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Solution constructive, 1999-05-01
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Évaluation et protection parasismiques des bâtiments
Allen, D. E.
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Cet article indique les principaux facteurs qui déterminent l’ampleur des
dommages subis par les bâtiments et celle des pertes de vies humaines, lors
des tremblements de terre. Il renferme aussi des lignes directrices permettant
d’évaluer et d’améliorer les bâtiments afin qu’ils résistent mieux aux séismes.
Les exigen ces d e la p artie 4 d u Cod e n ation ald u bâtim en t d u Can ad a (CNB) relatives à la con cep tion d e bâtim en ts résistan t au x trem -blem en ts d e terre visen t p rin cip alem en t les ouvrages à construire et sont difficiles à appli-quer au x bâtim en ts en p lace. Cep en d an t, il y a beaucoup de bâtiments anciens dont les sys-tèmes structuraux, les composants ou les matériaux ne sont pas couverts par le CNB. Les efforts en vue d’utiliser les exigences de la
partie 4 pour rendre ces bâtiments résistants aux séismes ont souvent donné lieu à des interven-tions invasives, peu pratiques et coûteuses.
Plusieurs tremblements de terre importants su rven u s en Am ériqu e d u Nord d ep u is u n e dizaine d’années ont fait ressortir ces difficultés et le m an qu e d ’in form ation d on t d isp osen t les con su ltan ts p ou r évalu er et réh abiliter les bâtim en ts. Afin d e com bler ce m an qu e, l’In stitu t d e rech erch e en con stru ction a
d écid é d ’élaborer et d e p u blier, en collaboration avec d es organ i-sation s d e d ifféren tes région s d u Canada, trois ouvrages renfermant d es lign es d irectrices à ce su jet. Deu x d e ces d ocu m en ts son t m en tion n és d an s les référen ces d u Com m en taire K d u Gu id e d e
l’u tilisateu r – CN B 1995 Com m en taires su r le calcu l d es stru ctu res (Partie 4), qu i in d iqu e
comment appliquer les exigences d e la p artie 4 au x bâtim en ts en place1. Cet article décrit l’objet des
trois documents de l’IRC et d’une d irective d e l’Association can a-d ien n e a-d e n orm alisation (CSA) qu i est en cou rs d ’élaboration .
Les séismes et les
bâtiments
Les séism es son t cau sés p ar le coulissage soudain de deux zones de la croûte terrestre, accompagné d ’u n e action broyan te, qu i p rovoqu e d es m ou vem en ts se p rop agean t d an s le sol en viron -n a-n t. Ces m ou vem e-n ts d u sol,
Évaluation et protection
parasismiques des bâtiments
S o l u t i o n c o n s t r u c t i v e n
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qu i se p rod u isen t d an s tou tes les d irection s, font trembler les bâtiments et peuvent en faire tomber des composants ou en provoquer l’effondrement, ce qui constitue une menace pour les personnes. Les bâtiments peuvent aussi être endommagés au point de devenir inutilisables ou trop coûteux à réparer. Principaux facteurs qui déterminent l’am-pleur des dommages subis par les bâtiments Le fait qu ’u n im m eu ble su rvit ou n on à u n trem blem en t d e terre d ép en d d ’abord et avan t tou t d e sa ten u e au x m ou vem en ts d u sol qu i son t p rod u its p ar le séism e. Voici les p rin cip au x facteu rs resp on sables d u com-p ortem en t d ’u n bâtim en t.
La sismicité .Ce terme désigne les mouvements sism iqu es d u sol p révu s, qu i son t d éterm in és par la magnitude des tremblements de terre et par leur taux de survenance dans les différentes régions du Canada (voir figure 1). Pour chaque en d roit, le CNB in d iqu e u n e am p leu r d e m ou vem en t d u sol qu i a 10 % d e ch an ces d e se p rod u ire u n e fois en 50 an s; c’est à d es secousses de cette ampleur, classées selon des zones sismiques allant de 0 (faible magnitude) à 6 (forte m agn itu d e), qu ’u n bâtim en t d evrait résister.
L’inté grité .Ce terme désigne le degré d’inter-connection des constituants d’un immeuble – ce qu i l’em p êch e d ’être d ém oli lors d ’u n trem blem en t d e terre. Les élém en ts d on t d ép en d l’in tégrité d ’u n bâtim en t n e son t p as seu lem en t ceu x qu i con stitu en t la stru ctu re (p. ex. les poutres, les poteaux, les murs ou les fondations), mais aussi ceux qui sont supportés p ar elle (p . ex. les cloison s et l’équ ip em en t lou rd s). Dan s le cas d ’u n im m eu ble rep osan t su r u n sol ferm e, d an s u n e zon e d e faible sis-m icité, le sis-m an qu e d ’in tégrité p ou rrait être sa seule faiblesse face aux séismes, c.-à-d. le seul facteur qui pourrait être responsable de son endommagement ou de son effondrement. La ré sista nce la té ra le e t la d uctilité .Les secou sses h orizon tales p rod u isen t d es forces d e m êm e d irection d an s tou t le bâtim en t; celles-ci se transmettent à la structure verticale p ar les p lan ch ers et p én ètren t en su ite d an s le sol. Un e con d ition critiqu e p ou r em p êch er la d islocation d ’u n im m eu ble est la cap acité d e la stru ctu re verticale à s’op p oser au x forces h orizon tales ap p liqu ées à ch aqu e étage (c.-à-d . sa résistan ce latérale).
Autre facteur aussi important dans les zones d e sism icité m oyen n e à élevée, où d e très gran d es forces sism iqu es p eu ven t s’exercer : la cap acité d e la stru ctu re verticale à céd er sou s l’effet d e ces forces (d u ctilité) san s se d isloqu er, ain si qu ’à rep orter su r d ’au tres
élém en ts les forces qu i con tribu en t à en su r-ch arger certain s (h yp erstaticité). Certain s éléments du bâtiment, par exemple les cloisons en briqu e p lâtrière servan t d e rem p lissage d an s les bâtim en ts à ossatu re, n e son t p as d u ctiles; ils p eu ven t se d isloqu er sou d ain e-m en t et d e e-m an ière exp losive en libéran t d e l’én ergie, ce qu i favorise l’effon d rem en t d es bâtim en ts.
La rigid ité la té ra le .Les forces latérales p ro-d u ites p ar u n séism e ro-d éform en t la stru ctu re verticale relian t les étages, ce qu i p eu t endommager les éléments du bâtiment fixés à la charpente (p. ex. les cloisons et les branche-ments) et rendre l’immeuble inutilisable. La rigid ité latérale d e la stru ctu re verticale réd u isan t la d éform ation , elle jou e u n rôle critiqu e en em p êch an t la d islocation d es élé-m en ts fixés à l’ossatu re. Cela oblige sou ven t à recou rir au x m u rs d e con treven tem en t, qu i résisten t m ieu x au x forces latérales qu e les p oteau x, p arce qu ’ils son t beau cou p p lu s rigid es.
Le s irré gula rité s d u b â tim e nt.Un bâtim en t san s irrégu larités est u n bâtim en t d on t la structure verticale est symétrique en plan aux poteaux ou murs continus, de haut en bas, de sorte que les forces sismiques sont transmises d irectem en t au sol. La figu re 2 fait voir cer-tain es d es irrégu larités qu i p eu ven t favoriser l’en d om m agem en t ou l’effon d rem en t d ’u n im m eu ble.
La na ture d u sol form a nt l’a ssise .Les bâti-ments reposant sur le roc se tirent habituelle-ment beaucoup mieux des tremblehabituelle-ments de terre que les immeubles fondés sur un sol mou ou instable. Un terrain mou secoué par le roc se trouvant au-dessous vibre comme un bol de gelée, amplifiant le mouvement sis-mique qui se produit dans le roc et soumettant le bâtiment à de grandes déformations et forces. Ainsi, lors du tremblement de terre du Saguenay, en 1988, la déformation des ossa-tures de bâtiments a provoqué la rupture et l’effondrement des parois en blocs de béton.
Le sol m ou p eu t au ssi être in stable, et il peut se liquéfier (comme les sables mouvants) ou glisser lors d’un séisme, causant de grandes d éform ation s d u sol et en d om m agean t sérieu sem en t les bâtim en ts.
L’évaluation et la protection
parasismiques des bâtiments
Les lign es d irectrices ci-d essou s aid eron t les con su ltan ts en con stru ction et les géran ts d ’im m eu bles à attén u er à m oin d res frais et san s trop d e p ertu rbation d es activités la rép on se d es bâtim en ts au x séism es.
• la p résen ce d ’élém en ts n on stru ctu rau x lou rd s ou d an gereu x, qu i p eu ven t tom ber, ou d e bran ch em en ts et équ ip em en ts, qu i p eu ven t cesser d e fon ction n er.
Le m an u el p résen te :
• d es con seils su r la façon d ’organ iser et d ’effectu er la sélection sism iqu e;
• l’in form ation ou les sou rces d ’in form ation (p . ex. d an s le cas d es con d ition s d u sol) n écessaires p ou r faire u n e évalu ation ; • u n e d ém arch e coh éren te à l’in ten tion d es
in sp ecteu rs.
Cep en d an t, il n e fau d rait p as s’en servir p ou r effectu er l’évalu ation tech n iqu e d ’u n bâtim en t.
Évaluation sismique
Les évalu ation s tech n iqu es p eu ven t être faites à l’aid e d es Lign es d irectrices p ou r
l’évalu ation sism iqu e d es bâtim en ts ex istan ts3.
Ce d ocu m en t p erm et d ’évalu er d e m an ière coh éren te, efficace et écon om iqu e tou s les Sélection des bâtiments en vue de leur
évaluation sismique
Le document de l’IRC Manuel de sélection des
bâtim en ts en vu e d e leu r évalu ation sism iqu e2
est u n ou til qu i p erm et au x gestion n aires im m obiliers 1) d e d éterm in er les bâtim en ts qui ont besoin d’une évaluation technique et 2) de les classer en fonction de l’importance des in terven tion s n écessaires. La m éth od e est basée su r u n e in sp ection rap id e (en viron u n e h eu re) d e ch aqu e im m eu ble ou d e ses p lan s. L’in sp ecteu r se sert d ’u n form u laire afin d ’obten ir u n e « n ote » p ou r ch aqu e bâtim en t en fon ction d es facteu rs d e risqu e sism iqu e su ivan ts :
• la sism icité
• les con d ition s d u sol
• le typ e et l’âge d e l’im m eu ble (qu i in flu en t su r l’in tégrité, la résistan ce et la d u ctilité) • les irrégu larités d u bâtim en t
• l’u tilisation (p . ex. u n h ôp ital ou u n im m eu ble à bu reau x)
Entrechoquement
Bâtiments adjacents
Poteaux critiques au-dessous Mur de contreventement
au-dessus de cet étage
Murs de contreventement discontinus Mur de contreventement au-dessous Poteaux Mur de contreventement Torsion Asymétrie en plan Étage « élastique » Mur travaillant en cisaillement Poteaux
bâtiments sauf les petits visés par la partie 9 du CNB. Les règles qu’il renferme peuvent être ap p liqu ées à la p lu p art d es im m eu bles p ou r lesqu els on ch erch e avan t tou t à éviter l’ef-fon d rem en t et les p ertes d e vies h u m ain es, p . ex. les im m eu bles d ’h abitation ou d e bu reau x. Elles p eu ven t au ssi servir à évalu er les bâtiments de protection civile, par exemple les hôpitaux; il faut cependant satisfaire à des exigen ces su p p lém en taires visan t à faire en sorte qu e ces bâtim en ts p u issen t être u tilisés à cette fin .
Les lign es d irectrices en qu estion p erm et-ten t d ’effectu er u n e évalu ation rap id e au moyen d’une liste de vérification indiquant les faiblesses possibles et basée sur les dommages extrêm em en t graves cau sés lors d e trem ble-m en ts d e terre p assés, p rin cip aleble-m en t en Californ ie et en Alaska. Certain s d es p oin ts m en tion n és d an s la liste d e vérification n ’exigen t qu ’u n calcu l « su r u n bou t d e p ap ier », qu i p eu t être com p lété au besoin p ar u n e évalu ation d étaillée d es p oin ts qu i sont incertains ou se situent à la limite. Cette m éth od e con stitu e u n m oyen écon om iqu e d e d éterm in er les faiblesses d ’u n im m eu ble et d e les classer p ar ord re d ’im p ortan ce.
De façon générale, les critères utilisés pour l’évaluation structurale d’un bâtiment en place d oiven t être con form es à la p artie 4 d u CNB. Cependant, la charge sismique indiquée dans le cod e est réd u ite d e 40 % d an s le cas d es bâtim en ts existan ts en raison d es frais élevés occasionnés par les interventions structurales, en com p araison d u faible su rcoû t rep résen té
p ar la p rotection an tisism iqu e, d an s le n eu f. Lorsqu e les calcu ls m on tren t qu e les com-p osan ts d u bâtim en t n e son t com-p as cacom-p ables d e résister à cette ch arge sism iqu e réd u ite, il faudrait, dans la plupart des cas, les renforcer p ou r qu ’ils p u issen t su p p orter la ch arge sis-m iqu e in tégrale sis-m en tion n ée d an s le CNB.
Ces lign es d irectrices d écriven t u n e m é-th od e sp éciale qu i p erm et d ’évalu er les bâti-m en ts en bâti-m açon n erie n on arbâti-m ée cobâti-m p ortan t d es stru ctu res d e p lan ch er et d e toit en bois, typ e d e con stru ction qu i n ’est p lu s au torisé p ar la p artie 4 d u CNB, d an s les région s exp osées au x séism es.
Un e n orm e su r l’évalu ation sism iqu e d es bâtiments en place, notamment les immeubles de protection civile, est en cours d’élaboration au x États-Un is4. Elle ren ferm era u n e liste d e
vérification ten an t com p te d es leçon s tirées des tremblements de terre survenus récemment au Mexiqu e, au x États-Un is et au Jap on . Un p oin t à su rveiller d e m an ière p articu lière : les ossatures rigides en acier soudé, dont bon nombre se sont rompues lors du séisme de Los Angeles, en 1994 (voir les conseils donnés dans le document mentionné à la référence 5). Pour pouvoir appliquer cette nouvelle norme au Canada, il faudra apporter des ajustements au x critères basés su r le con texte am éricain . Protection parasismique
Le document de l’IRC Lignes directrices pour
la p rotection p arasism iqu e d es stru ctu res d e bâtim en ts ex istan ts6 d écrit d ivers m oyen s d e
p rotéger les im m eu bles con tre les séism es et in d iqu e com m en t faire les bon s ch oix d an s le cas d ’op ération s p articu lières.
4
Figure 3. Support latéral pour mur en maçonnerie et ancrage dans la structure
Cornière en acier
Paroi en maçonnerie Espace
Support pour parapet en maçonnerie Contreventement
Ancrage
Profilé ancré dans le parapet
Solution constructive no
La p lu p art d es m oyen s p rop osés son t d es tech n iqu es d e con stru ction trad ition n elles : • an crage d e la m açon n erie et d es au tres
com-p osan ts lou rd s d an s la stru ctu re d u bâtim en t (figu re 3);
• p ose d e con n ecteu rs en tre les élém en ts d e stru ctu re d éjà en p lace;
• liaison d es n ou veau x élém en ts d e stru ctu re (m em bres, revêtem en ts et rem p lissages) au x p ièces existan tes (figu re 4);
• m ise en p lace d e n ou veau x sou s-systèm es, p ar exem p le d es m u rs travaillan t en cisaille-m en t, d es con treven tecisaille-m en ts ou d es élécisaille-m en ts additionnels de fondation, qui seront solidaires d e la stru ctu re (figu re 5).
Parm i les m oyen s sp éciau x, m en tion n on s : la m ise en p lace d e d isp ositifs d ’am ortissem en t d estin és à réd u ire les d éform ation s et les forces dues aux tremblements de terre; la mise en place d ’ép ais cou ssin s flexibles (isolation à la base) en tre les fon d ation s et la su p erstru ctu re afin d e réduire la transmission des mouvements horizon-taux du sol à la structure; les techniques de sta-bilisation du sol, par exemple les drains verticaux en gravier, qui visent à empêcher la liquéfaction.
Le ch oix d u m oyen d e réh abilitation an tisis-m iqu e et d e l’en d roit où le tisis-m ettre en oeu vre d ép en d n on seu lem en t d e la correction d es faiblesses structurales (voir « Principaux facteurs qu i d éterm in en t l’am p leu r d es d om m ages su bis p ar les bâtim en ts », p lu s h au t) m ais au ssi d es facteu rs su ivan ts.
L’a cce ssib ilité .Il s’agit du degré de difficulté qu e p résen te, p ou r l’en trep ren eu r ch argé d es travaux de réhabilitation, l’accès aux éléments du bâtiment concernés. Les principaux aspects à p ren d re en com p te son t :
• le typ e, le n om bre et l’em p lacem en t d es action s d e réh abilitation ;
• la n écessité d ’u tiliser d es éch afau d ages, d es gru es ou d ’au tre m atériel sp écial; • les p ossibilités d e m an oeu vrer d an s
l’esp ace existan t.
Plu s l’accès est d ifficile, p lu s les travau x coû ten t ch er et p ertu rben t les activités, et moins il y a de choix au niveau des moyens de réhabilitation. L’amélioration des fondations est p articu lièrem en t on éreu se, car l’accès est gén éralem en t très d ifficile; cep en d an t, on p eu t sou ven t s’en d isp en ser en in tégran t au x bâtis en p lace d es élém en ts com m e d es m u rs travaillan t en cisaillem en t ou d es con treven tem en ts.
La p e rturb a tion d e s a ctiv ité s. Si le bâtim en t d oit servir p en d an t les travau x d e réh abilita-tion , la p ertu rbaabilita-tion d es activités cou ran tes d evien t u n facteu r im p ortan t à p ren d re en compte. C’est pourquoi il est préférable d’ef-fectuer les travaux de protection antisismique lors d ’u n e gran d e rén ovation , alors qu e l’im-m eu ble n ’est gén éralel’im-m en t p as occu p é. Si cette op tion n ’existe p as, il fau t réaliser les travaux par étapes en déplaçant les personnes et les in terven tion s, ou en d eh ors d es h eu res
Figure 4. Pose de revêtements sur les murs
Tiges en acier inoxydable posées et scellées au coulis à partir de l'extérieur
Revêtement en béton armé
Maçonnerie de brique
Revêtement en béton armé
Figure 5. Mise en place d’un mur travaillant en cisaillement ou d’un contreventement Mise en place d'un
contreventement
Goujons scellés au coulis
Mise en place d'un mur travaillant en cisaillement Revêtement en
contreplaqué Clous
© 1999
Con seil n ation al d e rech erch es d u Can ad a Mai 1999
ISSN 1206-1239 d’ouverture, mais cela occasionne dans tous
les cas une augmentation des coûts. Par ailleurs, les actions de réhabilitation extérieure (p ar con treven tem en t ou traitem en t d es fon-dations) perturbent moins les activités que les travaux intérieurs. Dans le cas d’un hôpital, p ar exem p le, il serait san s d ou te p référable d e p rocéd er p ar réh abilitation extérieu re. La fonction d u b â tim e nt.L’ajou t d ’élém en ts d e stru ctu re com m e d es m u rs travaillan t en cisaillem en t ou d es con treven tem en ts p eu t avoir d es effets n égatifs su r l’am én agem en t d ’u n im m eu ble (p ar con séqu en t su r la circu -lation d es p erson n es et d es bien s), la lu m ière d u jou r ou l’esth étiqu e. Il se p eu t d on c qu e l’on d oive p lu tôt op ter p ou r d es ossatu res résistan t au x m om en ts, à certain s en d roits. L’e sthé tiq ue e t la v a le ur p a trim onia le .La p réservation d e l’esth étiqu e et d e la valeu r p atrim on iale d ’u n im m eu ble p résen te u n d éfi p articu lier.
L’ingénieur doit collaborer étroitement avec le p rop riétaire, l’arch itecte, l’en trep ren eu r et tou t au tre sp écialiste (p . ex. u n con su ltan t en con servation d u p atrim oin e) afin d e ch oisir une technique de réhabilitation qui permet de satisfaire le mieux possible à cet impératif. Nouvelle directive sur les éléments non structuraux
L’Association canadienne de normalisation est en train d’élaborer une directive concernant l’évaluation et la protection parasismiques des élém en ts n on stru ctu rau x d es bâtim en ts7.
Elle y p rop osera d es m éth od es et critères p erm ettan t d e réd u ire les risqu es sism iqu es à m oin d res frais et san s trop d e p ertu rbation d es activités.
La n écessité d e cette d irective s’exp liqu e ain si : les travau x d e ren forcem en t d es élé-m en ts n on stru ctu rau x p eu ven t sou ven t être accom p lis d an s le cad re d ’u n p rogram m e d ’en tretien régu lier, san s p ertu rbation n otable d es activités qu i se d érou len t d an s l’im m eu ble. Dan s les zon es d e sism icité faible à m oyen n e, la ru p tu re d ’élém en ts n on stru ctu rau x d e bâtim en ts, lors d ’u n séism e, p résen te sou ven t d e p lu s gran d s risqu es qu e la d islocation d e la stru ctu re. C’est ce qu i s’est p rod u it lors d u trem blem en t d e terre d u Sagu en ay, en 1988, la p lu p art d es d om m ages ayan t été cau sés p ar la ru p tu re d es p arois en blocs d e béton .
Références
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3. Lign es d irectrices p ou r l’évalu ation sism iqu e d es bâtim en ts existan ts. In stitu t d e rech erch e en con stru ction , Con seil n ation al d e
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6. Lign es d irectrices p ou r la p rotection p arasis-m iqu e d es stru ctu res d e bâtiarasis-m en ts existan ts. In stitu t d e rech erch e en con stru ction , Con seil n ation al d e rech erch es d u Can ad a, Ottaw a, 1995, 49 p . (NRCC 38857F).
7. Gu id elin e for Seism ic Risk Red u ction of Op eration al an d Fu n ction al Com p on en ts of Bu ild in gs. Projet d e n orm e S832-2000 d e la CSA, Association can ad ien n e d e n orm alisa-tion , Etobicoke (On tario) – Paraîtra en 1999.
D.E. A lle n, Ph.D., est agen t d e rech erch e in vité au sein d u p rogram m e En velop p e et stru ctu re d u bâtim en t, à l’In stitu t d e rech erch e en con stru ction d u Con seil n ation al d e rech erch es.
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