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Digeste de la construction au Canada, 1980-09-01
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Les séismes et les bâtiments au Canada
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction. Conseil national de
recherches Canada
CBD-208-F
Les séismes et les bâtiments au Canada
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Publié à l'origine en septembre 1980. J. H. Rainer et T. D. Northwood
Les séismes se produisent à des intervalles de temps géologiques plutôt qu'humains, aussi la plupart des Canadiens y accordent peu d'importance et les considèrent d'ailleurs improbables1. Le Canada a pourtant été le siège, au cours de sa brève période d'histoire consignée, de plusieurs secousses importantes dont la plus ancienne connue se serait produite, aux dires des Amérindiens, entre les voyages de Jacques Cartier en 1534-35. Le premier séisme consigné par écrit remonte à 1663. Il provoqua des glissements de terrain dans la région du St-Laurent-Saguenay et fut ressenti loin à l'intérieur des états de la Nouvelle-Angleterre.
Le tremblement de terre du 1 mars 1925 dans la région du St-Laurent constitue un exemple plus récent2. Cette secousse fut aussi fortement ressentie sur une vaste étendue de l'Est canadien et de la Nouvelle-Angleterre. Personne ne fut blessé, mais des dommages
considérables furent occasionnés le long d'une étroite bande s'étendant sur les deux rives du fleuve St-Laurent depuis Trois-Rivières jusqu'à Shawinigan Falls. Cette perturbation fut enregistrée par les stations sismographiques du monde entier. Soulignons d'autres secousses sismiques dans l'Est du Canada dont celles du Témiscamingue dans l'ouest québécois en 1935 et de Cornwall-Massena en bordure du St-Laurent en 1944.
Dans l'Ouest, le littoral canadien s'inscrit dans la ceinture péripacifique qui comprend les régions de sismicité considérable comme l'Alaska, la Californie, le Mexique, le Nicaragua, le Chili, la Nouvelle-Zélande et le Japon. D'ailleurs, l'île de Vancouver et les îles Reine-Charlotte ont subi certains dégâts à quelques endroits à la suite de secousses. Depuis quelques années, la probabilité des séismes dans diverses parties du nord canadien a fait l'objet d'un intérêt particulier à la suite de propositions visant une exploitation des ressources de cette région3.
Mesure des séismes
C'est à la Division de la séismologie et des études géothermiques de la Direction de la physique du globe d'Énergie, mines et ressources (EMR) Canada, qu'incombe la responsabilité
d'enregistrer les séismes au Canada. Cette division a publié des études approfondies des principales secousses et prépare un répertoire annuel de tous les tremblements de terre au Canada, grands et petits4. A cette fin, la Division de la séismologie a mis sur pied un réseau comportant 50 stations sismographiques, réparties à travers le pays. Ce réseau permet une détermination précise de l'origine (épicentre), du moment et de la magnitude des séismes qui se produisent au Canada, et permet de recueillir des données pour l'étude de séismes
importants survenant ailleurs.
La magnitude d'un séisme est une mesure de l'énergie totale libérée exprimée par un nombre sur une échelle logarithmique appelée l'échelle de Richter. Une secousse de magnitude 8 sur
cette échelle est définie comme un tremblement de terre important; celui qui frappa l'Alaska en 1964, par exemple, avait une magnitude de 8,4. Une magnitude de 4 indique une faible
secousse, à peine perçue en dehors de la zone immédiate entourant l'épicentre.
Une autre échelle, l'échelle d'intensité modifiée de Mercalli, sur la base d'observations sur place, donne une description de l'effet des secousses, dans l'ordre croissant, à partir de la perception de vibrations par les personnes, en passant par les mouvements et les dommages aux structures, jusqu'à l'effondrement des bâtiments et aux déformations permanentes du sol. Chaque tremblement de terre n'a qu'une seule amplitude, mais peut présenter une gamme d'intensités généralement décroissantes à mesure que l'on s'éloigne de l'épicentre.
En plus de la magnitude et de la distance à partir de l'épicentre, d'autres facteurs contribuent à déterminer l'intensité d'un séisme en un point donné. Les mouvements du sol peuvent varier considérablement selon qu'il s'agit de roc massif ou de couches profondes, ces dernières étant généralement soumises à des vibrations plus fortes. Par conséquent, certaines régions plus éloignées de l'épicentre peuvent être plus durement secouées que d'autres, plus proches. Outre les sismographes sensibles, capables de détecter des phénomènes éloignés ou faibles, il existe un réseau de sismographes pour les mouvements d'envergure répartis dans les zones de haute sismicité de la côte ouest (par EMR) et de la vallée du St-Laurent (par le CNR). Ces instruments peuvent enregistrer les mouvements du sol de forte amplitude qui se produisent à proximité de l'épicentre des grandes secousses telluriques et recueillent des renseignements particulièrement utiles pour le calcul antisismique des bâtiments et autres ouvrages.
Prévision et probabilité des séismes
Il serait fort utile de prévoir exactement quand et où doit se produire un séisme, mais les progrès réalisés dans cette voie sont toutefois insuffisants. Il est par contre possible de prévoir la probabilité à long terme dans une région donnée, c'est-à-dire de déterminer la sismicité de la région5.
La carte des zones sismiques du Canada (figure 1), Publiée dans un document du Code national du bâtiment6, délimite les diverses zones d'après l'importance probable des mouvements du sol en cas de séisme. Cette carte est destinée avant tout à l'usage des personnes impliquées dans la conception et la construction des bâtiments. Certaines régions, comme les Prairies, ne manifestent qu'une activité sismique limitée et la probabilité de dommages par un séisme éventuel est par conséquent faible (zone 0); d'autres régions ont été touchées par d'importants tremblements de terre et sont indiquées comme zones de haute sismicité (zone 3). Pour les cas où la carte des zones sismiques s'avère insuffisante, on peut obtenir des renseignements détaillés auprès de la Division de la séismologie d'EMR.
Figure 1. Carte des zones sismiques du Canada, 1970. Probabilité de séismes destructifs: Zone 0 - négligeable; Zone 1 - faible; Zone 2 - moyenne; Zone 3 - plus grande probabilité.
Calcul antisismique
Le calcul antisismique a pour objet d'assurer aux structures, à leurs fondations et à leur contenu, la résistance et la déformabilité nécessaires pour résister aux effets d'un séisme éventuel. Théoriquement, il est possible de concevoir des structures pouvant résister aux secousses telluriques maximales sans subir de dommages, mais à un coût injustifiable. Les méthodes de calcul adoptées pour la majorité des bâtiments visent plutôt à éviter leur effondrement et les pertes de vies sans exclure la possibilité de certains dégâts.
Au cours d'un séisme, les mouvements du sol sont indifféremment horizontaux et verticaux. Les bâtiments possèdent une bonne résistance inhérente dans le sens vertical puisqu'ils sont conçus pour résister à la force de la pesanteur, mais ils offrent peu de résistance dans le sens horizontal. Par conséquent, ce sont les sollicitations et déformations horizontales qui dominent le calcul parasismique des bâtiments. Il existe une similitude évidente entre ces forces
horizontales et celles qui sont exercées par le vent et la protection contre les effets du vent peut parfois constituer une partie importante de la protection nécessaire contre les séismes. Il existe toutefois une différence fondamentale: les bâtiments sont généralement calculés pour se déformer élastiquement sous lit surcharge de vent maximale retenue pour les calculs, alors que les surcharges sismiques sont susceptibles de provoquer des déformations non élastiques. On doit donc étudier le comportement ductile de la structure.
Pour le calcul antisismique, il faut procéder de la façon suivante:
1. Déterminer le degré de protection souhaitable; les bâtiments comme les hôpitaux et les postes d'incendie doivent avoir un degré de protection plus élevé que les bâtiments ordinaires.
2. Déterminer la sismicité de la région considérée.
3. Choisir des composants structuraux et des équipements possédant des propriétés
architecturales, structurales et mécaniques convenables en portant une attention particulière à leur déformabilité sous l'effet de charges importantes.
4. Évaluer le coût d'une conception antisismique du bâtiment par rapport au risque prévu de pertes de vies et de dommages matériels, c'est-à-dire procéder à une analyse de rentabilité.
Certaines de ces étapes sont interdépendantes, de sorte qu'une répétition du processus peut s'avérer nécessaire. Soulignons qu'en général, une analyse quantitative de rentabilité est un
processus complexe qui devra reposer en grande partie sur une bonne mesure de discernement.
La vulnérabilité des services essentiels dans les bâtiments et les centres urbains fait de plus en plus l'objet d'une attention particulière, notamment, les réseaux de transport d'énergie
électrique, d'alimentation en eau, d'égouts, de communications, de conduites de mazout et de gaz, et les installations de transport. L'interruption de ces services lors d'Lin sinistre peut imposer de sérieuses contraintes à la population et menacer la santé et la sécurité des personnes. En plus d'assurer une résistance et une ductilité suffisantes des conduits pour s'opposer aux mouvements du sol, il est conseillé de prévoir plusieurs tracés ou boucles dans les réseaux de distribution de façon à assurer l'alimentation par d'autres canalisations. On peut ainsi réduire le nombre de régions qui peuvent être atteintes par une interruption ou une panne en un point d'un réseau.
Comme le Canada n'a éprouvé aucun tremblement de terre destructif depuis quelques
décennies, on étudie de tels phénomènes ailleurs dans le monde pour en adapter les résultats à la géologie, à la technologie et aux conditions économiques et sociales du pays. Ces
observations sont complétées par des études théoriques et expérimentales effectuées par des bureaux d'études, des universités et des laboratoires du gouvernement. Finalement, ces études peuvent servir aux organismes de réglementation pour mieux adapter les exigences de calcul. Les détails de construction qui ont fait preuve d'une vulnérabilité particulière aux séismes comprennent:
1. les plans de bâtiments qui comportent de grands espaces dégagés au rez-de-chaussée ou une répartition asymétrique des murs et des poteaux;
2. un mauvais assemblage des principaux éléments structuraux comme les poutres et les poteaux ou les murs et les toits;
3. de mauvais assemblages de la structure principale aux ouvrages accessoires ou aux composants intérieurs comme les cloisons, les plafonds suspendus, les supports d'équipement, les étagères, la machinerie et les ascenseurs;
4. les matériaux cassants dans les zones de contraintes élevées;
5. les sols de fondation meubles qui ont tendance à glisser ou à s'affaiser pendant un séisme.
Le calcul antisismique et les codes de construction
La majorité des exigences relatives au calcul antisismique s'inspirent de celles énoncées dans le Code national du bâtiment du Canada (CNB)7. Les exigences du Code pour un endroit donné reposent sur les mouvements du sol provoqués par un séisme dont l'intensité a une probabilité de dépassement de une fois en 100 ans. Il en découle un risque calculé analogue à celui qui entre dans le calcul de la résistance au vent.
Pour assurer aux bâtiments un degré minimal de résistance aux séismes, le Code précise certaines forces latérales à prendre en compte dans les calculs et certains détails de
construction. A la partie 4 du CNB, les exigences relatives aux effets des séismes dépendent de l'emplacement du bâtiment (c'est-à-dire de la zone sismique), du type de structure et des matériaux utilisés, du type de sol sur lequel reposent les fondations et de l'importance du bâtiment en cas de sinistre. Le commentaire J du Supplément n° 4 du CNB contient des renseignements sur les effets des séismes6. Le commentaire K traite d'une méthode d'analyse sismique plus détaillée applicable aux bâtiments de formes irrégulières pour lesquels les exigences du Code peuvent s'avérer insuffisantes.
En ce qui concerne les bâtiments à caractère résidentiel ou commercial de dimensions limitées visés par la partie 9 du CNB, les seules exigences relatives aux séismes sont celles qui
prescrivent la pose d'armatures dans la maçonnerie de manière à conférer une certaine
ductilité à un ensemble autrement cassant. On considère que les petits bâtiments à ossature de bois ou d'acier bien construits ont une capacité d'absorption d'énergie suffisante pour éviter l'effondrement.
Afin de stimuler la recherche et d'informer les ingénieurs des questions relatives à la
construction antisismique, le Conseil national de recherches a mis sur pied le Comité national canadien de génie sismique, auquel participent des experts provenant de l'industrie, des universités et des agences gouvernementales. Entre autres fonctions, ce comité émet des recommandations au Comité associé du Code national du bâtiment sur les questions relatives au calcul antisismique.
Conclusion
D'importants tremblements de terre se sont produits dans les régions voisines du fleuve St-Laurent, sur la côte ouest et dans le nord du pays et sont susceptibles de se reproduire. Afin de restreindre les risques de pertes de vies et de dommages matériels, la prudence exige de prévoir les conséquences d'un séisme éventuel et d'utiliser les principes du calcul antisismique. Les codes de construction comme le Code national du bâtiment du Canada renferment des exigences minimales à cet effet. En règle générale, on insiste sur la protection des personnes dans les bâtiments plutôt que sur la prévention de dommages structuraux. Si, dans certains cas, il semble pertinent de prévoir une meilleure résistance aux effets des séismes afin de parer à un danger particulier, il est permis et même conseillé d'adopter des mesures plus
rigoureuses.
Le domaine du génie sismique continue à progresser, de nouvelles observations de tremblements de terre destructifs et des études théoriques contribueront à améliorer les méthodes de calcul antisismique.
Références
1. Hodgson, J. H., There are Earthquake Risks in Canada. Canadian Consulting Engineer, Vol. 7, No. 7, July 1965, p. 42-51.
2. Hodgson, E. A., The Saint Lawrence Earthquake, March 1, 1925. Dominion Observatory Publications, Ottawa, Vol. VII, No. 10, 1950, p. 361-436.
3. Stevens, A. E. and W. G. Milne, Seismic Risk in the Northern Yukon and Adjacent Areas. Énergie, mines et ressources Canada, Division de la séismologie, Ottawa, juin 1973.
4. Série séismologique de la Direction de la physique du globe. Énergie, mines et ressources Canada. Ottawa.
5. Whitham, K., W. G. Milne, and W. E. T. Smith, The New Seismic Zoning Map for Canada, 1970. Canadian Underwriter, Vol. 37, No. 12, June 15, 1970, p. 3-26.
6. Commentaires sur la partie 4 du Code national du bâtiment du Canada. Supplément n° 4 du Code national du bâtiment du Canada 1977. Comité associé du Code national du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada, Ottawa, CNRC 15558F, 1977, 161 p.
7. Code national du bâtiment du Canada, 1977. Comité associé du Code national du bâtiment, Conseil national de recherches du Canada, Ottawa, CNRC 15555F, 1977, 374 p.
