Les principes de la construction parasismique

Nous associons toujours la construction parasismique aux régions méditerranéennes et celles sujettes aux tremblements de terre. Pourtant, la pratique est également pertinente dans certaines régions de Belgique. Étant donné la prise de conscience toujours plus forte et les normes actuelles, la construction parasismique va gagner en importance. Les premiers principes de construction parasismique sont expliqués clairement dans le présent article par Dror Zeiger. Il a notamment effectué les calculs pour le bâtiment d’AGC à Louvain-la-Neuve. Zeiger a acquis de l’expérience dans la construction parasismique en Israël. La zone la moins sensible correspond en matière de normalisation avec la région la plus critique chez nous, entre Liège et Charleroi.

 

La construction parasismique est-elle nécessaire en Belgique ?

Lorsque l’on parle de séismes dans le contexte belge, il convient de remettre les choses en perspective. En comparaison du reste de l’Europe et du monde, la Belgique est un pays à faible risque. Notre pays est divisé en 4 zones sismiques. Seules quelques régions se trouvent en zone sismique 4, une zone dans laquelle les forces sismiques ne sont plus négligeables pour certains bâtiments et où les règles spécifiques de l’Eurocode 8 doivent être respectées.

Dans la zone sismique 2, la conception peut toujours être basée sur l’Eurocode  2, éventuellement complété par quelques règles simples relatives aux séismes. Avec l’arrivée de l’Eurocode 8, la conscience autour de la construction parasismique s’est développée et ce mode de construction est appliqué de plus en plus. Il est notamment important pour les constructions dangereuses et essentielles, des bâtiments qui à des moments cruciaux peuvent jouer un très grand rôle. On pense aux installations nucléaires, aux hôtels de police et aux casernes de pompiers ainsi qu’aux hôpitaux. Le niveau de sismicité ne dépend donc pas seulement de la localisation, mais aussi de l’importance du bâtiment. La construction parasismique ne doit d’ailleurs pas forcément être plus. 

 

Quelles sont les forces exercées sur un bâtiment pendant un séisme ?

Pour déterminer les dimensions nécessaires des éléments structurels, on calcule les forces qui sont générées par le vent ainsi que par un séisme potentiel. Un séisme est une situation accidentelle dans laquelle des coefficients de sécurité différents de la poussée du vent s’appliquent. Soit une seule soit les deux situations peuvent être déterminantes lors du calcul du bâtiment. Un exemple : l’hôtel de police de Charleroi bénéficie d’une construction parasismique, comme le bâtiment d’AGC à Louvain-la-Neuve (cf. p35). Lors de la conception de l’hôtel de police, un séisme potentiel a été plus déterminant que pour le bâtiment d’AGC. L’hôtel de police est plus haut, mais sa forme s’avère très efficace contre le vent : la tour rétrécit à mesure qu’elle s’élève et est donc moins soumise à la poussée du vent. De ce fait, l’impact sismique est plus fort et donc plus déterminant pour le bâtiment. Il en va tout autrement par exemple pour un bâtiment en forme d’ellipse (arbitraire). Longitudinalement, la poussée du vent peut être déterminante, tandis que dans le plan étroit, la charge sismique est déterminante.

 

Comment un bâtiment réagit-il aux forces sismiques ?

La capacité d’un bâtiment à résister à un séisme dépend de la puissance de « dissipation », à savoir la capacité de répartir et absorber l’énergie. On peut idéalement illustrer ce principe au moyen de la suspension d’une voiture. Une voiture est équipée d’une suspension, mais aussi d’amortisseurs. Lorsque la voiture est poussée vers le bas – par exemple en roulant sur un accotement – l’amortissement ne sera compensé qu’une seule fois. Elle ne va pas continuer de rebondir, grâce aux amortisseurs. Ceux-ci veillent à ce que l’énergie soit libérée et transformée en chaleur.
Le principe de dissipation intervient aussi dans un bâtiment pendant un séisme. Supposons un immeuble de trois niveaux. Le noyau rigide assure la rigidité horizontale du bâtiment. La masse du bâtiment est concentrée dans les planchers. Lors d’un séisme, le noyau et les planchers vont se mettre à trembler. À présent, la capacité de dissipation dépend de plusieurs facteurs. Lorsque des forces sont libérées sur une structure « nue », par exemple la Tour Eiffel, celle-ci va se mettre à vibrer et cela va durer un certain temps, jusqu’à ce que les forces aient été exercées.

Une autre structure en acier, aménagée quant à elle, un immeuble doté de murs intérieurs, par exemple, vibrera moins longtemps. Les murs intérieurs font notamment office d’amortisseurs. Ils vont absorber l’énergie par le frottement, de sorte que la vibration cessera plus rapidement.
Un immeuble en béton quant à lui dispose d’une capacité de dissipation supérieure à un bâtiment en acier. D’autre part, la masse supérieure du béton engendrera des forces latérales plus importantes. Les forces agissant sur un bâtiment pendant un séisme sont, indépendamment de l’accélération du sol, en rapport avec la masse et la rigidité du bâtiment. Plus le bâtiment est rigide, plus les forces exercées dessus sont grandes. Il est ainsi possible de jouer avec le principe de dissipation.

 

Comment opère la dissipation pour les constructions en béton ?

Le béton possède une grande capacité de dissipation grâce aux fissures engendrées durant les chocs. Une poutre en béton soumise à une force par exemple présentera un certain fléchissement. Lorsque la charge est retirée, la poutre reprend sa forme d’origine. Si l’on continue d’augmenter la charge, le béton va à un moment donné se fissurer. Les contraintes de traction sont alors prises en charge par l’acier dans la poutre. Ce n’est que lorsque la résistance maximale à la traction de l’acier est atteinte que la poutre s’affaissera.
Autrement dit, un immeuble en béton peut subir des déformations considérables durant un séisme. Le béton se fissurera de sorte que l’énergie du séisme sera absorbée par le bâtiment. Grâce à cette dissipation, un immeuble en béton ne s’effondrera pratiquement jamais. Même après un séisme, on voit ainsi des immeubles en béton présentant des déformations très importantes qui devront être démolis, certes, mais qui pendant le séisme auront offert une résistante suffisante à la protection des occupants.
Un point important est que les nœuds constructifs doivent être suffisamment robustes, de manière à absorber suffisamment d’énergie.

 

Comment calcule-t-on un bâtiment parasimsique ?

Contrairement au vent, un séisme n’est pas une force constante, mais une masse qui se met à vibrer. De ce fait, on devrait pouvoir effectuer un calcul dynamique, qui est nettement plus complexe qu’un calcul statique. L’Eurocode 8 fournit toutefois une solution permettant d’opérer simplement. L’Eurocode fournit une méthode pour exprimer un séisme sous forme de force horizontale. Le spectre de réponse peut être calculé sur la base du coefficient de comportement. Pour la Belgique, cette solution suffit. Au Japon par contre, il faudra toutefois pour les bâtiments importants effectuer une simulation et donc exécuter un véritable calcul dynamique.
Pour une colonne en acier, l’installation d’un petit profil en I peut suffire. En béton, une colonne beaucoup plus massive sera nécessaire dans les mêmes circonstances, parce qu’une structure en béton est plus rigide et plus lourde. D’une part, cela influe négativement durant les séismes, d’autre part une
structure en béton durant un séisme va se fissurer, de sorte que l’énergie sera absorbée et dissipée. Les fissures qui surviennent seront beaucoup plus grandes qu’en cas de contraintes normales.
Un aspect important des constructions en béton parasismique est le chevauchement de l’armature dans les éléments de stabilisation. Les noyaux rigides d’un bâtiment assureront la stabilité horizontale avec les planchers des différents niveaux. Dans les noyaux rigides par exemple, les tiges d’armature se chevaucheront d’un étage à l’autre. Le chevauchement de ces tiges d’armature doit être suffisant pour transmettre les grandes forces, même en état de fissuration complète, llorsque les tiges doivent opérer en dehors de leur domaine élastique.
Cela ne vaut pas pour les colonnes. Elles ne contribuent notamment pas à la stabilité horizontale. Il est important ici que les tiges d’armatures ne puissent pas se gauchir, de sorte que les colonnes ne puissent pas s’affaisser latéralement. Elles doivent notamment continuer de garantir la stabilité verticale (KDA, BHE).
 

Source: FEBE
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