Cours module3 vpe_renforcement

Cours postgrade de génie parasismique

Module 3 : évaluation des structures

existantes

Dr Vincent Pellissier Dr Michel Thomann

Pellissier & de Torrenté Zwahlen & Mayr SARue de Lausanne 65 Zone industrielle 2CH-1950 Sion CH-1860 [email protected] [email protected]

Mesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation

des bâtiments existants

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -2-

Contenu de l’exposé

• Rappel des mesures de gestion du risque

• Mesures techniques – les stratégies • Exemples d’interventions techniques• Evaluation sismique de structures

existantes :– Méthodes de calcul– Exemples d’évaluations sismiques


Different generic risk management strategies are possible

• Risk is accepted …– “Act of God”, “Status quo”

… and passively transferred– State as the “insurer of last resort”

• Risk is actively transferred Insurance and Reinsurance

• Risk is reduced New buildings

– Systematic use of modern seismic design rules (building codes)

Existing buildings– Evaluation of vulnerable/critical buildings– Strengthening of building with excessive seismic risk


Arsenal de mesures de gestion du risque

Article


• L’objectif d’une intervention parasismique est d’augmenter

La ductilité globale de la structure et/ouLa résistance de la structure et/ouLa rigidité de la structure

• En modifiant la rigidité (et la masse) de la structure

• Une intervention parasismique change les caractéristiques dynamiques, donc aussi la demande sismique

Intervention technique


Choix d’une mesure technique de mitigation du risque sismique


0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0.1 1 10 100

Aparté : Développement du spectre ADRS

Sa (

m/s

2)

f (Hz)

b=5%

Accélérogramme Spectre de réponse

Spectre ADRSAcceleration DisplacemntResponse Spectrum

Sa

(m/s

2)

0.5 Hz

1 Hz

2 H

z

Sd (m)

(s)

(m/s

2)

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

0 2 4 6 8 10

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

b=5%

Sd = Sa / w2

SDOFf variable=5%b (choix)


Exemple de stratégies d’amélioration sismique sur un bâtiment cadre en béton armé avec colonnes courtes


Amélioration par addition de refends en béton armé

1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et

réduction des déformations


Retrofitting by column jacketing

2. Amélioration de la ductilité et de la résistance

5. Augmentation de l’amortissement


Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres

2. Amélioration de la résistance et de la ductilité3. Diminution de la fréquence propre


Amélioration par installation d’isolateurs sismiques (“base isolation”) et d’amortisseurs

2. Réduction de la résistance, augmentation de la ductilité5. Réduction des forces sismiques et des déformations de la

structure, augmentation de l’amortissement


Exemples d’interventions techniques


28%

45%

21%

6%

< 1947

1947 - 1975

1976 - 1990

1990 - 1993

Rappel : Bâti existant suisse

h Age des bâtiments(immeubles d ’habitation, bureaux, écoles et hôpitaux)

h Évolution des forces latérales (normes SIA; Bâtiment type à Bâle)

< 1956

1970 - 1989

> 1989

1956 - 1970 force latérale (vent & séisme)

Þ Grand besoin d’évaluationÞ Dans certains cas, besoin d’amélioration sismique


Il existe de nombreuses techniques d’amélioration parasismique

PassivesAjout de nouveaux systèmes de stabilisation

latérale– Murs de refend béton armé– Contreventements métalliques

Amélioration sismique des éléments (colonnes ou murs) de la structure existante– Par chemisage (béton, métal, composites …)– Par collage de lamelles– Par ajout de précontrainte

Semi-activesIsolation sismique Ajout de dissipateurs d’énergie

– Par frottement– Par masse liquide


Renforcement par contreventement métallique extérieur


Défi … architectuctural!!


Défi …valeur historique


Amélioration parasismique d’un bâtiment en béton armé à l’EPF Zurich


Intervention extérieure sur un bâtiment des années 1970 à Fribourg


Intervention difficile à l’intérieur (il faut assurer une liaison monolithique avec la structure existantes)


Agrandissement et amélioration parasismique d’un bâtiment de la police à Sion


Ajout de refends en béton armé dans une structure existante, home Sion


Ajout de refends en béton armé à l’extérieur d’un bâtiment, Saxon


Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte


Utilisation de panneaux en béton armé préfabriqués et de précontrainte verticale

Schubbolzen

Vorgefertigte

Scheibe

Bestehendes

Rahmentragwerk

Fugen -Mörtel


Comportement monolithique du cadre « renforcé »


Chemisage de colonne : Recouvrement d’armature insuffisant


Exemples de chemisage de piles en béton armé


Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie traditionnelle à Zurich


Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie de brique ciment à Martigny


Murs en maçonnerie avec tissus composites sur un côté


Intervention parasismique sur une citerne industrielle en Valais


Isolation sismique : exemple d’un pont, Memphis USA


Evaluation des bâtiments existants

• Effort progressif dans le choix des méthodes de calcul

• Illustrations par des exemples

Méthodes d’évaluation rapide


Principes des méthodes d’évaluation rapides

• ObjectifTriage

– Identification de bâtiments nécessitant une évaluation détaillée Rapide, visuel & selon des critères simples

• Paramètres d’évaluation– …– …– …– …– …– …

• Quantification des paramètresSur base d’observations visuelles rapides

– Si possible complétées par quelques plans de construction


2 familles de méthodes de calcul

• Méthodes basées sur les forces (MBF)calcul linéairebase des normes de dimensionnementsimples, éprouvées et établiesprise en compte très approximative du comportement non-linéaire

• Méthodes basées sur les déplacements (MBD)

calcul non-linéairecompatible avec « performance based design » et avec le « capacity design »effort de calcul plus importantmanque d’outils de calculprédiction des déformations et du mode de ruptureplus « réaliste »


Calcul linéaireMéthodes basées sur les forces (MBF)

• Statique linéaireMéthode des forces de remplacement (MFR)

• Dynamique linéaireMéthode du spectre de réponse (MSR) (ou analyse modale)

– Structures irrégulières– 3D


Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformations

Joe’s

Beer!Food!

Déformation latérale

Efforts latéraux

Joe’s

Beer!Food!

small change inforce level

large change indeformation level


Critère d’évaluationPerformance sismique ?


Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements (MBD)

• Statique non-linéaireanalyse « push-over »

• Dynamique non-linéaireAnalyse temporelle


• ObjectifEstimation des déplacements horizontaux maximaux sous une sollicitation sismique donnée

• ParticularitésMéthode statique

–Travail avec la courbe force déformation latérale

Permet d’évaluer la ductilité globale effective de la structure–En modélisant la ductilité de chaque élément de la structure (par exemple les colonnes)

Roof displacement

Bas

e sh

ear

courbe de capacité

Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)


Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)

• Hypothèses– déformation maximum décrit la réponse– les déformations sont dominées par le premier mode

• AvantagesBasé sur les déplacements

– mode de rupture et degré d’endommagement

graphique et intuitive

• Limitationsméthode approximative

– modes supérieures négligés– estimation peu satisfaisante de l’amortissement effectif


Courbe de capacité

pendule deremplacement

Analyse statique

nonlinéaire

Charges sismiques horizontales

x

SV

V4

V3

V2

V1

PF, a, fx

SV

« push over curve»

Sd

Sa

Capacity spectrumSa = SV/(W*a)

Sd = x/(PF*f)

Mode fondamental


Point de performance du système

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Sd [m]

Sa

[m/s

2]

Performance pointSd = 35 mm

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20

Sd

Sa

Système

hystérétique

Amortissement selon la « Substitute structure approach »( béquivalent , ksecant )

F

x

b=5%

b=10%

b=20%


Analyse statique non-linéaire

Performancepoint

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

0.00 0.05 0.10 0.15Sd [m]

Sa

[m/s

2 ]

spectres deréponse

Sd,max = 78 mm

spectre de capacité


Réponse sismique d’un bâtiment -Analyse dynamique non-linéaire

Sd,max = 44 mm

béton armé maçonnerie

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

[sec]

[mm

]


Calcul des sollicitations dans le bâtiment amélioré

• Choisir un niveau d’action sismique élevéSi on intervient, anticiper un accroissement possible des

exigences

• Même méthodes de calcul des sollicitations que pour un bâtiment neuf

Prédimensionnement avec méthodes linéairesDimensionnement détaillé avec méthode non-linéaire (par

exemple non-linéaire statique) pour modéliser la ductilité globale de la structure améliorée


Exemples d’évaluation de structures existantes

Halle métallique : local des pompiers de Charrat

Maçonnerie : Home de Nendaz

Moellons traditionnels : Hôtel de Ville de Saxon

Béton armé : ELD, EPFL

Maçonnerie : Ecole des Ursulines, Sion

Moellons : Ecole de Vollèges


Local feu - Charrat


Description de la structure

• Locaux du service du feu, CO III– Autres affectations (CO I) sur 80% de la surface (dépôt, garage)– Propriétaires privés, nombreux

• Charpente acier, normes de 1979, CV St-André• Toiture légère, ajout d’un plancher

intermédiaire• Structure porteuse régulière, 17 m x 31 m• Utilisation restante: 10 ans• Classe de sol…



C

D


Analyse de l’état existant

• 2 hypothèses admises: CO I et CO III– aeff = 0.17 (CO I)– aeff = 0.12 (CO III)

• Eléments critiques– CV de toiture: pannes (flambage) et diagonales (traction)– CV de façade: poteaux (flambage) et diagonales (traction)– Fondations: ancrage des efforts de traction des diagonales


Stratégie de renforcement

• Atteindre aint = amin = 0.40

• Le renforcement pour atteindre aint = aadm = 0.44 (voir plus…) n’est pas proportionnel au sens du CT 2018

• Renforcement localisé du service du feu, effondrement admis du reste de la charpente « boîte » indépendante– M = Mtot

– Sd = Sd,max (plateau)– résistance requise uniquement pour les éléments stabilisateurs

de la « boîte » indépendante– ajout de CV verticaux


NOUVEAUX CV VERTICAUX

RENFORTS DIAGONALES


Mesures de renforcement

APPUIS AU FLAMBAGE

ANCRAGE DANS FONDATIONS



NOUVELLES DIAGONALES (UNP260)ET MEILLEURE DISTRIBUTION DES FORCES



• Ancrage dans les fondations


Home de Nendaz


Propositions d’intervention

2

M

T 1


Proposition de renforcement


Hôtel de ville - Saxon



• Etat-major en cas de catastrophe, CO III• Construit en 1894, rénové en 1994• Murs en maçonnerie traditionnelle (moellons)• Dalles bois• Masse concentrée dans les murs• Structure porteuse régulière, 13 m x 35 m• 3 étages• Utilisation restante: 10 ans



• Méthode des forces de remplacement

• 85% de la masse dans les murs répartition des forces de remplacement au prorata des masses

• Effet diaphragme des plancher? – Rigidité ?– Ancrage dans les murs ?– Stabilisation transversale suffisante ?



T [s]

Sd/g [-]

T(SIA)T(Rayleigh)

0.44

0.27



• Hors plan: h/t < 15, sauf 1 mur intérieur h/t = 23 > 17 aeff < amin

• Dans le plan: aeff = 0.39 ≈ amin = 0.40(effet cadre négligé)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 10 20 30 40 50 60 70

Durée de vie restante [ans]

Fac

teu

r d

e p

rop

ort

ion

alit

é a

[-]

CO I et II

CO III



• Hors plan: stabilisation par cornières

• Dans le plan: pas de renforcement– Justifié selon CT 2018 pour durée restante < 20 ans--> à revoir dans 20 ans…

h’


• Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: Modèle 1 : néglige l’interaction sol-structure

bâtiment sans sous-sol.

71

Bâtiment ELD - EPFLTravail de MasterMarcelo OropezaEn cours EPFL


Bâtiment ELD - EPFL

• Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: Modèle 2 : modèle grossier du sol.


• Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: Modèle 3 : modèle détaillé du sol

interaction sol structure (ATC-40 : Applied Technology Counsil. ATC-40 : Seismic evaluation and retrofit of

concrete buildings. Volume 1. 1996).

Bâtiment ELD - EPFL


Eeff

MPa

ν-

fc

MPafy

MPafys

MPa

COLP1 7788 (=0.3Ecm) 0.2 28.312 (M) 390 390

COLP2 7788 (=0.3Ecm) 0.2 26.901 (M) 390 390

COLP3 7788 (=0.3Ecm) 0.2 26.445 (M) 390 390

MUR 7788 (=0.3Ecm) 0.2 30.102 (M) 390 390

GAINES 7788 (=0.3Ecm) 0.2 24 (=16+8) 390 390

ASCENSEUR 7788 (=0.3Ecm) 0.2 24 (=16+8) 390 390

DALLE 7788 souple1e5 rigide

0.2 - - -

DALLEREZ 1e5 rigide 0.2 - - -

DALLESS 1e5 rigide 0.2 - - -

MURSS 1e5 rigide 0.2 - - -

Caractéristiques des matériaux


Modélisation des sections

• ETABS: Section Designer pour les poutres

75


Aperçu du modèle 1 (1)


Aperçu du modèle 1 (2)


• Modèle 1 - dalles souples: Mode 1: période 1.06 s

Modes de vibration


Taux de la masse modale participanteModèle 1: dalle souple

Mode Période UX UY UZ RX RY RZ

1 1.06153 74.825 0.0084 0 0.012 98.8851 0.0296

2 0.699186 0.1916 10.8002 0 14.6435 0.0927 62.8169

3 0.568758 0.0055 63.503 0 84.0713 0 11.5388

4 0.321279 18.7116 0.0004 0 0.0005 0.7759 0.0051

Modes de vibration


0

0.5

1

1.5

2

2.5

0.01 0.1 1 10

Se 0

Sd 0

Se -12

Sd -12

Spectres de réponse

γf=1

q=2

M1r

M1sM2r

M2s


Résultats - Efforts normaux N

Modèle 1 - Dalles souples


Collège des Ursulines - Sion



• Etablissement scolaire, CO II• Construit en 1960 environ• Murs en maçonnerie ciment et terre cuite• Dalles béton armé• Façades largement ouvertes, murs-poteaux

de faible largeur• Structure porteuse régulière, 15 m x 48 m• 5 étages (rez + 4), pas de sous-sol• Utilisation restante: 60 ans



Forces Capacité

Encastrement requis requis

Torsion explicite implicite

gf [-] 1.2 1.0

q [-] 1.5 1.0

Résistance 2 critères(cisaillement FEMA et basculement EC8)

résolution explicite des équations d’équilibre et de compatibilité cinématique



• Matériaux: valeurs caractéristiques pour obtenir une meilleure estimation de la sécurité réelle du bâtiment

• Torsion: edx/Lx = 0.11 > 0.10 (SIA 160) Estimer l’influence de la torsion avec la méthode des forces 1 % sur sens Y négligeable 19 à 26 % sur sens X non négligeable



Forces Capacité

aeff X [-] 0.28 0.81 (0.45 – 1.01)

aeff Y [-] 0.12 0.13 (0.10 – 0.20)



• Etablissement scolaire:



• Objectif: aint > 1.0


Ecole de Vollèges – Modélisation


Ecole de Vollèges – Calcul dynamique

Résultat du calcul dynamique sur modèle 2D de paroi (façade Est)

Masse totale reprise par la façade : 3'376 kN(épaisseur moyenne admise : 50 cm / densité fictive : 50 kN/m3)Module d’élasticité admis : 7'000 N/mm2 Période fondamentale calculée : T1 = 0.107 sec.Spectre de réponse• sol de classe A• agd = 1.5 m/s2• q = 1.5• gf = 1.2


Ecole de Vollèges – Résultats

Vd Md Nd


Merci de votre attention

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