Catastrophes naturelles
Les tremblements de terre

La prise en compte du risque sismique dans les constructions

par Guy BESACIER
Architecte- Ingénieur Conseil Indépendant
  1. Introduction
  2. La règlementation parasismique
  3. La conception architecturale parasismique
  4. La mise en oeuvre de qualité
  5. Ouvrages existants
  6. Conclusions
1 Introduction

Le risque sismique est lié à l'aléa sismique et à la vulnérabilité de la construction, raison pour laquelle une démarche globale de conception parasismique dans la construction doit être mise en place. Elle doit s'appuyer sur trois points :

  1. respect de la réglementation parasismique.
  2. conception architecturale parasismique.
  3. mise en œuvre soignée de la construction.

L'action sismique subie par une structure est directement proportionnelle à l'accélération qui lui est imposée par le sol et par sa propre masse.

On peut utiliser des appuis parasismiques appelés isolateurs pour réduire cette accélération.

On peut réduire la masse en utilisant un matériau ayant non seulement une masse volumique faible mais aussi en utilisant un matériau le plus performant possible celui possédant une contrainte spécifique élevée (rapport entre la contrainte de rupture et la masse volumique). Parmi les matériaux traditionnels, le bois arrive en tête devant l'acier et le béton armé, néanmoins avec l'apparition des matériaux composites un bond en avant sera franchi.

La limitation des effets de l'action sismique peut se faire par une démarche réfléchie en commençant par éviter le risque de résonance avec le sol et d'une manière générale en appliquant les trois principes de base de conception suivante :

  • rechercher à maximiser la capacité des constructions à stocker l'énergie.
  • rechercher à favoriser la capacité des constructions à dissiper de l'énergie.
  • rechercher à favoriser la résistance mécanique.


2 La réglementation parasismique.


L'application des règles parasismiques actuelles "Règles PS92" concerne le calcul des charges sismiques et les dispositions constructives.
Leur application est obligatoire pour toutes les constructions abritant des personnes, situées dans toutes les zones sauf 0.
C'est en général l'ingénieur du bureau d'études qui est chargé d'appliquer ces règles et de dimensionner les éléments en béton armé, acier, bois ou bien mixtes.

Il existe néanmoins les règles propres aux constructions parasismiques des maisons individuelles dites" PS-MI 89 révisées 92" qui permettent aux architectes de s'affranchir d'un bureau d'étude pour ce type d'ouvrage. Leur application est facultative et concerne un domaine assez restreint.
La philosophie des règles consiste à préserver les vies humaines ; avant tout, l'objectif est de prévenir les risques d'effondrement des planchers et des murs..

Les règles admettent éventuellement des dommages structuraux dans des éléments tels que les poutres mais surtout pas au niveau des poteaux sous peine d'effondrement.

Les règles PS92 imposent la prise en compte d'actions accidentelles "E" sous forme de forces statiques équivalentes fr horizontales et verticales à chaque niveau du bâtiment.
fr est fonction de la valeur du spectre de calcul R(T) = an.. RD(T) . r . t . et du coefficient de comportement q.

L'ordonnée du spectre de dimensionnement normalisé RD(T) est calculée à partir de la période de vibration de la structure T par rapport à un type de sol S.

Les informations nécessaires pour ce calcul sont donc :

  • la zone de sismicité du lieu à bâtir(0,Ia, Ib, II, III) exemple : Albertville en Savoie est en zone Ib c'est à dire avec une séismicité faible d'accélération nominale an = 2 m/s, la zone III correspondant aux Antilles.
  • la classe de risque de l'ouvrage(A, B, C, D) ; exemple : écoles et cinémas sont de classe C
  • le coefficient d'amortissement de la structure ( r ) qui est fonction du pourcentage d'amortissement critique du matériau (x); plus cette valeur est élevée, meilleur sera son comportement.
  • la topographie du terrain permettant de déterminer le coefficient multiplicateur (t) dit coefficient d'amplification topographique pour les ouvrages situés en rebord de crête.
  • le type de sol (S0, S1, S2, S3) en fonction de leurs propriétés mécaniques ; exemple : un sol de roches altérées du groupe b sur une épaisseur inférieure à 15m sera de type S1.
  • le coefficient de comportement (q) qui est fonction de la capacité de la structure à supporter des déformations plastiques; plus une structure dissipe de l'énergie d'oscillation meilleur sera son comportement ; exemple : q = 3 pour des panneaux d'ossature bois avec panneaux cloués.

Une fois cette action sismique R(T) calculée, on peut en déduire les déplacements de la structure en particulier en tête et contraintes dans les matériaux en particulier à la base et vérifier que ces valeurs restent inférieures à des valeurs limites imposées.

En fonction de la complexité de la structure, il est possible de passer soit :

  • par une méthode simplifiée dite "pseudo-statique" applicable aux bâtiments réguliers
  • par une autre méthode simplifiée dite de "Rayleigh" applicable aux bâtiments moyennement réguliers
  • par la méthode générale dite "analyse modale-spectrale"

Cette dernière méthode requiert généralement l'utilisation d'un logiciel de calcul tel que ROBOT ou EFFEL.

Le calcul aux séismes d'une structure ne la protège pas contre les grands mouvements de sol (effets induits par la secousse) qu'il convient d'éviter :

    • liquéfaction du sol
    • glissements de terrains
    • éboulement
    • effondrement
    • jeu de faille

L'étude de reconnaissance géotechnique du sol permet d'éviter les risques liés aux mouvements des fondations sous charge sismiques notamment :

    • les tassements
    • la dislocation
    • le glissement
    • le basculement


3 La conception architecturale parasismique

La conception architecturale parasismique n'est pas obligatoire mais son rôle est fondamental dans la résistance des constructions aux séismes.
Elle comprend trois volets :

  1. le parti architectural.
  2. le parti constructif.
  3. le contreventement.

3.1 Le parti architectural

La forme des bâtiments est l'élément le plus important car elle peut éviter des désordres graves voir la ruine totale de l'ouvrage même si les règles PS 92 ont été respectées.
La forme devrait être aussi simple, symétrique et régulière que possible pour éviter des contraintes dues à la torsion d'ensemble dévastatrices qui reste bien souvent un facteur majeur de ruine.
Il est souhaitable que les variations de rigidité soient progressives en plan et en élévation.
Il est préférable de fractionner les bâtiments à forme complexe par des joints parasismiques suffisamment larges afin d'éviter des collisions entre blocs voisins.
Les bâtiments en forme de L entraînent des concentrations de contraintes locales dans les angles qui peuvent être très néfastes.
Le principe de non-résonance entre le bâtiment et le sol pour éviter l'amplification de l'accélération impose que la période propre de vibration du bâtiment doit être différente de celle du sol, il est donc préférable de construire une structure souple sur un sol dur et inversement une structure rigide sur un sol mou (sauf en cas d'utilisation d'isolateurs).
Par exemple une tour flexible de plusieurs dizaines d'étages peut convenir sur un sol rocheux.
La position du centre de gravité devrait être la plus basse possible avec une distribution uniforme des masses.

Les éléments d'architecture doivent s'adapter à des dispositions particulières notamment en règle générale il est déconseillé :

- la présence de poteaux courts vulnérables aux charges sismiques (ex : rupture par des allèges rigides)
- des angles vifs aux changements de direction et intersection d'éléments porteurs.
- les variations brusques des sections.
- les percements trop importants dans les murs porteurs.

Il est préférable de créer des escaliers portés par des voiles ou à structure indépendante de l'ossature.
Les mezzanines pourront être aussi traitées par une structure légère et aussi indépendante.
Les baies d'ouvertures dans les façades seront plus favorables si elles sont superposées et de dimensions modérées.

Ces éléments d'architecture peuvent revêtir une importance primordiale dans le comportement dynamique de la structure s'ils sont mal positionnés ou mal dimensionnés.
Dans le même esprit, il ne faut pas négliger la fixation des éléments de façade ainsi que la résistance des cheminées comme cela a été le cas à Annecy où beaucoup se sont effondrées.

3.2 Le parti constructif

Il concerne le choix du système porteur et de sa disposition ; un choix judicieux va permettre de minimiser les coûts de la protection parasismique qui pour un ouvrage neuf ne devrait pas excéder 5% du prix du gros œuvre.

Effondrement des maisons en maconnerie de la
casbah de Dellys en Algérie le 20 mai 2003


L'efficacité du comportement parasismique est directement liée à la nature du système porteur : les structures métalliques conviennent bien en toute zone, de même les ossatures en bois et celles en béton armé de type voile.
Par contre certains systèmes tels que les maçonneries non chaînées ou non armées sont à proscrire, les portiques en béton armé avec murs de remplissage en maçonnerie ont quant à eux un comportement médiocre.
L'architecte devrait veiller à assurer une bonne continuité mécanique aussi bien verticalement grâce à une descente de charges en alignant les poteaux pour éviter l'effet baïonnette qui cisaille les poutres, qu'horizontalement en ancrant les planchers correctement dans les murs.
De même il devra favoriser la symétrie en plan et en élévation ainsi qu'une homogénéité dans les systèmes porteurs et les matériaux.
Un principe de base à respecter est de stocker et de dissiper de l'énergie en cherchant la redondance structurale c'est à dire un degré d'hyperstaticité maximal. La poutre sur deux appuis simples est à proscrire, il vaut mieux multiplier les appuis et les assemblages de type encastrement.
Une autre façon de dissiper l'énergie d'oscillation est de favoriser la ductilité aussi bien au niveau des matériaux qu'au niveau de la structure.

La solution "poteau fort - poutre faible" permet cette démarche.
Il est nécessaire aussi de se préoccuper de l'effet "poteaux courts" qui risqueraient d'être cisaillés et entraîneront l'effondrement des constructions situées dans les terrains en pente; par contre ils peuvent servir de fusible en vide sanitaire sur terrain plat.
Le système qui présente la meilleure sauvegarde des personnes pour un rez-de-chaussée avec éventuellement un étage reste la construction en murs porteurs à ossature bois avec une couverture légère. Il peut résister aux secousses très violentes sans dommages graves.

Structure à ossature poteaux-poutres
avec remplissage en maçonnerie.
Cisaillement des poteaux du rez-de-chaussée
transparent et effondrement en mille-feuilles.

Celui qui fait le plus de victimes dans le monde reste encore l'ossature poteaux-poutres en béton-armé avec un remplissage en maçonnerie de briques ou de parpaings. Sa fragilité est accrue surtout quand le ferraillage est insuffisant, quand le rez-de-chaussée est transparent pour installer des petits commerces et quand il n'y a pas de noyau de contreventement. C'est malheureusement le plus répandu car très économique, on le rencontre fréquemment en Algérie, au Maroc, en Turquie, en Espagne, au Portugal, en Inde et même en France…

3.3 Le choix du contreventement

Le contreventement permet d'assurer une stabilité horizontale et verticale de la structure lors des secousses qui, rappelons-le, ont des composantes dans les trois directions.
Le rôle du contreventement horizontal est de transmettre les actions latérales aux éléments verticaux appelées palées de stabilité.
Pour assurer le contreventement horizontal au niveau des planchers et des toitures faisant office de diaphragme rigide ne devra pas être affaiblis par des percements trop grands ou mal placés pouvant nuire à leur résistance et leur rigidité. Les diaphragmes flexibles devraient être évités pour combattre le déversement des murs notamment en maçonnerie.
Le contreventement vertical par palées devra répondre à des critères spécifiques tels que :

  • leur nombre : au moins trois palées non parallèles et non concourantes par étage.
  • leur disposition : elles seront situées le plus symétriquement possible par rapport au centre de gravité des planchers et de préférence aux angles avec une largeur suffisante.
  • leur distribution verticale : être régulière ; les palées seront de préférence superposées afin de conférer aux différents niveaux, une rigidité comparable aussi bien en translation qu'en torsion.
  • Les niveaux souples comme par exemple un rez-de-chaussée transparent d'un immeuble devront être contreventés correctement si possible par des voiles de cisaillement.

Une mauvaise disposition des palées de stabilité pourra entraîner des effondrements dus à des déformations trop importantes.

4 La mise en œuvre de qualité

Enfin sans une mise en œuvre de qualité de la part de l'entrepreneur, la construction par des points faibles au niveau de la qualité des matériaux ou par des assemblages d'éléments précaires peut s'effondrer comme cela a été encore le cas récemment dans des immeubles en Turquie en 1999 et en Inde en 2001 et en Algérie cette année.

Le respect des dispositions constructives impose un rôle des bureaux de contrôle très important pour les ouvrages publics et un rôle fondamental de l'architecte pour la conception notamment des maisons individuelles.

5 Ouvrages existants

Tout ce qui précède est valable pour les ouvrages neufs, en ce qui concerne les ouvrages existants c'est à dire la majorité, et notamment ceux construits avant l'apparition des règles les plus modernes dites "PS 92" (édition 1992), le problème est à la fois complexe au niveau politique, économique, juridique et technique.

5.1 Problèmes techniques

Avant de lancer des travaux, un diagnostic à deux niveaux devrait permettre de s'assurer de la faisabilité du projet.

Le prédiagnostic visuel qualitatif

Il s'effectuera par un expert en conception parasismique en observant la géométrie de l'ouvrage, il permettra de choisir la stratégie à suivre.
Si l'ouvrage présente des défauts trop importants, il faudra s'orienter soit vers sa démolition soit vers un renforcement de la structure ou une solution de protection.
Si l'expert estime que des travaux pourront améliorer son comportement dynamique, un diagnostic quantitatif devra être lancé.

Le diagnostic complet quantitatif

Dans le cas donc où le prédiagnostic a débouché sur une possibilité de corriger les défauts sans engager des frais inconsidérés, une campagne d'investigations, c'est à dire des reconnaissances au niveau de l'identification de la qualité des matériaux et de la géométrie des éléments en place sera engagée.

La valeur du diagnostic est donc directement lié à la qualité et à la position des sondages dont l'accès est parfois difficile voir impossible.
Les hypothèses de calcul seront parfois pessimistes par défaut pour aller dans le sens de la sécurité, malgré que cela pénalise le montant de l'opération.

Intervenir en renforcement sur un ouvrage existant suppose connaître par simulations informatiques et par des mesures in-situ son comportement dynamique avant renforcement pour estimer sa réponse et après renforcement pour valider l'efficacité des travaux à envisager.

Cette phase de diagnostic est très délicate à gérer.
Elle passe par une collaboration étroite entre les ingénieurs en mécanique des sols et ceux en mécanique des structures.

Les solutions

Deux stratégies peuvent permettre d'aborder la réduction des effets d'une secousse :

  1. Soit intervenir dans la structure localement.
  2. Soit intervenir sur la structure au niveau global.

L'intervention dans la structure localement restera une protection dans une zone déterminée réduite.
Cela consisterait à réaliser des refuges parasismiques au sein des constructions. Ce concept est en cours d'étude afin de résoudre la protection des occupants sans intervenir en renforcement de structure proprement dit. Elle entre dans la politique actuelle du gouvernement par la création d'espaces de confinement vis à vis des risques majeurs.
L'intervention sur la structure au niveau global engagera des travaux lourds qui devront être validés techniquement et économiquement.
La gestion des incertitudes du diagnostic doit être prise en compte dans l'établissement des scénarios de renforcement qui s'orienteront vers l'autre stratégie consistant à envisager deux solutions :

  1. Réduction des charges sismiques (isolateurs, dissipateurs, réduction des masses)
  2. Amélioration des performances, résistance et (ou) rigidité de l'ouvrage.

Les techniques de renforcement actuellement disponibles sont classées par objectif et technologie :

  • Traitement du sol (injection, micropieux, vibroflottation, cloutage etc.)
  • Renforcement par addition ( chaînage, mur de contreventement, contrefort etc.)
  • Augmentation de section et confinement ( béton projeté, composite collé, chemisage et corsetage acier etc.)
  • Réalisation d'ancrages (plancher-chaînage, charpente-chaînage, fondation-ossature)

5.2 Problème juridique

Comme la réglementation en vigueur est encore floue sur le calcul de renforcement de ces ouvrages et les responsabilités ne sont pas encore bien définies, les bureaux d'études susceptibles d'intervenir en expertise sont frileux.

5.3 Problème politique car la décision devrait être éclairée par trois aspects :

L'aspect de la perte humaine liée au nombre de victimes concernées (fonction de la classe de l'ouvrage et de l'heure d'occupation).
L'aspect de la perte financière liée à la perte d'exploitation et au coût des travaux de réparation.
L'aspect du niveau d'endommagement ayant des conséquences sur les conditions d'exploitation.

Pour illustrer le contexte actuel, comment est pris en compte le risque sismique aux Antilles ?

L'aléa étant très important (zone III), la décision a été prise de commencer par renforcer les ouvrages de classe C et D ( écoles, hôpitaux, centre de communications, réservoir d'eau, etc.) ; sachant que si demain un séisme comparable à celui de 1843 se produit, la majorité des victimes, estimés à plusieurs milliers à Point à Pitre d'après le rapport du BRGM Juin 2001, seraient issues principalement de logements d'habitation collective et de maisons individuelles (classe B et C). C'est un choix politique lié à un aspect économique.

5.4 Problème économique

C'est celui qui malheureusement prime bien souvent devant tous les autres problèmes simplement parce que la quantité d'ouvrages construits avant la prise de conscience de ce risque, est tellement importante en que le montant des travaux pour réduire leur vulnérabilité sera considérable.
Il devra donc s'étaler sur des décennies si d'autres priorités ne viennent pas s'intercaler ; notons que les inondations graves qui se sont produites récemment préoccupent plus les pouvoirs publics et les sociétés d'assurance que les séismes car comme souvent les problèmes sont traités dans l'urgence quand ils se produisent faute d'avoir joué la politique de la prévention.
Espérons que pendant ce laps de temps, la croûte terrestre restera stable dans nos régions françaises y compris aux Antilles..

6 Conclusions

Le choix d'un bon site sur un bon sol avec des fondations adaptées, tout en respectant les mesures de prévention imposées et celles recommandées, permettra de limiter les dommages en cas de secousse.
L'établissement des "Plans de Prévention des Risques Sismiques", l'application des "Règles PS92" ainsi que l'utilisation du "Guide AFPS de conception Parasismique des Bâtiments" devraient commencer à résoudre en partie cette question.
Malheureusement les études de sol ne sont pas obligatoires sauf pour les ouvrages publics et le nombre d'architectes et d'ingénieurs sensibilisés à la conception parasismique reste encore trop faible en France.
Un effort devrait être fait aussi bien au niveau de la prise de conscience de ce risque par chaque citoyen qu'au niveau de l'aménagement du territoire par les pouvoirs publics.


Rédaction Guy BESACIER
Architecte- Ingénieur Conseil Indépendant

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