| 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 ? |
Plan du TPE:
Introduction
Les séismes, comme les autres catastrophes naturelles, peuvent avoir des conséquences graves et dévastatrices sur les bâtiments et la population. Cependant, les séismes, contrairement aux autres catastrophes naturelles, tuent surtout par l’effondrement de bâtiments et d’autres chutes d’objets. C’est pour cela qu’il est nécessaire d’étudier la manière dont se comportent les bâtiments pour établir des ouvrages résistants aux séismes et ainsi protéger la population de cet évènement incontrôlable. En effet, évaluer le risque des phénomènes sismiques est très difficile du aux faits de leur prévision incertaine et de leur apparition aléatoire. Nous ne connaissons ni le moment ni le lieu où cela se produira et ne pouvons les déterminer avec précision. Pour cela les ingénieurs et architectes ont établi, au fur et à mesure des années, une conception appelée génie parasismique : l’art de construire des bâtiments résistants capables de se déformer et parfois même d’être endommagés sans s’effondrer. Les constructions parasismiques, grâce à leurs structures spécifiques, absorbent et dissipent l’énergie transmise par les secousses sismiques. Ceci est aujourd’hui le seul moyen permettant d’assurer la sécurité de la population face aux tremblements de terre.
En quoi le génie parasismique permet-il aux bâtiments de résister aux différentes forces causées par les séismes ? Nous verrons tout d’abord les différents aspects qui caractérisent les séismes. En effet, nous devons regarder chaque aspect dans chaque région avant de bâtir une construction parasismique. Ensuite, nous verrons les différents points qu’il faut étudier tels que le sol avant de construire un bâtiment parasismique : cela constitue la conception parasismique. Et enfin, nous verrons le comportement des différents bâtiments face aux de séismes.
La croûte terrestre est constituée de plusieurs grandes plaques qui évoluent les unes par rapport aux autres en s'écartant, en convergeant, ou encore en coulissant. Environ 90% des séismes sont localisés dans des régions proches des extrémités de ces plaques appelées des failles (zones de fractures de l’écorce terrestre). En profondeur, les plaques se déplacent de manière régulière, d’une distance allant de quelques millimètres à quelques centimètres par an. Dans la partie supérieure de la croûte terrestre comprenant les trente premiers kilomètres, le mouvement n’est pas régulier. Les failles restent parfois bloquées durant de longues périodes alors que le mouvement de la croûte terrestre continue. L’accumulation d’énergie se libère alors subitement créant des fractures et des mouvements à la surface de la terre.
Le point qui correspond au foyer du séisme, à la verticale, est appelé épicentre. La durée d’un séisme est très limitée (quelques secondes) tant que la limite de l’énergie potentielle de déformation n’est pas atteinte. Les dégâts en surface dépendent de l’amplitude, de la fréquence, de l’intensité et de la durée des vibrations. La puissance de cette énergie peut parfois dépasser dix millions de fois la puissance de la bombe lâchée sur Hiroshima. Ainsi, les séismes peuvent engendrer des dommages colossaux sur de grandes surfaces.
Schéma de l’origine d’un séisme
Il existe trois différentes formes de séismes :
L'impulsion de départ d'un séisme provoque un déplacement du sol. Cette impulsion pousse des particules élémentaires du sol qui poussent d’autres particules élémentaires et qui à leur tour poussent les suivantes pour enfin reprendre leur place. Ce phénomène se fait un grand nombre de fois. Les vibrations provoquées par la propagation d'ondes se propagent dans toutes les directions. Leur vitesse de propagation diffère selon la nature géologique du sol.
On distingue 2 principaux types d’ondes : les ondes de volume et les ondes de surface.
Les différents schémas ci-dessous montrent les déformations du sol lors du passage des ces différentes ondes.
Les Ondes de Volume naissent au niveau du foyer et se propagent à l'intérieur de la Terre. Plus le foyer est profond, plus la vitesse augmente proportionnellement à la nature du sol. Elles se propagent sous deux formes : les ondes P et les ondes S.
Les Ondes P sont aussi appelées ondes primaires, ondes de compression ou encore ondes longitudinales. Ce sont les plus rapides des ondes de volume : leur vitesse est de 6 à 8 Km/s. Elles provoquent un mouvement de dilatation et de compressions successives du sol qu'elles traversent. Elles sont parallèles à la direction de propagation de l'onde. Elles induisent un mouvement vertical sur les constructions et sont responsables du grondement sourd que l’on peut entendre au début d’un séisme.
Effet d’une onde P sur le sol
Les Ondes S sont aussi appelées ondes secondaires, ondes de cisaillement ou encore ondes transversales. Elles sont plus lentes que les ondes P, en effet, elles se déplacent de 3 à 5 Km/s. Elles sont perpendiculaires au sens de propagation de l'onde. Elles induisent un mouvement horizontal sur les constructions. Elles ne se propagent que sur une faible épaisseur, ne pouvant pas traverser les milieux liquides et étant arrêtées par le noyau de la Terre. A chaque changement de milieu, elles changent de direction car elles sont soit déviées, soit réfractées, soit réfléchies.
Effet d’une onde S sur le sol
Les Ondes de Surface sont guidées par la surface de la Terre et sont moins rapides que les ondes de Volume. On distingue aussi deux formes d'ondes de surface : les Ondes de Love et les Ondes de Rayleigh.
Les Ondes de Love ont un déplacement semblable aux ondes S sans mouvement vertical. Elles se propagent à 4km/s. Elles correspondent à des ondes de cisaillement engendrant un mouvement horizontal, perpendiculaire à sa direction de propagation. Elles causent de nombreux dégâts aux fondations des édifices.
Effet d’une onde L sur le sol
Les Ondes de Rayleigh ont un déplacement complexe un peu comme une poussière portée par une vague. Le déplacement des particules est à la fois vertical et horizontal. Elles sont rapides mais les vibrations enregistrées par cette onde durent plusieurs minutes.
Ainsi lors d’un séisme, le sol a un mouvement à la fois vertical et horizontal. Ces mouvements sont ressentis de manière très forte par les structures construites sur ces sols.
La magnitude d’un séisme nous est fournie par une échelle, instaurée en 1935, appelée échelle de Richter. Elle se calcule à partir de la quantité d’énergie délibérée au foyer du séisme. Cette magnitude se mesure sur une échelle logarithmique. Pour chaque séisme, une seule valeur ne peut être donnée. Aujourd’hui, la dimension du segment de faille, le long duquel s’est produit le séisme est désormais prise en compte dans le calcul de la magnitude (ce calcul n’est donc plus exactement le même que le calcul originel de Richter). À ce jour, le séisme de plus forte magnitude a été localisé au Chili, en 1960. En effet, il a atteint 9,5 sur l’échelle de Richter.
L’intensité sismique est la mesure des secousses du sol qui est évaluée à partir des dommages causés par les séismes sur les constructions. L’intensité prend aussi en compte toutes les autres modifications de la surface du sol.
Les mesures enregistrées durant les séismes sont classées dans différentes échelles.
L’échelle de MSK (Medvedev Sponheuer Karnik) est une échelle de mesure de l’intensité d’un séisme. Les séismes sont classés par rapport aux destructions des installations, des pertes humains et des changements de l’aspect du terrain. C’est donc une échelle macroscopique. A partir de ces observations, les séismes sont classés en douze degrés. Les dommages matériels sont présents à partir du degré VII. L’échelle MSK est l’échelle de référence en Europe.
L’échelle de Richter évalue l’énergie libérée par un séisme grâce à la magnitude. Cette échelle est dressée en fonction de l’amplitude maximale qu’un sismographe placé à cent kilomètres de l’épicentre a jamais enregistré.
Ces deux échelle existent parmi de nombreuses autres telles que l’échelle de Mercalli.
Avant de construire un bâtiment il est nécessaire d’évaluer le risque sismique de la région pour effectuer des structures adaptées. Les spécialistes cherchent donc à évaluer les dégâts pouvant être causés par les séismes sur les infrastructures. Pour cela, ils considèrent l’intensité maximale pouvant être ressentie dans chaque région en particulier. Les sismologues étudient l’accélération maximale en fonction de l’intensité que le sol peut atteindre. Toutefois, il est difficile de prévoir avec certitude le mouvement qu’aura le sol lors de prochains séismes. Les résultats des sismologues sont fondés sur des statistiques : l’occurrence et la magnitude des séismes précédents de cette région. Ce ne sont donc que des probabilités. L’accélération que peut subir le sol est donnée en pourcentage de « chance ». Par exemple, il y a 5% de chance que le sol subisse une accélération de 5m/s durant les 100 prochaines années correspondant à une intensité de IX. On peut à partir de ces prédictions, dresser une carte séparant les régions en différentes zones à risques. Une zone I est une zone de sismicité faible. Cette zone est divisée en 2 sous zones Ia et Ib. La zone II est de sismicité moyenne. Et enfin, la zone III est dite de forte sismicité. En général, ces régions sont localisées sur une frontière de plaques tectoniques. Ainsi, l’évaluation de la sismicité du sol ne permet pas de définir l’ampleur précise des dégâts.
Carte des différentes zones sismiques du monde
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.
Chaque bâtiment réagit de manière différente aux mouvements du sol causés par les séismes. Cela est du aux différentes conceptions d’un immeuble construit ou non avec les mêmes types de matériaux ou encore à sa taille. Afin de limiter les dommages engendrés par les séismes, il est donc nécessaire d’étudier ces différents comportements pour adapter les structures dans des zones à risque sismique.
La déformation de la structure verticale d’un bâtiment est due aux forces latérales, qui sont produites lors d’un séisme. Les éléments du bâtiment fixés à la charpente et la structure elle-même peuvent être abîmés par ces forces. Ces éléments étant abîmés, la structure peut céder, par conséquent, provoquer l’effondrement du bâtiment. De plus, l’assemblage de la structure, plus ou moins rigide peut déterminer si celle-ci présente un risque. On appelle la ductilité, la capacité d’un matériau à pouvoir se déformer et s’étirer. Certains matériaux ne sont pas ductiles, par exemple, les cloisons en brique plâtrière. Ainsi ces matériaux peuvent se disloquer brusquement et provoquer l’effondrement des bâtiments en libérant de manière violente de l’énergie.
Pour déterminer la ductilité d’une structure, on effectue 2 mesures principales :
- les essais de traction qui mesure l’allongement de la structure avant la rupture et la striction (une réduction du diamètre de la structure) ;
- l’essai mouton de Charpy : effectué sur une éprouvette, elle mesure l’énergie dépensée pour la casser.
L’allongement et la striction d’une structure ductile est importante. De plus, l’énergie utilisée pour la casser est aussi importante. Pour un matériau non ductile, on observe le contraire.
C’est pourquoi, les matériaux doivent être choisis avec beaucoup de vigilance. Il ne faut pas que la ductilité du matériau soit obtenue juste pour un seul cycle chargement (c’est-à-dire une seule secousse) mais sur plusieurs. En effet, on peut voir que certains matériaux ont une très bonne ductilité sur un seul cycle, mais leur résistance se dégrade très rapidement. Aujourd’hui pour savoir si un matériau est ductile, il faut tester ses limites.
Voici quelques exemples de matériaux déjà soumis à ces tests :
- les structures en acier : lorsque leur structure est bien soudée, elle présent une grande ductilité ;
- les structures en béton armé : le risque de rupture du béton limite la ductilité des structures ;
- les structures en maçonnerie, elles, ont une ductilité faible car à partir d’un certain effort, elles s’effondrent rapidement ;
- les structures en bois présentent une ductilité assez faible.< br />
Voici un graphique qui nous permet de comparer la déformation d’un bâtiment par rapport aux forces, d’un système élastique et d’un système inélastique.
Grâce à ce graphique, on peut remarquer que la ductilité agit comme un limiteur d’efforts.
Pour traduire la ductilité on peut utiliser le coefficient de comportement. On définit q le coefficient de comportement : q=Dmax/D1.
Voici un exemple de comment la grande ductilité d’un immeuble permet d’éviter son effondrement face à un séisme :
Durant un tremblement de terre, les différentes masses d’un bâtiment sont soumises aux accélérations désordonnées du sol. En effet, ces accélérations se font dans toutes les directions (oscillations du sol). Tout de même les masses tendent à revenir à leur position initiale c’est-à-dire à leur position avant chaque mouvement du sol. Les forces qui tendent à faire revenir la masse à sa position d’origine sont les forces d’inertie. Les forces d’inerties sont proportionnelles aux accélérations du sol et à la masse de la structure. Plus la masse et les accélérations sont importantes, plus les forces d’inertie sont importantes.
Les parties du bâtiment liées au sol telles que les fondations ou parfois des parties enterrées (sous-sol) suivent de manière solidaire les mouvements du sol. Par inertie, les parties aériennes ne suivent pas tout de suite le mouvement du sol : ce qui conduit à une déformation importante du bâtiment pouvant être la cause de sa destruction. Les bâtiments parasismiques sont conçus pour suivre le mouvement du sol dans sa totalité et pas qu’au niveau des fondations. Cela limite ainsi les ruptures des bâtiments.
Le centre d’inertie d’un ensemble de point d’une structure est le barycentre de ces points pondérés affectés de leur masse respective. Le centre d’inertie se confond avec le centre de gravité. Dans des constructions parasismiques, les centres d’inertie sont placés le plus bas possible. En l’abaissant, le mouvement de renversement de la structure est alors diminué.
Ce schéma montre comment se comporte un bâtiment lors d’un séisme. Ce comportement est du aux forces d’inertie.
Les éléments d’une construction soumis à des forces identiques ne se comportent pas de la même manière. Ainsi un poteau se déforme plus qu’un mur. Cela est du :
- à la nature des matériaux et donc à leur ductilité ;
- leur masse dont dépendent les forces d’inertie ;
- la nature des liaisons entre les différents éléments de la structure.
Les mouvements du sol causés par les séismes se font dans toutes les directions, les bâtiments sont donc soumis à des forces dans toutes les directions qui engendrent des déformations aléatoires. Il est cependant possible d’étudier ces déformations grâce à des caractéristiques architecturales. Ainsi on peut prévoir la valeur des déformations d’un bâtiment dans sa totalité. Pour cela, il faut étudier les accélérations maximales possibles sur le site de construction et les caractéristiques des divers matériaux utilisés (densité et déformabilité). Plusieurs modes de déformations sont dressés permettant de favoriser des déformations régulières et limitées à la fois dans le plan de la structure et sur sa hauteur.
Le dessin ci-dessous nous permet de comparer la réponse d’un grand bâtiment à un mouvement horizontal et celui d’un bâtiment de petite taille.
On observe ici que les périodes de vibrations ne sont pas pareilles. Les petits bâtiments bougent « en bloc » alors que les grands se déforment et ont des vibrations plus complexes.
On peut ainsi remarquer grâce aux dessins ci-dessous que les grandes et les petites constructions ne se comportent pas de la même façon.
Pour comprendre ce principe, des tests en laboratoire ont été réalisés. Ces tests consistent à reconstituer des modèles réduits des bâtiments et de créer artificiellement des mouvements à leur base.
Exemple de différentes modes de déformation de construction entières.
Le mode de déformation d’un bâtiment est déterminé par le mode de déformation des éléments qui le constituent et des types de liaisons mais aussi par la nature des vibrations du sol. Il existe quatre modes de déformation principaux des différents éléments :
- Compression : Un élément est soumis à un effort de compression lorsqu’il subit l’action de deux forces opposées qui ont pour conséquence un écrasement du matériau.
- Traction : Un élément soumis à un effort de traction subit aussi l’action de deux forces opposées qui ont pour conséquence un étirement du matériau.
Elément soumis à un effort de traction
- Flexion : Lors d’une flexion les fibres supérieures subissent une traction alors que les fibres inférieures subissent une compression et celles du milieu restent indéformées. Ceci est souvent le cas pour les poutres en porte-à-faux ayant une extrémité libre.
Exemple de porte-à-faux subissant une flexion
- Flambage : Une construction soumise à une force de compression importante dans son axe longitudinal présente un risque de flamber.
- Cisaillement : Un élément de construction est soumis à un effort vertical lorsqu’il subit l’action de deux forces rapprochées mais de direction contraire. Le cisaillement est la cause majeure des ruptures au niveau des constructions.
Lorsque la période d’oscillation du sol (durée d’un cycle d’oscillation en seconde) correspond à la période propre d’oscillation d’un bâtiment (période durant laquelle un bâtiment oscille de manière libre en réponse aux oscillations forcées ; cette période dure jusqu’à l’arrêt complet du mouvement) le mouvement de ce dernier est amplifié ; cela s’appelle la mise en résonance. On peut ainsi estimer, si le bâtiment risque de se mettre en résonance ou grâce aux spectres de réponse. Les spectres de réponse sont des graphes représentant le maximum de déplacement, de vitesse ou d’accélération du sol en fonction d’une période. On peut, grâce à ses estimations, évaluer les forces qui agiront sur le bâtiment lors de fortes secousses et connaissant la résistance et le comportement des différents matériaux de la structure, construire le bâtiment de telle sorte à ce qu’il résiste à ces forces. Ces études ne sont pas exactes, il existe donc une marge d’erreur qu’il faut considérer lors de l’ouvrage d’un bâtiment. Sachant que la période propre d’oscillation augmente lorsque les masses en mouvement augmentent et qu’elle diminue avec la raideur (nature et formes des éléments et les liaisons entre chaque élément) des éléments porteurs de la structure, les ingénieurs peuvent élaborer un édifice dont la période propre d’oscillation est la plus éloignée possible de la période d’oscillation du sol.
Le schéma ci-dessus illustre deux modes de déformation différentes. Chaque mode de déformation à sa propre période d’oscillation. Ainsi il faut étudier la mise en résonance de tous les modes de déformation
Les bâtiments dissymétriques transmettent les efforts et les mouvements entre les différentes parties de la structure de telle sorte que certaines régions accumulent les sollicitations ; les contraintes sont donc concentrées en un même point. Ces structures sont très sensibles aux mouvements de torsion.
Mouvement de torsion d’un bâtiment irrégulier en forme de L
Les calculs sismiques ont pour objectif de déterminer la réponse (déplacements, sollicitations et déformations) d’un bâtiment aux mouvements sismiques. Ces calculs concernent le domaine de la dynamique des structures. Les mouvements aléatoires causés par les séismes rendent les calculs sismiques très délicats et complexes. Une démarche de probabilités est donc effectuée. Tout de même, il ne constitue qu’une seule partie de l’étude sismique.
Il existe trois méthodes de calculs principales :
- l’analyse modale qui permet de prévoir le comportement dynamique d’une structure et de dresser ses caractéristiques mécaniques ;
- l’analyse temporelle : cette méthode de calculs est très complexe et difficile à mettre en œuvre ;
- l’analyse statique équivalente qui réduit un bâtiment régulier à sa structure fondamentale dans le but de simplifier les calculs.
A partir des calculs sismiques, on peut faire une modélisation des comportements des bâtiments qui tient compte des masses des différents éléments et de leur raideur. Une modélisation est représentée à l’aide de barre et de nœuds.
Les bâtiments parasismiques sont, indéniablement, des moyens de haute sécurité pour protéger la population contre les effondrements et autres accidents causés par les séismes.
Cependant, pour construire ces structures au mieux, il faut d’abord évaluer le risque sismique de la région dans laquelle nous voulons construire. Comme nous l’avons déjà démontré, il est très difficile de l’évaluer car il dépend d’un grand nombre de facteurs. Nous sommes donc dans l’ignorance ou dans l’incertitude et les méthodes calculatoires sont extrêmement complexes.
De plus, les résultats sont très approximatifs dus à l’incertitude de l’ensemble des facteurs. Les constructions parasismiques doivent suivre un ensemble de règles. Comme ces constructions sont coûteuses, toutes les nations n’en sont pas munies. Seules les zones au plus haut risque telles que les côtes du Japon possèdent de nombreux ouvrages aux normes parasismiques. Le seul moyen, de réellement tester leur résistance est à travers les séismes majeurs, notre seule source d’expérience et d’évaluation à grandeur réelle.
Or ceux-ci ne sont pas assez fréquents pour que l’évolution des techniques de construction progresse rapidement.
La mise en œuvre complexe de bâtiments antisismiques par le regroupement de nombreuses disciplines s’appelle le génie parasismique. C’est une science très difficile à cause de la collaboration entre architectes, ingénieurs et sismologues tous ayant des objectifs et points de vue divergents.
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Livres et Encyclopédie:
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