GUIDE AFPS
CONCEPTION PARASISMIQUE
DES BATIMENTS
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JUILLET 2002
PREFACE
Les architectes et les ingénieurs sont familiers avec la conception de bâtiments devant résister aux charges gravitaires combinées avec les forces latérales du vent.
Généralement, les charges gravitaires sont prépondérantes et les contraintes demeurent faibles et inférieures à la limite élastique du matériau.
En cas de séisme, les efforts latéraux peuvent être dominants par rapport aux charges gravitaires. La dissipation d'énergie recherchée dans certaines zones judicieusement choisies implique des incursions dans le domaine post-élastique, donc bien au-delà de la limite élastique, pour atteindre des allongements de l'acier plus de cinq fois supérieurs à ceux de la limite élastique. Cela exige une conception de structures aptes à subir de grandes déformations accidentelles tout en conservant en service un degré de sécurité suffisant.
Excellent pédagogue, Milan ZACEK, animateur du Groupe de Travail AFPS "Architecture parasismique et parti constructif", est Professeur à l'Ecole d'Archi­ tecture de Marseille-Luminy et Chargé du DPEA de construction parasismique (diplômes propres à l'École d'Architecture). Les rédacteurs ont su illustrer dans ce guide les principes d'une conception parasismique à l'aide de différents exemples de cas tirés des leçons des séismes passés.
Ces dispositions ne sont pas exhaustives, ni impératives. Il est loisible d'adopter d'autres solutions respectant les mêmes principes fondamentaux du Génie Parasismique.
Un bâtiment se conçoit d'abord. Une bonne conception avec quelques analyses simples est souvent préférable à une conception qui ne respecte pas les critères de régularité mais qui est fardée de calculs complexes avec des listings interminables. En effet, un bâtiment ne peut se justifier seulement par un calcul, aussi approfondi soit-il. Ce guide est fait pour aider le projeteur dans cette tâche initiale. Les calculs serviront in fine à :
• dimensionner des sections,
• et à vérifier la conformité du projet par rapport à une norme.
Un grand merci à Milan et à son Groupe de Travail pour cet effort de mettre à la portée de tous une architecture répondant aux exigences parasismiques.
Puisse ce Guide aider à améliorer la protection parasismique des bâtiments.
Le Président de l'AFPS Wolfgang JAU L
SOMMAIRE
6.
Préface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 1
Préambule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . ... .... .. . . . . . p. 5
2. Objectifs, organisation et utilisation du guide ............................................ p. 12
3. Incidence du site et de la nature du sol ..................................................... p. 14
4. Prise en compte de l'environnement construit .......................................... p. 24
5. Parti architectural . . . . . .. .............. .. . . ........ .. . . . ... . .. . . .. .. .. ... . . . . . . . . . . . .................... p. 27
Parti constructif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............... p. 42
7. Contreventement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 52
9. Liaisons entre les éléments constructifs ................................................... p. 89
1O. Traitement des sols et fondations . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 99
.11 Isolation parasismique . . ... . ... . . . ... . . . . . .... ................... .. ... . . . . . . . . . . . . .. ... . . . . . . . . . . . .. p. 117
Glossaire ......................................................................................................... p. 125
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . p. 131
............. . . .. . . ............. .................. . . . . . ... ............ . ................. . . ............... . .. Annexe p. 139
3
PREAMBULE
Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Régulièrement l'actualité montre que les tremblements de terre entraînent des pertes en vies humaines, la destruction du patrimoine immobilier et des moyens de production. Ils affectent l'activité économique de la région touchée.
Ces effets sont dus principalement à l'effondrement des constructions. Il est donc essentiel de prévenir les dommages sismiques graves en construisant des ouvrages résistant aux séismes.
La sismicité de la France métropolitaine est moins élevée que celle de la Grèce, de la Turquie, de la Californie ou du Japon. Cependant, les séismes destructeurs n'y sont pas exclus ; ils sont seulement plus espacés dans le temps. Ils peuvent se produire demain.
La formation à la conception parasismique des ouvrages faisant encore rarement partie des programmes d'enseignement des écoles d'architecture, aussi bien en France que dans le monde, il a paru pertinent de rédiger un guide pratique à l'intention des concepteurs de projets en zone sismique.
Groupe de Travail AFPS ''Architecture parasismique et parti constructif":
Le groupe de travail, animé par Milan ZACEK, est composé d'architectes et d'ingénieurs. La participation à la rédaction des divers chapitres s'est effectuée de la manière suivante :
Patricia BALANDIER, chap. 3, 4, 9, Glossaire. Marc GIVRY, chap. 1 . Mehenna MESSAOUI, chap. 6. Claude MICHEL, chap. 8. Jean-Michel PERRISSOL, chap. 3, 1 O. Claude TART AR, chap. 5. Guy VERCELLINO, chap. 2. Milan ZACEK, Préambule, chap. 1 , 2, 3, 4, 5. 6, 7, 8, 9, 11, Glossaire.
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P.ARASISMIQUE?
1.
1.1. NOTION DE CONSTRUCTION PARASISMIQUE
Les constructions sont généralement considérées comme « parasismiques » lorsqu'elles sont conformes aux règles parasismiques en vigueur. Effectivement, l'expérience montre que l'application des règles parasismiques limite d'une manière importante l'ampleur des dommages sismiques. Le bâtiment de la figure 1.1a en est l'un des exemples marquants. Il n'a pas subi de dommages structuraux lors du séisme très destructeur de Chi­ Chi, Taïwan (1999), de magnitude 7,6.
a) Immeuble de bureaux à Taïpei, Taïwan. Ce bâtiment n'a pas subi de dommages lors du séisme b) Projet de la tour du Millénaire, Tokyo, Japon
de Chi-Chi, Taïwan, 1999, de magnitude 7,6
Fig. 1.1. Conception parasismique utilisée en tant qu'élément d'expression architecturale. -
Les bâtiments conformes aux règles parasismiques ont rarement subi des dommages graves. Le respect des règles réduit donc considérablement le risque d'effondrement des constructions, sans toutefois le garantir. En effet, lors des séismes majeurs, il est arrivé que des bâtiments calculés selon des règles de construction parasismique soient parfois sévèrement endommagés ou même effondrés (fig. 1.2).
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Fig. 1.2. - Parking couvert effondré lors du séisme de Northridge (Californie, 17 janvier 1994). Ce bâtiment a été calculé selon les règles parasismiques américaines en vigueur, mais un choix de conception peu judicieux a
vraisemblablement été à l'origine de l'effondrement : rampe hélicoïdale portée par des poteaux, ce qui engendre un effet de poteau coµrt, expliqué au § 8.2.4. Faire porter la rampe ou contreventer le bâtiment par des voiles de
béton armé aurait constitué une solution efficace.
Ces cas sont heureusement très rares. Les raisons de ces dommages sont multiples (liste non exhaustive) :
>- le principal objectif des règles parasismiques est la protection des vies humaines avec une faible probabilité d'effondrement des bâtiments pour une accélération de sol nominale (cf. glossaire), dont le niveau est fixé par la puissance publique. Lorsque les accélérations sont inférieures à cette dernière, les dommages sismiques, s'ils se produisent, sont en général réparables. En revanche, la probabilité de ruine par écroulement augmente rapidement quand l'agression sismique dépasse le niveau nominal.
La protection réglementaire ne vise donc pas la prise en compte du séisme maximal plausible, qui a une très faible probabilité d'occurrence. Il arrive donc que le niveau réglementaire soit dépassé. Une conception parasismique judicieuse et une exécution soignée devraient, dans ce cas, permettre de conférer à l'ouvrage une réserve de résistance suffisante pour prévenir son effondrement;
>- les règles parasismiques sont en constante évolution et les constructions conçues selon les versions anciennes peuvent présenter une certaine vulnérabilité en comparaison avec celles qui respectent les règles récentes ;
>- les dispositions parasismiques réglementaires sont appliquées sur un projet dont l'architecture a déjà été déterminée. La forme du bâtiment et des éléments constructifs, le système porteur et le type de contreventement, dont le comportement joue un rôle déterminant dans la résistance aux séismes du bâtiment, sont donc déjà choisis, trop souvent sans préoccupations parasismiques. Ainsi, des projets peu judicieux quant à la résistance aux tremblements de terre sont considérés comme parasismiques après l'application des règles. Afin de pallier cette situation, il est donc souhaitable qu'une stratégie de conception parasismique raisonnée soit adoptée dès le début du projet;
>- pour des raisons pratiques, le calcul « au séisme » des constructions est basé sur des hypothèses simplifiées qui ne reflètent pas toujours fidèlement leur comportement réel ;
>- un calcul « au séisme »,fût-il « sur mesure », ne peut transformer un projet médiocre en un système performant vis-à-vis des tremblements de terre ; le dimensionnement permet de conférer aux éléments constructifs la résistance réglementaire, mais ne modifie pas notablement le comportement dynamique de l'ouvrage, qui peut être pénalisant.
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Les enseignements apportés par les séismes passés montrent qu'une construction n'est réellement parasismique que si elle est le fruit de trois démarches:
Conception architecturale parasismique
sous séismes
+
Exécution de qualité
'+ matériaux de bonne qualité '+ travaux exécutés dans les règles de l'art
La protection parasismique des bâtiments n'est donc pas uniquement une affaire de calcul ou d'études d'ingénierie. Les choix opérés par l'architecte en amont de l'application des règles parasismiques influent d'une manière déterminante sur le comportement de l'ouvrage lors d'un tremblement de terre. L'architecte devrait donc acquérir des connaissances spécifiques à la conception des bâtiments en zone sismique, d'autant plus que l'objectif recherché par les règles parasismiques et la mission confiée à l'architecte ne sont pas les mêmes. Les règles parasismiques visent à un résultat global à l'échelle d'une zone, les éventuels échecs devant rester peu significatifs. En revanche, l'architecte doit à son client un ouvrage qui présente toutes les garanties de confort et de sécurité, un ouvrage« sur mesure». Il ne doit envisager aucun échec.
En outre, chercher à réduire les effets de l'action sismique sur le bâtiment par des choix réfléchis est une démarche plus satisfaisante que de le dimensionner pour résister à des charges inutilement élevées.
La conception architecturale parasismique n'est pas réglementée. Cependant, le Groupe d'études et de propositions pour la prévention du risque sismique en France (GEP), créé en 1985 par une décision conjointe des ministères de !'Equipement et de !'Environnement, a élaboré une note sur la prise en compte de la prévention du risque sismique dans les concours et consultations de maîtrise d'œuvre pour la construction de bâtiments.
Cette note, reproduite en annexe du présent guide, a été diffusée aux personnes et organismes concernés par la maîtrise d'ouvrage et la maîtrise d'œuvre en zone sismique. Il y est demandé d'introduire les critères parasismiques dans la programmation afin de pallier l'intégration actuellement trop tardive des impératifs parasismiques dans les études de conception des bâtiments. La note suggère qu'un membre au moins des jurys de concours soit compétent dans le domaine parasismique, afin de pouvoir apprécier la valorisation par le candidat des contraintes parasismiques dans son projet.
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1.2. SPECIFICITE DE LA CONCEPTION PARASISMIQUE DES BATIMENTS
Lorsqu'on construit en zone sismique, il faut avoir présente à l'esprit la spécificité des sollicitations d'origine sismique. En fait, cette spécificité a deux aspects: un que l'on pourrait qualifier de statique, et un autre dynamique.
En situation normale, il est habituel quê la force de la pesanteur s'exerce verticalement sur les masses des constructions du haut vers le bas, et nous sommes habitués à voir et à concevoir les bâtiments dans ce sens.
Lors d'un tremblement de terre, du fait du déplacement du sol, les charges sismiques peuvent s'exercer sur les masses des constructions dans un sens vertical descendant (ce qui renforce l'effet du poids), dans un sens vertical ascendant (ce qui allège le poids mais peut inverser les efforts) et surtout dans tous les sens horizontaux (ce qui crée des efforts spécifiques).
Ainsi, il faudrait s'habituer à voir et à concevoir les bâtiments en zone sismique comme s'ils étaient non seulement à la verticale, mais également à l'horizontale, voire la tête en bas.
Si l'action sismique dans le sens vertical ne modifie pas, dans la plupart des cas, la conception (cela conduit à majorer des charges qui, du fait de la pesanteur, sont présentes déjà en situation « normale »), les actions horizontales impliquent une réflexion particulière.
A ce sujet, on parle naturellement de la nécessité du contreventement. L'analogie avec les efforts dus au vent, qui sont aussi des efforts horizontaux, est sans doute pertinente. Il peut d'ailleurs arriver que dans le cas des bâtiments très élevés les charges climatiques dues au vent soient prépondérantes par rapport aux charges sismiques (dans les zones de faible sismicité).
Mais il faut toutefois noter que ces charges ne sont pas de même type ; en effet, l'action du vent s'exerce sur les surfaces des parois, les charges sismiques sont engendrées dans toutes les masses du bâtiment.
Ainsi, les charges sismiques peuvent être très importantes aussi bien dans la direction longitudinale que dans la direction transversale d'un bâtiment, alors que vis-à-vis du vent, le contreventement longitudinal est souvent réduit et peut s'avérer insuffisant en cas de séisme.
Une autre particularité de la conception parasismique tient aux aspects dynamiques des sollicitations. Généralement, un tremblement de terre a une durée de quelques dizaines de secondes, le plus souvent moins d'une minute. Mais pendant ce temps relativement bref, le nombre de sollicitations peut être élevé, plusieurs dizaines de vibrations résultant des aller­ retour du sol.
Ces sollicitations sont des déformations imposées à la structure, déformations dont elle doit s'accommoder. Pour cela, elle devrait posséder une bonne ductilité, qui dépend aussi bien de la conception architecturale que des dispositions constructives (cf. « Dissipativité ou non-dissipativité », § 6.1.2.). La rupture survient lorsque les déformations de la structure atteignent une ampleur qu'elle ne parvient pas à tolérer.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Par ailleurs, les sollicitations multiples ont pour conséquence de produire des effets réciproques, une interaction entre le sol et la structure. Cette interaction pourra se traduire par des phénomènes de résonance et donc d'amplification des amplitudes d'oscillation ou, au contraire, par des phénomènes d'amortissement et, par conséquent, d'atténuation des oscillations.
Une bonne approche de la conception serait de s'efforcer de mm1m1ser les risques d'amplification, en jouant sur la forme et sur la raideur des constructions en fonction des caractéristiques du sol. Cette démarche est souvent possible (cf. § 5.3.).
Une autre conséquence des sollicitations répétées dans un intervalle de temps très bref est l'aggravation des phénomènes de concentrations d'efforts par rapport aux situations statiques normales ; le caractère alterné des charges sismiques se traduit, dans les zones où les efforts se concentrent, par une localisation et une intensification de l'endommagement, dont le niveau peut devenir critique.
Ces concentrations d'efforts se produisent dans toutes les zones qui présentent une variation brusque de forme ou de rigidité: association de deux structures ayant un comportement dynamique différent, changement de dimensions du bâtiment, changement de section ou de direction d'un élément constructif, ainsi que toute variation brutale entraînant la présence d'angles rentrants, discontinuités, etc.
Une manière de répondre au problème est de «travailler» les zones de transition en leur conférant une bonne ductilité. D'autres consistent à fractionner le bâtiment en blocs mécaniquement indépendants par des joints parasismiques (solution radicale mais onéreuse qui n'est pas toujours possible, cf. chapitre 5), à placer l'ouvrage sur appuis parasismiques (cf. chapitre 11), ou à utiliser des amortisseurs.
Enfin, un avantage important de la conception parasismique mérite d'être souligné. Un bâtiment conçu dès l'esquisse pour résister aux séismes coûte moins cher que celui dont le projet n'a été rendu « parasismique » qu'au moyen de dispositions constructives et calculs réglementaires. La différence de coût est parfois très élevée.
En résumé, l'incidence de la conception parasismique des constructions se situe à trois niveaux. Elle permet de :
>- minimiser les amplitudes d'oscillation du bâtiment et par là les charges sismiques;
>- créer de bonnes conditions de résistance en limitant les concentrations d'efforts ;
>- minimiser le coût de la protection parasismique.
Par ailleurs, au-delà de l'aspect « comportement mécanique », en intégrant ces contraintes dans l'intention architecturale, il est possible d'utiliser le concept parasismique en tant qu'élément d'expression architecturale (fig. 1.1).
11
2.
2.1. OBJECTIF ET ORGANISATION
Le présent guide s'adresse aux concepteurs de projets de bâtiments, plus particulièrement aux architectes. Il a pour but d'exposer les éléments à prendre en compte dans la conception des projets de bâtiments situés en zone sismique. Il s'applique aussi bien aux ouvrages à risque normal qu'aux ouvrages à risque spécial. Les deux catégories d'ouvrages ont été instaurées par le décret n° 91-461 du 14 mai 1991 ; leurs définitions figurent en glossaire.
Ce guide se veut à la fois didactique et pratique. Le fil conducteur suit le processus de conception : du site vers le parti architectural et le parti constructif, suivis d'éléments d'architecture et de construction.
Dans les chapitres portant sur la conception, la démarche suivante a été adoptée :
> mise en évidence, d'une manière simplifiée et illustrée, de la relation de cause à effet entre les dommages sismiques et les choix opérés dans la phase du projet ;
>- synthèse des situations, comportements et caractéristiques favorisant la résistance des ouvrages aux séismes ;
>- exemples de solutions et de choix judicieux mentionnant leur degré d'efficacité du point de vue parasismique.
Les dispositions constructives réglementaires n'ont pas été systématiquement reproduites car c'est la phase de conception en amont de l'application des règles parasismiques qui est essentiellement visée. Cependant, ainsi qu'il est indiqué dans l'encadré du § 1.1., la conception architecturale parasismique ne dispense pas de l'application des règles parasismiques et d'une exécution soignée.
A la fin du guide on trouve:
>- un glossaire qui définit les termes spécialisés courants; >- une bibliographie mentionnant les ouvrages traitant spécifiquement (au moins en partie)
de la conception architecturale et parasismique, les décrets et arrêtés relatifs à ce domaine et d'autres publications concernant le thème abordé ;
>- des adresses d'organismes dont les spécialistes peuvent être consultés et celles d'institutions dispensant une formation en conception parasismique des bâtiments.
2.2. UTILISATION DU GUIDE
Les différents chapitres sont autonomes et ne nécessitent pas la lecture de tout le guide, bien que celle-ci soit préférable. L'utilisateur peut donc se reporter directement au chapitre traitant du problème étudié. Afin de faciliter cette démarche, le tableau suivant établit une correspondance entre les différentes phases du projet et les chapitres du guide.
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Phase de projet
définir
Chap.1
nature du sol
Chap.11
X X X
Plan de situation
Implantation. Proposition d'études
X X X
géologiques et géotechniques
Etudes Plans 1/500 Composition en d'esquisse, Détails 1/200 plan et en volume. APS Fractionnement X X X X X X X X
Parti constructif
Choix des matériaux. '
X X X X X X
Etudes de Plans 1/50 Projet détaillé. projet, Détails 1/20 à Dimensionnement. X X X X X X X X
DCE 1/2 Devis descriptif
INCIDENCE DU SITE ET NATURE DU SOL
Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
3. DE LA
3.1. LE SITE
3.1.1. Problématique
·
effet, un séisme génère :
> des effets directs: actions du sol sur les ouvrages, de type oscillatoire ou résultant de déplacements différentiels ; ces phénomènes peuvent être amplifiés par des effets de site (cf. glossaire) dus à la topographie, à l'hétérogénéité des sols ou à la présence de sols mous de forte épaisseur (plus de 15 m) ;
> des effets induits: grands mouvements de sol ou d'eau pouvant agir sur les ouvrages:
déclenchement d'un phénomène latent par la mise en oscillation des sols : chute de pierres, glissement de terrain, éboulement, etc.,
genèse d'un phénomène lié au caractère dynamique du mouvement : liquéfaction des sols (fig. 3.7 et 10.1), tsunami, seiche (cf. glossaire).
Les effets du séisme peuvent être plus ou moins destructeurs d'un lieu à l'autre, pour un même type de construction, parfois à quelques dizaines de mètres près. L'étude de l'aléa sismique local (cf. glossaire) permet de mettre en évidence les risques liés au site d'implantation.
De même, il convient de vérifier l'adéquation entre le programme et le site :
> le site lui-même peut ne pas aggraver la vulnérabilité aux séismes d'un bâtiment, mais ses voies d'accès et les réseaux utilitaires peuvent être très vulnérables, ce qui n'est pas acceptable pour certaines classes de bâtiments qui ont une nécessité vitale de pérennité des viabilités et circulations (par exemple, les hôpitaux ou les centres de secours) ;
> le programme peut être arrêté sur des dispositions volumétriques et d'urbanisme qui sont potentiellement génératrices de problèmes (par exemple, mise en résonance des bâtiments (cf. § 5.3.), interaction avec des constructions préexistantes, etc.). La prise en compte de cette aggravation éventuelle du risque est vivement souhaitable.
C'est pourquoi, dans certains cas (celui des bâtiments nécessaires à la gestion de crise, par exemple), il pourra s'avérer préférable de changer de site d'implantation.
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3.1.2. Implantations susceptibles d'aggraver l'action du séisme
Lorsqu'on construit en zone sismique, il convient d'implanter les constructions aussi loin que possible des zones susceptibles de subir un effet de site ou un effet induit.
Certains problèmes de sol ne peuvent être identifiés qu'à la suite d'études géotechniques (cf.§ 3.2.), d'autres peuvent être détectés par une simple observation du site sur place et/ou à la lecture des cartes géologiques régionales. Dans ce dernier cas, il faut impérativement prendre avis de spécialistes compétents avant de poursuivre l'étude du projet. En outre, s'il y a lieu, l'étude des risques doit être étendue aux voies d'accès et réseaux utilitaires, et non à la seule implantation du bâtiment.
Les situations caractérisées ci-après peuvent aggraver localement les effets des séismes. Lorsqu'elles sont identifiées, il est souhaitable de consulter un géotechnicien spécialisé.
O Apparition d'une faille en surface
Le risque lié à la rupture d'une faille en surface (déplacement visible du sol de part et d'autre de la faille, en hauteur et/ou en longueur) a une probabilité d'occurrence très faible en France. Toutefois, les Règles PS 92 précisent que « sauf nécessité absolue, aucun ouvrage ne doit être édifié au voisinage immédiat d'une zone faillée reconnue active, éventuellement repérée par les Plans d'Exposition aux Risques, dits PER ; ces plans peuvent fixer la largeur des bandes à neutraliser de part et d'autre de l'accident et, le cas échéant, des bandes dans lesquelles il convient de prendre en compte un mouvement de calcul plus sévère».
Les constructions qui seraient implantées à cheval sur une faille jouant en surface verraient leurs fondations cisaillées par ce déplacement pouvant atteindre plusieurs décimètres (avec des répercussions sur l'ensemble de la structure). Les solutions constructives permettant d'absorber des déplacements différentiels importants sont en général complexes et coûteuses.
a) Déplacements relatifs des lèvres d'une faille b) Rejet de la faille sismogène du séisme d'EI Asnam, Algérie, 1 0 octobre 1980
Fig. 3.1. - Jeu de faille en surface. Les solutions constructives permettant d'absorber des déplacements différentiels importants sont complexes et coûteuses.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
8 Sol alluvionnaire de forte épaisseur
Les constructions fondées sur des sols meubles subissent, en général, des dommages sismiques plus importants que celles implantées sur un sol rocheux.
Les sols meubles donnent lieu à des mouvements sismiques globaux et différentiels de grande amplitude, ainsi qu'à des accélérations importantes dans les basses fréquences de vibration. La vulnérabilité des ouvrages sur sol meuble est d'autant plus grande que leur fondation est moins profonde.
L'importance des dommages augmente généralement avec l'épaisseur des dépôts sédimentaires reposant sur le substratum rocheux. L'amplification des mouvements sismiques dans les alluvions d'une épaisseur décamétrique peut être très importante. Il s'agit d'un effet de site lithologique.
Afin de minimiser l'effet des oscillations des sols meubles sur les constructions, il est impératif d'éviter le phénomène de résonance (cf. § 5.3. « Forme en élévation » ) et d'opter pour des fondations profondes atteignant, si possible, le substratum.
Fig. 3.2. - Fondation sur sol meÜble. Des mouvements sismiques de forte amplitude sont fréquents, de même qu'une amplification par effet de site dans le cas de fortes épaisseurs de couches compressibles.
8 Butte, crête, bord de falaise : topographies amplifiant l'action sismique
La réflexion des ondes sismiques à l'intérieur de ces reliefs peut amplifier les secousses du sol (fig. 3.3). Les constructions implantées sur ce type de reliefs peuvent subir une action sismique beaucoup plus importante que sur un site voisin non accidenté. S'il n'est pas envisageable de construire ailleurs, il convient d'éloigner le bâtiment des zones de changement de pente.
b) Rognes (Bouches-du-Rhône) après le séisme du 11 juin 1909 : les dommages les plus graves se sont
produits au sommet de la colline ; leur importance décroît vers le bas
a) Amplification des secousses par un relief rocheux
Fig. 3.3. - Effets de site topographiques.
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O Bord de falaise ou de talus instable
Outre les problèmes d'amplification de l'action sismique par effet de site, en cas de séisme, ce type de site peut être le siège de ruptures et d'éboulements qui pourraient entraîner les constructions qui y seraient implantées. Il convient donc d'éviter la proximité des bords de falaises, de talus ou versants. Une distance minimale de 15 à 20 m devrait être observée.
b) Implantation dangereuse d'un immeuble en zone a) Les séismes provoquent les effondrements et sismique (Chypre). Une distance de 15 à 20 m au
éboulements de falaises moins du bord de la falaise devrait être observée
Fig. 3.4. Risque d'effondrement d'un bord de falaise. -
0 Terrain en pente
Les séismes peuvent induire un glissement de terrain en pente, susceptible d'emporter toute construction, parasismique ou non. Avant de construire, l'avis d'un géotechnicien spécialisé sur la stabilité de la pente est donc nécessaire.
Quant aux constructions, les configurations fréquentes avec un soubassement aval sur pilotis est à bannir (fig. 5.18). En outre, ce type d'ouvrage est sujet à une torsion d'ensemble, qui est très destructrice (cf. « Niveaux transparents », § 5.3.).
a) Un glissement de terrain peut emporter toute construction, parasismique ou non
b) Glissement de terrain provoqué par le séisme de Kobé, Japon, 17 janvier 1995
Fig. 3.5. - Glissements de terrain. Avant de construire sur un terrain en pente, l'avis d'un géotechnicien spécialisé devrait être sollicité.
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0 Pied de falaise ou de versant instable
Pour les mêmes raisons de purge potentielle de la falaise ou du versant dominant un site, il convient d'éviter l'implantation des constructions sur les zones concernées par ces phénomènes, qui peuvent être induits par un séisme (avalanches de pierres ou coulées de boue, ... ). Leur étendue possible doit être déterminée avec soin.
a) Les éboulements d'origine sismique peuvent b) Maison endommagée par un éboulement de terrain entraîner des dommages graves aux constructions (séisme de San Fernando, Californie, 9 février 1971)
Fig. 3.6. Purge d'une falaise ou d'un versant. Il convient d'éviter l'implantation des constructions -
dans ces zones.
@ Terrains saturés d'eau
En cas de tremblement de terre, les sables lâches de granulométrie fine et relativement uniforme, saturés d'eau, sont sujets à la liquéfaction. La pression engendrée dans l'eau par les secousses sépare les grains de sable qui, sans contact, perdent pratiquement toute leur capacité portante (sur une profondeur de 15 à 20 m maximum). Les ouvrages qui y sont fondés s'enfoncent littéralement dans le sol ou basculent (fig. 3.7).
Si on décide de construire sur de tels terrains, il est nécessaire soit de traiter le sol (cf.§ 10.2.2), soit de traverser les couches liquéfiables par un sous-sol ou des fondations profondes. Dans ce dernier cas, les fondations doivent résister à l'action latérale des couches liquéfiées.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
a) Ejection de sable et perte de capacité portante du sol b) Immeuble enfoncé dans le sol lors du séisme de Caracas, Venezuela, 29 juillet 1967
c) Immeubles enfoncé dans le sol ou renversé lors du séisme d'lzmit, Turquie, 17 août 1999
Fig. 3.7. - Liquéfaction de sol sous des bâtiments. Les sols liquéfiables doivent être traités ou traversés par un sous-sol ou par des fondations profondes.
0 Zone de cavités susceptibles d'effondrements
Le sol peut présenter toutes les caractéristiques apparentes d'un « bon » sol de fondations, mais la présence de cavités à proximité de la surface (gypse, anciennes carrières, ... ) peut entraîner la ruine des constructions se trouvant au-dessus en cas de rupture de la voûte naturelle sous l'action d'un séisme. L'effondrement est brutal si la cavité est très proche de la surface. Dans les autres cas, il s'agira de tassements plus ou moins importants.
Avant de construire, les cavités devraient donc être identifiées. Dans les régions minières, les zones de gypse et de karst, il peut être nécessaire de procéder à des sondages et essais géophysiques avant toute décision d'implantation. Dans le cas de lentilles de gypse localisées, dont les cavités sont stabilisées et peu profondes, on peut envisager des injections ou réaliser des fondations spéciales.
Fig. 3.8. - Effondrement de plafond de cavité.
19
0 Autres sites à problèmes
D'autres effets induits par la secousse sismique sont susceptibles de provoquer des désordres ou la ruine des bâtiments: tsunamis, inondations par rupture d'une retenue d'eau, affouillement des rives gorgées d'eau, action de remblais lourds sur sols instables, purge des terrassements sans soutènement, déplacements et comportements différentiels dus aux variations de nature du sous-sol n'apparaissant pas en surface, etc.
Il est difficile de prétendre maîtriser tous les facteurs d'effets induits. Cependant, une discipline d'observation du site, d'investigations sur documents et d'études géologiques ou géotechniques en rapport avec les enjeux de la construction en projet, permet de réduire sensiblement l'aléa lié à ces effets.
3.2. LE SOL
3.2.1 Connaissance géotechnique
La connaissance géotechnique du site est d'une importance primordiale.
Les reconnaissances et études géotechniques effectuées normalement pour les sites non sismiques sont complétées en situations sismiques pour:
>- définir la classification du site en fonction du type de sol et de son épaisseur (Règles PS 92, art. 5.2.2). La catégorie du sol est déterminée selon ses caractéristiques mécaniques et physiques (Règles PS 92, art. 5.2.1) :
rochers : rochers sains et craies dures, catégorie a : sol de résistance bonne à très bonne, catégorie b: sol de résistance moyenne, catégorie c : sol de faible résistance.
TYPE DE SOL i_ 1 !_ : 11
Rochers s,;ins t - EtllllROCHERS
:;ulaires > 15 > 30 >20 i >2a lsols de bonne à >400 Sols cohérents très bonne > 1800 (argiles ou >25 >2 résistanœ mames dures)
Rocher altéré ou 300à 400à 2,SàS 1à10
800 2500fracturé b Sols granulaires Efllbnan Sols de moyennement S à 15 10 à 30 11 6à 20 1 à 2 &lwlsnon 40à60 P<illctt*pretlqu6s_compacts
500à 1800 800résistance 150à
1800 consistants et craies tendres
Sols granulaires c lâches
Sols de faible Sols cohérents < 150 résistance mous (argiles ! <1,s <2 <0,1 >0,10
mécanique molles ou vases) ' et craies altérées
Fig. 3.9. - Paramètres d'identification des sols (Règles PS 92).
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La classification des sites figure au tableau 3.1 O :
!Rocher h<15 I h>15 ! h<15 11s<h<SOJ h<10 I h>SO 110<h<1010 1 0
nnnnn
60
S1
Fig. 3.1 O. Classification des sites (Règles PS 92).-
> détecter les formations a priori suspectes de se liquéfier (PS 92 art 4.2). Les règles PS 92 développent de façon détaillée la liquéfaction des sols, l'identification des zones liquéfiables, les données sismiques et les méthodes d'essais permettant de détecter la possibilité de liquéfaction (article 9.1 ). Ce problème est une affaire de spécialistes ;
> détecter les zones susceptibles de se tasser ;
> détecter les zones faillées susceptibles de se désarticuler;
> définir les caractéristiques dynamiques du sol lorsque le calcul de l'interaction sol­ structure est envisagé (Règles PS 92 , art. 9.4.2 et 9.7).
3.2.2. Reconnaissance des sols
La campagne de reconnaissance doit être soigneusement préparée et évolutive. Elle ne doit pas faire l'objet de concessions. Les reconnaissances et les conclusions sont affaires de spécialistes. Les conseils de spécialistes locaux sont souvent appréciés et souhaitables.
Programme des essais
Les procédés de reconnaissances sont nombreux, le choix est fonction de l'ouvrage projeté (type, utilisation, importance, sous-sol, etc.), des conditions géologiques et géotechniques, du voisinage (modes de fondations des ouvrages mitoyens, nature et profondeur, etc.), et également du degré d'avancement du projet (faisabilité, avant-projet, projet, DCE, travaux) :
• Etude de faisabilité et avant projet
En général, lors de ces phases, on "dégrossit" les problèmes rencontrés pour en tirer les conséquences techniques et financières induites par les traitements éventuels des sols et les techniques de travaux de terrassements, de soutènements et de fondations.
Des études légères permettent de déterminer la configuration générale de la zone à étudier (présence d'eau, zones liquéfiables, zones susceptibles de se tasser, pentes instables, karsts etc.).
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Une première approche peut être faite à partir :
- des connaissances des géotechniciens locaux (sondages de chantiers voisins), - de cartes et documents spécialisés, - de sondages (suivant ci-dessous).
Nota : les analogies et extrapolations des résultats récupérés sur les chantiers voisins doivent être effectuées avec prudence. L'hétérogénéité des sols peut être telle que même dans une zone supposée bien connue, des anomalies locales peuvent exister (en présence de karsts par exemple).
• Projet général et dossier de consultation des entreprises
Il convient de définir au mieux toutes les caractéristiques des couches de sol concernées afin d'arrêter le mode de fondations, les techniques de travaux, les traitements éventuels, etc. La campagne peut être basée sur:
- un sondage tous les 500 m2 environ, avec un minimum de 3 sondages et 15 m au plus entre deux sondages (à augmenter ou à resserrer pour les terrains hétérogènes). En cas de divergence des résultats d'un sondage à l'autre, un nouveau sondage doit être réalisé. La profondeur des sondages doit être au moins égale à celle de la zone d'influence de la fondation (mise en charge du terrain par la fondation) : 3 fois la largeur avec 6 m au moins pour les semelles isolées, 1,5 fois la largeur de la construction pour un radier général. Si le terrain est susceptible de liquéfaction, la nature et l'épaisseur des couches liquéfiables doivent être déterminées, ce qui peut nécessiter des sondages plus profonds ;
- des forages équipés de tubes piézométriques.
• Exécution des travaux
- reconnaissance approfondie si des doutes subsistent sur les couches sous-jacentes, surtout en cas de contraintes élevées;
- sondages destructifs systématiques sous appuis isolés sur sol rocheux.
Moyens de reconnaissance
Ces moyens sont nombreux. Chaque type d'essai ou d'analyse a son propre domaine d'application et n'a de valeur que s'il est correctement exécuté et interprété. En général, on les classe en trois groupes :
• Sondages
- reconnaissances superficielles : puits exécutés à la main ou à la pelle mécanique. Ils doivent être descendus à des profondeurs suffisantes;
- sondages profonds carottés (prise d'échantillons) ou destructifs (enregistrement des paramètres de forage, avec sondage carotté de corrélation).
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• Méthodes géophysiques
- essais réalisés à partir de la surface: analyse spectrale des ondes de surface, sismique réfraction, sismique réflexion, prospection électrique ;
- essais réalisés dans des forages: down-hole (sondage en descendant), up-hole (sondage en montant), cross-hole (mesure entre deux tubes), essai à la sonde sismique.
• Essais géotechniques
- essais en place: au pressiomètre, au pénétromètre statique avec ou sans piézocône, au pénétromètre dynamique, SPT (standard penetration test), au scissomètre, au phicomètre ;
- essais de laboratoire : essai d'identification, essai oedométrique, essai triaxial (statique, dynamique, à la colonne résonnante), essai de cisaillement.
3.2.3 Etudes de sol - rapport géotechnique
Le rapport de sol doit être suffisamment clair et ne doit pas comporter d'ambiguïté. Il ne doit souffrir d'aucune imprécision et ne doit laisser planer aucun doute sur les problèmes de liquéfaction et de tassements sous l'action sismique.
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4. EN L'ENVIRONNEMENT
4.1. SITUATION GENERALE
Si la réglementation vise le bon comportement des bâtiments qui, a priori, ne devraient pas s'effondrer sur les voiries voisines et les bâtiments environnants, elle ignore les conséquences pour l'ouvrage étudié de la ruine plus ou moins généralisée des bâtiments proches ou des projections d'éléments non structuraux arrachés à ces constructions.
Ainsi, bien que le sujet soit complexe, avec des incidences parfois lourdes sur la programmation et le budget, il peut être pertinent pour une véritable démarche parasismique de prendre en considération l'éventuelle vulnérabilité des bâtiments proches.
Or, à maintes reprises, on a pu constater que des bâtiments bien conçus et bien réalisés du point de vue de la résistance aux séismes ont souffert, parfois gravement, de l'action d'une construction voisine. Différents cas ont été observés :
> constructions qui s'effondrent ou projettent des éléments constructifs plus ou moins importants sur un bâtiment parasismique ;
> celles qui, sans s'effondrer, heurtent ce bâtiment sous l'effet de leurs oscillations ;
> celles qui brident localement les déplacements du nouveau bâtiment, créant ainsi une ou des zones critiques indésirables, etc.
Les deux derniers cas ne devraient plus exister en présence de joints parasismiques réglementaires.
Dans les centres urbains, d'autres problèmes de voisinage peuvent se poser ; en outre, dans les noyaux historiques, on ne peut pas compter sur le renouvellement du parc immobilier pour les résoudre:
> au sein d'un îlot, le remplacement d'un immeuble ancien avec murs séparatifs communs, par un immeuble nouveau séparé par des joints parasismiques (vides de tout matériau) va modifier le comportement des immeubles limitrophes ; dans certains cas, leur vulnérabilité sera accrue ;
> dans le cas des constructions avec sous-sol, l'évolution dans le temps des parcelles limitrophes risque de remettre totalement en question les hypothèses de calcul de l'immeuble à construire (problème des niveaux encastrés devenus « libres » ).
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4.2. DIFFICULTES D'IMPLANTATION A PROXIMITE DE BATIMENTS
EXISTANTS
Les problèmes sont différents selon que les bâtiments ont des murs communs (interdits en zone sismique pour la construction neuve), limitrophes (deux murs accolés, désormais séparés en zone sismique par un joint vide) ou voisins (plus ou moins distants).
Quatre situations sont commentées ici :
O Le bâtiment à construire est isolé ou situé à une distance L supérieure à la hauteur H des constructions voisines (L > H)
Ce cas de figure est « idéal » car l'effondrement d'un bâtiment a peu d'incidence au-delà de la projection horizontale de sa hauteur. Ce n'est pas strictement exact, mais l'indicateur de « non-interaction » est acceptable. Cependant, cette « règle » est à reconsidérer en cas de forte pente et de patrimoine ancien dominant très vulnérable.
8 Le bâtiment à construire est très proche d'une ou plusieurs constructions voisines, mais non limitrophes (L < H)
En cas de vulnérabilité avérée d'un ou plusieurs bâtiments voisins, on peut adopter plusieurs types de stratégies:
Démarches architecturales
>- implanter le nouveau bâtiment sur la parcelle de façon à l'éloigner de la zone la plus vulnérable ;
>- adopter des orientations de parois et des volumes tels que l'angle d'incidence des projections éventuelles en réduise les conséquences ;
>- prévoir des volumes tampons sur lesquels d'éventuelles destructions ont moins d'incidences humaines et financières (locaux annexes) ;
>- etc.
Démarches constructives
>- renforcer les faces particulièrement exposées aux éventuelles projections (par exemple, préférer un voile de béton armé à un mur en maçonnerie ou à une façade légère, renforcer la toiture, etc.) ;
>- favoriser la résistance au choc de la structure du bâtiment à construire, par exemple en prévoyant des voiles de refend perpendiculaires aux façades.
8 Bâtiment à construire limitrophe d'autres bâtiments
Premier cas : la construction voisine est de bonne conception et de bonne mise en œuvre
Il suffit, en principe, de prévoir un joint parasismique réglementaire afin d'éviter les chocs entre bâtiments en cas de séisme. Les deux bâtiments sont réputés avoir un bon comportement propre.
Toutefois, si le nouveau bâtiment est moins haut que l'existant, il convient de vérifier qu'il n'est pas susceptible de recevoir des projections d'éléments de second œuvre venant de ce dernier et, le cas échéant, de procéder au renforcement de leurs fixations, d'opter pour une toiture plus résistante, de protéger les terrasses accessibles, etc.
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Deuxième cas : la construction voisine est de vulnérabilité inconnue
Lorsque la vulnérabilité du bâtiment limitrophe est inconnue, la possibilité d'entrechoquement devrait être examinée en fonction de son mode de construction (propre à une époque donnée) et de son état de conservation. Sous l'action d'un séisme d'une certaine importance, une construction en maçonnerie ancienne ou en portiques de béton armé de mauvaise qualité peut entrer dans un processus de ruine plus ou moins généralisée, qui concernera le nouveau bâtiment, malgré le joint parasismique. Dans ce cas, des solutions visant à renforcer le bâtiment à construire pourraient être envisagées.
En conclusion, retenons que:
>- il est pénalisant de concevoir un bâtiment plus bas que le bâtiment limitrophe vulnérable. La possible chute d'éléments lourds (maçonnerie ou béton) d'une hauteur plus ou moins importante sur le nouveau bâtiment, constitue un problème délicat;
>- le choix de la largeur du joint parasismique est très important ; les chocs entre les constructions peuvent provoquer des dommages graves (et même entraîner l'effondrement de la construction vulnérable voisine);
>- dans le cas où le bâtiment voisin est visiblement vulnérable, le mur limitrophe devrait être renforcé pour résister aux chocs.
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5. PARTI ARCHITECTURAL
SUR LEUR COMPORTEMENT
La forme des bâtiments et la répartition des différents éléments qui les constituent ont une incidence importante sur le comportement sous charges sismiques. Le concepteur devrait rechercher la simplicité et une bonne régularité dans les formes, dans la répartition des masses et des éléments apportant une rigidité, de manière à limiter l'amplitude des déformations provoquées par les secousses et la concentration d'efforts sur certains éléments structuraux.
Lors d'un séisme, cette régularité sera un facteur déterminant de bon comportement, permettant aux différentes parties du bâtiment d'osciller en phase. Les oscillations différentielles sont une source de dommages structuraux et non structuraux. En outre, un bâtiment de forme très irrégulière entraîne un coût de protection parasismique élevé, tout en donnant lieu à un comportement peu favorable à la résistance aux séismes.
Aux paragraphes suivants sont proposées des solutions permettant d'améliorer le comportement dynamique des bâtiments, tout en conservant une configuration d'apparence irrégulière.
5.2. FORME EN PLAN
> Symétrie en plan
Les bâtiments exposés à une torsion d'axe vertical lors des séismes peuvent subir de graves dommages. La forme des bâtiments peut être à l'origine d'une torsion lorsqu'elle conduit à des dimensions horizontales (profondeurs) différentes au sein d'un même bâtiment. Les parties du bâtiment ayant une profondeur plus faible que les parties voisines se déforment davantage sous l'action des forces horizontales et vrillent autour des zones plus rigides (fig. 5.1 ).
Fig. 5.1. Torsion d'ensemble. Les parties du bâtiment ayant une profondeur plus faible que les parties voisines -
vrillent autour de ces dernières. Les dommages affectent principalement les angles les plus éloignés de la zone rigide, ainsi que les liaisons entre les éléments de contreventement et les planchers.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
La torsion d'axe vertical peut être réduite en rigidifiant les zones « flexibles » (p. ex. par des voiles en béton), ou en optant pour une symétrie du plan selon deux axes ou plus (fig. 5.2).
X
y
Fig. 5.2. Formes favorables : plans simples ayant au moins 2 axes de symétrie. -
La symétrie du plan devra être associée à une symétrie de la structure (cf. chapitres 6 et 7, fig. 6.6 et 7.22), de façon à faire coïncider le centre de gravité du bâtiment avec le centre de rigidité.
L'emploi des joints parasismiques exposé au paragraphe suivant constitue également une solution acceptable.
> Simplicité du plan
Les bâtiments comportant des angles rentrants (hormis ceux qui résultent de la modénature des façades) sont considérés comme irréguliers (fig. 5.3). Ces angles sont à la jonction de deux parties ayant des rigidités différentes dans une même direction horizontale. La différence des rigidités induit des oscillations différentielles entraînant des concentrations de contraintes, qui sont le siège de dommages. (fig. 5.4 et 5.5). Afin de remédier à cette situation, trois démarches sont possibles :
opter pour des formes ne comportant pas d'angles rentrants (fig. 5.2) ; simplifier la forme en plan (fig. 5.3b) ; fractionner le bâtiment en volumes simples par des joints parasismiques (fig. 5.3a). Toutefois, le coût de ces joints est élevé et ils ne constituent qu'un remède à une situation peu favorable. Pour les bâtiments élevés, la largeur requise pour les joints devient importante car les blocs adjacents ne doivent pas s'entrechoquer. Dans ce cas, il vaut mieux opter pour des solutions qui ne nécessitent pas de joints.
1 •••
1
a) Fractionnement
b) Simplification
Fig. 5.3. Diverses solutions pour remédier au problème des angles rentrants. -
28
Caractéristiques des joints parasismiques
Les joints doivent être :
vides de tous matériaux ; cette disposition peut entraîner des difficultés d'exécution ; suffisamment larges pour éviter tout entrechoquement entre les blocs adjacents sous charge sismique de calcul, avec un minimum de 4 cm en zones la, lb, et de 6 cm en zones Il, Ill ; rectilignes, sans décrochements.
Il est à noter que tous les joints de gros œuvre Goints de dilatation ou de tassement) doivent respecter ces caractéristiques.
Les bâtiments ne présentant pas d'angles (forme générale arrondie) montrent le plus souvent un excellent comportement sous séisme si toutefois ils ne comportent pas d'ouvrages en maçonnerie traditionnelle (briques, blocs de béton, ... ).
Ces derniers sont sujets, sous l'action sismique, à un éclatement hors plan.
a) Dommages à un angle rentrant, séisme de Kobé, Japon, 17 janvier 1995
b) Formes non symétriques
Bâtiment comportant des ailes mécaniquement solidaires : la différence de rigidité des ailes dans les deux directions principales se traduit, lors d'un séisme, par des oscillations de torsion qui entraînent des dommages dans l'angle rentrant et aux extrémités des ailes
Fig. 5.4. Dommages sismiques occasionnés aux bâtiments comportant des ailes. -
29
fractionnement par ;oints parasismiques
a) Formes à un axe de symétrie
b) Formes non symétriques
Fig. 5.5. Formes défavorables -
Les formes non symétriques sont défavorables car leur résistance à la torsion selon un axe vertical est largement inférieure à celle des bâtiments de forme compacte et symétrique.
>- Ra pport longueur/largeur en plan
Pendant un séisme, le sol ne se déforme pas d'une façon uniforme d'un point à l'autre. En plus des mouvements d'ensemble, on observe des déplacements différentiels. Sur une grande distance, ces déplacements peuvent être notables et soumettre les ouvrages à des sollicitations supplémentaires qui favorisent l'apparition de dommages.
Il est donc souhaitable de ne pas dépasser un rapport de 1/3 entre la largeur et la longueur du bâtiment ou de fractionner le bâtiment par des joints parasismiques respectant ces proportions (fig. 5.2, 5.6).
Solution défavora ble Solution p ossible
a) Le sol ne se déforme pas d'une façon uniforme et génère des déplacements différentiels
b) Une solution consiste à fractionner le bâtiment en éléments dont la longueur ne dépasse pas trois fois sa largeur
Fig. 5.6. Les bâtiments de grande longueur. -
30
5.3. FORME EN ELEVATION
En élévation, la régularité des formes, la répartition homogène des masses et des rigidités sont tout aussi importantes qu'en plan.
> Symétrie et simplicité des formes en élévation
Les formes irrégulières en élévation donnent lieu à des oscillations différentielles. Les parties de bâtiment de volume ou de hauteur distincts vont osciller selon des fréquences différentes et les éléments qui les associent pourront être soumis à des efforts de sens contraire, qui sont souvent à l'origine de dommages graves (fig. 5.7).
En effet, les oscillations différentielles entraînent des concentrations de contraintes en pied des retraits (angles rentrants) d'autant plus grandes que le retrait est important.
L'inconvénient des retraits peut être réduit en optant pour une variation progressive des dimensions (fig. 5.8) ou par des joints parasismiques lorsqu'ils sont envisageables (fig. 5.9).
Fig. 5.7. - Dommages dus à la présence de niveaux en retrait. Les désordres sont particulièrement localisés dans l'angle rentrant de la zone du retrait où se sont concentrées les contraintes.
(séisme de Kobé, Japon, 17 janvier 1995).
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Fig. 5.8. - Bâtiments avec retraits progressifs. Une variation progressive de la largeur du bâtiment supprime l'inconvénient de l'angle rentrant, formé par le retrait de la structure, qui est le siège de concentrations de
contraintes.
Fig. 5.9. - Différentes possibilités de fractionner un immeuble de forme irrégulière à l'aide de joints parasismiques. Entre deux blocs de hauteurs importantes, la largeur du joint pourrait entraîner des sujétions
techniques complexes.
>- Hauteur de la construction et position du centre de gravité
La hauteur des constructions n'est pas en soi un facteur aggravant leur vulnérabilité aux séismes.
Le problème se pose en terme de résonance du bâtiment avec son sol d'assise. Lorsque le bâtiment et le sol vibrent à la même fréquence, les amplitudes d'oscillation augmentent rapidement et peuvent devenir fatales à la construction (fig. 5.10). Il s'agit de l'un des phénomènes sismiques les plus destructeurs, qui se produit lorsque les fréquences propres du bâtiment et du sol sont les mêmes ou très proches.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Fig. 5.10. - Dommages dus à la résonance du bâtiment avec le sol. Les bâtiments qui entrent en résonance avec le sol subissent généralement des dommages très importants car les charges sismiques peuvent être
multipliées par un facteur 3 ou plus (séisme du Mexique, 19 septembre 1985).
On appelle « fréquence propre » fondamentale, la fréquence des oscillations libres, non forcées. Celle-ci peut être observée après l'arrêt du séisme, jusqu'à l'amortissement complet du mouvement. On peut parler également en termes de « période propre T », qui est la durée d'un cycle d'oscillation en secondes, égale à la valeur inverse de la fréquence.
La période propre d'un bâtiment dans une direction donnée varie notamment en fonction de sa rigidité dans cette direction donc, entre autres, en fonction de sa hauteur et de sa dimension horizontale. Par conséquent, elle est souvent différente dans les deux directions principales.
Très approximativement, la période propre d'un bâtiment contreventé par des murs ou palées de stabilité triangulées est égale à H/20\iL, où L et H sont respectivement sa largeur dans la direction étudiée et sa hauteur en mètres. La période des constructions contreventées par des portiques (non bloqués par un remplissage) est de H/1 O\iL environ. Ainsi, un bâtiment en voiles de béton de 16x25 m et de 20 m de haut a une période propre approximative de 0,20 s dans la direction longitudinale (20/20\125) et de 0,25 s dans la direction transversale (20/20\116) Pour le dimensionnement des structures, on utilise un calcul plus précis.
La figure 5.12 montre l'importance de la nature du sol et de la période propre du bâtiment. Un bâtiment de 10 niveaux ayant une période de 1 s pourrait être soumis à des accélérations, donc à des charges sismiques, qui varient du simple au triple selon qu'il se situe sur un sol mou ou sur un sol rigide.
Lors du séisme du Mexique (19/09/1985), de nombreux bâtiments élevés, fondés sur les sols compressibles du centre de Mexico, sont entrés en résonance avec ces sols (fig. 5.10, 5.13). Ils ont été détruits alors que dans la même zone, un grand nombre de bâtiments n'a subi que des dommages modérés.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Ce cas est relativement rare car les tours sont souvent fondées sur des sols fermes et si elles sont conçues selon les règles parasismiques récentes, elles ne subissent que des dommages mineurs même lors des séismes de forte magnitude. Ainsi, la construction de nombreuses tours a été autorisée dans les zones sismiques (fig. 5.13).
Il est toujours souhaitable que le concepteur des projets en zone sismique cherche à éviter la résonance de son bâtiment avec le sol. En simplifiant, on peut dire que les bâtiments hauts et élancés ne devraient être édifiés que sur les sols fermes et que les constructions basses s'accommodent des sols mous.
Par ailleurs, si la période propre d'un bâtiment projeté est proche de celle du sol (celle ci peut être déterminée par des essais géotechniques in situ ou en laboratoire), il est possible de la modifier.
Ainsi, pour raccourcir la période propre d'un bâtiment, on peut :
O Rigidifier le bâtiment :
- augmenter la largeur ou le nombre des éléments de contreventement ; - opter pour un contreventement en voiles de béton ; - réduire l'élancement géométrique de la construction (rapport hauteur/largeur dans la
direction étudiée) ; - réduire la hauteur du bâtiment ; - évaser (élargir) la base de la construction.
8 Réduire la masse de la construction en optant pour une structure plus légère.
De même, les démarches visant à allonger la période propre consistent à:
O Réduire la rigidité du bâtiment :
- opter pour un système porteur «flexible » (ossature en portiques sans remplissages ou façades rigides, ... );
- augmenter la hauteur du bâtiment ; - augmenter l'élancement géométrique du bâtiment.
8 Recourir à l'isolation parasismique, cf. chapitre 11.
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Accélération
Accélération
Pér iode T{s)
Pér iode T(s)
b) Sol rigide
Fig. 5.11. - Variation des accélérations subies par les constructions en fonction de la nature de leur sol d'assise. Les bâtiments dont le période propre est de l'ordre de 1s subissent les plus fortes accélérations dans
le cas« a"· Dans le cas« b »,ils sont beaucoup moins sollicités.
35
"' 0,9 "
"C "
4 période propre en secondes
Fig. 5.12. -Amplification des accélérations par des sols mous à Mexico, séisme du Mexique, 19 septembre 1985. Les bâtiments possédant une période propre de 2 secondes ont été soumis à des
accélérations de 0,77 g sur des sols mous et de 0, 1 g seulement sur sols durs.
Fig. 5.13. Certaines tours, parmi les plus hautes du monde, se trouvent dans les zones les plus exposées aux -
séismes.
D'une manière générale, pour une hauteur donnée, il est intéressant de placer le centre de gravité le plus bas possible afin de réduire au maximum les contraintes sur les structures verticales. L'abaissement du centre de gravité pourra être obtenu par la forme architecturale du bâtiment, en élargissant sa base, par un choix judicieux de la structure et en situant dans les étages inférieurs les charges d'exploitation les plus importantes (fig.5.14a).
Les constructions en forme de pendule inversé (fig. 5.14b) sont particulièrement défavorables car elles donnent lieu à des moments de renversement importants et des contraintes élevées dans les éléments verticaux et les fondations.
36
! 1
a) Formes favorables
b) Formes défavorables
Fig. 5.14. Solutions favorables et solutions à éviter en zone sismique. Une position haute du centre de gravité donne lieu à-
des contraintes élevées dans la structure en raison d'un moment de renversement important.
> Niveaux transparents
Les observations après les séismes ont montré que la présence de niveaux transparents ne comportant pas de panneaux de contreventement est une cause très fréquente d'effondrement des bâtiments.
a) Transparence sans panneaux de contreventement
b) Mode de ruine
Fig. 5.15: Bâtiments avec transparences. Lorsque les niveaux transparents sont plus flexibles que les autres niveaux, les poteaux de ces niveaux subissent de grandes déformations qui peuvent
provoquer la ruine du bâtiment.
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Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
Fig. 5.16. - Ecrasement d'un niveau " souple ,, . La rupture des poteaux du niveau transparent a entraîné l'effondrement du bâtiment (séisme du Tokachi-Oki, Japon, 16 mai 1968).
Les déplacements imposés par les tremblements de terre sont concentrés dans le niveau transparent car il est plus flexible. Les poteaux subissent de grandes déformations latérales qui s'avèrent souvent « fatales ,, lors des séismes d'une certaine importance (fig. 5.15). Leur rupture peut entraîner l'écrasement du niveau (fig. 5.16).
Ce problème se présente fréquemment dans les immeubles qui comportent des commerces ou des parkings en rez-de-chaussée et qui nécessitent de larges ouvertures pour leurs besoins d'exploitation ou de fonctionnement. La solution consiste à conférer à ces niveaux ouverts une rigidité comparable à celle des autres niveaux (fig. 5.17) :
- au moyen d'un contreventement en façade ; - par des murs ou palées de stabilité métalliques en retrait de la façade, formant
éventuellement un ou plusieurs noyaux rigides ; - par une variation progressive de la rigidité du niveau transparent ; - en réduisant la rigidité des autres niveaux (p. ex. en généralisant un système en
portiques avec des façades et cloisons non rigides).
Dans tous les cas, il est nécessaire de veiller à une répartition symétrique des éléments latéralement rigides pour éviter d'exposer le bâtiment à une torsion d'ensemble (cf.§ 7.4.4).
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5.3. FORME EN ELEVATION
En élévation, la régularité des formes, la répartition homogène des masses et des rigidités sont tout aussi importantes qu'en plan.
>- Symétrie et simplicité des formes en élévation
Les formes irrégulières en élévation donnent lieu à des oscillations différentielles. Les parties de bâtiment de volume ou de hauteur distincts vont osciller selon des fréquences différentes et les éléments qui les associent pourront être soumis à des efforts de sens contraire, qui sont souvent à l'origine de dommages graves (fig. 5.7).
En effet, les oscillations différentielles entraînent des concentrations de contraintes en pied des retraits (angles rentrants) d'autant plus grandes que le retrait est important.
L'inconvénient des retraits peut être réduit en optant pour une variation progressive des dimensions (fig. 5.8) ou par des joints parasismiques lorsqu'ils sont envisageables (fig. 5.9).
Fig. 5.7. - Dommages dus à la présence de niveaux en retrait. Les désordres sont particulièrement localisés dans l'angle rentrant de la zone du retrait où se sont concentrées les contraintes.
(séisme de Kobé, Japon, 17 janvier 1995).
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Fig. 5.8. - Bâtiments avec retraits progressifs. Une variation progressive de la largeur du bâtiment supprime l'inconvénient de l'angle rentrant, formé par le retrait de la structure, qui est le siège de concentrations de
contraintes.
Fig. 5.9. - Différentes possibilités de fractionner un immeuble de forme irrégulière à l'aide de joints parasismiques. Entre deux blocs de hauteurs importantes, la largeur du joint pourrait entraîner des sujétions
techniques complexes.
> Hauteur de la construction et position du centre de gravité
La hauteur des constructions n'est pas en soi un facteur aggravant leur vulnérabilité aux séismes.
Le problème se pose en terme de résonance du bâtiment avec son sol d'assise. Lorsque le bâtiment et le sol vibrent à la même fréquence, les amplitudes d'oscillation augmentent rapidement et peuvent devenir fatales à la construction (fig. 5.10). Il s'agit de l'un des phénomènes sismiques les plus destructeurs, qui se produit lorsque les fréquences propres du bâtiment et du sol sont les mêmes ou très proches.
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Fig. 5.1 O. Dommages dus à la résonance du bâtiment avec le sol. Les bâtiments qui entrent en résonance -
avec le sol subissent généralement des dommages très importants car les charges sismiques peuvent être multipliées par un facteur 3 ou plus (séisme du Mexique, 19 septembre 1985).
On appelle « fréquence propre » fondamentale, la fréquence des oscillations libres, non forcées. Celle-ci peut être observée après l'arrêt du séisme, jusqu'à l'amortissement complet du mouvement. On peut parler également en termes de « période propre T », qui est la durée d'un cycle d'oscillation en secondes, égale à la valeur inverse de la fréquence.
La période propre d'un bâtiment dans une direction donnée varie notamment en fonction de sa rigidité dans cette direction donc, entre autres, en fonction de sa hauteur et de sa dimension horizontale. Par conséquent, elle est souvent différente dans les deux directions principales.
Très approximativement, la période propre d'un bâtiment contreventé par des murs ou palées de stabilité triangulées est égale à H/20-VL, où L et H sont respectivement sa largeur dans la direction étudiée et sa hauteur en mètres. La période des constructions contreventées par des portiques (non bloqués par un remplissage) est de H/10-VL environ. Ainsi, un bâtiment en voiles de béton de 16x25 m et de 20 m de haut a une période propre approximative de 0,20 s dans la direction longitudinale (20/20vl25) et de 0,25 s dans la direction transversale (20/20vl16) Pour le dimensionnement des structures, on utilise un calcul plus précis.
La figure 5.12 montre l'importance de la nature du sol et de la période propre du bâtiment. Un bâtiment de 10 niveaux ayant une période de 1 s pourrait être soumis à des accélérations, donc à des charges sismiques, qui varient du simple au triple selon qu'il se situe sur un sol mou ou sur un sol rigide.
Lors du séisme du Mexique (19/09/1985), de nombreux bâtiments élevés, fondés sur les sols compressibles du centre de Mexico, sont entrés en résonance avec ces sols (fig. 5.10, 5.13). Ils ont été détruits alors que dans la même zone, un grand nombre de bâtiments n'a subi que des dommages modérés.
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Ce cas est relativement rare car les tours sont souvent fondées sur des sols fermes et si elles sont conçues selon les règles parasismiques récentes, elles ne subissent que des dommages mineurs même lors des séismes de forte magnitude. Ainsi, la construction de nombreuses tours a été autorisée dans les zones sismiques (fig. 5.13).
Il est toujours souhaitable que le concepteur des projets en zone sismique cherche à éviter la résonance de son bâtiment avec le sol. En simplifiant, on peut dire que les bâtiments hauts et élancés ne devraient être édifiés que sur les sols fermes et que les constructions basses s'accommodent des sols mous.
Par ailleurs, si la période propre d'un bâtiment projeté est proche de celle du sol (celle ci peut être déterminée par des essais géotechniques in situ ou en laboratoire), il est possible de la modifier.
Ainsi, pour raccourcir la période propre d'un bâtiment, on peut :
O Rigidifier le bâtiment :
- augmenter la largeur ou le nombre des éléments de contreventement ; - opter pour un contreventement en voiles de béton ; - réduire l'élancement géométrique de la construction (rapport hauteur/largeur dans la
direction étudiée) ; - réduire la hauteur du bâtiment ; - évaser (élargir) la base de la construction.
8 Réduire la masse de la construction en optant pour une structure plus légère.
De même, les démarches visant à allonger la période propre consistent à:
O Réduire la rigidité du bâtiment :
- opter pour un système porteur «flexible » (ossature en portiques sans remplissages ou façades rigides, ... );
- augmenter la hauteur du bâtiment ; - augmenter l'élancement géométrique du bâtiment.
8 Recourir à l'isolation parasismique, cf. chapitre 11.
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Accélération
Période
T(s)
3
a) Sol mou
b) Sol rigide
Fig. 5.11. - Variation des accélérations subies par les constructions en fonction de la nature de leur sol d'assise. Les bâtiments dont le période propre est de l'ordre de 1 s subissent les plus fortes accélérations dans
le cas« a». Dans le cas" b »,ils sont beaucoup moins sollicités.
Accélération
"' .. "O
... 'ii t:: ..
4 période propre en secondes
Fig. 5.12. -Amplification des accélérations par des sols mous à Mexico, séisme du Mexique, 19 septembre 1985. Les bâtiments possédant une période propre de 2 secondes ont été soumis à des
accélérations de 0, 77 g sur des sols mous et de 0, 1 g seulement sur sols durs.
Fig. 5.13. -Certaines tours, parmi les plus hautes du monde, se trouvent dans les zones les plus exposées aux séismes.
D'une manière générale, pour une hauteur donnée, il est intéressant de placer le centre de gravité le plus bas possible afin de réduire au maximum les contraintes sur les structures verticales. L'abaissement du centre de gravité pourra être obtenu par la forme architecturale du bâtiment, en élargissant sa base, par un choix judicieux de la structure et en situant dans les étages inférieurs les charges d'exploitation les plus importantes (fig.5.14a).
Les constructions en forme de pendule inversé (fig. 5.14b) sont particulièrement défavorables car elles donnent lieu à des moments de renversement importants et des contraintes élevées dans les éléments verticaux et les fondations.
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a) F ormes favorables
G centre de gravité
b) Formes défavorables
Fig. 5.14. Solutions favorables et solutions à éviter en zone sismique. Une position haute du centre de gravité donne lieu à-
des contraintes élevées dans la structure en raison d'un moment de renversement important.
> Niveaux transparents
Les observations après les séismes ont montré que la présence de niveaux transparents ne comportant pas de panneaux de contreventement est une cause très fréquente d'effondrement des bâtiments.
a) Transparence sans panneaux de cont