Génie parasismique

Taipei 101, équipé d'un tuned mass damper, est le deuxième plus grand gratte-ciel du monde après Burj Khalifa.

La construction parasismique regroupe l'étude du comportement des bâtiments et structures sujets à un chargement dynamique du type sismique et la réalisation de bâtiments et infrastructures résistant aux tremblements de terre.

Les objectifs principaux de la construction parasismique sont de :

• comprendre l'interaction entre les bâtiments ou autres infrastructures de génie civil et le sol ;
• prévoir les conséquences potentielles des tremblements de terre ;
• concevoir et construire des structures résistantes aux tremblements de terre, conformément aux normes de construction locales.

Une structure ne doit pas nécessairement être extrêmement résistante et dispendieuse. La méthode de construction parasismique la plus efficace et la plus économique est l'isolement bas^[1].

Histoire

Des modes de construction parasismique, plus ou moins intuitifs ou issus des leçons tirées des tremblements de terre du passé existent depuis au moins 2000 ans. Ils ont permis à de nombreuses églises, temples, mosquées, pagodes et de nombreux châteaux de résister à des tremblements de terre parfois importants. C'est par exemple le cas des cités incas, dont en particulier Machu Picchu, dont les appareillages de pierre sont de remarquables exemples d'architecture parasismique. De même de l'autre côté du monde, le Palais Impérial de Tokyo et ses proches murailles qui l'entourent, composées de blocs massifs de pierre, a mieux résisté à de fortes secousses que bien des bâtiments modernes, grâce à des techniques assez proches de celles utilisées par les Incas^[2].

Normes de construction parasismique

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Essai d'un modèle classique de bâtiment (gauche) et d'un modèle à isolement bas (droite)^[3].

Les normes de construction parasismique sont un ensemble de règles de conception et de construction à appliquer aux bâtiments pour qu'ils résistent le mieux possible à un séisme.

L'effondrement d'un immeuble sur des sédiments lâches à cause du séisme de 2010 au Chili.

La nature du site est importante : la présence de sédiments lâches peut amplifier localement les ondes sismiques.

Mode de calcul de la propagation des ondes sismiques

Le Palais national sévèrement endommagé après le séisme du 12 janvier 2010 à Port-au-Prince, Haïti. Il s'agit d'un bâtiment à deux étages, le deuxième étage s'est effondré.

Avant les années 1960, les structures étaient parfois calculées simplement en ajoutant un effort horizontal statique. Cela ignorait totalement les phénomènes de résonance liés au contenu fréquentiel des mouvements du sol et aux modes propres de vibration des structures.

Classiquement, les bâtiments sont considérés comme des oscillateurs multiples : plusieurs masses reliées entre elles et au sol par des ressorts et des amortisseurs, modélisés par des barres ou par éléments finis.

Dans l'espace, un nœud possède six degrés de liberté ; certaines modélisations réduisent ce nombre^[4].

En restant dans le domaine élastique et linéaire, la relation entre le vecteur des forces et celui des déplacements fait intervenir une matrice de rigidité constante dans le temps.

Dans ce domaine, on dispose de deux grandes méthodes de calcul, basées sur le principe de la décomposition modale :

• la première a recours à un accélérogramme et permet de calculer à chaque instant le déplacement des nœuds et d'en tirer les efforts dans la structure (analyse dynamique) ;
• la seconde fait usage des spectres de réponse : elle calcule les réponses maximales pour chaque mode propre pris séparément et elle les combine pour trouver les efforts maximaux (méthode du spectre de réponse).

Le problème du bâti ancien

Il regroupe une grande partie des enjeux car le parc immobilier se renouvelant au rythme de 1 % environ par an, il faudrait environ un siècle pour mettre aux normes tous les bâtiments sans conforter le bâti ancien. Parfois, on peut associer à ces opérations des opérations d'isolation, insonorisation et économies d'énergie qui en diminuent le coût global.

Fondation antisimique découplée par isolement bas^[5] : appui sur galets caoutchouc en tête de fondation, Municipal Office Building, ville de Glendale, CA

En Europe

L'Eurocode 8 est consacré à la «  Conception et dimensionnement des structures pour leur résistance aux séismes »^[6], et est thématiquement décliné, avec par exemple  :

• « règles générales, actions sismiques et règles pour les bâtiments » (EN 1998-1)
• « évaluation et renforcement des bâtiments » (EN 1998-3)
• « silos, réservoirs et canalisations » (ENV 1998-4)
• « fondations, ouvrages de soutènement et aspects géotechniques » (EN 1998-5)
• « tours, mâts et cheminées » (EN 1998-6).

Il vise à ce que les bâtiments et d'ouvrages de génie civil en zone sismique ne mettent pas en danger les vies humaines, limitent les dommages matériels, et à ce que les structures importantes pour la protection civile restent opérationnelles.

En France

En France où une réglementation parasismique existe depuis 1969, des lois, décrets, arrêtés et circulaires forment la réglementation relative à la prévention du risque sismique. La règlementation a toujours porté sur les bâtiments neufs. Notamment mise à jour en 1982 puis en 1991, elle devrait évoluer suite au Séisme de 2011 de la côte Pacifique du Tōhoku et avec le droit européen.
En mai 1988, M. Jacques Tanzi, ingénieur général des Ponts, a été chargé de constituer et d'animer un groupe d'étude et de proposition pour élaborer des projets de textes réglementaires, décrets et arrêtés, en application de la loi^[7], sans traduction juridique encore en 2010^[8]. Le sujet semble avoir été peu traité en France, sauf incomplètement, par une thèse de doctorat a traité ce sujet^[9] ainsi que l'AFPS ^[10] et quelques colloques franco-suisse ^[7], ou franco-italiens ^[11]. Certains bâtiments peuvent être considérés comme prioritaires, dont les hôpitaux quand ils sont anciens, car ils seront très mobilisés en cas de crise sismique^[12].

Depuis les années 90, dans le cadre de la Décennie Internationale de la Prévention des Catastrophes Naturelles (DIPCN, promue par l'ONU), des calculs du taux annuel de dépassement d’une intensité (ou d’une accélération) ont été fait pour certains sites à risque et pour une période de retour donnée, avec le projet GSHAP (Global Seismic Hazard Assessment Program), aboutissant à des cartes informative plus fines de l'aléa sismique dans le monde.
La paléosismicité montre en France et autour de ce pays une occurrence de séismes majeurs avec un temps de retour supérieur à la période historique, mais qui pourraient être destructeurs. Le dimensionnement et/ou confortement parasismique de certaines constructions à risque (barrages, installations nucléaires,…) devrait en tenir compte^[13].

En 2001, une base de données du BRGM (www.neopal.net ^[14]) sur les indices de déformations néotectoniques et de paléoséismes localisés en France métropolitaine et aux Antilles est ouverte au public. Un Comité de pilotage rassemble le BRGM, EDF, l'IRSN, le Laboratoire de Détection et de Géophysique du CEA, l’Université Pierre et Marie Curie (Paris VI) et le CEREGE. La prévision, autrefois surtout déterministe, évolue en intégrant des études également probabilistes qui ont conduit à réviser la révision du zonage d'aléa (en intégrant aussi de probables rééquilibrages eustatiques liés à la fonte des glaces du pôle nord qui allègent la masse reposant sur le socle rocheux, qui tend alors à remonter. L'ANR a financé (via un appel à projet d'environ 4,2 M€^[15]) en 2005 le programme CATEL (« Catastrophes telluriques et tsunami »), puis en 2008 un programme « RiskNat ». L'institut de physique du globe de Paris^[16] est un des acteurs impliqués dans l'avancée des connaissances nécessaires à l'amélioration du génie parasismique.

En mai 2011 la réglementation évolue pour se mettre en phase avec l'Eurocode 8 qui modifiera la manière de construire (de la Conception à la mise en œuvre en passant par l'implantation, la certification), impliquant tous les professionnels du bâtiment. Tout bâtiments dont le permis de construire a été déposé à partir du 1^er mai 2011 est concerné. Une période transitoire est prévue par le législateur durant laquelle l'ancienne réglementation reste active (jusqu'au 31 octobre 2012 en France) ; Les valeurs d'accélération à prendre en compte sont changées au 1^er mai 2011, mais les règles parasismiques antérieures (PS92 2004) restent valables pour les construction de catégorie II, III ou IV ayant fait l'objet d'une demande de permis de construire, d'une déclaration préalable ou d'une autorisation de début de travaux^[17].

• une étude géotechnique devient obligatoire pour évaluer les caractéristiques du terrain en termes de possibles amplifications d'un mouvement sismique ;
• une protection est à prévoir contre les risques d'éboulements et de glissements de terrain provoqués par un séisme, en lien avec le plan de prévention des risques (PPR) sismique de la commune ;
• les bords de falaise, pieds de crête et pentes instables ne doivent pas être construits ;
• le risque de liquéfaction du sol est à prendre en compte (il implique des constructions rigides et massives alors que des bâtiments plus élancés peuvent être construits sur sols stables et durs.

4 principes de conception prévalent^[17] :

1. les formes simples et compactes sont préféréables, en limitant les décrochements (en plan ou en élévation) et en fractionnant l'ouvrage en sous-ensembles homogènes par des joints parasismiques continus.
2. limiter les effets et risques de torsion, en équilibrant la distribution des masses et des raideurs (murs, poteaux, voiles...).
3. la reprise des efforts sismiques se fait par contreventement horizontal et vertical de la structure, en superposant ces contreventement et en créant des « diaphragmes rigides » à chaque niveau.

En Belgique

Après le tremblement de terre de 1983, les sismologues belges ont été doté de moyens supplémentaires pour affiner les évaluations de risque.

En Suisse

La norme suisse SIA 469 (1997) préconise qu'une vérification de la sécurité parasismique d'un ouvrage existant soit réalisée lors de travaux de modification, de transformation ou de remise en état significatifs, lors d'un changement d'affectation ou lorsque l'observation fait présumer une sécurité insuffisante. Lors de l'apparition des nouvelles normes de structures en 2003, les hypothèses sur les efforts sismiques ont été revues à la hausse et de nombreux ouvrages existants se révèlent inadaptés. Le besoin d'éviter des coûts de confortement parasismique trop élevés et de fournir des méthodes fiables d'évaluation de la sécurité parasismique s'est fait immédiatement sentir. Un groupe de travail, partiellement financé par l'Office fédéral de l'environnement (OFEV), publia en 2004 le cahier technique SIA 2018 « Vérification de la sécurité parasismique des bâtiments existants » qui sert dès lors de document de référence pour l'appréciation de la sécurité parasismique de bâtiments existants ainsi que pour l'évaluation de la proportionnalité d'éventuelles mesures de confortement^[18]. D'autre part, l'OFEV publia en 2003 une série de « Directives pour l'appréciation de la sécurité parasismique de bâtiments existants » fournissant une démarche permettant notamment d'établir l'inventaire d'un parc immobilier vis-à-vis du risque sismique et de le trier selon un ordre de priorité^[19].

Voir aussi

Sur les autres projets Wikimedia :

• « la construction parasismique », sur Wikimedia Commons (ressources multimédia)

Articles connexes

• Échelle de Mercalli
• Échelle Medvedev-Sponheuer-Karnik
• Magnitude d'un séisme
• Normes parasismiques
• Séisme
• Risque sismique
• Tsunami
• Construction paracyclonique
• Eurocode

Liens externes

• Earthquake Performance Evaluation Tool Online
• Vibration control videos
• Cours de génie parasismique de l'EPFL
• Société suisse de génie parasismique et de dynamique des structures (SGEB)
• « Construction parasismique » sur le site de l'Office fédéral de l'environnement
  • « Conception parasismique des bâtiments — Principes de base à l'attention des ingénieurs, architectes, maîtres d'ouvrage et autorités »
  • « Confortement parasismique de constructions — Stratégie et recueil d’exemples en Suisse »
• Renforcement parasismique : Etude pour le bâti existant en France (projet de recherche labellisé par le RGC&U antérieur à 2007), impliquant le CSTB, PX-DAM Consultants, Séchaud et Metz, Vinci Construction et Dynamique Concept.
• Règles de construction parasismique : plus de 21 000 communes concernées depuis le 1er mai 2011

Bibliographie

• Lamadon. T, Fournely. E, Moutou Pitti R., Jouanade M., « Diagnostic et renforcement du bâti existant en construction acier : Approche de l'Eurocode 8 », « SICZS_2010 » Symposium International sur la Construction en Zone Sismique, Université Hassiba Benbouali de Chlef (Algérie), 26 – 27 octobre 2010, 13 p.
• Pierino Lestuzzi et Marc Badoux, Génie parasismique — Conception et dimensionnement des bâtiments », (ISBN 978-2-88074-747-3), Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, 2008.

Références

1. ↑ BASE ISOLATION: PROMISE, DESIGN & PERFORMANCE
2. ↑ L'histoire du génie parasismique par le journaliste Y. Pigenet et l'expert E. Jeanvoine, Banque des Savoirs de l'Essonne, vendredi 1^er avril 2005.
3. ↑ Essai d'un modèle classique de bâtiment et d'un modèle à isolement bas.
4. ↑ (en) Dynamics of Structures, Englewood Cliffs, Prentice Hall - 1995, 1995 (ISBN 978-0-13-855214-5) (LCCN 94046527) 
5. ↑ Point de référence pour le contrôle des vibrations structurales
6. ↑ Eurocode 8, sur le site de l'ICAB
7. ↑ ^{a et b} Colloque du 20 novembre 1992 à Genève, à l'initiative du Groupe Suisse de Génie Parasismique et de la Dynamique des Constructions (SGEB) de la Société suisse des ingénieurs et des architectes (SIA) et de l'Association Française du Génie Parasismique (AFPS)
8. ↑ Rapport (n° 2721) sur "La France est-elle préparée à un tremblement de terre ? " (compte rendu de l'audition publique du 7 juillet 2010), MM. Jean-Claude Etienne et Roland Courteau, 2010/07/08.
9. ↑ Thèse de Corinne Madelaigue (Université Paris VI), soutenue le 2 juillet 1987 sur le "Renforcement du bâti existant en zone sismique"
10. ↑ projet de manuel pratique de l'AFPS sur le bâti existant
11. ↑ Colloque franco-Italien sur la gestion du risque sismique 17, 18 et 19 octobre 1994 à Nice
12. ↑ Conception et réalisation d’hôpitaux en zone sismique 1/17 Chapitre 8. – Réhabilitation des hôpitaux existants Victor Davidovici – Consultant – 29 mai 2007 8. – Réhabilitation des hôpitaux existants
13. ↑ Caractérisation de l’aléa sismique ; Page pédagogique du Plan séisme de la France, consultées 2011/03/19
14. ↑ présentation de NEOPAL (Poster, "Plan séisme" français)
15. ↑ Exemple de réponse ; Fiche projet "secuador" (PDF, 2006, 57 pages), fiche projet CatTel@CRL et liste des 14 projets financés (PDF 4 pages)
16. ↑ L'institut de physique du globe de Paris
17. ↑ ^{a et b} Stéphane Miget Stéphane Miget, Article du Moniteur, Solutions techniques ; Appliquer les nouvelles règles parasismiques, 2011-04-29
18. ↑ [PDF]Documentation SIA 211 « Vérification de la sécurité parasismique des bâtiments existants — Introduction au cahier technique SIA 2018 »
19. ↑ « Vérification et confortement des ouvrages existants » sur le site de l'OFEV