GUIDE AFPS
publié avec le soutien du Ministère de !'Aménagement du Territoire
et de !'Environnement (MATE/DPPR /SDPRM)
Siège social et secrétariat : 28, rue des Saints-Pères 75343 PARIS Cedex 07-
Tél. 01 44 58 28 40 Fax 01 44 58 28 41- E-Mail: afps@mail.enpc.fr -
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association déclarée (loi du 1"' juillet 1901) sans but lucratif- non inscrite au registre du commerce - siret 330631565 00026--APE 731Z
ISBN n° 2-911709-12-8
AFPS, 28 rue des Saints-Pères, 75343 Paris Cedex 07 tél. 01 44 58 28 40 - fax 01 44 58 28 41 - E-mail: afps@mail.enpc.fr
FEVRIER 2002
Le Groupe d ' Études du Risque Spécial, dénommé GERS, lieu de concertation entre industriels, MATE, DRIRE et experts AFPS, a établi en 1995 un document intitulé « GUIDE POUR LA JUSTIFICATION DE LA SECURITE DES PONTS DE TUYAUTERIES OU "RACKS" VIS-A-VIS DES ACTIONS SISMIQUES».
La première partie du document précité a été rédigée volontairement dans un style provocateur, de manière à susciter un débat de fond sur trois principes considérés comme fondamentaux :
• prééminence du retour d'expérience : préférer une bonne conception et réalisation, lorsqu'elles sont confirmées par le retour d'expérience, aux calculs, dont la représentativité et la précision dans le domaine parasismique sont trop souvent surestimées,
• continuité entre risque normal et risque spécial : utiliser, pour un grand nombre d'éléments concourant à la sûreté des installations industrielles relevant du risque spécial, les mêmes règles que pour l'industrie courante mais avec des coefficients de sécurité plus élevés,
• simplicité : privilégier les calculs simples résultant de méthodes statiques, parce qu'ils sont au moins aussi représentatifs de la réalité, du point de vue de l'identification des modes de ruine que les calculs dynamiques et qu'ils présentent l'avantage d'être faciles à contrôler.
Le guide précité, rédigé sous la forme d'un nouveau chapitre des Recommandations AFPS 90, a été proposé aux membres du CST.
Les innovations nécessaires pour adapter le cadre général des Recommandations AFPS à ce cas de figure ont amené le CST à préconiser, lors de sa réunion du 16 mai 2000, de ne pas inclure tel quel ce projet dans un prochain tome des Recommandations AFPS.
Le présent document est conçu dans l'esprit des Recommandations AFPS, tout en tenant compte des directives de l'Arrêté du 10 mai 1993 fixant les règles parasismiques applicables aux installations classées pour la protection de l'environnement et des commentaires émis par des membres du GERS et du CST.
Le mouvement sismique de calcul est défini par les textes applicables en la matière selon la nature des ouvrages. Ce guide sera actualisé lors de l'adoption des Eurocodes correspondants.
S'agissant d'un premier document de ce type, les auteurs l'ont volontairement rendu pratiquement autoportant pour faciliter son application. Il est bien entendu que, dans le cas où d'autres guides seraient rédigés sur les mêmes bases, il conviendrait d'élaborer des règles communes, suivies des recommandations propres à chaque type d'ouvrage.
Ce guide a été approuvé le 19 juin 2001 par le GERS et le 4 juillet 2001 par le CST.
Le Président de I' AFPS Le Président du CST Wolfgang JALIL Pierre-Yves BARD
Ce guide a été élaboré par le Groupe d' Etudes du Risque Spécial, dénommé GERS, auquel ont participé :
Animateur: M.Jacques BETBEDER-MATIBET
M. DIEY M. CHAMPEIX M.ROUXEL
M.Marc BOUCHON M.Fabrice COTTON M. Gabor CZITROM M.Olivier DENOUX M. Michel DEMORTIER M. Nima EDJTEMAI Mme Jacqueline FOGLIENI M. Jean GABEN M. Pierre GOUTORBE M. Wolfgang JALIL M. Sylvain LAVARENNE M. Pierre MOUROUX M. Alain PECKER M. Alain PIERRAT M.Pascal POURCEL M.Pierre SOLLOGOUB M. Joseph UNGER Mme Valérie VERDIER M.Mures ZAREA
Expert
Expert
Direction de la DRIRE
CEA- IPSN LGIT Expert GDF - DT CEOS - Dpt Gaz liquéfié
RHODIA I RHODITECH DYNALIS TECHNIP - COFLEXIP TOTAL Raffinage - Distribution
ATOFINA- Centre Technique
GEODYNAMIQUE§ STRUCTURE
UIC
KREBS - SPEICHIM CEA -DEN Saclay - EMSI ELF - ANTARGAZ KREBS - SPEICHIM GDF- DETN
La rédaction de ce document a été enrichie des observations et avis de:
M. Philippe BISCH SECHAUD et METZ M. Jean-François SIDANER COGEMA
L'illustration en couverture est due à Monsieur Michel DEMORTIER, RHODIA I RHODITECH.
1.
7
Guide AFPS "Racks"
Le guide proprement dit est accompagné de commentaires donnés en italiques à la fin des paragraphes concernés.
SOMMAIRE
o. AVANT-PROPOS..........................................................................
1.2.1. Règles applicables à l'ensemble des éléments d'une installation industrielle ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2. Règles applicables aux racks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2.1. Racks appartenant à la catégorie dite à risque normal . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2.2.2. Racks appartenant à la catégorie dite à risque spécial . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3. Choix des méthodes d'analyse et définition des critères
pour assurer le bon comportement................................................ 8 1.3.1. Cas du risque normal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3.2. Cas du risque spécial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2. DOMAINE D'APPLICATION ........................................................ 9
3. DOCUMENTS DE REFERENCE .................................................. 9
4 DEMARCHE DE VERIFICATION . ........................ ........................ 9
5. ACTION SISMIQUE .................................. ..................... ............. .. 10 5.1. Mouvement sismique de calcul .................................................... . 10 5.2. Spectres élastiques normalisés ................................................... . 11 5.2.1. Spectres ...................................................................................... . 11 5.2.2. Correction d'amortissement ......................................................... . 12 5.3. Spectres de dimensionnement normalisés .................................. . 12 5.4. Classification des sols ................................................................. . 14 5.5. Classification des sites ................................................................ . 15 5.6. Paramétrage des spectres ........................................................... . 16 5.6.1. Spectres élastiques normalisés ................................................... . 16 5.6.2. Spectres de dimensionnement normalisés .................................. . 17 5.7. D.1scon 1nu1 e mecan1que "t,t" , . ............................................................. . 18 5.8. Vitesse absolue des points du sol ............................................... . 18 5.9. Déplacements .............................................................................. . 19 5.9.1. Déplacements absolus horizontal DM (H) et vertical DM (V) ........ . 19 5.9.2. Déplacement différentiel [ d] ......................................................... . 19
6. METHODES D'ANALYSE ........ ....................... ....... ...................... 20
6.1. Principes généraux et hypothèses . . . .. . . . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 6.1.1. Principes généraux ......... . . ............... ... ................ ......... .... . . . ... ...... . 20 6.1.2. Hypothèses de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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7.
Guide AFPS "Racks"
6.2. Bases de la modélisation et de la conduite dù calcul . ........ ..... ..... 20 6.2.1. Masses . ......... ....... .................... ...... .......... ....... ............................. 20 6.2.2. Liaisons .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
6.2.3. Amortissement [Ç] .................... .... ..... ..... ....................................... 21 6.2.4. Périodes propres et non - linéarités .. . ..... ... . . . . .. . ... . ..... ..... .. ...... .. . ... 21 6.3. Méthode monomodale .................................................................. 21 6.3.1. Principe ..... ... ...... .. . . . . . . ........ ............... ... .... .. . ............. ... .. ..... .. ........ 21 6.3.2. Domaine d'application ............. ........ ... . . . . . . . . ............. ... . . ..... ... ........ 22 6.3.3 Méthode d'analyse........ ... . ..... .... ....................... .... . ...... ..... ....... ...... 22 6.3.3.1 Composante longitudinale du séisme............................................ 22 6.3.3.2 Composante transversale du séisme .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.3.3.3 Composante verticale du séisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.4. Méthode générale .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.4.1. Principe . ......................... ................ . ............................................ 23 .
6.4.2. Modélisation des fondations . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 6.4.3. Conduite pratique de la méthode générale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.4.3.1. Sélection des modes .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 6.4.3.2. Combinaison des réponses modales . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 6.5. Calcul des effets de déformation imposée .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6.5.1. Déformation imposée aux racks par les déplacements
différentiels entre points fixes extérieurs aux racks . ... ......... .... ....... 27 6.5.2. Déformation imposée aux tuyauteries par les déplacements
différentiels entre points fixes extérieurs aux racks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 6.6. Coefficient de comportement [q] ............................... ...... .. ...... .... .. 28 6.6.1. Règles de base ...... .. . . . . . . . ... . .............. .. . ............ ...... .... ... . . . ...... ....... 28 6.6.2. Valeurs du coefficient de comportement [q] ....... .................. .. ....... 28 6.7. Limitation pour effets du second ordre ....... ....... .............. ... .. . ... 29 ... .
6.8. Combinaisons des composantes du mouvement sismique .. . . . . . . . 31
CALCULS JUSTIFICATIFS DE L'OUVRAGE ................................ 31
7.1. Combinaisons d'actions .................... ......................... ..... ............. .... 31 7.2. Combinaisons d'actions à considérer pour le calcul ......... .. ... .......... 31 7.2.1. Racks définis aux paragraphes 1. 3.1................................................ 31 7.2.2. Racks définis au paragraphe 1.3.2. . . .............. ...... ...... ..... ...... ........ ... 32 7.3. Sécurité vis-à-vis des états limites ultimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
.7.4 Sécurité vis-à-vis des déformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
8. DISPOSITIONS DE CONSTRUCTION ........................................... 33
A1 ANNEXE 1 : ARRETE du 10 MAI 1993 ......................................... 35
A2. ANNEXE 2: CIRCULAIRE DPPR/SEl /HB/MF du MATE
en date du 27 MAI 1994 ................................................................ 39
A3 ANNEXE 3: ARTICLES 11.3et 13.5à13.7
de la NORME NF P 06·013 ............................................................ 50
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Guide AFPS •Racks•
O. AVANT PROPOS
La réglementation française a toujours traité les ouvrages appartenant aux catégories dites à risques normal et spécial selon des méthodes totalement différentes.
L'objet du présent guide est d'offrir un texte spécifique et unique sur lequel s'appuyer dans l'établissement de projets parasismiques de ponts de tuyauteries (désignés ci­ après par le terme "racks"}, en l'absence d'un document réglementaire ou normatif.
Ce guide est pratiquement autoportant. C'est la raison pour laquelle les recommandations propres aux racks ne représentent qu'une petite partie du présent document. Ce dernier s'inspire principalement du " Guide AFPS 92 pour la protection parasismique des ponts ".
Le présent document introduit des innovations par rapport à la pratique utilisée jusqu'à présent. Il convient de garder ces remarques présentes à l'esprit en l'appliquant.
Après une période probatoire, ce document sera revu, corrigé et complété, en tenant compte des observations émises par les utilisateurs à l'occasion des premières applications.
1. PRINCIPES GENERAUX
1.1. Principes
Les racks sont des équipements très répandus dans les installations industrielles. Ils sont constitués par des structures métalliques ou en béton. Les tuyauteries reposent généralement sur les racks soit en support libre, soit en support guide, soit en point fixe.
Les racks doivent respecter les dispositions prises pour assurer la compatibilité des déformations des tuyauteries et des équipements.
On dispose d'un retour d'expérience important sur leur comportement pendant les séismes, qui montre qu'en général les racks bien conçus et réalisés supportent sans dégâts notables des secousses sismiques de fort niveau.
1.2. Détermination des catégories et des exigences de comportement
1.2.1. Règles applicables à l'ensemble des éléments d'une installation industrielle
Sur la base de l'étude de danger d'une installation industrielle, l'exploitant détermine la liste des éléments appartenant à la catégorie dite à risque normal (pour lesquels les conséquences d'un séisme demeurent circonscrites à leurs occupants et à leur voisinage immédiat} et ceux appartenant à la catégorie dite à risque spécial ( pour lesquels des dommages même mineurs à ces ouvrages résultant d'un séisme peuvent avoir un effet au-delà de ce voisinage immédiat}.
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Guide AFPS "Racks"
Conformément à la circulaire référencée DPPR/SEl/HB/MF du 27mai 1994 du Ministère de I' Environnement, les éléments appartenant à la catégorie dite à risque spécial sont ensuite classés selon l'une des exigences de comportement suivante :
• stabilité imposée aux éléments pour lesquels il suffit de prévenir le risque d'effondrement ou de chute de certaines parties pour éviter d'endommager des équipements ou structures adjacentes.
• intégrité imposée aux éléments qui doivent maintenir certaines fonctions passives (par exemple l'étanchéité d'une paroi}.
• capacité fonctionnelle pour les éléments mécaniques statiques traversés par un fluide et pour lesquels une limitation de déformation doit être assurée afin de garantir qu'il n'y a pas, par exemple, de réduction de débit ou, plus généralement, de gêne à l'accomplissement de la fonction de sécurité.
• opérabilité imposée aux éléments qui doivent maintenir certaines fonctions actives (par exemple la capacité de fermeture d'une vanne).
1.2.2. Règles applicables aux racks
1.2.2.1. Racks appartenant à la catégorie dite à risque normal
Les racks supportant des tuyauteries reliant des éléments appartenant à la catégorie dite à risque normal devront répondre à l'exigence de comportement de stabilité.
1.2.2.2. Racks appartenant à la catégorie dite à risque spécial
Les racks appartenant à la catégorie dite à risque spécial sont cités comme éléments de supportage à l'article 5 de l'arrêté du 10 mai 1993. Ils font partie des éléments considérés comme importants pour la sûreté aussi bien pour prévenir les causes d'un accident que pour en limiter les conséquences.
Ils sont classés selon les exigences de comportement de stabilité et de capacité fonctionnelle.
1.3. Choix des méthodes d'analyse et définition des critères pour assurer le bon comportement
1.3.1. Cas du risque normal
Les racks appartenant à la catégorie dite à risque normal peuvent être conçus puis vérifiés par l'approche par analyse linéaire équivalente avec usage de coefficients de comportement.
1.3.2. Cas du risque spécial
Les racks appartenant à la catégorie dite à risque spécial peuvent être conçus puis vérifiés par une étude particulière. Il conviendra dans ce cas de définir les critères pour assurer le bon comportement des éléments concernés.
C. 1. 3. 2. Selon les critères exigés pour assurer le comportement précité, les racks seront conçus puis vérifiés, soit par une analyse élastique, soit par une approche par analyse linéaire équivalente avec usage de coefficients de comportement (dont les valeurs seraient inférieures ou égales à celles déterminées pour le risque normal).
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Guide AFPS "Racks"
2. DOMAINE D'APPLICATION
Le présent guide vise la protection au séisme de tout type de rack. Il définit les prescriptions complémentaires auxquels les racks doivent satisfaire en sus des règles normales pour que les objectifs définis à l'article 1 puissent être atteints avec une fiabilité jugée satisfaisante.
3. DOCUMENTS DE REFERENCE
• Guide AFPS 92 pour la protection parasismique des ponts. • Norme Française NF P 06-013: Règles de construction parasismique - Règles
PS applicables aux bâtiments, dites Règles PS 92.
• Arrêté du 1O mai 1993 fixant les règles parasismiques applicables aux installations soumises à la législation sur les installations classées.
• Circulaire du 27 mai 1994 référencée DPPR/SEl/HBIMF émanant du Ministère de !'Environnement - Direction de la Prévention des Pollutions et des Risques - Service de !'Environnement Industriel, ayant pour objet les installations classées pour la protection de l'environnement.
• Codes de dimensionnement. Ils sont généralement indiqués dans les documents de marché. Le code ASME 831.3 est souvent utilisé.
4. DEMARCHE DE VERIFICATION
La démarche de vérification du projet comprend généralement : • des investigations géotechniques. • des vérifications de résistance aux états limites ultimes. • des vérifications des déplacements et des déformations aux états limites
ultimes. • le contrôle des dispositions constructives.
C.4. : Le présent commentaire a pour objet de proposer le détail d'une telle démarche:
a) Investigations géotechniques : outre les investigations géotechniques habituelles, il s'agit notamment de reconnaitre le risque de liquéfaction des sols selon les prescriptions de la norme NF P 06-013. La réalisation d'un ouvrage dans un site exposé aux risques de liquéfaction conduit à
la nécessité de traiter le sol de fondation, selon les prescriptions des documents précités.
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Guide AFPS "Racks"
b) Vérifications des capacités de résistance : elles sont faites aux états limites ultimes pour la combinaison d'actions correspondant à la situation sismique exigée pour tous les racks.
Le marché spécifiera le contenu des vérifications supplémentaires à faire dans des cas particuliers, notamment les vérifications aux états limites ultimes des déplacements et des déformations.
c) Vérifications des déplacements relatifs : il s'agit de s'assurer contre les désordres qui pourraient résulter des déplacements relatifs des éléments constitutifs de l'ouvrage (exemple : désordres résultant des déplacements relatifs de la tuyauterie, des racks et des éléments ). Ces vérifications sont effectuées aux états limites ultimes.
d) Dispositions constructives : la conformité des dispositions constructives aux principes d'une bonne conception et aux règles de l'art sont de nature à conférer à la structure une ductilité adéquate. Le respect de ces règles est fondamental. En effet, il ressort de l'examen des ouvrages ayant eu à subir des séismes significatifs que nombre de défaillances sont imputables à des insuffisances de dispositions constructives plutôt qu'à un défaut de résistance ou à des carences dans la vérification du projet.
5. ACTION SISMIQUE
5.1. Mouvement sismique de calcul
L'action sismique résulte des mouvements du sol qui sont pris en compte sous deux aspects: • une translation d'ensemble (tous les points du sol se déplacent en phase) dans
chacune des trois directions de l'espace; • un déplacement différentiel entre points du sol dans chacune des trois directions
de l'espace; ce déplacement différentiel dépend de la distance entre les points et des caractéristiques géotechniques et topographiques du site.
Pour le mouvement sismique de calcul, la translation d'ensemble est définie par : • l'étude de l'aléa sismique, lorsqu'elle est exigée par la catégorie dite à risque
spécial de l'installation considérée, • le paramètre [aN ], un spectre de réponse horizontal et un spectre de réponse
vertical définis aux paragraphes 5.2 et 5.3, dans les autres cas.
Le déplacement différentiel entre points du sol est défini par le même paramètre [aN] et les spécifications du paragraphe 5.9.2.
Les spectres normalisés définis en 5.2 et 5.3 sont à multiplier par [aN] pour les composantes horizontales et [ 0,7 a N] pour la composante verticale.
C.5.1. Dans le cas où le paramètre [aN] est utilisé, la classe du rack sera celle de l'installation industrielle considérée, sauf spécification contraire du marché.
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[is]
r;]
M !
Guide AFPS "Racks"
5.2.1. Spectres
Les spectres élastiques normalisés sont donnés pour la valeur 5 % de l'amortissement relatif et rapportés à la valeur unité de l'accélération nominale.
Leur forme générale est représentée par la figure C.5.2.1. Elle répond à la définition analytique suivante, dans laquelle les ordonnées sont des nombres sans dimension:
Arc BC : Re (T) =
Arc CD: Re (T) = [ Arc DE : RE (T) = [ J [ J Les paramètres intervenant dans cette définition dépendent du site (voir 5.6. ).
C. 5. 2. 1. : L'allure générale de ces spectres est donnée par la figure ci-dessous :
R .... . B C
RA Al Période (s)
Pour certains types de calcul (prise en compte d'un mode résiduel), il peut être nécessaire de définir une fréquence de coupure, dont la considération modifie l'allure des spectres dans la région des très courtes périodes. Cela revient, sur la figure précédente, à décaler légèrement vers la droite le point A qui passe de la période O à la période 0.03 s (correspondant à la fréquence de coupure 33 Hz); l'arc AB du spectre est remplacé par :
• un palier à accélération constante :
RE (T) =RA pour Os T s0,03 s • un segment montant :
T-o,o3RE (T) =RA+ (RM- RA) pour 0,03 s T Ta Tn-0,03
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\)71(2+
c
Guide AFPS "Racks"
5.2.2. Correction d'amortissement
Lorsqu'il est fait usage d'un spectre élastique pour le calcul d'un ouvrage (calcul linéaire) et que l'amortissement relatif est différent de 5 %, les ordonnées du plateau BC et des branches descendantes CD et DE sont à multiplier par le rapport [p] fonction de [Ç] , amortissement exprimé directement en % :
p = Ç)
la branche AB étant modifiée de manière à conserver le point A à sa position initiale.
Sauf s'il est fait usage de dispositifs mécaniques, auquel cas des justifications particulières sont nécessaires, la correction est limitée à :
0,5 $; ç $; 30
C.5.2.2. : Les valeurs de [t;J pour les matériaux usuels sont définies à l'article 6.2.3.
La figure ci-dessous illustre l'atténuation de la réponse quand l'amortissement excède 5%.
Périooe (s)
5.3. Spectres de dimensionnement normalisés
En cas d'approche de comportement post-élastique par un calcul élastique équivalent (utilisation du coefficient de comportement q > 1) (voir 6.6.), le spectre élastique normalisé défini en 5.2.1., est remplacé par le spectre de dimensionnement normalisé défini ci-après.
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Guide AFPS "Racks"
Les spectres de dimensionnement normalisés sont donnés pour la valeur 5 % de l'amortissement relatif et rapportés à la valeur unité de l'accélération nominale.
Leur forme est représentée par la figure C.5.3. Elle répond à la définition analytique suivante:
Arc A'C: Ro {T) = RM
Arc CD': Ro (T) = RM
Arc D'E' : Ro (T) = RM
Le paramètre [RM] et les ordonnées [R0{T)] sont des nombres sans dimension.
La correction de l'amortissement s'effectue en multipliant les ordonnées du spectre normalisé par le coefficient [p] défini en 5.2.2.
C. 5. 3. : Les spectres de dimensionnement dérivent des spectres élastiques normalisés en remplaçant la branche ascendante AB de ces derniers par un palier horizontal prolongeant le palier BC et par un relèvement des ordonnées des branches descendantes.
Par rapport au spectre élastique, le spectre de dimensionnement ne comporte qu'un palier horizontal aux faibles périodes et une branche grandes périodes au dessus du spectre élastique, comme l'illustre la figure ci-dessous :
Période (s)
5.4. Classification des sols
Pour définir des sites-types, on classe les sols selon quatre groupes, en fonction de leurs propriétés mécaniques, comme indiqué ci-après :
• Rocher sain, ·Groupe a: sols de résistance bonne à très bonne (par exemple sables et
graviers compacts, marnes ou argiles raides fortement consolidées),
·Groupe b: sols de résistance moyenne (par exemple roches altérées, sables et graviers compacts moyennement compacts, marnes ou argiles de raideur moyenne),
•Groupe c: sols de faible résistance (par exemple sables ou graviers lâches, argiles molles, craies altérées, vases).
C. 5. 4.: La connaissance de l'un ou plusieurs des paramètres figurant dans le tableau ci-dessous permet d'asseoir le classement sur une base objective :
Grille d'identification des sols
Vitesse des ondes Pénétro- SPT Pressiomètre Résis- Densité Indice Vitesse
Mètre tance relative de des Sous la Hors nappe TYPE statique; Nombre Module Pression Compres- compres- ondes nappe
résistance de limite sion si on de DE SOL coups simple cisaille-
ment (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (%) Cc (mis) (mis) (mis)
Rochers Rochers sains et > 100 >5 > 10 >800 >2500 craies dures
Sols granulaires >15 >30 >20 >2 >60 > 1800 >800 Sols de compacts bonne
àtrès Sols cohérents >400 bonne (argiles ou >5 >25 >2 >0,4 <0,02 > 1800 résistance marnes dures)
50 300 400 Rocher altéré ou à 2,5 à 5 1à10 à à fracturé 100 800 2500 Sols granulaires 1500 500
Sols de moyennement 5 à 15 10 à30 6 à20 là2 40à60 à à résistance 150 1800 800 mécanique Sols cohérents 0,02 à 1000 moyenne moyennement 1,5 à 5 5à25 0,5 à 2 0,1à0,4 à 400 à
consistants et 0,10 1800 craies tendres
Sols granulaires < 5 < 10 <6 <1 <40 lâches
Sols de Sols cohérents < 150 < 1500 < 500 faible mous (argiles < 1,5 <2 <5 <0,5 <0,1 >0,10 résistance molles ou vases) mécanique et craies altérées
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On considère quatre types de sites selon les descriptions suivantes :
·Sites So: - site rocheux (site de référence), - sols du groupe a en épaisseur inférieure à 15 m ;
·Sites S1 : - sols du groupe a en épaisseur supérieure à 15 m, - sols du groupe b en épaisseur inférieure à 15 m ;
·Sites S2: - sols du groupe b en épaisseur comprise entre 15 et 50 m, - sols du groupe c en épaisseur inférieure à 10 m ;
·Sites S3: - sols du groupe b en épaisseur supérieure à 50 m, - sols du groupe c en épaisseur comprise entre 10 et 1 OO m.
Dans le cas de sites comportant des sols du groupe c en épaisseur supérieure à 1OO m, il convient de procéder à une étude particulière en vue de déterminer un spectre spécifique.
Ces descriptions supposent que les sols en cause sont disposés en formations à peu près régulières. Dans le cas de formations irrégulières ou lenticulaires, ou en cas d'ambiguïté, il convient de procéder à l'assimilation qui, compte tenu de la forme des spectres ci-dessous et des périodes propres de la structure, va dans le sens de la plus grande prudence.
C. 5. 5. : Les profils des sites sont schématisés ci-dessous :
0
30
h(m)
L'attention est attirée sur le fait qu'un spectre peut être plus défavorable qu'un autre dans une certaine bande de périodes et plus favorable dans une autre bande.
-15-
5.6. Paramétrage des spectres
5.6.1. Spectres élastiques normalisés
Les spectres associés au site Si sont désignés par (S;). Les paramètres de définition des spectres T8, Tc. T0, RA et RM des articles 5.2.1. et 5.3. dépendent du site. Leurs valeurs sont données dans le tableau ci-après.
TYPE DE SITE
Ts Tc To RA
So S1 S2 $3
0,15 0,20 0,30 0,45
0,30 0,40 0,60 0,90
2,67 3,20 3,85 4,44
1,0 1,0 0,9 0,8
2,5 2,5 2,25 2,0
Pour la composante verticale du séisme, dans le cas des sites de type 82 ou 83, les arcs descendants CD et DE du spectre sont remplacés par ceux du spectre 81.
C. 5. 6. 1. : Les spectres élastiques normalisés associés à ces sites types ont pour représentation graphique celle que donne la figure ci-dessous et pour paramétrage celui que récapitule le tableau qui lui fait suite :
Composante horizontale
Sa
S1
S2
S3
RE(T) = 0,9 + 4,5 T
5.6.2. Spectres de dimensionnement normalisés
Pour la composante verticale, le spectre de dimensionnement normalisé est le même que le spectre élastique normalisé défini en 5.6.1.
Pour les composantes horizontales, les valeurs des paramètres de définition Tc.
T0 et RM sont données dans le tableau ci-après :
Type de site Tc (s) To (s) RM
Sa S1 S2 S3
0,30 0,40 0,60 0,90
2,67 3,20 3,85 4,44
2,5 2,5 2,25 2,0
C.5.6.2. : Les spectres de dimensionnement pour les composantes horizontales associés à ces sites types ont pour représentation graphique celle que donne la figure ci-dessous et pour paramétrage celui que récapitule le tableau qui lui fait suite:
Spectres de dimensionnement
- 17 -
1
Type de site Plateau Arc CD' Arc D'E'
So Ro (T) = 2,5 Ro (T) = 1, 12/T 213 Ro (T) = 2,99/T 513
St Ro (T) = 2,5 Ro (T) = 1,36/T 213 Ro (T) = 4,34/T 513
S2 Ro (T) = 2,25 Ro (T) = 1, 60/T 213 Ro (T) = 6, 16/T 513
S3 Ro (T) = 2
5.7. Discontinuité mécanique
Dans le cas où l'on a plusieurs sites différents à considérer pour un même ouvrage, le mouvement d'ensemble à retenir pour l'ouvrage est obtenu en combinant, au moyen d'une méthode scientifiquement validée, les mouvements des différents sites. A défaut, l'enveloppe des spectres des différents sites peut être retenue.
C. 5. 7. : Il y a discontinuité mécanique lorsque les sols présentent des différences géotechniques significatives sous les divers appuis d'un même ouvrage.
5.8. Vitesse absolue des points du sol
SPECTRE So S1 S2 S3
VM (mis) 0,06 0,08 0,10 0, 12
[VM] est la vitesse maximale d'un point à la surface du sol pour une accélération unité
(1 mfs2).
- 1 8 -
= Dù1+D'f:t.2
5.9.1. Déplacements absolus horizontal DM ( H ) et vertical DM ( V )
S a S1 S2 S3
LM (m) DM (H) (m) DM (V) (m)
600 0,03 0,02
500 0,05 0,04
400 0,07 0,06
300 0,09 0,08
[LM (m)] est la distance au-delà de laquelle les mouvements de deux points peuvent être considérés comme indépendants.
Les déplacements [DM] sont donnés pour une accélération unité (1 m/s2).
5.9.2. Déplacement différentiel [d]
Sur un site sans discontinuité mécanique accusée, le déplacement différentiel maximal [d] entre deux points distants de [X] est égal à:
si X< LM avec
si X= LM
Le déplacement différentiel [d] est donné pour une accélération unité (1 m/s2).
Les valeurs de [ri] selon le site sont données ci-dessous:
SITE So S1 S2 S3
104ri 104ri
2,5 2,1
4,2 3,8
Dans le cas où les deux points appartiennent au même type de site, mais sont situés de part et d'autre d'une discontinuité topographique accusée, en absence d'une démarche appropriée définie au marché, la valeur de [d] est à majorer de 50 %.
Dans le cas où les deux points sont situés de part et d'autre d'une discontinuité mécanique, le déplacement différentiel [d] se calcule par la formule:
d
[DM,1] et [DM, 2] étant les déplacements absolus des deux points.
- 19 -
6.1.1. Principes généraux
Les ouvrages, objets du présent guide, sont calculés à l'aide d'un spectre de réponse.
Les ouvrages conformes au paragraphe 1.3.2.2., dont le comportement reste élastique sous séisme sont calculés avec le spectre élastique.
Les ouvrages conformes au paragraphe 1.3.2.1., pour lesquels on accepte un comportement inélastique, sont calculés à l'aide d'une approche linéaire équivalente, en utilisant le spectre de dimensionnement et les coefficients de comportement définis en 6.6.
6.1.2. Hypothèses de base
La composante horizontale du mouvement sismique est appliquée selon les deux directions principales du rack.
6.2. Bases de la modélisation et de la conduite du calcul
6.2.1. Masses
Ces masses sont celles des racks et des tuyauteries en service.
C. 6. 2. 1. Il est loisible de décomposer ces masses en éléments discrets assimilés à des solides indéformables et de considérer leurs éléments d'inertie réduits en leur centre de gravité. En termes de degrés de liberté, la décomposition adoptée doit mettre le mieux en évidence les éventuelles déformations sismiques qui porteront le plus atteinte à la sécurité de l'ouvrage.
6.2.2. Liaisons
a) Nature Les liaisons entre les différentes masses sont réalisées par des éléments des structures à comportement linéaire élastique.
Des liaisons non linéaires peuvent toutefois être envisagées sur justifications particulières.
b) Rigidités En général, on néglige les effets éventuels de l'interaction sol - structure et du couplage mécanique entre le rack et les tuyauteries qu'il supporte. Chaque ligne est calculée séparément. Si une ligne isolée a son inertie de flexion supérieure à la moitié de celle de la poutre équivalente supérieure du rack, le calcul de cette ligne doit être inclus dans celui du rack.
- 20-
L'amortissement dans un matériau est conventionnellement introduit par un modèle visqueux. Sa valeur (en%) est:
• Acier soudé : 2
Le matériau à considérer est celui des appuis.
Pour les ouvrages dont les modes principaux mettent en jeu la déformation simultanée d'éléments constitués de matériaux différents, on retient l'amortissement le plus faible ou on procède au calcul d'un amortissement moyen pour chaque mode.
Ces valeurs ne concernent que les ouvrages massifs, sans remplissage, ni segmentation.
Pour les ouvrages dont les éléments déformables sont constitués de matériaux différents, l'amortissement moyen d'un mode [Ç] peut être calculé suivant la formule:
dans laquelle : E désigne l'énergie de déformation élastique de la liaison n° « N » dans la
déformée du mode considéré, ç N désigne l'amortissement du matériau constitutif de la liaison n° « N ».
6.2.4. Périodes propres et non-linéarités
Les périodes propres sont déterminées dans l'état élastique initial (domaine des petites oscillations) selon les méthodes de la dynamique des structures.
6.3. Méthode monomodale
6.3.1. Principe
Les effets du mouvement d'ensemble sont déterminés par un calcul spectral monomodal. Les déplacements différentiels sont pris en compte de façon statique.
Les caractéristiques du mode fondamental dans chaque direction sont déterminées soit à l'aide d'une analyse modale dans la direction considérée, à condition de remplacer, pour le calcul des efforts, la masse du mode fondamental par la masse totale du modèle, soit en appliquant la méthode approchée exposée ci-après.
C. 6. 3. 1. Par masse totale du modèle, il convient de considérer les seules superstructures.
- 21 -
in
Guide AFPS "Racks"
6.3.2. Domaine d'application
Cette méthode s'applique aux racks, à condition que les quatre critères suivants soient satisfaits simultanément :
• Chaque ligne ne comporte qu'un seul niveau,
• Symétrie longitudinale dans le plan horizontal : la distance entre le centre des masses et le centre élastique des appuis n' excède pas 10 % de la distance entre appuis extrêmes pour l'étude du séisme longitudinal,
• Symétrie transversale dans le plan horizontal : la distance entre le centre des masses et le centre élastique des appuis n ' excède pas 5% de la distance entre appuis extrêmes pour l'étude du séisme transversal,
• L'interaction sol-structure est négligeable.
6.3.3. Méthodes d'analyse
Le calcul est monomodal dans chaque direction et s'exécute selon les trois directions, en considérant dans chacune le mode fondamental sur lequel on reporte la totalité de la masse vibrante.
6.3.3.1. Composante longitudinale du séisme
[M] et [K] sont respectivement la masse totale du rack et la somme des raideurs longitudinales des appuis, grandeurs pour lesquelles, le cas échéant, il est tenu compte des conditions d'encastrement.
La période de vibration du mode fondamental longitudinal a pour expression :
T=27t R
L'effort tranchant total en tête des piles, à répartir selon les rigidités de celles­ ci, a pour expression :
V= M aN R (T)
2 aN étant l'accélération nominale (m/s ) R(T) étant l'ordonnée du spectre de dimensionnement normalisé.
Le déplacement a pour expression :
)2 aN R (T) U = (
- 22 -
6.3.3.2. Composante transversale du séisme
Si l'on désigne par [uï] la flèche de la masse [mï] dans la déformée du rack quand il est placé dans un champ d'accélération transversale unité (1 m/s2), la période de vibration du mode fondamental transversal est évaluée comme suit:
'Lm;(w)2 T=2n
'Lm;u;
L'effet du séisme est déterminé en appliquant les forces latérales statiques équivalentes aux nœuds de rang "r" qui ont pour expression :
avec : M = L. mi = masse totale
Les déplacements correspondants ont pour valeur :
dr = Ur M ( 2T7t )2 aN R (T)
'Lm;w
6.3.3.3. Composante verticale du séisme
La composante verticale du séisme est prise en compte, sauf justification contraire.
6.4. Méthode générale
6.4.1. Principe Cette méthode simule le mouvement d'ensemble du rack par un calcul spectral multimodal et tient compte de façon statique des déplacements différentiels. Il n'est considéré que le cas où le calcul dynamique multimodal se fait par la méthode spectrale. Les autres méthodes (analyse temporelle modale ou pas à pas, calcul stochastique) sont hors du domaine d'application du présent texte.
6.4.2. Modélisation des fondations Les effets d'interaction sol-structure peuvent être pris en compte par toute méthode scientifiquement validée. Cette prise en compte est inutile sauf si les racks sont sensibles aux effets du second ordre au sens de l'article 6.7 ou si l'ouvrage est calculé avec le spectre élastique (non de dimensionnement) et que sa période fondamentale à base fixe (interaction négligée) est inférieure à [Ta] définie en 5.6.1 .
C.6.4.2. : Pour la prise en compte de l'interaction sol-structure, la méthode suivante est acceptable :
- 23 -
2
a)
Guide AFPS "Racks"
Les caractéristiques des sols sont évaluées à partir d'essais appropriés, en tenant compte du fait que celles-ci doivent être compatibles avec le niveau moyen de déformation induit par le séisme. A défaut de justification particulière, la valeur du module de cisaillement [G] peut être obtenue à partir de la valeur du module [Gmaxl en la multipliant par un coefficient fonction de /'accélération nominale [aN].
aN (mis ) 1 1.5 2.0 3
Valeur de G I G max 0,80 0,65 0,50 0,40
Valeur de l'amortissement matériel p (%)
5 8 10 15
Lorsque l'on dispose d'essais sismiques ("cross-hale", etc.) la valeur de [Gmaxl est donnée directement par ces essais. Pour les calculs, on doit considérer une variation possible entre 213 et 312 de cette valeur.
Lorsqu'on ne dispose pas de ces essais, la valeur de [Gmaxl est calculée par
la formule [Gmax = p (vs/], [p] étant la masse volumique (2 400 kg!m3 pour les rochers, 2 200 kg!m3 pour les sols de bonne à très bonne résistance mécanique, 2 000 kg!m3 pour les sols de résistance mécanique moyenne, 1 800 kg!m3 pour les sols de faible résistance mécanique) et [vs] la vitesse des ondes de cisaillement lue sur le tableau de l'article 5.4. ; lorsque le tableau indique une fourchette pour [vs], on doit envisager la variation de [vs] entre ces deux valeurs ; lorsque le tableau n'indique qu'une valeur [(vs)minJ, on lui associe [(vs)max = 2 (vs)minJ ; lorsque le tableau n'indique qu'une valeur [(vs)maxl on lui associe [(vs}mini = 112 (vs)maxl-
En cas d'essais de type pressiométrique ou autre, les valeurs de [G] directement issues des essais doivent être corrigées par toute méthode scientifiquement validée. En l'absence de justifications particulières sur cette correction, les valeurs approximatives des modules données en 5.4. peuvent être utilisées.
b) A partir des valeurs des modules définies au paragraphe a}, un calcul statique permet d'évaluer la raideur du système sol-fondation pour les différents degrés de liberté : translations verticale et horizontale, balancements autour d'axes horizontaux, torsion d'axe vertical. Ces raideurs statiques sont corrigées, par toute méthode scientifiquement validée, pour tenir compte de la variation de la raideur avec la fréquence. Des itérations pourront être nécessaires pour ajuster la raideur à la fréquence fondamentale du mode d'interaction sa/­ structure.
La définition d'une raideur équivalente peut nécessiter, dans le cas de géométries complexes (stratification prononcée, fondations profondes, .. .) le recours à des évaluations numériques.
- 24-
nRacksn Guide AFPS
Pour chacun des degrés de liberté, un ensemble de ressorts ou de matrices de rigidité correspondant aux raideurs précédemment calculées, est défini et incorporé au modèle de calcul de l'ouvrage. Ce modèle fait l'objet d'une analyse modale classique (modes non amortis et indépendants). L'amortissement moyen des modes est calculé suivant la formule donnée en 6. 2. 3. Dans tous les cas, l'amortissement total associé à chaque degré de liberté sera limité à 30 % de l'amortissement critique.
Cette pratique suppose que le mouvement du sol au niveau des fondations, en l'absence de la structure, est sensiblement égal au mouvement du sol en champ libre (interaction cinématique négligeable). Ce n'est pas le cas pour les fondations rigides présentant un encastrement important dans le sol (barrettes, caissons, ... ).
c) En l'absence de justification particulière, on retient pour valeur de l'amortissement total du système sol-fondation, la valeur de l'amortissement matériel, donnée dans le tableau ci-dessus, que l'on peut augmenter d'une fraction de l'amortissement radiatif théorique validée par toute méthode scientifiquement éprouvée. Les amortissements correspondant à chacun des degrés de liberté peuvent être évalués à partir de formulations simplifiées. On attire l'attention sur le fait qu'une stratification marquée du profil stratigraphique tend à diminuer fortement l'amortissement radiatif. L'amortissement radiatif doit être éventuellement ajusté comme la raideur, sur la fréquence fondamentale du mode d'interaction sol-structure ou sur les deux fréquences fondamentales dans le cas de modèles plans.
En l'absence de justifications particulières, on peut retenir, pour le cas de fondations superficielles, une valeur d'amortissement radiatif égale à la moitié de l'amortissement théorique relatif à une fondation sur sol homogène de raideur équivalente. Dans le cas de fondations profondes, une justification particulière doit être apportée au choix de la valeur retenue pour /'amortissement radiatif.
6.4.3. Conduite pratique de la méthode générale
6.4.3.1. Sélection des modes
Dans chacune des directions d'excitation étudiées, le calcul des modes de vibration doit être poursuivi jusqu'à la fréquence de 33 Hz ( période de 0,03 s ).
La suite des modes peut être interrompue si le cumul des masses modales L:M,. dans la direction de l'excitation considérée atteint 90 % de la masse totale vibrante M du système ; dans ce cas, les effets des modes non retenus peuvent être négligés. En aucun cas le nombre de modes retenus ne doit être inférieur à 3. Si à la fréquence de 33 Hz le cumul des masses modales dans la direction de l'excitation n'atteint pas 90 % de la masse totale vibrante, il doit être tenu compte des modes négligés par toute méthode scientifiquement établie et sanctionnée par l'expérience; en particulier, il peut être considéré un mode résiduel affecté d'une masse égale à la masse vibrante négligée :
M - L:M,.
.Js?+s?
Guide AFPS "Racks"
La suite des modes peut également être interrompue avant la fréquence de 33 Hz à condition que la somme des masses modales :EM; représente au moins 70% de la masse totale vibrante M ; dans ces conditions, le mode résiduel doit être calculé en appliquant au modèle l'accélération spectrale du dernier mode retenu, et en l'affectant du facteur multiplicateur défini ci-dessus.
A défaut de procéder au calcul d'un mode résiduel, il faut majorer toutes les variables d'intérêt (forces, déplacements, contraintes, etc.) obtenues par la combinaison des réponses modales par le facteur :
_M__ :EM;
C.6.4.3.1. Par masse totale vibrante, on entend la somme des masses situées au-dessus de l'interface sol-structure susceptibles de subir des déplacements dans la direction étudiée.
La fréquence de 33 Hz est la « fréquence de coupure » du spectre.
Les considérations de masse modale ne sont nécessaires et suffisantes que pour l'étude des effets globaux en pied de structure.
La notion de mode résiduel vise à compléter la base modale par le vecteur déformation qui est nécessaire pour représenter rigoureusement la réponse à une accélération constante uniforme ; de ce fait, il permet de représenter correctement les réactions d'appui du modèle (donc les efforts en pied si l'on n'oublie pas l'accélération absolue des masses situées au point fixe du modèle). D'autres types de mode résiduel peuvent être utiles lorsqu'on analyse le comportement d'une partie seulement de la structure.
6.4.3.2. Combinaison des réponses modales
A chaque mode calculé correspond une valeur maximale de la variable à laquelle on s'intéresse (déplacement, déformation, force ou autre).
Les deux modes [Ti Tï] donnent des réponses modales indépendantes si :
..1.= 7i p T.; '
Des réponses indépendantes au sens précédent se combinent
quadratiquement s = ± .
Si pour certains couples [i] et Li] les réponses modales ne peuvent être considérées comme indépendantes, la combinaison s'effectue suivant la formule de Combinaison Quadratique Complète (CQC):
s = ±
- 26-
quadratiquement s = ±
Si pour certains couples [i] et U1 les réponses modales ne peuvent être considérées comme indépendantes, la combinaison s'effectue suivant la formule de Combinaison Quadratique Complète (CQC) :
s = ±
où [s'ï] et [s'i] sont les valeurs extrémales des réponses modales prises avec
leur signe respectif, et [l3ïi] le coefficient de corrélation :
sJÇ:0(Ç;+pÇJ)p312 j3ij =
104(1-p2)2+4Ç;Çjp(l+p2)+4(Ç;2+ÇJ)p2
C. 6.4. 3. 2. : Dans le cas où les deux modes proches ont le même amortissement [Ç], [p ij] peut être mis sous la forme:
8Ç 2(1+p)p312
6.5.1. Déformation imposée aux racks par les déplacements différentiels entre points d'appui au sol
On détermine le déplacement différentiel de entre les deux points d'appui extrêmes d'après le paragraphe 5.9.2., dans chacune des trois directions, et on calcule sur le modèle les effets d'un déplacement différentiel imposé entre ces deux points égal à ±de. Dans ce calcul, on suppose que les points d'appui
intermédiaires subissent un déplacement égal à ± de x l I L , l étant la
distance du point d'appui intermédiaire au point d'appui extrême qui est supposé fixe et L la distance entre points d'appui extrêmes.
6.5.2. Déformation imposée aux tuyauteries par les déplacements différentiels entre points fixes extérieurs au rack
Les points fixes extérieurs au rack peuvent se trouver dans des bâtiments ou sur des équipements ; leur déplacement différentiel correspond d'une part au déplacement entre points du sol d'assise de ces bâtiments ou équipements, et d'autre part aux déplacements relatifs entre les points fixes et le sol.
Le déplacement ds entre points du sol est déterminé comme le de du
paragraphe 6.5.1. en appliquant les dispositions du paragraphe 5.9.; les déplacements relatifs dr1 et dr2 des points fixes 1 et 2 par rapport au sol
découlent du calcul sismique de leurs structures porteuses (bâtiment ou équipement).
- 27 -
Guide AFPS "Racks"
Le déplacement différentiel d12 entre les points fixes 1 et 2 est calculé dans
chacune des trois directions en appliquant la relation :
1/2
6.6. Coefficient de comportement [q]
6.6.1. Règles de base
Les déplacements et déformations de calcul sont déterminés par un calcul linéaire en supposant la structure indéfiniment élastique et en utilisant le spectre élastique (suivant 5.6.1.) ou le spectre de dimensionnement (suivant 5.6.2.).
Les forces et sollicitations de calcul s'obtiennent en divisant les forces et sollicitations déterminées à l'aide de ce même calcul linéaire, par un coefficient diviseur, noté [q] et appelé coefficient de comportement. Le coefficient [ q] est fixé en fonction de la nature des matériaux constitutifs, du type de construction, des possibilités de redistribution des efforts dans la structure et des capacités de déformation élasto-plastique des éléments.
6.6.2. Valeur du coefficient de comportement [q]
Sauf justification particulière, la valeur de q est donnée ci-après:
a) Structures en béton armé :
0,5 h• C 1 1ca es .......................................... qo 1 -onso es ve rt. - 1 + k · d
dans laquelle :
d est la hauteur de la section transversale (hauteur utile),
k=2 pour les éléments encastrés à leurs deux extrémités et k=1 dans les
autres cas,
• portiques 5
• cadres dissipatifs 5 • cadres dissipatifs avec croix de Saint-André 5 • contreventement excentré 5 • contreventement en croix de Saint-André 4
• contreventement en V ou A 2 • contreventement en K 1
- 28-
q,-:= 1
Les valeurs de [q] ne conviennent qu'aux seules sollicitations sismiques horizontales dues aux translations d'ensemble. Si un rack comporte des éléments de diverses ductilités, ceux-ci sont tous alignés sur le moins ductile (plus petit q).
La valeur de [ q] pour les sollicitations verticales est toujours prise égale à 1 .
L'utilisation de ces valeurs de [q] est subordonnée au respect des dispositions de construction précisées à l'article 8.
La valeur de [q] peut être différente dans les deux directions horizontales, uniquement si les comportements transversal / longitudinal sont découplés. Dans le cas contraire, on prendra le coefficient de comportement le plus faible.
6.7. Limitation pour effets du second ordre
Les effets du second ordre sont calculés par toute méthode scientifiquement validée. A défaut d'évaluation plus précise, la méthode suivante est acceptable. Elle permet d'étudier des racks comportant un ou plusieurs niveaux.
)> On détermine une forme approchée du mode fondamental en plaçant la structure dans un champ d'accélération horizontale unité (1 m/s2) et en calculant les élongations ui (m) à chaque niveau pour chaque direction de calcul.
On désigne par le facteur de participation du mode fondamental, tel que:
:Lnu·u?
Guide AFPS "Racks"
La période de vibration du mode fondamental est donnée par la formule approchée:
Les forces statiques équivalentes s'appliquant à chaque niveau et correspondant au mode fondamental de vibration dans la direction de calcul s'expriment par la relation :
fr= Po mi ri d R(T) q
Le terme po est un coefficient majorateur ayant pour expression :
413 • po = 1 + 0,05 ( ) pour les contreventements en voiles,
)413 pour les portiques. • po = 1 + 0,03 (
Les déplacements à prendre en compte à chaque niveau ont pour expression :
On détermine à chaque niveau r l'expression suivante
8r = Ôr.R he.F'r
Dans cette expression, he est la différence de hauteur entre deux niveaux
consécutifs Zr zr-1; ôr le déplacement horizontal relatif dr - dr-1 de la masse mr par-
rapport à la masse mr-1; Pr le poids des masses situées au niveau r et au-dessus ; Fr la grandeur de la résultante des forces horizontales f s agissant au niveau r et au­ dessus prises avec leur valeur de dimensionnement. La figure ci-après précise ces différents paramètres :
- 30 -
_1_
Guide AFPS "Racks"
Lorsque le paramètre 8r est plus petit ou égal à 0, 10, les effets du second ordre peuvent être négligés.
Lorsque le paramètre 8r est supérieur à 0, 10, il faut procéder à un calcul tenant compte des effets du second ordre.
Lorsque le paramètre 8r reste inférieur à 0,25, il est admis d'utiliser une méthode avec amplification des moments dus à la déformation latérale, consistant à majorer ces derniers, calculés par une analyse élastique au premier ordre, dans le rapport :
l-Br
C. 7. Dans le cas de l'utilisation de la méthode d'analyse générale, la prise en compte des effets du second ordre est effectuée selon les prescriptions visées au présent paragraphe, en considérant Fr comme résultante de la combinaison des sollicitations des divers modes.
6.8. Combinaisons des composantes du mouvement sismique
L'action sismique limitée à son mouvement d'ensemble et l'action sismique limitée aux mouvements différentiels qu'elle engendre sont combinées entre elles par combinaison quadratique.
Les effets des différentes composantes du mouvement sismique sont combinés suivant la relation :
[ E = E ± 0,3 E2 ± 0,3 E,]
La composante de base E1 est tantôt la composante longitudinale, transversale ou verticale du séisme.
7. CALCULS JUSTIFICATIFS DE L'OUVRAGE
7.1. Combinaisons d'actions
7.2.1. Racks définis au paragraphe 1.3.1.
Les combinaisons d'actions sont indiquées dans les codes spécifiques imposés par les marchés. Les indications ci-après donnent la combinaison incluant le séisme généralement utilisée.
- 31 -
Guide AFPS "Racks"
Pour déterminer les déformations et sollicitations de calcul, on considère les combinaisons accidentelles symbolisées ci-dessous:
E+G+P
avec les notations :
E action sismique G charges permanentes (en service ou en épreuve) P pression interne (en service ou en épreuve).
7.2.2. Racks définis au paragraphe 1.3.2.
Les combinaisons d'actions sont elles des codes spécifiques imposés par les marchés.
7.3. Sécurité vis-à-vis des états limites ultimes
Pour chaque section on doit vérifier l'inégalité :
avec les notations :
Sd sollicitation agissante de calcul de la combinaison d'action définie en 7 1 . .
y0 coefficient de majoration des sollicitations dû à une surcapacité éventuelle des
rotules plastiques et ayant pour valeur :
1 pour les vérifications à la flexion dans les zones critiques des racks.
0.8+0.2q pour toutes les autres vérifications, avec plafonnement à 1.2 pour les moments fléchissants.
yR coefficient de sécurité partiel pour empêcher des ruptures prématurées par fragilité et ayant pour valeur :
1.4 pour tout élément ou tout raccordement (attaches, ancrages, culots, manchons de raccordement, ... ) de type fragile,
1.4 pour l'effort tranchant dans les poteaux en béton armé, 1.0 dans tous les autres cas,
Rd sollicitation résistante de calcul obtenue à partir des valeurs [fmk / Ym] des
résistances des matériaux constitutifs.
ym coefficients partiels de sécurité applicables aux matériaux et ayant pour valeur :
1.15 pour le béton 1 pour l'acier
- 32 -
7.4. Sécurité vis-à-vis des déformations
On vérifie que les racks respectent les dispositions prises pour assurer la compatibilité des déformations des tuyauteries et des équipements, notamment que :
• les déformations du rack et des tuyauteries qu'il supporte ne peuvent entraîner de chocs contre des structures adjacentes, pour les racks définis aux paragraphes 1 .3.1 .
• les racks définis au paragraphe 1.3.2. permettent aux éléments concernés de rester opérationnels.
8. DISPOSITIONS DE CONSTRUCTION
On applique les dispositions des articles 13.5 à 13.7 pour les racks métalliques et 11.3 pour les racks en béton, de la norme NF P 06-013.
- 33 -
ANNEXE 1
ARRETE MINISTERIEL DU 10 MAI 1993 FIXANT LES REGLES PARASISMIQUES APPLICABLES AUX INSTALLATIONS SOUMISES A LA LEGISLATION
SUR LES INSTALLATIONS CLASSEES
Le ministre de l'environnement,
Vu la loi n° 76.663 du 19 juillet 1976 modifiée relative aux installations classées pour la protection de l'environnement ;
Vu la loi n° 87.565 du 22 juillet 1987 relative à l'organisation de la sécurité civile, à la protection de la forêt contre l'incendie et à la prévention des risques majeurs, notamment son article 41 ;
Vu le décret n° 77.1133 du 21 septembre 1977 pris pour l'application de la loi n° 76.663 ;
Vu le décret n° 77.1141 du 12 octobre 1977 et notamment son article 2 ;
Vu le décret n° 91.461 du 14 mai 1991 relatif à la prévention du risque sismique ;
Vu l'avis du conseil supérieur des installations classées en date du 30 octobre 1992 ;
ARRETE
-Article
les
1er
Sont visées par le présent arrêté :
installations énumérées à la nomenclature des installations classées pour la protection de l'environnement sous la mention "servitudes d'utilité publique" à l'exception des installations dont l'étude des dangers montre qu'elles ne présentent pas, en cas de séisme, des dangers d'incendie, d'explosion ou d'émanation de produits nocifs susceptibles de porter atteinte aux intérêts visés à l'article l•r de la loi du 19 juillet 1976 susvisée en aggravant notablement les conséquences premières du séisme.
les installations classées non visées ci-dessus pour lesquelles le préfet, après avis du conseil départemental d'hygiène, constate qu'elles présentent en cas de séisme des dangers d'incendie, d'explosion ou d'émanation de produits nocifs susceptibles de porter atteinte aux intérêts visés à l'article l•r de la loi du 19 juillet 1976 susvisée en aggravant notablement les conséquences premières du séisme. Dans ce cas, les mesures-prévues au présent arrêté sont prescrites par un arrêté préfectoral pris dans les formes prévues à l'article 17 ou 18 du décret du 21 septembre 1977 susvisé.
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- 2 -
-Article 2
L'exploitant d'une installation visée à l'article 1er évalue le ou les "Séismes Maximaux Historiquement Vraisemblables" (SMHV) à partir des données historiques et géologiques.
Le SMHV est défini de manière déterministe, en supposant que des séismes analogues aux séismes historiquement connus sont susceptibles ·de se produire dans l'avenir avec une position d'épiceritre qui soit la plus pénalisante quant à ses effets en terme d'intensité sur le site, sous réserve que cette position reste compatible avec les données géologiques et sismiques.
-Article 3
Pour chaque séisme maximum historiquement vraiseml;>lable ainsi déterminé, est défini le "Séisme Majoré de Sécurité" (SMS) déduit du SMHV sur le site par la relation suivante .(exprimée en unité d'intensité MSK) : intensité SMS = intensité SMHV + 1, sous réserve que cette majoration reste compatible avec les données géologiques et sismiques.
Chaque SMS est caractérisé par un spectre de réponse, c'est-à-dire la courbe représentant l'amplitude maximale de la réponse d'un oscillateur simple en fonction de sa fréquence. Ce spectre est représentatif du mouvement dans une direction d'un point à la surface du sol.
-Article 4
Pour les installations situées dans les zones de sismicité 0 et Ia telles que définies par l'article 4 du décret n° 91.461 du 14 mai 1991 susvisé et son annexe, l'exploitant peut substituer aux dispositions prévues aux articles 2 et 3 ci-dessus la définition a priori d'un séisme majoré de sécurité. Ce dernier est alors caractérisé par le spectre de réponse, en accélération horizontale, obtenu en multipliant les ordonnées du spectre de référence, défini par l'annexe au présent arrêté, par une accélération de calage au moins égale à 1,5 m/s2 pour la zone de sismicité 0 et à 2,0 m/s2 pour la zone de sismicité Ia.
Lorsque le préfet dispose de résultats d'études locales mettant en évidence des différences notables entre les séismes majorés obtenus par les méthodes définies à l'alinéa précédent et aux articles 2 et 3 , il peut imposer à l'exploitant d'avoir recours aux dispositions des articles 2 et 3 sans possibilité d'y déroger dans les conditions définies à l'alinéa précédent.
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- 3 -
-Article 5
L'exploitant établit, en tenant compte de l'étude de danger, la liste des éléments qui sont importants pour la sûreté aussi bien pour prévenir les causes d'un accident que pour en limiter les conséquences. Cette liste doit comprendre les équipements principaux ou accessoires ainsi que les éléments de supportage et les structures dont la défaillance, éventuellement combinée, entraînerait un danger défini à l'article 1er, de même que les éléments qui sont appelés à intervenir pour pallier les effets dangereux de la défaillance d'un autre matériel.
-Article 6
Les éléments importants pour la sûreté défini·s à l'article 5 doivent continuer à assurer leur fonction de sûreté pour chacun des Séismes Majorés de Sécurité définis à l'article 3, ou lorsqu'il en est fait usage, à l ·'article L' exp loi tant 4. établit les justifications nécessaires en étudiant la réponse de ces équipements à des actions sismiques au moins égales à celles correspondant au spectre de réponse défini à l'article 3, ou lorsqu'il en est fait usage à l'article 4. Pour celles-ci l'exploitant pourra prendre en compte la possibilité d'incursion dans le domaine plastique soit par la prise en compte de coefficients de comportement, soit par l'utilisation de critères traduisant le comportement élastoplastique. ·ces coefficients et critères doivent être compatibles avec la fonction de sûreté de l'équipement considéré.
Article 7 -
Les évaluations, inventaire, justification et définition prévus respectivement aux articles 2, 3, 5, 6 seront transmis à l'inspection des installations classées.
-Article 8
Les dispositions du présent arrêté sont applicables à toute installation dont le dépôt de la demande d'autorisation d'exploiter au titre de la législation des installations classées pour la protection de l'environnement intervient plus d'un an après la date de publication du présent arrêté ; elles pourront être rendues applicables en tout ou partie aux installations existantes dans les conditions prévues à l'article 18 du décret n° 77.1133 du 21 septembre 1977.
<;es dispositions ne font pas obstacle aux mesures qui peuvent être prescrites compte tenu des particularités des sites concernés, dans le cadre des arrêtés règlementant leur fonctionnement.
- 37 -
- 4 -
Le directeur de la prévention des pollutions et des
risques et les préfets de département sont chargés, chacun en ce qui le concerne, de l'exécution du présent arrêté qui sera publié au Journal officiel de la République française.
0 B J E T
ANNEXE2
DIRECTION DE LA PREVENTION DES POLLUTIONS ET DES RISQUES
SERVICE DE L'ENVIRONNEMENT INDUSTRIEL PARIS, le
!'oste 14.14
Le ministre de l'environnement
Mesdames et Messieurs les Préfets, Monsieur le Préfet de Police
Installations classées pour la protection de l'environne­ ment ­ Arrêté du 10 mai 1993 fixant les règles parasismiques applicables aux installations classées pour la protection de l'environnement ­
Bien que la France soit rarement affectée par les 6"-ismes, les risques induits par de tels phénomènes existent.
L'article 41 de la loi du 22 juillet 1987 relative à l'organisation de la sécurité civile et son décret d'application du 14 mai 1991 définissent les principes généraux des mesures de protection à mettre en oeuvre. Le décret distingue deux types d'approche préventive selon que les bâtiments, équipements et installations concernés appartiennent à la catégorie dite "à risque normal" ou à celle dite "à risque spécial".
La lère catégorie comprend les bâtiments, équipements et installations pour lesquels les conséquences d'un séisme demeurent circonscrites à leurs occupants et à leur voisinage immédiat et la seconde ceux pour lesquels des dommages même mineurs à ces ouvrages résultant d'un séisme peuvent avoir un effet au delà de ce voisinage immédiat.
Pour les ouvrages de la lèr• catégorie dite "à risque normal", la sécurité parasisrnique est assurée selon une approche normative.
20, avenue de Ségur- 75302PARIS 07 SP- Tél.: (1) 42-19-20-21 Télécopieur G3: 42-19-14-67
- 39-
Article
- 2 -
Les installations dites "à risque spécial" au sens de l'article 6 du décret précité comprennent les installations classées définies à l'article 1•r de l'arrêté du 10 mai 1993. Pour ces installations, la prévention du risque sismique fait l'objet d'une étude au cas par cas.
L'examen du risque sismique relatif à une installation classée s'intègre dans l'étude de danger, au même titre que celui des autres risques naturels.
Les dispositions de l'arrêté du 10 mai 1993 se fondent notamment sur l'expérience acquise lors de l'étude parasismique d'une part des installations nucléaires de base et d'autre part, au cours des dernières années, de certaines installations classées. Cette expérience permet d'apporter les commentaires et précisions utiles à l'application de ce texte.
L'arrêté définit dans un premier temps une méthode d'évaluation de l'aléa sismique à prendre en compte (articles 2 à 4). Il demande ènsuite l'élaboration d'une liste des installations ou équipements devant faire l'objet de mesures de protection (article 5) puis les objectifs en matière de sécurité que les dispositions de protection doivent permettre de satisfaire (article 6).
1er -
La détermination du champ d'application de l'arrêté ne nécessite pas une connaissance particulière sur la sismicité de la zone géographique concernée. La capacité d'une installation à créer, en cas de séisme, des accidents aggravant notablement les conséquences premières du séisme pourra s'évaluer au vu des scénarios d'acçidents développés dans l'étude des dangers de l'installation. On pourra en particulier examiner les conséquences de scénarios de fuites importantes sur des réservoirs de produits inflammables, explosifs ou toxiques ; scénarios probables en cas· de séisme.
-Article 2
En l'état actuel des connaissances des processus géologiques engendrant une rupture brutale des roches, notamment dans les zones à sismicité modérée (cas de l'essentiel du territoire national), la prédiction précise dans l'espace et dans le temps de l'occurrence d'un séisme et a fortiori de son "agressivité" est impossible.
Aussi la prévention sismique se fonde sur le postulat selon lequel un séisme passé peut se reproduire dans le fu ur sur le même accident géologiquement actif (accident sismogène-) et cela avec une "puissance" comparable.
• voir glossaire
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- 41 -
- 3 -
C'est ce que traduit la notion de SMHV introduite dans l'article 2. Elle provient de la pratique adoptée pour les installations nucléaires de base (règle fondamentale de sûreté n° 1.2.c). Il convient de remarquer que pour un site donné, il peut y avoir plusieurs SMHV à considérer ; par exemple : un séisme de magnitude* relativement faible mais situé près du site, et un séisme plus fort mais plus lointain, les deux produisant la même intensité* sur le site.
Concrètement, la détermination du ou des SMHV s'appuie sur un ensemble de données sismologiques et géologiques à rechercher dans des documents et banques de données spécialisés et servant de base à une analyse sismotectonique (voir annexe). Cette recherche documentaire doit être complétée par un recueil complémentaire d'information et par un travail d'interprétation.
L'analyse de ces données doit permettre d'identifier :
• les domaines sismotectoniques· pertinents, c'est-à-dire les régions dont les caractéristiques tectoniques (type et niveau des déformations, champs de contraintes) sont suffisamment homogènes pour qu'on puisse envisager l'occurrence d'un séisme analogue à un séisme historiquement connu, en n'importe quel·point du domaine ;
• les accidents (ou structures) sismogènes pertinents, c'est-à-dire les failles ou systèmes de failles, dont les mouvements peuvent avoir été ou être à l'origine de séismes ;
• pour ces 2 types "d'unités sismotectoniques", les séismes historiques les plus importants dans la région du site, caractérisés de manière aussi précise que possible, compte tenu des données disponibles en termes de distribution des intensités, de localisation de l'épicentre et de profondeur de foyer et, le cas échéant, de données instrumentales.
A partir de ces éléments, la détermination du ou des SMHV découle de l'application des règles déterministes suivantes :
a) Les séismes historiques du domaine sismotectonique auquel appartient le site, à l'exception de ceux pour lesquels l'appartenance à un accident sismogène précis peut être justifiée, sont considérés comme pouvant se produire au droit du site.
b) Ceux des séismes appartenant à un domaine sismotectonique voisin et non liés à un accident sismogène· précis, sont considérés comme pouvant se produire au point de ce domaine le plus proche du site.
voir glossaire
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c) Les séismes appartenant à un accident sismogène précis sont considérés comme pouvant se produire au point de l'accident le plus proche du site.
L'aléa sismique ainsi paramétré permettant d'estimer les effets les plus importants sur le site est constitué par le ou les Séismes Maximaux Historiquement Vraisemblables.
-Article 3
La règle de majoration de un degré d'intensité, qui fait passer du SMHV au SMS vise à s'assurer, ·avec un bon niveau de confiance, que l'installation ne subira pas, au cours de son existence, des actions plus agressives que celles pour lesquelles elle aura été dimensionnée.
Cette règle de majoration est celle