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C I M B É T O N

Cahier des modules de ConférenCe

pour les éColes d’arChiteCture

b é t o n e t c o n s t r u c t i o n p a r a s i s m i q u e

conférences : béton, architecture,performances et applications

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B É T O N E T C O N S T R U C T I O N P A R A S I S M I Q U E

Sommaire

3

Introduction 4

Comportement dynamique des constructions sous séisme 6

Conception architecturale parasismique 8

Construction parasismique 14

Conclusions 21

Glossaire 22

Pertinence de la protectionparasismique des bâtiments

Chaque année, les tremblements de terre prélèventleur lot de victimes : des centaines, des milliers ouparfois des centaines de milliers de morts, habita-tions et lieux de travail détruits, régression écono-mique de la région touchée. Le phénomène estsuffisamment grave pour justifier des mesures deprévention. Or la construction parasismique consti-tue la seule protection efficace, car plus de 90 %des pertes en vies humaines sont dues à l’effon-

drement de bâtiments. Si les tremblements deterre sont inévitables, l’effondrement des construc-tions ne l’est pas. Il est tout à fait possible deconcevoir et de réaliser des ouvrages sûrs.Cependant, nous le verrons plus loin, la protectionà 100 % des bâtiments n’est pas imposée par lestextes réglementaires.

La France est-elle sismique?

Ces dernières années, la France a été épargnée parles séismes meurtriers. Notre pays reste cependantexposé au risque sismique ; celui-ci est suffisam-ment important pour ne pas être sous-estimé. Laconnaissance historique des séismes en Franceremonte à 1000 ans. Sur cette période, la métro-pole et l’outre-mer ont connu des séismes trèsdestructeurs. En métropole, de nombreux tremble-ments de terre d’intensité macrosismique VIII à IXse sont produits : dans les Pyrénées en 1428, 1660,1817 et 1967, à la frontière suisse (Bâle) en 1356,1775 et 1885, dans les Alpes-Maritimes en 1887,près d’Aix-en-Provence en 1909, etc. Ces intensi-tés correspondent à l’effondrement partiel ou totaldes constructions en maçonnerie. La carte de sis-micité historique de la figure 1 montre les princi-paux épicentres depuis 1000 ans.

Rappelons que l’intensité macrosismique exprimel’importance des effets sismiques sur l’homme, lesouvrages et les sites naturels, indépendamment dela puissance du séisme (de sa magnitude). Ceseffets sont évalués selon une échelle convention-nelle comportant douze degrés, indiqués par deschiffres romains. En Europe, on utilise l’échelleEMS (European Macroseismic Scale). On considèreque les charges sismiques sur les constructionssont multipliées par deux lorsque l’intensitémacrosismique augmente d’un degré.

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Introduction

Fig. 1 - Sismicité historique de la France

La magnitude, appelée dans les média « degré surl’échelle de Richter », est une grandeur calculée (etnon déterminée par une échelle comportant desdegrés) qui caractérise la puissance des séismes àleur foyer, indépendamment des dommages auxconstructions qu’ils peuvent entraîner. Pour unemême magnitude, ces dommages diminuent avecla profondeur du foyer (les séismes superficielssont les plus meurtriers) et avec la distance desconstructions de l’épicentre du tremblement deterre. Les magnitudes les plus grandes connues ontdépassé 9. Lorsque la magnitude s’élève de 1, lapuissance du séisme est multipliée par 32 environ.Cela signifie qu’elle double chaque fois que lamagnitude croît de 0,2.

Il n’y a pas de corrélation générale entre la magni-tude et l’intensité macrosismique. En effet, unséisme de magnitude moyenne peut avoir uneintensité élevée si son foyer est peu profond etsitué dans une zone où le bâti est ancien et vulné-rable. A contrario, un séisme de forte magnitudemais profond ou déclenché sous la mer peut n’en-traîner que des dégâts nuls ou négligeables.Cependant, une corrélation locale peut être établie.

Le niveau minimal exigé de protection parasis-mique augmente avec la sismicité de la zone danslaquelle est située la construction et avec sa caté-gorie d’importance (par exemple, la protection deshôpitaux est plus élevée que celle des maisonsindividuelles). Le zonage réglementaire françaisdistingue cinq zones par ordre croissant de sismi-cité (fig. 2). Un arrêté précise, pour chaque zone, lemouvement du sol à prendre en compte dans ledimensionnement des constructions aux séismes,donc le niveau minimal de protection.

Le zonage est basé sur l’aléa sismique régional, quiest défini comme la probabilité qu’au cours d’unepériode de temps considérée (un an, cent ans,mille ans…) une secousse sismique atteigne oudépasse, sur un site donné, une certaine intensité :intensité macrosismique, accélération maximale dusol, etc. L’évaluation de l’aléa sismique constituedonc une prévision sismique (et non pas une pré-diction) portant sur le lieu, la fréquence d’occur-rence et l’intensité maximale des séismes futurs,sans toutefois en estimer la date.

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Fig. 2 - Zonage sismique de la France

Lors des tremblements de terre, les constructionssubissent des oscillations horizontales, verticales,et de torsion. Ces oscillations sont provoquées pardes mouvements du sol d’assise, qui imposentdonc aux ouvrages des déformations et non pardes forces extérieures. Pour les besoins du calcul,des forces d’inertie (charges sismiques) sont asso-ciées aux déformations imposées (fig. 3).

Fig. 3 - Forces d’inertie constituant des charges sismiques

Oscillations horizontales

Ces oscillations sont relativement mal supportéespar les constructions, plus particulièrement lorsquecelles-ci entrent en résonance avec le sol. Bien queles constructions soient contreventées (ou auto-contreventées) pour résister au vent, vis-à-vis destremblements de terre, ce contreventement s’a-vère souvent insuffisant (le séisme est « dimen-sionnant »). Il doit donc être renforcé.

Dans le cas de la résonance avec le sol, les ampli-tudes d’oscillation de la construction sont très

importantes et provoquent souvent l’effondrementde l’ouvrage. La résonance se produit lorsque lesoscillations libres d’une construction ont une fré-quence proche de celles du sol. Ses amplitudesd’oscillation s’accroissent alors d’une manièreconsidérable, à l’instar d’une balançoire mise enmouvement par des impulsions d’une fréquenceprécise. Les dommages dus à la résonance sontsouvent très importants (fig. 5).

Fig. 4 - Oscillations horizontales

Fig. 5 - Dommages dus à la résonance du bâtimentavec le sol (séisme de Kobé, 1995)

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Comportement dynamiquedes constructions sous séisme

forc

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mouvement du sol

forcesd’inertie

Action du sol Action du sol

Oscillations verticales

Ces oscillations sont bien supportées par les construc-tions, car celles-ci sont conçues pour résister auxcharges gravitaires, qui sont verticales. Seuls leséléments pouvant subir des déformations verti-cales importantes en raison de leur flexibilité sontassez vulnérables : poutres de grandes portées etbalcons présentant un porte-à-faux de plus dedeux mètres, plus particulièrement lorsqu’ils sontlourds (fig. 7) ou portent une jardinière à leur extré-mité.

Fig. 6 - Oscillations verticales

Fig. 7 - Rupture de porte-à-faux(séisme de San Fernando, Californie 1971)

Oscillations de torsion

Les oscillations de torsion sont dues à la « mau-vaise » conception des constructions, car le sol netourbillonne pas. Lors des séismes, les parties plusdéformables des ouvrages vrillent autour des partiesplus rigides. Ce phénomène est expliqué plus loin.

Les bâtiments supportent très mal les oscillationsde torsion. Il s’agit d’un des phénomènes les plusdestructeurs (fig. 9).

Fig. 8 - Oscillations de torsion

Fig. 9 -Effondrementdû à latorsion(séisme deTaïwan 1999)

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Action du sol Action du sol

forces d’inertie forces d’inertieAction des

forcesd’inertie

Actiondu sol

Actiondu sol

La manière dont oscillent les bâtiments exposés àun séisme dépend de l’architecture du systèmeporteur, qui est étroitement lié à la forme du bâti-ment, à la disposition des éléments lourds et rigidescomme les murs ou autres éléments participant aucontreventement, ainsi qu’au choix du matériaude structure (maçonnerie, béton, acier, bois) dontdépend l’amortissement des mouvements oscilla-toires. Le fait de placer un mur, un poteau, un esca-lier ou une ouverture à un endroit plutôt qu’à unautre peut modifier considérablement le comporte-ment d’une construction soumise à un tremble-ment de terre.

Tous ces éléments participent de la conceptionarchitecturale et relèvent donc du parti architectu-ral recherché, dont le choix est opéré dès l’es-quisse. L’application de la norme parasismique apour but de conférer aux ouvrages un certainniveau de protection vis-à-vis de cette action,qu’elle soit optimisée ou non par la conception.L’architecte joue donc un rôle important dans laprotection parasismique des bâtiments. Il devraitrevendiquer ce rôle et le faire-valoir auprès desmaîtres d’ouvrage.

La protection réglementaire n’est pas totale. Lanorme parasismique vise « une probabilité raison-nablement faible d’effondrements ou de désordresstructuraux majeurs » sous les actions sismiques decalcul qui, en plus, sont inférieures au séisme maxi-mal plausible. L’application de la norme ne garan-tit donc pas l’absence de dommages graves en casde séisme destructeur. Ainsi, des bâtiments confor-mes à la norme parasismique se sont ils effondrés(fig. 10).

Les dommages graves sont heureusement rareslorsque les règles parasismiques sont appliquées.Cependant, les maîtres d’ouvrage sont libres d’op-ter pour une protection supérieure aux obligationsréglementaires. Mais la fiabilité d’une constructiondont l’architecture est conçue sans tenir comptedes effets des séismes peut être considérablement

réduite. A contrario, une architecture adéquatepermet de sauvegarder les bâtiments, car elle opti-mise leur comportement dynamique.

En outre, si l’architecture ne favorise pas la résis-tance aux séismes, le coût de la protection régle-mentaire peut être élevé. Le comportementdynamique défavorable « coûte cher ». Les para-graphes suivants montrent les principales consé-quences d’une architecture inadéquate.

Oscillations asynchrones desdifférentes parties du bâtiment

Lorsque le plan du bâtiment est en forme de L,T ou X sans joints de dilatation ou de tassement,ou si l’ouvrage présente des étages en retrait,ses diverses parties oscillent d’une manière nonsynchronisée, allant parfois dans des sens contraires

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Conception architecturale parasismique

Fig. 10 - Effondrement d’un bâtiment conforme aux règlesparasismiques (séisme de Northridge, Californie 1994)

les unes par rapport aux autres (fig. 11). Dans lesangles rentrants à la jonction des ailes ou de toutepartie ayant une rigidité différente (au droit desvolumes en retrait ou en saillie), les dommages sis-miques sont souvent importants (fig. 12) et lesconstructions s’effondrent parfois.

Fig. 12 - Dommages dus à des oscillationsdifférentielles en plan et en élévation

(séisme de Kobé, Japon 1995)

Quatre types de solutions permettent de suppri-mer, ou du moins de limiter, ces phénomènes.

a) Fractionnement du bâtiment en bloc de formerectangulaire. Ce fractionnement s’effectue aumoyen de joints de séparation vides de tout maté-riau, appelés joints sismiques. La solution convientsurtout dans les cas où des joints de dilatation ther-mique ou des joints de tassement différentiel (derupture) sont nécessaires. Créer des joints spécifi-quement pour des raisons parasismiques estcoûteux et difficilement envisageable pour les bâti-ments-tours, car la largeur des joints doit être suf-fisante pour prévenir l’entrechoquement des blocs

contigus. Cet entrechoquement peut entraîner desdommages graves, allant jusqu’à l’effondrement(fig. 13). Dans le cas des immeubles de grandehauteur, la largeur minimale du joint peut atteindreplusieurs dizaines de centimètres. Lorsque lesblocs contigus font partie d’une même propriété, àchaque niveau, l’Eurocode 8 exige une largeur dejoint au moins égale à la somme quadratique desdéplacements (racine carrée de la somme des car-rés des déplacements) des planchers hauts duniveau. Si les planchers des blocs adjacents sont àla même hauteur, la largeur minimale du joint peutêtre réduite par un coefficient de 0,7. L’Eurocode 8ne précise pas de valeur « plancher » pour la largeurdes joints sismiques, mais il est recommandé d’a-dopter comme minimales les largeurs exigées parles règles antérieures : 4 cm en zones 2 et 3, et6 cm en zones 4 et 5.

Les joints devraientêtre vides de toutmatériau. Même lepolystyrène, habi-tuellement utilisépour les remplir,transmet les chocs(fig. 13, photo ci-dessous).

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Fig. 11 - Oscillations asynchrones (différentielles) en plan et en élévation

Fig. 13 - Dommages dus à l’entrechoquement de blocscontigus (séismes de Boumerdès, Algérie 2003 et de

Tokachi-Oki, Japon 1968)

b) Compensation de l’asymétrie de la forme duplan par une répartition symétrique de la rigiditéde la structure, car in fine, c’est celle-ci qui assurela résistance du bâtiment aux séismes. Les zonespotentiellement flexibles (de plus faible largeurou profondeur) peuvent être raidies par des élé-ments de contre-ventement (fig. 14).

Fig. 14 - Pignons rigidifiéspar des éléments

de contreventement

c) Variation progressive de la largeur du bâti-ment. Cette solution n’empêche pas les oscillationsdifférentielles, mais limite considérablement leurseffets, car les angles rentrants, où se concentrent

les contraintes, sont sup-primés (fig. 15).

Fig. 15 - Variationprogressive de la rigiditéhorizontale des niveaux

d) Isolation parasismique, qui consiste à faireporter la construction par des appareils d’appuisouples, appelés aussi « isolateurs » (fig. 16). Lesdéformations provo-quées par les tremble-ments de terre seconcentrent dans cecas au niveau desappuis et la construc-tion oscille commeune boîte quasi rigide,donc sans dommagesstructuraux.

Fig. 16 - Constructions isolées à la base

Torsion du bâtiment

Lorsque les éléments rigides d’un ou plusieursniveau (murs ou autres éléments participant aucontreventement) sont répartis d’une manière asy-métrique par rapport à leur centre de gravité, lesséismes soumettent ces niveaux à une torsion d’en-semble qui produit des effets très destructeurs(fig. 17 gauche). Il est donc impératif de les dispo-ser de manière à assurer, dans chaque directionprincipale, une répartition symétrique de la rigiditépar rapport à l’axe passant par le centre de gravitédes planchers (qui constituent les éléments les plusmassifs). Il convient de considérer la symétrie

10


séparément dans chaque direction car, générale-ment, un élément qui contrevente dans une direc-tion ne contrevente pas dans une autre (fig. 17droite).

Effet de « niveau souple »

Les séismes imposent aux constructions des défor-mations (et non pas des charges externes commele vent). Lorsqu’un niveau est significativementmoins rigide que les autres (30 % de différence suf-fisent), il est appelé « niveau souple ». Les défor-mations des bâtiments provoquées par les séismessont concentrées sur ces niveaux. Si elles devien-nent importantes, ce qui se produit lors de séismesforts ou moyens, la structure ne peut les tolérer.Une conséquence fréquente est l’écrasement duniveau (fig. 18).

L’effet de « niveau souple » se produit générale-ment en rez-de-chaussée d’immeubles, principale-ment pour deux raisons. D’une part, les rez-de-chaussée comportent souvent de vastes locauxsans cloisons, une façade vitrée ou de nombreusesouvertures. D’autre part, leur hauteur est souventplus grande que celle des autres niveaux. Or larigidité latérale des éléments verticaux décroîtproportionnellement au cube de leur hauteur.Lorsqu’on double la hauteur d’un poteau, à sectionégale, sa rigidité est divisée par 8.

Quatre types de solutions permettent d’éviter l’ef-fet de niveau souple tout en conservant de grandslocaux et la « transparence » des façades.

a) Placer au moins deux murs en béton armé oupalées de stabilité en acier (fig. 19) dans chaquedirection principale, d’une manière symétriquepour éviter la torsion d’ensemble sous charges

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Fig. 17 - Dommages dus à la torsiondu rez-de-chaussée d’un immeuble(séisme de Tokachi-Oki, Japon 1968)

et exemples d’une répartition correctedes éléments rigides.

Fig. 18 - Dommages aux rez-de-chaussée « souples »(séismes de Kobé, Japon 1995 et de Tokachi-Oki,

Japon 1968)

horizontales. Ces éléments peuvent être situés enfaçade (solution plus efficace), ou à l’intérieur, for-mant par exemple un ou plusieurs noyaux rigides.

b) Augmenter progressivement vers le haut larigidité des éléments porteurs verticaux (fig. 20).Cette solution peut prévenir l’écrasement duniveau souple, sans toutefois empêcher certainsdommages en cas de séisme fort.

c) Prévoir une structure de même rigidité à tousles niveaux (fig. 21). Cela suppose l’emploi decloisons et de façades légères, afin de ne pas limi-ter la déformabilité de certains poteaux.

d) Utiliser l’isolation parasismique. Le niveau desisolateurs est beaucoup plus souple que le niveaudit « souple ». Par conséquent, les déformationsimposées par le séisme s’y concentrent, épargnant

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Fig. 19 - Contreventement ayant pour butd’augmenter la rigidité horizontale du rez-de-chaussée

Fig. 20 - Variation progressive de la rigidité des porteurs verticaux

Fig. 21 - Structurede même

rigidité horizontaleà tous les niveaux

la superstructure. Les isolateurs sont conçus poursupporter de grandes déformations, ce qui n’estpas le cas du bâtiment.

Effet de « poteau court »

Les efforts horizontaux dus aux séismes se distri-buent sur les éléments de structure verticaux enproportion de leur rigidité latérale. Si, dans unestructure en portiques, certains poteaux sont pluscourts (comme ceux du vide sanitaire) ou si leurcapacité de déformation est réduite par la présenced’allèges en maçonnerie, de paliers d’escalier inter-médiaires, de mezzanines, de rampes ou d’autreséléments, ils sont beaucoup plus rigides que lesautres poteaux. Ils sont donc beaucoup plus sollici-tés et peuvent être détruits par cisaillement. Onparle de l’effet de « poteau court » (fig. 22). Pourl’éviter, on peut opter pour un système contre-venté, par exemple en plaçant des voiles en bétonarmé en façade (fig. 23.1) ou à l’intérieur du bâti-ment ou, dans le cas des allèges, en utilisant deséléments industrialisés légers, possédant une faiblerigidité (fig. 23.2).

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Fig. 22 - Dommages dus à l’effet de poteau court(séismes d’El Asnam, Algérie 1980

et de Chi-Chi, Taïwan 1999)

Fig. 23 - Solutions supprimant ou limitant l’effet de poteau court

Fig. 23.1

Fig. 23.2

Constructions en maçonneriede blocs de béton

Lors des séismes violents, la destruction des bâti-ments en maçonnerie non conçus pour résister auxsecousses (maçonnerie non chaînée) est très fré-quente (fig. 24). De nombreuses victimes sont àdéplorer dans ce type de constructions. En effet, larésistance des joints de mortier à la traction et aucisaillement est faible. En cas de secousses, cesjoints se disloquent.

Dans un premier temps, les panneaux de maçon-nerie sont fissurés diagonalement (fig. 25), car sousl’action des forces horizontales, ils ont tendance àprendre la forme d’un parallélogramme, dont unediagonale est tendue et l’autre comprimée. La

maçonnerie résistant mal à la traction, elle se fis-sure perpendiculairement à la diagonale tendue.Lorsque le sens de la secousse s’inverse, l’autrediagonale se fissure de la même manière.

Les ouvertures dans les panneaux de maçonnerieconstituent des zones faibles, dans lesquelles la fis-suration est souvent initiée. Les fissures partent desangles des ouvertures, car les contraintes y sontplus élevées. La chute de pans de maçonnerie estensuite rapide (fig. 26).

Fig. 26 - Dislocation desmurs à partir de baies nonencadrées, (séismesd’Anchorage, Alaska 1964et de San Fernando,Californie 1967)

Afin de prévenir ou retarder la dislocation de lamaçonnerie, celle-ci doit être confinée par deschaînages en béton armé, constituant un « sque-lette » en trois dimensions. La construction nedevrait présenter aucun bord libre en maçonnerie.Tous les murs structuraux et non structuraux doi-vent être confinés par des chaînages et encadre-ments d’ouvertures en béton armé. Cependant, lanorme parasismique tolère le non-encadrementdes ouvertures de petites dimensions.

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Construction parasismique

Fig. 24 - Dislocation desmaçonneries lors des

séismes d’Italie de 2009 et 2002

Fig. 25 - Fissures diagonales dans les panneauxde maçonnerie (séismes de Guadeloupe, 2004

et d’Italie, 2009)

On doit prévoir (fig. 27 et 28) :– des chaînages horizontaux au niveau de tous les

planchers et des fondations ;– des chaînages de couronnement sur les bords

supérieurs libres des murs (pignons, acrotères,garde-corps, etc.) ;

– des chaînages verticaux dans les angles, sur lesbords des trumeaux de contreventement et tousles 5 m dans les murs longs ; ils doivent êtreancrés dans les fondations ;

– l’encadrement des ouvertures, relié dans certainscas aux chaînages horizontaux.

Les chaînages doivent être mécaniquement conti-nus ; leur résistance ne doit pas être interrompue.À cet effet, à leurs extrémités, la continuité desarmatures longitudinales doit être assurée par unrecouvrement de 60 diamètres (selon l’Eurocode8). Il est donc interdit de juxtaposer simplementdes armatures de chaînages façonnées en usine.L’ajout de barres ou de boucles (barres pliées enforme de U) de continuité est nécessaire. L’ancragedans les fondations des chaînages verticaux estobligatoire, notamment lorsqu’ils encadrent destrumeaux de contreventement, qui assurent la sta-bilité de la construction vis-à-vis des charges hori-zontales.

Les éléments utilisés pour les maçonneries en zonesismique doivent répondre à des caractéristiquesminimales. Les blocs creux, d’une épaisseur mini-male brute de 20 cm, doivent comporter une paroiintermédiaire parallèle au mur (fig. 29). L’épaisseurminimale brute des blocs pleins est de 15 cm.

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Triangulation de la charpente

Chaînagesur les rampants

Chaînage verticauxet horizontaux

Vide sanitaire

Encadrement des baies

Fondations continues,reliées entre ellesLiaison continue

des chainages

Liaisonnementfondation-bâtiment

Fixationde la charpenteaux chaînages

Fig. 27 - Dispositions parasismiques pour une maison individuelle

≥ 15 mm≥ 15 mm

≥ 200 mm

Cloison parallèleau plan du mur

Fig. 29 - Caractéristiquesminimales des blocscreux admis en zone

sismique

Fig. 28 - Exemplesde réalisation demaisons enmaçonneriechaînée(Martinique)

La mise en œuvre des maçonneries peut être réali-sée avec un mortier classique ou au mortier-colle.Les joints entièrement remplis sont admis sansrestriction. Contrairement aux règles précédentes(PS 92), l’Eurocode 8 admet les joints verticaux nonremplis (fig. 30). Dans ce cas, une procédure devalidation du mode de pose est requise.

Pour assurer le confinement des ouvrages enconsole verticale (acrotères et garde-corps enmaçonnerie), un chaînage de couronnement arméde 2 barres HA ainsi que des chaînages verticaux àentraxe ≤ 3 m, armés de 4 barres HA sont requis.

En l’absence de confinement, l’éclatement desgarde-corps et acrotères en maçonnerie est fré-quent (fig. 31).

Fig. 31 - Chute partielle d’un acrotère sans chaînagesverticaux et chute totale d’un acrotère

sans couronnement (séisme du Chili, 1960).

Les cloisons en maçonnerie doivent respecter desdispositions similaires à celles requises pour lesmurs porteurs. Elles doivent être solidaires de lasous-face du plancher supérieur et raidies par deschaînages verticaux ou par des murs ou cloisonsperpendiculaires, distants de 5 m au plus. Lafigure 32 montre l’effondrement de cloisons sanschaînages verticaux ni autres raidisseurs.

Les souches de cheminée en maçonnerie sont par-ticulièrement vulnérables aux séismes. Leur effon-drement en cas de tremblement de terre estfréquent (fig. 33). Lors du séisme d’Annecy en1996, plus de 600 souches de cheminée ont étéprojetées dans la rue, écrasant les voitures en sta-tionnement le long des trottoirs.

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Joint de mortier

Fig. 30 - Dispositions pour les joints verticaux

Joint vertical rempli de mortier Joint vertical non rempli (montage à bords jointifs) Blocs à emboîtement (montage à bords jointifs)

Fig. 32 - Éclatement de cloisons en maçonnerie,(séismes d’El Asnam et de Boumerdès, Algérie 1980 et 2003)

La stabilité des souches estconsidérée comme assurée sielles sont situées à moins d’unmètre du faîtage et ne le dépas-sent pas de plus de 50 cm. Dansles autres cas, il est nécessairede les stabiliser par haubanage,corsetage, etc.

Constructions en béton armé

La résistance aux séismes est davantage une ques-tion de système porteur (architecture, dispositionsconstructives, dimensionnement) que de matériau,mais le béton armé permet la réalisation de systè-mes efficaces vis-à-vis des charges sismiques.Cependant, certaines constructions en béton arméréalisées selon les méthodes propres aux zones nonsismiques peuvent subir, sous l’effet des séismes,des dommages importants puisque le béton armé,de manière habituelle, éclate lors des secousses.Un excellent comportement sous séisme est obtenuen confinant le béton par une armature appropriée.

Ainsi, des bâtiments de grande hauteur en bétonarmé ont pu être réalisés dans des zones de fortesismicité (fig. 34).

Fig. 34 - Immeubles de grandehauteur à Tokyo, zone de forte

sismicité

Constructions en voiles coulés en place

Le choix d’une structure en voiles de béton oubéton armé est déjà « parasismique ». Même réali-sées selon les règles de construction propres auxzones non sismiques, ces structures ne s’effondrentpas, en général, sous l’effet d’un tremblement deterre. L’immeuble de la figure 35, dont la structureest en voiles porteurs, a subi un séisme de magni-tude 8,3 (ce qui le classe parmi les tremblementsde terre les plus violents). Or les dommages occa-sionnés par ce séisme étaient facilement réparables.

Fig. 35 - Immeubleen voiles de béton

armé après leséisme

d’Anchorage(Alaska, 1964) de

magnitude 8,3.

Même endommagés, les voiles continuent à porterles planchers (fig. 36 gauche). Or l’effondrementdes planchers est la première cause de décès lorsdes tremblements de terre. L’immeuble sur lafigure 36 droite n’a subi que des dommages légerslors du séisme de Kobé en 1995, dans une zone oùpourtant près de 6000 personnes ont péri.

Fig. 36 - Voiles en béton et béton armé: mêmeendommagés, ils préviennent l’effondrement des

planchers

17

Fig. 33 - Chute de souches non stabilisées (séisme d’Alaska, 1964et de Coalinga, États-Unis 1983)

Les voiles se comportent comme des poutres ver-ticales. Par conséquent, lorsqu’ils sont élancés, lescharges horizontales les sollicitent en flexion (com-posée avec la compression due aux charges gravi-taires). Les bords des voiles sont donc davantagesollicités que leur milieu (qui correspond à l’axeneutre de la poutre), d’autant plus que la construc-tion est élevée. Il est donc nécessaire de renforcerces bords par des chaînages ou poteaux intégrésdans les voiles. Un élément de rive (retour) auxextrémités, qui conduit à ne pas placer les fenêtrescontre les voiles, améliore leur résistance aux séis-mes (fig. 37 gauche).

Fig. 37 - Éléments de rive des voiles et exempled’armature d’un voile comprenant un poteau intégré

à son extrémité.

Paradoxalement, les structures en voiles coupléspar des allèges en béton armé ont un meilleurcomportement sous séisme que les voiles non per-cés. En effet, la stratégie de protection adoptéedans les règles parasismiques consiste à autoriser,lors des séismes majeurs, des dommages perma-nents « bien placés », afin de favoriser la dissipationde l’énergie des oscillations. Lorsqu’un voile necomporte pas de percements, ces dommages sontlocalisés à sa base, ce qui peut le rendre économi-quement irréparable. Par contre, dans le cas desvoiles couplés, les allèges jouent le rôle de « fusi-ble », au sein duquel l’énergie se dissipe, épargnantles voiles porteurs (fig. 38 gauche). Or les allègessont facilement réparables. Afin d’optimiser la dis-sipation d’énergie dans les allèges, l’Eurocode 8

exige une armature spécifique (fig. 38 droite).L’absence d’une telle armature a donné lieu à unerupture de type « fragile » dans le cas de l’immeu-ble montré sur la figure 38 gauche. Elle a néan-moins permis de préserver les voiles porteurs.

Fig. 38 - Voiles couplés par des allèges

Ossature en poteaux et poutrescoulés en place

Les ossatures en poteaux et poutres en béton arméont été, par le passé, l’un des systèmes les plusmeurtriers en cas de séisme, car pour résister auxsecousses, le béton des poteaux et des poutresnécessite un confinement renforcé, non pratiquéavant la mise en place des règles parasismiques. Enl’absence d’un tel confinement, l’ossature peut sedisloquer facilement, d’où des effondrementsspectaculaires (fig. 39).

Fig. 39 - Effondrementdes ossatures en bétonarmé non confiné(séismes d’Izmit,Turquie 1999et de Boumerdès,Algérie 2003)

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À éviter À préférer

A

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Élévation Longueur d’ancragemajorée de 50 %

A’

En revanche, correctement armées (confinées), lesossatures en béton armé montrent un comporte-ment satisfaisant. Le confinement du béton a pourbut d’assurer, entre autres, un comportement duc-tile des ouvrages. Les structures ductiles peuvent sedéformer notablement avant de rompre. En outre,les déformations « plastiques », qui caractérisent laductilité, ne sont pas instantanées et dissipent unequantité importante d’énergie, qui n’est plus « réin-jectée » dans les oscillations. La figure 40 montred’un coté un comportement fragile, caractérisé pardes ruptures brusques, instantanées, et de l’autreun comportement ductile, c’est-à-dire la déforma-tion plastique de l’ossature. Celle-ci permet d’évi-ter la rupture des poteaux de façade, verticale àl’origine. La construction s’est effondrée en raisond’une rupture fragile, par effet de poteau court despoteaux intérieurs portant une rampe (non visiblessur la photo), qui a réduit leur déformabilité.

Fig. 40 - Comparaison d’un comportement fragile(rupture instantanée) d’une ossature non confinée

et du comportement ductile (plastique) d’une ossatureconfinée. L’effondrement de cette dernière constructionest dû à une erreur de conception et non d’exécution :

effet de poteau court à l’intérieur du bâtiment(séismes de Spitak, Arménie 1988 et de Northridge,

Californie 1994)

Pour assurer le confinement du béton, l’armaturedoit constituer une « grille » à maille fine permet-tant de maintenir le béton à l’intérieur de l’élémentstructural. En outre, les cadres, épingles ou étriersdoivent maintenir individuellement les armatureslongitudinales afin de s’opposer à leur flambement(fig. 41).

Lorsque le béton n’est pas confiné, les endroits lesplus sollicités (extrémités des poteaux et des pou-tres, ainsi que les nœuds), appelés « zones cri-tiques », éclatent en premier (fig. 42). Si le séismese poursuit, l’effondrement de l’ouvrage est inévi-table.

Fig. 42 - Éclatement des zones critiques dans les poutres,poteaux et nœuds

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Fig. 41 - Armature de confinement des poutreset des poteaux

Anchorage 1964

Taïwan 1999

Chili 1960Taïwan 1999

Lorsque la structure principale est en portiques, ilconvient de respecter le principe « poteau fort-poutre faible ». Les poutres doivent posséder unerésistance ultime inférieure à celle des poteaux etdes nœuds. Le but est de localiser les dommagessismiques structuraux acceptés (rotules plastiques)dans les poutres, facilement réparables, et de pré-venir leur apparition dans les poteaux ou lesnœuds, qui assurent la stabilité du bâtiment.

L’architecture de « poutres-allèges » ne permet pasde respecter ce principe. Les poteaux étant moinsrésistants, ils peuvent subir des dommages allantjusqu’à l’effondrement (fig. 43). Si on souhaiteconserver l’architecture de « poutres-allèges » enzone sismique, le contreventement du bâtimentdoit être assuré par des voiles et non par effet deportique.

Fig. 43 - Non-respect du principe « poteau fort -poutre faible » (séismes de Tokachi-Oki, Japon 1968

et d’Izmit, Turquie 1999)

Par ailleurs, il est conseillé de ne pas avoir recoursaux panneaux de remplissage en maçonnerie qui,traditionnellement non fixés en partie haute fautede pouvoir introduire correctement du mortiersous la poutre, éclatent rapidement en cas d’actionsismique violente, ce qui entraîne souvent l’insta-bilité de la construction. La figure 44 montre unetelle situation. Les panneaux du rez-de-chausséeéclatent les premiers, car les charges horizontalessont en général les plus grandes au niveau inférieur(cas d’une console verticale, dont la zone la plus

sollicitée est l’en-castrement), et letransforment en« niveau souple »,dont la vulnérabi-lité a été exposéeplus haut.

Fig. 44 - Éclatement des panneaux de remplissage enmaçonnerie (séisme de Boumerdès, Algérie 2003)

Si une liaison efficace peut être assurée, le com-portement de la structure devient favorable.

Des dispositions destinées à prévenir l’éclatementdes panneaux peuvent être prises, mais elles nesont pas courantes (fig. 45).

Fig. 45 - Raidisseurs en béton armé destinés à prévenirou retarder l’éclatement des panneaux de remplissage

en maçonnerie (à gauche : après le séismedu Mexique, 1985)

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Systèmes mixtes à ossature et voiles

Dans le cas des systèmes mixtes, aussi bien les voi-les que les portiques participent à la résistance auxcharges horizontales. Dans un premier temps, enraison de leur rigidité, les voiles reprennent lapresque totalité de ces charges. Après l’apparitionde zones plastifiées dans les voiles, une plusgrande part des charges se reporte sur les por-tiques qui, si les dispositions constructives desrègles parasismiques sont respectées, possèdentune grande capacité à dissiper l’énergie des oscil-lations. En outre, les déformations des voiles sontminimales en pied de la structure, où celles des por-tiques sont maximales. Au sommet de l’ouvrage,c’est le contraire (fig. 46 droite). L’interaction desvoiles et des portiques est donc très favorable, àcondition toutefois que les assemblages poutres-voile soient ductiles et acceptent donc une certainedéformation avant la rupture.

Fig. 46 - Comportement sous charges horizontales dusystème mixte à ossature et voiles

Conclusions

La conception parasismique d’un bâtiment, ou plusgénéralement d’un ouvrage, consiste à opter pourune architecture qui lui confère un bon comporte-ment lorsqu’il est exposé à un tremblement deterre. Sont concernés : forme d’ensemble du bâti-ment et choix du système porteur, ainsi que sonorganisation en plan et en élévation, donc sa confi-guration et la disposition des éléments de la struc-ture principale (murs, poteaux, escaliers, etc...).Ces éléments participent nécessairement de l’ar-chitecture et relèvent donc du parti architecturalrecherché, dont le choix est opéré dès l’esquisse.

Pour un séisme donné, l’importance des oscilla-tions auxquelles un bâtiment sera soumis, ainsi queleur nature, dépendent entièrement de son archi-tecture. En cas de conception inadéquate, cesoscillations peuvent être très préjudiciables : tor-sion de l’ouvrage, oscillations asynchrones de sesdifférentes parties, concentrations des déforma-tions sur certaines zones, etc. L’architecture d’unouvrage détermine donc l’action sismique àlaquelle il sera exposé lors d’un séisme. Or, ellen’est pas réglementée. La norme parasismique,quant à elle, a pour but de conférer aux ouvragesun certain niveau de protection vis-à-vis de cetteaction, qu’elle soit optimisée ou non par la concep-tion. L’application de la norme ne garantit pas l’ab-sence de dommages graves en cas de séismedestructeur. Or l’architecte doit à son client unouvrage qui présente toutes les garanties deconfort et de sécurité, un ouvrage « sur mesure ». Ilne doit envisager aucun échec.

La norme parasismique impose le respect dedispositions constructives spécifiques. Nous avonsvu que dans le cas des constructions en maçonne-rie et en béton armé, il s’agit essentiellement d’as-surer le confinement des éléments structuraux etnon structuraux comme les cloisons, acrotères, etc.Il apparaît ainsi que la résistance aux séismes estdavantage une question de système porteur (archi-tecture, dispositions constructives, dimensionne-ment) que de matériau.

Mais le béton armé, de par sa nature, autorise laconception et la réalisation de structures efficacesvis-à-vis des tremblements de terre.

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+ =

A B C

GlossaireAléa sismique - Probabilité qu’au cours d’unepériode de temps considérée (un an, cent ans,mille ans…) une secousse sismique atteigne oudépasse, sur un site donné, une certaine intensité :intensité macrosismique, accélération maximale dusol, etc. L’aléa sismique est établi à deux niveaux :à l’échelle régionale (considérant que le sol est unrocher horizontal) et à l’échelle locale (tenantcompte des caractéristiques du site et de la pré-sence éventuelle de failles).

Conception architecturale parasismique - Choixde la forme d’ensemble du bâtiment, de ses élé-ments, de son système porteur, ainsi que de sonorganisation en plan et en élévation (dispositiondes murs, poteaux, escaliers, etc...), permettant deminimiser l’impact des séismes auxquels il seraexposé et d’améliorer son comportement lors dessecousses sismiques.

Confinement (de murs en maçonnerie) - Mise enplace de chaînages horizontaux et verticaux enpériphérie et à l’intérieur des murs, ne laissant sub-sister aucun bord libre en maçonnerie.

Confinement (d’un poteau ou d’une poutre enbéton armé) - Mise en place d’armatures longitu-dinales (barres) et transversales (cadres, épinglesou cerces) à faible espacement, destinées à préve-nir l’éjection du béton lors des secousses sis-miques.

Contrainte - Tension interne dans un matériau pro-voquée par l’action des charges. En général, sonintensité varie d’un point à l’autre.

Contreventement - Ensemble d’éléments de cons-truction assurant la stabilité et la rigidité d’un bâti-ment vis-à-vis des forces horizontales engendréespar le vent, les séismes ou autres causes. Il comp-rend des diaphragmes et des éléments verticaux(contreventement vertical).

Contreventement vertical (élément de) - Élémentassurant la stabilité d’une file de poteaux ou demurs (perpendiculairement à leur plan). Il peut êtreconstitué par un mur, par un portique ou par unetravée triangulée.

Déformations plastiques - Déformations irréversi-bles des éléments constructifs réalisés en maté-riaux ductiles (voir « Ductilité »). Ce type dedéformation se produit au-delà de la limite d’élas-ticité (voir ce terme) d’un élément et retarde sarupture.

Diaphragme - Ouvrage plan horizontal (plancher)ou incliné (versant de toiture) possédant une rigi-dité suffisante pour transmettre les charges hori-zontales sur les éléments verticaux decontreventement.

Dispositions constructives parasismiques -Dispositions spécifiques visant à ancrer les élé-ments constructifs dans leur support, à les solidari-ser mécaniquement et à leur conférer une bonneductilité.

Ductilité - Capacité d’un matériau, et par extensioncelle d’un élément ou d’une structure, à subir avantrupture des déformations plastiques (voir ceterme), sans perte significative de résistance.

Échelle macrosismique d’intensité - Échelleconventionnelle permettant de mesurer l’intensitémacrosismique d’un séisme (voir ce terme). EnEurope, on utilise actuellement l’échelle EMS 92(European Macroseismic Scale), comportant 12degrés, dérivée de l’échelle MSK 64.

Épicentre (d’un séisme) - Point de la surface duglobe situé à la verticale du foyer d’un séisme.

Faille - Fracture de l’écorce terrestre, provoquéepar un glissement relatif de compartiments rocheux.

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Foyer (d’un séisme) - Lieu de l’écorce terrestre oùest amorcée la rupture des roches qui est à l’ori-gine du tremblement de terre. Il est égalementappelé « hypocentre ».

Intensité macrosismique (d’un séisme) -Importance des effets sur l’homme, les construc-tions et l’environnement, observés sur un sitedonné. Étant donné que les effets sismiques dimi-nuent avec la distance à l’épicentre, l’intensité épi-centrale est en général la plus élevée. L’intensitéest déterminée par référence à une échelle conven-tionnelle dite « échelle macrosismique d’intensité »(voir ce terme).

Isolateur parasismique - Appuis spécial placéentre une structure (ou un équipement) et ses fon-dations pour réduire l’amplitude des déformationsqu’elle subit lors d’un séisme. Les secousses du solne sont transmises à l’ouvrage que partiellement.

Limite d’élasticité ou limite élastique - intensitéde la contrainte (voir ce terme) à laquelle se pro-duit la rupture des matériaux fragiles ou au-delà delaquelle apparaissent des déformations irréversi-bles des matériaux ductiles (non fragiles).

Magnitude d’un séisme - Mesure de la puissancedu séisme considérée à son foyer. Elle est généra-lement calculée à partir de l’amplitude des secous-ses du sol et augmente avec l’étendue de larupture de la faille qui a déclenché le séisme. Dansles médias, elle est en général appelée « degré surl’échelle de Richter ».

Portique - Structure composée de poteaux et depoutres rigidement liés ensemble. L’angle qu’ilsforment est donc conservé même lorsqu’ils sontdéformés sous l’action de charges. Par opposition,les poteaux et les poutres articulés, dont l’anglepeut varier lors des déformations, forment descadres non rigides.

Résonance (d’un bâtiment avec le sol) - Oscillationen phase d’un bâtiment et de son sol d’assise. Larésonance a pour conséquence une importante etrapide augmentation de l’amplitude des oscilla-tions. Il s’agit d’un phénomène très destructeur.

Risque sismique - Probabilité, pour une périodede référence, de pertes de biens, d’activités deproduction et de vies humaines, exprimée en coûtou en pourcentage. Il peut être évalué pour unouvrage, une commune ou une région.

Rotule plastique - Zone plastifiée d’un élément destructure (poteau, poutre, voile…). Au-delà d’unseuil de sollicitation, une telle zone se comportecomme une rotule mécanique, autorisant la rota-tion sur son axe des autres parties de l’élément.

Séisme - Secousse plus ou moins violente du sol,due le plus souvent à la rupture d’une faille, activéepar les lents mouvements tectoniques qui animenten permanence la croûte terrestre. Cette ruptureémet des ondes qui, en se propageant, font vibrerle sol horizontalement et verticalement.

Zonage sismique - Division d’un territoire enzones en fonction de sa sismicité. On distingue le« zonage physique » dont les limites des zones sontdéterminées en fonction de l’aléa sismique, et le« zonage réglementaire », issu du zonage phy-sique, dont les limites suivent le découpage admi-nistratif du territoire en communes.

Zone critique - Endroit d’une structure où sontprincipalement concentrées les sollicitations d’ori-gine sismique. Au-delà de la limite d’élasticité, lazone aura un comportement ductile (voir« Ductilité ») ou subira une rupture fragile, qui est àéviter.

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Crédit photographiqueBRGM[1, 2, 24G] - CERIB [30] - Hadj Hamou A. [fig. 22G]Jacquet G. [37D] - Michel C. [27, 28D] - Miyamoto R. [36D]

NISEE Berkeley [7, 9, 10, 22D, 26, 31, 33, 35, 36G, 38G, 40D, 42,43D] - Poursoulis G . [24D, 25D] - Weliachew B. [5, 12, 18G]Wenk T. [19D] - Zacek M. [14, 15, 16, 17D, 19G, 23, 28G, 29D,34, 41, 4 D, 46G - Droits réservés [13, 17 G, 18D, 20, 21, 25G,

32, 39, 40G, 43G, 44, 45G, 46D.

AuteurMilan Zacek

CouvertureMinibus

Mise en page et réalisationAmprincipe ParisR.C.S. Paris B 389 103 805

Édition novembre 2009

ÉCOLE FRANÇAISE DU BÉTON

7, place de La Défense

92974 Paris-La-Défense CEDEX

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