indice que les périodes de vibrations des sols. Si ces périodes sont de même indice, cela signifie que l’amplitude des mouvements est très importante et donc provoque plus de dégâts.
Après des tests en laboratoire, on a pu constater que les grands immeubles construits sur les couches molles de grande épaisseur sont plus endommagés que s’ils sont construits sur des sols durs et de faible épaisseur, alors que c’est l’effet inverse chez les petits immeubles.
Parfois, l’action des mouvements sismiques sur le sol peuvent causer d’importants dégâts comme les tassements, les effondrements locaux, une dislocation ou encore un glissement de terrain. On peut notamment noter le phénomène de liquéfaction des sols, qui généralement affecte les sols granulaires saturés d’eau. On appelle liquéfaction des sols la perte de cohésion du sol. Cette perte de cohésion est le résultat de l’augmentation de la pression de l’eau due aux ondes choc qui compriment le sol, lors d’un tremblement de terre. Ce phénomène est l’effet secondaire des séismes avec les feux, les glissements de terrains et les raz-de-marée appelés aussi effets induits. On en déduit donc que pour les constructions parasismiques il faut éviter les sols meubles imprégnés d’eau.
Exemple de liquéfaction des sols
Lorsque la modification de l’implantation des ouvrages afin de trouver de meilleures conditions de terrains est impossible, il est alors nécessaire d’étudier avec soin les mesures correctives pouvant être envisagées (compactage, injections, substitutions de sol). Le recours aux fondations profondes (pieux, barrettes, puits) est souvent la meilleure solution, dans le cas où celles-ci sont biens conçues et calculées pour résister aux actions sismiques. Les fondations profondes sont rares pour les maisons individuelles mais sont souvent utilisées sur de grands bâtiments très lourds.
Exemple de fondation profondes
L’isolation sismique de la base est un concept simple remontant au début du 20ème siècle. Cependant, les premières applications modernes dans le monde n’ont été réalisées que dans les années 70 à 80.
L’isolation sismique à la base consiste à désassocier le mouvement du sol du mouvement de la structure afin de réduire les forces transmises à cette dernière. Les forces qu’exercent les séismes sur la structure isolée sont normalement de l’ordre de 3 à 10 fois plus petites que les forces pouvant s’appliquer à la structure non isolée. L’isolateur reçoit les déformations et filtre les accélérations afin que la superstructure (construction élevée sur une autre) se déplace essentiellement selon un mode rigide subissant de faibles accélérations et quasiment pas de déformations. Ainsi, les forces d’inertie transmises à la structure sont limitées et restent en dessous de la capacité élastique de cette dernière. Les dommages subis par cette superstructure et par les éléments de fondation sont alors réduits. Enfin, après le séisme, la fonctionnalité de la structure est préservée.
Carte des différentes zones sismiques du monde
L’isolation à la base repose sur le principe que si la durée de vibration a suffisamment augmentée pour s’éloigner de la durée d’excitation maximale du tremblement de terre, les accélérations reçues par la structure (par conséquent les forces d’inertie) sont nettement réduites. En revanche, l’augmentation de la durée engendre des mouvements plus importants se concentrant au niveau de l’isolateur. Dans ce cas, l’intégration des unités d’isolation ou de l’usage d’un dispositif parallèle et externe du dispositif de dissipation d’énergie (amortisseurs) est requise pour contrôler les mouvements et réaliser une conciliation efficace entre la réduction de la force et l’accroissement du déplacement.
Les appuis parasismiques ont un grand intérêt pour la plupart des pays concernés par le risque sismique. L’installation de ceux-ci n’est pas évidente car il n’est mis en place qu’après de nombreuses études, au niveau du terrain et des bâtiments, pour savoir si celui-ci convient. En effet, il est nécessaire de voir si ces appuis vieilliront bien, et ne devront pas être remplacés avant la durée de vie du bâtiment (cette accélération du vieillissement pouvant être dû à la température à l’humidité ou aux agents chimiques). De plus, ces appuis doivent êter capables de résister à des séismes d’intensité plus forte que celle prévue lors de la conception de bâtiment.
L’appui en élastomère fretté est de forme carrée ou ronde (il est généralement de petite taille). Il est constitué d’un empilement de feuillets d’élastomère séparés par des frettes métalliques. La présence de ces dernières confère aux appuis une grande rigidité lorsqu’ils sont placés dans le sens vertical, alors qu’ils peuvent se déformer facilement en cisaillement horizontal puisqu’ils permettent dans ce cas d’obtenir une grande souplesse vis-à-vis des efforts horizontaux du séisme agissant sur le bâtiment.
On appelle des amortisseurs par frottements les appareils d’appuis glissants utilisés pour les ponts, libérant les déplacements de longue durée du tablier (partie supportant les voies de circulation). Les frottements varie selon la pression de contact, la température ambiante, l’état de surface de glissement, etc. Le glissement intervient lorsque la force de séisme dépasse la force maximale développée par le frottement, c’est alors qu’une partie de l’énergie du séisme est dissipée.
Ces amortisseurs sont comparables à un vérin (tube cylindrique dans lequel une pièce mobile sépare le volume du cylindre en deux chambres isolées l’une de l’autre) hydraulique à double effet et dont la capacité de dissiper l’énergie est forte. Normalement, il se compose de deux chambres remplies d’huile hydraulique ou de pâte silicone. Celles-ci sont raccordées l’une à l’autre par des soupapes (obturateurs sous tension de ressort dont le soulèvement et l’abaissement alternatifs permettent de régler le mouvement d’un fluide) calibrées afin de permettre des déplacements de longue durée et une dissipation d’énergie provoquée par le mouvement sismique.
Les éléments dissipateurs peuvent être en acier spécial, dont le rôle est d’absorber les efforts sismiques horizontaux et de dissiper l’énergie. La figure ci dessous montre un cas où ces éléments sont combinés avec un appareil d’appui classique en acier « Téflon » dont le but est de transmettre uniquement les charges verticales. On y voit également un appareil en élastomère fretté avec un noyau cylindrique en plomb.
Appuie en élastomère fretté
Un des principes les plus importants de la conception parasismique est celui du monolithisme. Cela signifie que toutes les parties de la structure d’un immeuble telles que le plancher, les murs ou encore le plafond doivent être solidaires. Ce concept permet d’éviter que ces différentes parties se séparent lors des secousses d’un séisme. Les bâtiments sont donc le plus possible construit en seul tenant. Pour ce faire, plusieurs règles doivent être mises en œuvre. Tout d’abord les divers éléments doivent être fixés à la structure principale. Pour les bâtiments en maçonnerie un système de chaînage est mis en place ; les chaînes sont introduites dans la structure même qui préserve, malgré un détachement possible de différents éléments de celle-ci, un caractère solidaire en unifiant les pans de murs. Ainsi, l’ensemble des murs supporte la contrainte et non chaque mur seul.
Lorsque l’on étudie le comportement des bâtiments soumis à des tremblements sismiques, on peut constater que ceux de formes géométriques simples sont les plus résistants. Ceci est une des bases du concept parasismique. La symétrie et la régularité de la structure des bâtiments sont donc fortement favorisées. La forme idéale est le rectangle, du moment que la longueur ne dépasse pas trois fois la largeur. De plus de la symétrie en plan, la symétrie en élévation doit aussi être respectée. Il est nécessaire d’éviter les formes plus complexes et irrégulières. La structure de ces bâtiments est constituée d’un grand nombre de différents éléments qui ne répondent pas de la même manière aux secousses sismiques. En effet, leur capacité de déformation ne sont pas semblables et cela entraîne un affaiblissement des liaisons entre ces structures des zones dites dangereuses. Cela est dû à une forte sollicitation de certains endroits sous l’action des mouvements sismiques. Cependant, il existe un moyen de contourner le risque concernant les bâtiments de formes complexes. Pour cela, on peut le fractionner en différentes parties. Chaque partie peut alors osciller indépendamment en évitant tout choc. Cela améliore le comportement sismique d’un immeuble.
Les structures de gauche sont des formes complexes mais ont été scindées en plusieurs parties pour les retrouver un assemblage de formes simples
Les bâtiments voisins présentent un risque de s’entrechoquer. En effet, durant un tremblement de terre, les constructions ont de grands mouvements horizontaux et peuvent entrer en contact les unes avec les autres. Ceci peut mener à des dommages colossaux ; il est donc nécessaire d’étudier les mouvements possibles des deux bâtiments afin d’établir un espace convenable entre ces deux derniers.
Toutes les parties de formes simples composant une structure complexe doivent être reliées entre eux. On utilise pour cela des joints parasismiques, un espace vide de tout matériaux qui se situe entre les différentes parties du bâtiment que les joints unissent. Cet espace est présent sur toute la hauteur de la structure et permet aux différentes parties de bouger séparément. Les joints parasismiques ont pour but d’éviter les collisions entre les corps voisins des bâtiments. Les joints parasismiques ont des dimensions précises qui se calculent en fonction des déformations possibles des constructions. Ces dimensions sont fixées à 40 mm pour les structures à risque normal en zone Ib et de 60 mm pour celles en zone II et III. Il est ainsi nécessaire de réaliser des joints parasismiques très larges pour des structures subissant de fortes déformations et dont les mouvements horizontaux sont importants.
Exemple de joints parasismiques entre différentes structures d’un bâtiment de formes complexe (gauche)
Joint parasismique vertical étroit entre deux parties d’un immeuble au Japon (droite)
Le contreventement est un élément de construction qui a pour but de protéger les structures contre les déformations dues à des efforts horizontaux comme le vent, à des efforts verticaux ou dans ce cas, les mouvements créés par les séismes. Il assure la stabilité horizontale et verticale des bâtiments lors des secousses. Les structures contreventées sont, pour un grand nombre de partis architecturaux, moins coûteuses que les structures auto stables.
Les systèmes de contreventement des plans horizontaux aussi appelés diaphragmes servent à propager et à répartir les ondes (actions) latérales qui arrivent sur la construction vers les contreventements des plans verticaux. Pour assurer le contreventement horizontal, les planchers et les toitures qui font office de diaphragmes rigides ne devraient pas être amoindris par des percements trop grands ou mal placés. En effet, ces percements pourraient nuire à leur résistance et leur rigidité. De plus, pour empêcher le déversement des murs, les diaphragmes flexibles doivent être évités. Il faut donc que les diaphragmes ne soient ni trop rigides ni trop flexibles.
Les systèmes de contreventement des plans verticaux aussi appelés palées de stabilité assurent la descente des charges dynamiques vers les fondations, autrement dit les palées de stabilité permettent de propager les ondes verticales fortes vers le bas de la construction.
Pour un contreventement vertical efficace, les palées doivent correspondre à des critères spécifiques tels que :
leur nombre ; par étage, il faut au moins trois palées non parallèles et non concourantes ; leur disposition : les palées doivent être situées le plus symétriquement possible au centre de gravité des planchers et préférablement aux angles avec une largeur suffisante ; leur distribution verticale : pour être régulière, les palées doivent être superposées afin de communiquer aux différents niveaux.
Une mauvaise disposition des palées de stabilité peut causer des effondrements à cause de déformations subies trop importantes.
Immeuble contreventé (contreventements en rouges)
Les éléments non structuraux durant un séisme peuvent engendrer des dégâts colossaux. Leur comportement durant les tremblements de terre peuvent aussi être la cause de nombreuses pertes humaines. En effet dans les zones de faible à moyenne sismicité, la rupture d’un élément non structural présente plus de risque que la dislocation du bâtiment en lui-même. Il est donc nécessaire d’adapter ces éléments dans les zones à risques sismiques. Ainsi dans les zones à risque, les éléments non structuraux sont construits pour éviter les effets secondaires tels que les incendies, les fuites de gaz ou encore des inondations dues aux ruptures de conduits d’eau. Ainsi dans les zones à risque, les conduits de gaz sont installés de telle sorte que le gaz est coupé lorsque des vibrations sismiques importantes sont ressenties. Les éléments de chauffage, de ventilation ou encore de conditionnement de l’aire doivent être installés et construits de manière à ce qu’ils puissent suivre les mouvements de la structure à laquelle ils sont fixés. Enfin, les supports de la tuyauterie doivent être nombreux et renforcés pour éviter que les joints ne cèdent.
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