Cours postgrade de génie parasismique Module 3 : évaluation des structures existantes Dr Vincent Pellissier Dr Michel Thomann Pellissier & de Torrenté Zwahlen & Mayr SA Rue de Lausanne 65 Zone industrielle 2 Mesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation des bâtiments existants
Cours Postgradué en génie parasismique Evaluation de bâtiments existants et exemples de mesures de gestion du risque
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Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -8-
Exemple de stratégies d’amélioration sismique sur un bâtiment cadre en béton armé avec colonnes courtes
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -9-
Amélioration par addition de refends en béton armé
1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et
réduction des déformations
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -10-
Retrofitting by column jacketing
2. Amélioration de la ductilité et de la résistance
5. Augmentation de l’amortissement
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -11-
Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres
2. Amélioration de la résistance et de la ductilité3. Diminution de la fréquence propre
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -12-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -13-
Exemples d’interventions techniques
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -14-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -15-
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
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Renforcement par contreventement métallique extérieur
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -17-
Défi … architectuctural!!
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Défi …valeur historique
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -19-
Amélioration parasismique d’un bâtiment en béton armé à l’EPF Zurich
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Intervention extérieure sur un bâtiment des années 1970 à Fribourg
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -21-
Intervention difficile à l’intérieur (il faut assurer une liaison monolithique avec la structure existantes)
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -22-
Agrandissement et amélioration parasismique d’un bâtiment de la police à Sion
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -23-
Ajout de refends en béton armé dans une structure existante, home Sion
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -24-
Ajout de refends en béton armé à l’extérieur d’un bâtiment, Saxon
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -25-
Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -26-
Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -27-
Utilisation de panneaux en béton armé préfabriqués et de précontrainte verticale
Schubbolzen
Vorgefertigte
Scheibe
Bestehendes
Rahmentragwerk
Fugen -Mörtel
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -28-
Comportement monolithique du cadre « renforcé »
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -29-
Chemisage de colonne : Recouvrement d’armature insuffisant
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -30-
Exemples de chemisage de piles en béton armé
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -31-
Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie traditionnelle à Zurich
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -32-
Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie de brique ciment à Martigny
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -33-
Murs en maçonnerie avec tissus composites sur un côté
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -34-
Intervention parasismique sur une citerne industrielle en Valais
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -35-
Isolation sismique : exemple d’un pont, Memphis USA
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -36-
Evaluation des bâtiments existants
• Effort progressif dans le choix des méthodes de calcul
• Illustrations par des exemples
Méthodes d’évaluation rapide
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -38-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -39-
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 »
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -40-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -41-
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
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Critère d’évaluationPerformance sismique ?
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -43-
Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements (MBD)
• Statique non-linéaireanalyse « push-over »
• Dynamique non-linéaireAnalyse temporelle
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -44-
• 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)
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -45-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -46-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -47-
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%
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -48-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -49-
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
]
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -50-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -51-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -52-
Local feu - Charrat
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -53-
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…
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -54-
Description de la structure
C
D
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -55-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -56-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -57-
NOUVEAUX CV VERTICAUX
RENFORTS DIAGONALES
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -58-
Mesures de renforcement
APPUIS AU FLAMBAGE
ANCRAGE DANS FONDATIONS
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -59-
Mesures de renforcement
NOUVELLES DIAGONALES (UNP260)ET MEILLEURE DISTRIBUTION DES FORCES
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -60-
Mesures de renforcement
• Ancrage dans les fondations
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -61-
Home de Nendaz
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -62-
Home de Nendaz
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -63-
Propositions d’intervention
2
M
T 1
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -64-
Proposition de renforcement
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -65-
Hôtel de ville - Saxon
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -66-
Description de la structure
• 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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -67-
Analyse de l’état existant
• 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 ?
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -68-
Analyse de l’état existant
T [s]
Sd/g [-]
T(SIA)T(Rayleigh)
0.44
0.27
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -69-
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -80-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -81-
Résultats - Efforts normaux N
Modèle 1 - Dalles souples
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -82-
Collège des Ursulines - Sion
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -83-
Description de la structure
• 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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -84-
Description de la structure
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -85-
Analyse de l’état existant
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -86-
Analyse de l’état existant
• 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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -87-
Analyse de l’état existant
Forces Capacité
aeff X [-] 0.28 0.81 (0.45 – 1.01)
aeff Y [-] 0.12 0.13 (0.10 – 0.20)
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -88-
Mesures de renforcement
• Etablissement scolaire:
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -89-
Mesures de renforcement
• Objectif: aint > 1.0
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -90-
Ecole de Vollèges – Modélisation
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -91-
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
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -92-
Ecole de Vollèges – Résultats
Vd Md Nd
Module 3 – Evaluations sismiques des bâtiments existantsMichel Thomann & Vincent Pellissier -93-