Évaluation sismique de bâtiments existants

Il existe essentiellement deux documents normatifs pouvant être utilisés pour procéder à l’évaluation sismique d’une structure existante au Québec. Le premier est l’ASCE/SEI 41-13 (ASCE, 2014), une norme américaine dévolue exclusivement à l’évaluation et à la réhabilitation de structures existantes. L’ASCE/SEI 41-13 permet de standardiser l’évaluation de bâtiments existants et permet également d’éviter d’utiliser les critères de conceptions normatifs provenant de codes de construction dévolus aux nouvelles constructions comme base d’évaluation de bâtiments existants. La norme ASCE/SEI 41-13 propose des recommandations relatives à la modélisation de l’IDSS. Notons que ces recommandations sont issues de la méthode des sous-structures. La norme stipule que les effets de l’IDSS doivent être évalués dans les bâtiments où l’allongement de la période causée par l’IDSS amène à une augmentation des accélérations spectrales. Pour les autres bâtiments, les effets de l’IDSS n’ont pas à être évalués.

Le second document est le Code national du bâtiment du Canada (CNBC) (CNRC, 2015), qui détaille les exigences pour les nouvelles constructions. Il est possible d’utiliser ces exigences comme référence pour l’évaluation des structures existantes en s’appuyant sur le Commentaire L du Guide de l’utilisateur du CNBC-2015. Celui-ci propose une approche moins sévère que l’application directe du CNBC-2015 et s’inspire de la méthodologie proposée dans l’ASCE/SEI 41-13.

1.1.1.1 ASCE/SEI 41-13

La norme ASCE/SEI 41-13 propose une procédure à trois niveaux d’exigences croissantes pour les évaluations. Les évaluations de niveau I sont des vérifications sommaires, consistant à la vérification d’une série de critères permettant une expertise rapide des éléments structuraux, non-structuraux, des fondations et des risques géologiques. Les évaluations de niveau II sont adéquates pour l’analyse de bâtiments de petite taille, réguliers ou pour ceux dont les déficiences sont relativement bien comprises et pour lesquelles les techniques de réhabilitation sont généralement directes. Les évaluations de niveau III sont des méthodes d’analyse plus complexes qui peuvent être utilisées à tout moment et notamment pour améliorer l’étude des déficiences potentielles identifiées lors d’évaluation de niveau I et II. Bien que les évaluations de niveau III soient onéreuses en terme de ressources (temps, argent, expertise professionnelle), elles peuvent résulter dans des économies de construction égales à plusieurs fois leurs coûts. Peu importe la méthode d’évaluation considérée, la première étape consiste à définir des objectifs de performances.

Les objectifs de performances sont définis par la combinaison de cibles de performances pour le bâtiment et un niveau de risque sismique. Les cibles peuvent être basses, augmentées, limitées ou partielles. Dans les analyses de niveau I et II, la performance exigée est définie en se basant sur les Objectifs de base pour les bâtiments existants (BPOE - « Basic Performance

Objective Existing Buildings »). L’ASCE/SEI 41-13 ne discute pas spécifiquement de la

L’ASCE/SEI-41-13 ne recommande pas non plus de niveau de risque sismique, mais renvoie le lecteur aux normes applicables pour son bâtiment.

Les dommages aux bâtiments répondant aux critères BPOE sont anticipés être faibles lors d’événements fréquents et d’intensité modérée. Toutefois, lors de séismes importants, les dommages potentiels et les pertes économiques devraient être significatifs. Les bâtiments réhabilités au BPOE subiront des dommages supérieurs aux bâtiments conçus selon les normes actuelles. Trois raisons principales expliquent ce fait :

1) cela assure que les bâtiments récents ne sont pas immédiatement classifiés comme déficients dès que le code de construction change et devient plus conservateur;

2) un bâtiment existant a une durée de vie résiduelle plus faible qu’un bâtiment neuf;

3) le coût nécessaire à l’atteinte d’un niveau de performance équivalent à celui des nouveaux bâtiments est souvent disproportionné par rapport aux bénéfices incrémentaux.

Les cibles de performances pour le bâtiment sont elles-mêmes séparées en deux catégories, soient les performances structurales et non structurales. Les cibles de performances pour le bâtiment sont des niveaux de dommages spécifiques. Les choix proposés dans l’ASCE/SEI 41- 13 sont faits considérant leurs conséquences identifiables associées aux dispositions post événement et leurs impacts sur la communauté et le bâtiment.

Pour l’application des forces sismiques, l’ASCE/SEI 41-13 exige que les structures soient évaluées selon leurs directions orthogonales permettant d’assurer une résistance adéquate du bâtiment. L’amortissement recommandé est de 5 % pour les analyses linéaires alors qu’une limite de 3 % est fixée pour les analyses non-linéaires. Les effets verticaux des séismes ne doivent pas systématiquement être considérés à moins que la demande structurale induite par les charges de gravité seules n’atteigne ou ne dépasse 80 % de la résistance nominale des éléments structuraux. Dans ce cas, il n’est pas nécessaire de coupler l’impact horizontal et vertical des séismes. L’ASCE/SEI 41-13 stipule que les analyses statiques sont adaptées aux bâtiments pour lesquels l’impact des modes supérieurs est faible et qui ne présentent pas d’irrégularité.

La période fondamentale (T) de la structure peut être déterminée par les méthodes analytiques ou les méthodes empiriques. Au niveau analytique, il s’agit de résoudre l’équation caractéristique du problème aux valeurs propres. Au niveau empirique, la norme propose la relation suivante :

𝑇 = 𝐶 ℎ (1.1)

où Ct dépend du type de système de résistance aux forces latérales (0,018 pour un cadre en

béton armé résistant aux moments), hn est la hauteur (en pieds) du bâtiment et 𝛽 est un facteur

qui dépend du matériau structural (0,9 pour le béton). L’équation équivalente du CNBC-2015 pour une ossature résistant au moment est donnée par l’équation (1.2), où hn est la hauteur en

mètres :

𝑇 = 0.075ℎ (1.2)

Tisher (2012) a développé une relation alternative pour les cadres en béton armé tenant compte de la présence des murs de remplissage en maçonneries, un élément fréquemment utilisé dans les années 1970 (Tischer et al., 2012) :

𝑇 = (0.035 ± 0.007)(ℎ ) (1.3)

où ℎ est la hauteur en mètres du bâtiment.

La force de cisaillement à la base est définie à l’aide d’un spectre de réponse ajusté selon la catégorie d’emplacement sismique. Il existe cinq différentes catégories d’emplacement dans la norme ASCE/SEI 41-13, présentées au Tableau 1.1. Le CNBC-2015 adopte la même définition des catégories d’emplacement et les valeurs limites des deux codes sont quasi identiques.

Tableau 1.1 Comparaison des catégories d'emplacements ASCE/SEI 41-13 et du CNBC 2015 Catégorie Descriptif 𝑽_𝒔 ASCE/SEI 41-13 pieds /sec 𝑽𝒔 CNBC 2015 m/sec Indice N60 Résistance cisaillement non drainée

A Roc dur > 5000 > 1500 s/o s/o

B Roc 2 500 < 𝑉 < 5 000 760 < 𝑉 ≤ 1 500 s/o s/o C sol très dense roc tendre 1 200 <𝑉 < 2 500 360 < 𝑉 < 760 > 50 𝑠 > 2 000 lb/ft² (𝑠 > 100 kPa) D Sol raide 600 < 𝑉 < 1 200 180 < 𝑉 < 360 15 ≤ N60 ≤ 50 1 000 < 𝑠 ≤ 2000 lb/ft² (50 < 𝑠 ≤ 100 kPa) E Argile (10m et plus) PI>20 ; w>40 %; ou 𝑉 <600 𝑉 < 180 Tout profil de plus de 3m d’épaisseur et dont le sol a les caractéristiques suivantes : • PI > 20 • w ≥ 40 % • 𝑠 < 25 kPa <15 𝑠 < 500 lb/ft² (𝑠 < 50 kPa)

F Analyse particulière (risque liquéfaction, argile organique, argile très plastique, dépôt profond d’argile molle).

1.1.1.2 Commentaire L du CNBC 2015

Le commentaire L du CNBC-2015 propose trois niveaux d’évaluation et de mise en conformité. Les évaluations de niveau 1 sont associées à des mises en conformité volontaires minimales en matière de résistance sismique. Une évaluation du système de résistance aux forces sismiques (SRFS) doit être effectuée et les faiblesses, comme les étages faibles et les discontinuités du SRFS doivent être soulevées. Le recours aux valeurs de la réponse spectrale de l’accélération correspondant à 0,5 fois celles ayant une probabilité de dépassement de 5 % en 50 ans (1/1 000 par année) est suggéré. Dans les analyses de niveau 2, il est suggéré d’utiliser des probabilités de dépassement de 10 % en 50 ans (1/475 par année) alors que pour les analyses de niveau 3, on suggère des probabilités de dépassement de 5 % en 50 ans (1/1 000 par année).