Principe de l’isolation sismique

Le principe du concept d'isolation sismique à la base est assez simple, d’en fournir une discontinuité entre la fondation et la superstructure, de sorte que l'énergie sismique ne peut pas être entièrement transmise à la superstructure, ce résultat donne une réduction significative de l’accélération de l’étage supérieure et du déplacement inter-étage, par conséquent, assurer la protection du matériels et des composants onéreux du bâtiment.

Pour sa grande performance, la technique d'isolation sismique a maintenant évolué dans les pays développés tels que les Etats-Unis, le Japon, l'Italie et la Nouvelle-Zélande, au point où elle est souvent destinée à la protection des bâtiments neufs ou existants.

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Le système d’isolation à la base, qui est un dispositif de contrôle passif installé entre la fondation et la base de l'édifice, protège la structure contre les forces sismiques de deux manières : (i) en faisant dévier l'énergie sismique et (ii) en absorbant l'énergie sismique.

L'énergie sismique est également absorbée en faisant une base flexible à la construction (au lieu d’être fixe) dans des directions latérales, ce qui augmente la période fondamentale de la structure. Les bâtiments à périodes longues attirent moins de force sismique, par contre c’est le système d'isolation, qui absorbe la majorité de l'énergie sismique et en particulier, pour les modes de fréquences supérieures.

L'énergie sismique sera absorbée par l'isolateur en raison de sa réponse non-linéaire sous une excitation sismique.

La courbe force-déplacement des isolateurs sous excitation sinusoïdale présente un comportement hystérétique et, par conséquent, une grande partie de l'énergie d'entrée dans les isolateurs se perd par boucle d'hystérésis. En raison de ces deux propriétés des isolateurs, ils sont devenus des dispositifs de contrôle passif très attractifs qui seront utilisés dans le contrôle de la réponse sismique des structures. Des recherches approfondies, à la fois théorique et expérimentale, a été réalisée dans le domaine des structures isolées à la base. À la suite de ces projets de recherche, de nombreux dispositifs d'isolation à la base ont évolué et mis en œuvre dans la pratique (T .K DATTA, 2010).

Les systèmes d'isolation peuvent être divisés en deux catégories : la première catégorie comprend la famille des appuis en élastomère, dans laquelle on trouve les appuis en élastomère à fort amortissement (HDRB), appuis en élastomère fretté à barreau de plomb et d'autres systèmes.La deuxième catégorie comprend la famille des appuis glissants, qui comprend l’appui en pendule glissant (FPS) et le système d’appui coulissant sans recentrage (SI).

La conception du système d'isolation est basée sur plusieurs exigences techniques, et plusieurs facteurs entrent dans la sélection et la conception des dispositifs d'isolation. Le choix du dispositif d'isolation appropriée est basé sur des exigences allant de la rigidité latérale et verticale, l’avantage du coût et de la durabilité. Plusieurs méthodes de conception ont été proposées, certaines d'entre elles sont basées sur le spectre élastique, et d'autres basées sur le comportement linéarisé de structures isolées à la base.

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Les avantages de l'isolation sismique à la base sont substantiels et peuvent être détaillés d’après (Stanton et Roeder, 1991) comme suit :

 Réduit les accélérations des étages et les déplacements inter-étages;

 Réduction des dégâts (ou presque quasi nuls) des éléments structuraux;

 Une meilleure protection des équipements et du contenu du bâtiment;

 Association du comportement non linéaire et à large déformation, en un seul groupe d'éléments (Isolateur et Amortisseur).

Les modèles classiques de l’analyse parasismique reposent sur la résistance et la ductilité des éléments structuraux pour résister aux forces induites par les séismes et de dissiper l'énergie sismique, ce qui empêche l'effondrement des structures en cas de tremblement de terre. En revanche, l'approche de l'isolation à la base vise à réduire les dommages de la force sismique horizontale transmise à la structure (James M. Kelly, CHAN G. KOH, 1985).

Un système pratique d'isolation sismique doit répondre aux trois exigences suivantes (Frahm H, 1911):

 Une flexibilité horizontale suffisante pour augmenter la période de la structure et les demandes spectrales, à l'exception des sites de sols très mous;

 Capacité de dissipation d'énergie suffisante pour limiter les déplacements des isolateurs à un niveau pratique;

 Une rigidité adéquate pour que le bâtiment isolé ne diffère pas d’un bâtiment fixe sous chargement général de service.

En outre, d'après (J. M. Kelly et al. 1984) les exigences de base d'un système d'isolation pour la protection contre le séisme sont les suivantes:

 Les appuis parasismiques doivent supporter la charge permanente de la structure et doivent avoir une grande rigidité verticale ;

 La rigidité horizontale des appuis doit fournir une fréquence naturelle horizontale suffisamment faible pour que le bâtiment ne réponde pas aux composantes destructives du mouvement du sol. A partir des spectres de réponse de Seed, il est clair que, dans une large gamme de conditions, une fréquence naturelle horizontale de 0.5 Hz est appropriée ;

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 Certaines énergies sismiques se produiront toujours plus près de la fréquence naturelle horizontale de sorte que le système est doté d’un amortissement suffisant pour limiter le mouvement de translation à un niveau acceptable ;

 Le système d’appui à base d’isolation doit empêcher tout mouvement excessif de l'immeuble vis-à-vis de l’action.

Les systèmes d'isolation sismique les plus couramment utilisés peuvent répondre à toutes les exigences ci-dessus, cela est dont l’objectif d’éviter l'effondrement total de la structure isolée dans les cas où des déplacements excessifs se produisaient.

La première période d'un bâtiment en béton armé est d'environ 0,02H sec: (H : hauteur, m). En conséquence, la première période d'un bâtiment de hauteur 15 mètres est d'environ 0.3 seconde. Cette période pourrait facilement être étendue à 3 secondes pour une construction montée sur isolateurs. Un décalage de la période entre 0.3 à 3 secondes offre de différentes forces sismiques dans la construction.

Figure I. 4 : Courbe de réponse idéale (Shoi Chi Yamaguchi et Al., 1989)

Différentes forces sismiques dépendent principalement de la durée et de l'amplitude des caractéristiques du mouvement du sol et du contenu fréquentiel (Shoi Chi Yamaguchi et Al., 1989). Par conséquent, si le mouvement du sol comprend plusieurs composantes dont les périodes sont proches de trois secondes, certaines de ces composantes vont amplifier le mouvement du bâtiment, mais d'autres non. La réponse des bâtiments est modifiée par les caractéristiques sismiques; la relation générale entre les mouvements du sol et la réponse de la structure est indiquée dans la figure (I.4). La figure montre une large différence en force sismique entre « un bâtiment relié à la terre de manière rigide (exemple: période 0.3 sec :) et un bâtiment monté sur isolateurs (exemple: période de 3 sec.) ». Cela indique aussi que la réponse est contrôlée par l'amortissement.

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Dans le cas idéal, les isolateurs doivent être situés aussi bas que possible dans une structure de manière à protéger au mieux la structure que possible. Toutefois, le coût et les considérations pratiques influencent le choix de l'emplacement. Dans un immeuble, le choix de l’isolation peut se situer entre le niveau du sol ou en dessous du sous-sol, ou à un certain point de l’amorce poteau. Chaque endroit a ses avantages et ses inconvénients, liés à l'accessibilité et d'autres considérations de conception très importantes.