Ce Qu'Il Faut Savoir Sur Le Parasismique

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Réalisé par Achraf Nabil HYAD

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Sommaire 01 02 04

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Le parasisimique, c'est quoi ? Le seisme dans l'hisitoire le principe de la protection sismique 05 geometrie simple 06 sol d'assise 07 le contreventement la rehabilitation en zone sismique l'analyse modale spectrale des batiments 11 les effets du second ordre 11 la dissipation de l'energie sismique

Le parasisimique, c'est quoi ?

S

i vous vous êtes déjà demandé à quoi vont servir les longues séances de géologie, toutes ces histoires de plaques et de leur tectonique, les efforts qui règnent au fond de la terre et tout ce long discours sur les séismes, le temps est venu pour exploiter votre bagage dans la matière. Certes, le séisme est un phénomène naturel difficile à prévoir est ainsi inévitable. Cependant, ces effets induits sur la structure ou le bâtiment peuvent être prévus et par la suite contrôler en analysant son comportement dynamique. Le parasismique est le génie qui étudie la réponse dynamique des bâtiments face aux actions sismiques qui lui seront appliquées «probablement». Les règles parasismiques ont pour finalité l’assurance de la protection de la vie des personnes exerçant une activité au sein de la structure en question. La persistance du bâtiment à assurer ses fonctionnalités après un tremblement de terre vient en deuxième place en fonction de son importance et de la

population qui l’occupe. Ainsi le dimensionnement des structures sous les règles parasismiques ne vise point les éterniser, c’est plutôt préserver les biens humains et matériels qui prime, une étendue de la protection recherchée est alors déterminée pour chaque bâtiment construit.

Modèle numérique d’un bâtiment

Le séisme aussi imprévisible qu’il soit ce n’est pas lui qui tue les gens. Ce sont plutôt les constructions qui s’écroulent et qui en ainsi les responsables. C’est ainsi le travail de l’ingénieur d’assurer leur stabilité et leur maintien face aux secousses sismiques. Les règles parasismiques stipulent des directives techniques et des dispositions constructives qui rendent les habitations plus résistantes.

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Le seisme dans l'histoire !

B

rusques et soudains, les victimes et les effets désastreux que causent les séismes peuvent compter par milliers. Ils étaient ainsi toujours des points noirs pour l’homme qui croyait à la fixité de la terre. Même si aujourd’hui la théorie de propagation des ondes explique les principes physiques responsables de ces sinistres, leurs intensités frappent encore l’imagination de l’homme : les catastrophes les plus contemporaines telles que le séisme de Mexico (Mexique, 1985), Kobe (Japon, 1995), Haiti (2010) et beaucoup d’autres séismes ont dévoilé la précarité des environnements urbains.

parasismiques. Le séisme de Lisbonne en 1755 qui a été autrefois considéré comme punition infligée du ciel, attisait la curiosité de Rousseau sur ce phénomène naturel. Bien qu’il en ignore les causes, il pointait de doigt l’urbanisme désordonné de Lisbonne et lui accuse d’être un facteur amplificateur de l’amplitude du désastre. Kant réussît à proposer une première explication de l’origine des tremblements de terre, la sismologie a ainsi vu le jour.

Jean Jacques Rousseau

Séisme de Lisbonne en 1755

Le besoin d’une construction qui tient face aux actions sismiques était bien la mère de l’invention des règles

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Emmanuel Kant

En s’inspirant des remarques des deux philosophes, les règles parasismiques viennent pour adapter les constructions à l’environnement dans lequel elles seront implantées. D’autre part, le développement

technologique des moyens de mesure a permis de connaitre la puissance et la localisation d’où se déclenchent les séismes si bien qu’on peut estimer leurs impacts sur les agglomérations. La réglementation parasismique peut dès lors ajuster plus nos modes d’urbanisation au contexte sismique. Seuls les instructions et les circulaires BA qui laissent les séismes de côté ont été appliqués jusqu’au début des années 70 qui témoignent la législation du des règlements PS 69 qui définissent les conditions auxquelles doivent satisfaire toute construction implantées dans le territoire français. Ces règles ne seront applicables que dix ans plus tard. Les séismes qui ont jaillit après ont permis de relever les points faibles dans les règlements en vigueur et des modifications ont été ainsi faites pour rendre les structures

encore plus solides. L’Eurocode 8 est la consigne la plus récente qui énonce les règles de construction en zone sismique européenne. Au Maroc, plusieurs règlements français étaient en usage en fonction de la sismicité constatée dans une région donnée. Des zones de sismicité élevée comme Agadir utilisaient des règlements plus majoritaires inspirées des CCBA 68 et PS 69. Néanmoins, le sinistre d’Al Hoceïma a remis en question la crédibilité de ces règles et imposait ainsi le décret d’un règlement mieux adapté au contexte sismique marocain. Le RPS 2000 a été édicté par le centre national du génie parasismique pour renforcer la tenue des édifices face aux séismes. Il sera par la suite actualisé en RPS 2011 pour corriger les défauts et les points de faiblesse constatés dans l’ancienne version.

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Le principe de la protection parasismique La protection parasismique conférée par l’application des règlements est une protection de caractère probabiliste et statistique. La RPS a émergé suite aux grandes catastrophes humaines qui ont amené les chercheurs à réfléchir à l’évaluation de l’aléa sismique. De la même façon qu’on parle d’une crue décennale ou centennale, le risque sismique est estimé sur une période de retour, un peu plus étonnante : 475 ans (pas de chiffres ronds !), c’est-à-dire que un seul séisme ayant les propriétés nominales peut surgir sur une durée de quatre cents soixantequinze années. Cette valeur correspond à une probabilité de 10% d’apparition du séisme réglementaire sur 50 ans, la durée de vie moyenne d’un ouvrage. Sortez votre cours de probabilité, parce que vous en aurez besoin : les séismes étant des événements indépendants les uns par rapport aux autres, la loi de Poisson (P = 1-e-t/T) est la mieux placée pour prévoir l’avènement d’une prochaine onde. Ensuite intervient la géologie qui fournit un Zonage : un découpage tectonique d’un

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pays en question pour classer les différentes régions en fonction de leur sismicité, et donne les données nécessaires pour calculer l’effort de l’action sismique sur les constructions.

Carte de sismicité du Maroc

Les dispositions techniques fixées par les règles parasismiques n’envisagent pas une prévention complète de tout désordre, même dans le cas où les secousses sont d’intensité modérée. Les constructions sont dimensionnées pour résister à un séisme d’intensité nominale au-delà de laquelle on admet l’effondrement

total. Le coût de la protection parasismique augmente au même temps que l’intensité du séisme dont on entend protéger. Par ailleurs, le taux d’occurrence des séismes est plus petit lorsque leurs intensités sont plus importantes (les efforts piégés entre les plaques tectoniques s’accumulent puis se libèrent). Dans ce sens le niveau de protection envisagé dépend des conditions socio-économiques de la structure. Les bâtiments sont ainsi classés selon leur importance vis-à-vis de leur population et de leur usage. Les problèmes de la protection contre les séismes sont susceptibles de solutions d’autant plus élégantes sur le plan techniques, et d’autant moins onéreuses sur le plan économiques s’elles sont abordées plus tôt dans le courant des études. La réalisation d’un ouvrage parasismique doit alors être l’aboutissement d’un travail de réflexion dès la phase de conception du plan de masse : un travail qui requiert le concours non seulement de l’ingénieur ou de l’architecte mais aussi celui du Maitre de l’ouvrage. Dans ce sens, les règles parasismiques proposent plusieurs recommandations en vue de l’élaboration des avant-projets :

Geometrie simple : L’architecture de l’habitation est d’aussi importante que son ossature. Si celle si présente des irrégularités géométriques, le comportement du bâtiment face aux actions sismiques est difficile à prévoir et nécessite des moyens de modélisations plus sophistiqués.

Architecture simple

Architecture complexe

Les ouvrages doivent être aussi simples et réguliers que possible. Pour ainsi, il convient de donner aux ouvrages une forme symétriques qui permet d’avoir une meilleure répartition des éléments de rigidité. Etant une force d’inertie, la force sismique s’applique au centre de gravité du bâtiment. Elle engendre ainsi un

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bras de levier qui est la distance entre les centres de gravité et de torsion. Cette distance est d’autant plus grande si le bâtiment présente une dissymétrie plus apparente. Dans le cas d’une architecture complexe, une solution classique est de diviser le bâtiment en plusieurs sous bâtiments de forme régulière en utilisant des joints d’épaisseur réglementaire. La répartition verticale des masses est aussi importante, de façon à garder le centre de gravité de la structure plus proche de sa base. Les règles parasismiques, notamment le RPS spécifie les conditions de régularité de Forme en plan et en élévation d’une construction pour qu’on puisse la traiter comme une structure régulière.

Exemple de dommage dû à l’irrégularité en élévation

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Sol d'assise : Souvent négligé dans les règlements parasismiques, le sol de fondation est déterminant du sort d’un bâtiment face à une secousse sismique. Ignorer l’aspect géotechnique du projet lors de calculs a été l’origine de plusieurs catastrophes telles que le séisme de Mexico en 1985 : une majorité des bâtiments détruits a été implantée dans des sols mous d’une cinquantaine de mètres de profondeur. Généralement l’expérience montre que les édifices qui reposent sur des sols mous souffrent beaucoup plus que ceux dont la fondation est établie dans un rocher. Pour toute fin utile, un petit rappel du cours de mécanique… Un pendule pesant se caractérise par sa période propre à laquelle il oscille lorsqu’il n’est soumis à aucun effort dissipatif. En fonction de la fréquence de l’excitation appliquée, le comportement du pendule diffère, mais lorsque les deux fréquences s’égalisent le phénomène de résonance se produit et le pendule peut osciller à jamais. Ceci nous conduit à dénoncer la fausse idée suivante : d’autant plus que le bâtiment est haut, il est plus susceptible de s’effondre. Une construction est

l’équivalent d’un pendule pesant encastré dans le sol, la source des excitations. Les secousses sont de plus en plus graves lorsque les deux périodes tendent à s’égaliser. Maintenant si vous fixez une baguette dans une roche et que vous la tirer d’un côté, vous allez vous apercevoir que la période d’oscillations est très petite, et la baguette se stabilise bientôt. La période est d’autant plus grande que la roche est plus molle. Ainsi, L’impact du séisme sur une structure est plus grave lorsque la fréquence transmise par le sol est proche de la fréquence propre de celle-ci. Le RPS donne une formule empirique de la période propre : T = 0.09H/L0.5. Ayant des hauteurs modérées, les habitations ordinaires implantées dans des zones de sols mous sont les plus sollicitées en cas de séismes.

Le contreventement : Le contreventement est l’aspect le plus important de la protection parasismique. C’est le système statique qui permet aux structures de tenir sous l’action d’un effort horizontale. C’est la rigidité des éléments porteurs qui est mise en œuvre lorsqu’un tremblement de terre ait lieu. Autre la descente de charge habituelle, les éléments BA supportent alors des charges accidentelles supplémentaires : les poteaux, voiles et les poutres sont ainsi calculés en flexion composée au lieu de la compression et la flexion simple. Les éléments porteurs résistent à l’action sismique en fonction de leur rigidité dans la direction de propagation de l’onde sismique. S’il est possible de prévoir l’intensité du prochain séisme, sa direction reste inconnue, ainsi la structure doit être rigidifiée dans tous les sens face aux efforts multidirectionnels potentiels. Par conséquent, les éléments rigides doivent être répartie correctement dans la surface du bâtiment et respecter les dispositions sismiques que exigent les règlements en vigueur. Le RPS énonce plusieurs systèmes qui peuvent être utilisés pour assurer le contreventement d’une

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structure. Le choix du système approprié découle de l’aspect architectural du bâtiment mais aussi de la nature de sol sur lequel il repose. Les contreventements par ossature ou par portique ont pour principal avantage leur souplesse, qui les rend moins sensibles aux sollicitations d’origine. Néanmoins, une telle solution ne serait pas envisageable dans le cas d’une dense agglomération ou la déformabilité d’un bâtiment peut causer l’effondrement de tout un quartier comme des pioches de domino. Les murs de remplissage seront aussi affectés si les déformations dépassent les limites imposées. Le contreventement par voile est, en raison de sa raideur, soumis à des efforts sismiques plus importants que ceux que subissent les ossatures et leur rigidité protège efficacement les remplissages. La bonne conception des structures suppose la réalisation d’un ensemble formé par des planchers et des voiles ou des portiques en béton armé, disposés dans les deux directions du plan et constituant un réseau tridimensionnel capable de reprendre l’action sismique vers sa source : le sol. Une hypothèse simplificatrice exige le fonctionnement en

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diaphragme des planchers : les dalles sont indéformables et l’étage n’a ainsi que deux degrés de liberté. Selon la fonctionnalité de la construction, les éléments de rigidité sont répartis dans la surface de bâtiments en cohérence avec l’architecture du bâtiment.

Structure mixte

Structure à noyau central

Structure en voile

La rehabilitation en zone sismique des batiments existants : Avec l’introduction des nouvelles normes sismiques, la sollicitation sismique a été nettement évaluée ce qui fait qu’on s’est posé la question pour les bâtiments existants qui ne remplissaient pas forcement les nouvelles prescriptions sismiques. Il faut dire aussi que le développement des normes étaient totalement négligées dans les anciens normes de constructions, ce qui fait qu’on se trouve parfois avec un parc immobilier qui ne remplit pas les prescriptions sismiques et on se posait la question jusqu’à quel degrés de protection peut-on descendre sans que le bâtiment soit dangereux pour les occupants qui s’y trouvent sachant qu’on ne pourrait pas satisfaire ces règles à 100%.

Une évaluation basée sur le risque est ainsi faite : cette évaluation est nettement plus complexe pour les bâtiments existant que la construction sismique d’un bâtiment neuf grâce à la grande liberté dont on dispose pour mettre les éléments qui permettent d’assurer la stabilité sismique. Pour les bâtiments existants, c’est totalement diffèrent puisqu’on a pas de choix sur les éléments de stabilisation qui sont souvent difficiles à trouver voire même absents, et dans ce cas-là il faut aller gratter au maximum toutes les réserves que le bâtiments peut avoir pour résister aux actions horizontales. Parfois la démolition du bâtiment s’avère plus économique et efficace.

Réhabilitation parasismique d’un hopital

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L'analyse modale spectrale des batiments Un bâtiment étagé est équivalent à un oscillateur dont le mouvement vibratoire est la superposition des mouvements découplés des modes propres du bâtiment se comportant comme des oscillateurs simples indépendants. L’analyse modale spectrale consiste à étudier le comportement dynamique du bâtiment pour chaque mode puis faire une combinaison qui pourrait simuler le mouvement de l’ensemble du bâtiment lors d’un séisme. Cette approche nous permet de déterminer les déplacements et les contraintes au niveau de chaque étage sous l’effet des composantes horizontales et verticales de l’action sismique. La majorité des règlements sismiques exigent de tenir en compte les modes qui permettent de mobiliser au moins 90% de la masse cumulée de la construction, une valeur estimée suffisante pour prédire l’impact du séisme.

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Déplacement lors de la première oscillation

Déplacement lors de la deuxième oscillation

Les effets du second ordre : Sous l’effet des actions horizontales, des excentricités accidentelles peuvent avoir naissance et engendre par conséquence, si l’effort normal est important, des moments important au niveau de la base. En plus, si ce dernier présente un caractère élastique, des déformations excessives peuvent avoir lieu. Il est conseillé voire même obligatoire de tenir compte de ces effets supplémentaires lors des calculs sismiques. Un exemple de solution adoptée au Japon pour atténuer ces effets est la construction des piscines sur la terrasse des bâtiments. Puisqu’elle est en surface libre, l’eau est capable de contrebalancer ces effets par son inertie qui tend à stabiliser le bâtiment.

La Dissipation de l'energie sismique : Un moyen d’atténuation de l’impact des secousses sismiques est l’utilisation de la capacité des matériaux de construction à emmagasiner l’énergie sismique. Le palier de ductilité est désormais un critère pour choisir des matériaux qui permettent au bâtiment, sans que l’état limite soit atteint, de se déformer dans un domaine plastique. Les règlements parasismiques y compris le RPS prennent en considération le niveau de ductilité souhaité pour déterminer le système de contreventement le plus approprié. L’analyse du comportement des matériaux en cas de séisme permet de prévoir un schéma de rupture de bâtiment. Les éléments verticaux doivent être les derniers à s’effondre lors d’un séisme pour assurer au moins un triangle de vie. Ainsi on prévoit la naissance de rotules dites élastiques dans les poutres avant les poteaux.

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Remerciement Je tiens tout d’abord à exprimer mes chaleureux remerciements à tous ceux qui ont participé de près ou de loin au bon déroulement de mon stage d’ingénieur.

Ce modeste livret n’aurait pas pu exister sans les conseils et les recommandations de Mr. Thierno Aliou BAH, qui n’a pas cessé de nous fournir toute la documentation nécessaire pour mener à bien le travail. Les consignes des Mr. Abdeljalil JID et Mr. Amri Mohammed nous ont été de grande utilité pour appréhender les notions fondamentales de la construction parasismique. Achraf Nabil HYAD