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.
5
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).
7
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.
8
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.
9
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.
10
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.
12
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.
14
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.
15
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.
16
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.
17
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.
18
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).
20
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.).
21
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).
22
• 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.
23
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 » ).
24
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.
25
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.
26
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.
27
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).
31
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.
32
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.
33
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.
34
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.
37
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).
38
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).
31
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.
32
Guide AFPS "Conception PS des bâtiments"
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.
33
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
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