Soutenance mémoire
Amortisseur à fluide visqueux (FVD)
Vulnérabilité et demande en capacité des structures en acier
Introduction
Le nord algérien est une région susceptible de subir des mouvements sismiques à tout moment, cependant le code parasismique Algérien (RPA 99/2003) [189], prévoit la réponse des structures sous séismes en faisant appel à des méthodes linéaires simplifiées (méthode statique équivalente, analyse modale spectrale) qui reposent sur le principe du calcul de la force sismique. Le comportement dissipatif des ces structures est ensuite pris en compte en réduisant les efforts de calculs par un facteur de comportement (R1) [9, 170] assez important pour des bâtiments en acier à comportement ductile (R1=6) avec une limite d’amortissement établie à 5%. C’est à dire qu’on privilégie une dissipation par déformation à une dissipation par amortissement, ce qui peut occasionner des dommages importants dans le cas de tremblement de terre de forte intensité. L’histoire récente des séismes survenus dans le monde et en Algérie (Nepal 2015, Chili 2014, Tohoku 2011, Boumerdes 2003), et les dommages qu’ils ont causés, a montré que les méthodes simplifiées des codes parasismiques existants s’avèrent insuffisantes. Ce qui rend les méthodes d’analyse élastique linéaire inappropriées pour le dimensionnement des structures sujettes de comportement inéslatique particulièrement dans les matériaux à forte ductilité comme les aciers. Par ailleurs il fallait aussi améliorer le rendement de ces structures en augmentant la part de dissipation par amortissement. En outre ces codes devaient ce doter d’approches basées sur les méthodes non – linéaires en intégrant le concept de vulnérabilité et demande en capacité. La notion de vulnérabilité est généralement associée au terme aléa c’est-à-dire à la possibilité ou probabilité qu’un séisme se produise, pour définir ce qu’on appelle le risque sismique. Dans ce cas le terme de vulnérabilité pour sa part peut être défini comme étant la capacité de résistance d’une structure à un évènement sismique [230]. Ce chapitre présente une revue des principales méthodes utilisées pour estimer la vulnérabilité dans le domaine du génie civil.
Évaluation de la vulnérabilité
L’évaluation de la vulnérabilité des ouvrages constitue un moyen efficace dans le processus de prévention et de réduction du risque sismique. La vérification de la capacité de ces derniers à résister à un niveau de séisme donné requiert de bien connaître les différentes caractéristiques structurales requises pour une bonne performance sismique. Pour les études à grande échelle (ville ou région), la méthodologie choisie est souvent statistique car les informations sur le bâti existant sont habituellement incomplètes. Les objectifs de l’étude de la vulnérabilité sismique à grande échelle sont divers. Il y a le calcul d’une intensité macrosismique, l’estimation du nombre de victimes pour un scénario ou en temps réel,l’estimation des dommages et des coûts pour un scénario et l’estimation du risque pour classer les priorités de renforcement des bâtiments [144]. A l’échelle de la structure, les études sont généralement déterministes et font appel à la modélisation.
Les différentes méthodes d’estimation se basent généralement sur l’utilisation de courbes de fragilité ou matrices de dommages qui expriment le taux de pertes que peut subir une structure pour différentes intensités sismiques. Les courbes sont reproduites en général à partir de l’observation des dommages occasionnés par les tremblements de terre passés ou matrices de dommages probables résultantes des études statistiques ou par des consultations auprès d’experts [159]. L’application directe de ces fonctions (courbes ou matrices) ne peut cependant pas se faire si la typologie des bâtiments à l’étude est différente de celle des bâtiments ayant servi à élaborer ces fonctions. Dans ce cas, l’orientation vers les méthodes d’analyse de performance permettant de construire les courbes de vulnérabilité des bâtiments représente une alternative intéressante. Deux familles d’approches sont à l’heure actuelle, les plus utilisées pour l’analyse de la vulnérabilité sismique des structures. Les méthodes empiriques (probabilistes) fondées sur le retour d’expérience (statistiques) ainsi que les caractéristiques structurales des bâtiments, et les méthodes déterministes basées sur le comportement des structures obtenu par analyses et modélisations numériques [85].
Méthodes empiriques
Plusieurs méthodes d’estimation des dommages ont été élaborées. La première a été développée aux USA (ATC13) par l’Applied Technology Council en 1985. Elle dérive d’une matrice de dommages de 78 classes d’installations dont 36 représentent des bâtiments. La vulnérabilité est présentée sous forme d’une matrice de probabilité de dommage qui donne l’état des dégâts qui se produisent au niveau d’un système en fonction de l’intensité d’un séisme. L’inconvénient de cette méthode est qu’elle se base totalement sur les jugements d’experts qui peuvent être dans certains cas subjectifs. Pour palier cela, des incertitudes sur les estimations de dommage sont ensuite introduites. D’autres versions sont sorties après comme celle de 1996 (ATC40) [11], cette méthode est restée la référence jusqu’à la fin des années 1990 [159]. Sur la base de l’approche ATC, la FEMA (Federal Emergency Management Agency), en collaboration avec le NIBS (National institute of Building Science) ont financé un projet pour l’élaboration du logiciel interactif HAZUS en 1997 et qui a été amélioré en 1999 pour l’estimation des dommages après un tremblement de terre [82]. Ce
logiciel permet d’évaluer le risque sismique à partir du jugement d’experts de 38 modèles de bâtiments correspondant à la classification typologique du code FEMA178 [66] pour le bâti courant. D’autres types d’enjeux peuvent être analysé comme les constructions spéciales, les infrastructures de transport et les réseaux d’eau, d’énergie et de communications. Il est structuré en six modules indépendants : l’inventaire des enjeux, l’analyse de l’aléa, l’estimation de dommages directs, l’estimation de dommages indirects, pertes économiques directes et indirectes. Les résultats seront représentés sur une carte du système d’information géographique (SIG). Ces calculs peuvent s’initier par trois types de données : les informations contenues déjà dans la banque de donnée du programme, les données apportées par l’analyste et des données complémentaires relatives aux inventaires, aux paramètres techniques de construction ainsi qu’aux coûts économiques.
L’étude de l’aléa a pour objectifs de déterminer le mouvement du sol et sa probable liquéfaction. Elle analyse les possibilités de glissement de terrain et de rupture des failles. Le séisme est caractérisé par son PGA (Peak ground acceleration) et le PGV (Peak ground velocity). Le système permet de définir au choix la méthode à utiliser, déterministe ou probabiliste. L’approche déterministe peut se faire selon trois types de calculs. Le premier et le deuxième font appel à la banque de données du système où la source sismique est choisie soit à partir d’un inventaire précis de toutes les failles sismiques existantes accompagnées de toutes les informations sismiques et géotectoniques lui concernant, soit à partir de signal sismique d’événements déjà arrivés, pour lesquels toutes les informations relatant à l’enregistrement et magnitude doivent être disponibles. Le troisième type est basé sur la définition d’un mouvement de sol arbitraire ou artificiel en indiquant son épicentre, sa profondeur, le type et l’orientation de la faille ainsi que sa magnitude. Concernant l’approche dite probabiliste, les calculs sont initiés à partir de la distribution du zonage et microzonage sismique existant. Là aussi un spectre de réponse peut être défini.
Dans le cas des deux méthodes citées précédemment, l’intensité du séisme peut être aussi bien atténuée en fonction de sa situation par rapport à l’épicentre en utilisant des relations d’atténuation en tenant compte des régions et leurs types de sols, mais également amplifiée par rapport à son effet de site.
La méthodologie permet l’analyse des pertes directes pour le cas des bâtiments courants, grâce aux courbes du spectre de capacité et de l’endommagement appelées aussi de fragilité.
Le but étant cependant d’évaluer les dégâts que peut subir la structure d’un séisme défini. Par contre les courbes de spectre de capacité indiquent le comportement d’un bâtiment sous l’effet de charge sismique aléatoire. Le niveau de dommages probables dus à une charge dynamique infligée sur une échelle discrète de degré de dommages appelée fonction de vulnérabilité est par conséquent décrit par ces courbes. L’autre modèle de courbes désigne la probabilité d’atteindre un niveau donné de dommages et il est donné en général non pas en bâtiments individuels mais en classes de bâtiments.
HAZUS décrit cinq niveaux de dommage (pas de perte, léger, modéré, important et perte totale). Les courbes de capacité définissent la relation entre la capacité portante, habituellement la résultante de l’effort tranchant à la base du bâtiment, par rapport au déplacement total au sommet de la structure. La dite courbe exprime donc la performance du bâtiment jusqu’à la rupture. Elle est obtenue d’un coté grâce aux caractéristiques géométriques et mécaniques du bâtiment et de l’autre par une analyse statique non-linéaire jusqu’à la rupture appelée « Pushover ». Les courbes appelées spectre de capacité sont obtenues en traçant la variation de l’accélération spectrale a S par rapport au déplacement spectral d S . Elles servent à comparer la demande (charge sismique imposée) à la performance (déplacement maximal du bâtiment). Ces courbes seront amplement expliquées dans les méthodes basées sur la performance et la demande en capacité.
Les courbes de fragilités (Fig . 3.1) représentent la probabilité d’arriver ou de dépasser un certain niveau de pertes, pour un déplacement donné correspondant au point de demande. Ces courbes sont réalisées à partir de données extrapolées obtenues par le biais observations effectuées sur des événements de même intensité et des enjeux de même types.Ces observations résultent aussi bien de jugements d’experts que d’essais de laboratoire (ATC40). Une calibration des courbes est ensuite faite, par rapport à des données consécutives aux séismes de Loma Prietta (1989) et de Northridge (1994). C’est l’une des raisons qui fait que les courbes ne peuvent pas être automatiquement utilisées par tous les pays et en outre par l’Algérie. L’endommagement atteint un niveau de perte s d provoqué par un déplacement spectral d S est donné par la fonction probabiliste d’endommagement, s d p d / S , exprimée à travers la formule suivante :
L’écart-type prend en compte les incertitudes liées aux valeurs moyennes du déplacement spectral qui sont calculées en tenant compte de l’observation des plages des déplacements associés à chaque degré de perte d’un coté et de l’effort sismique de l’autre. Les courbes de fragilité définissent donc le déplacement spectral d S par rapport à la probabilité d’endommagement. Le pourcentage de bâtiments en fonction du nombre total de bâtiments dans la classe examinée, sont dans une telle courbe susceptibles de subir un degré de dégâts donné sous l’effet d’un tremblement de terre ou d’un déplacement spectral donné. La prise de décision pour les actions à entreprendre devient plus aisée quant les dégâts probables subis par une structure dans un tremblement de terre sont bien quantifiés grâces à ces courbes et aux différents inventaires de bâti existant.
Sur le plan européen, un travail en collaboration, sur la vulnérabilité sismique des structures, piloté par des institutions universitaires et des organismes de recherches parmi lesquels il y a en Italie le GNDT (Gruppo Nazionale per la Difesa dai Terremoti) et le groupe AFPS (Association française de génie parasismique) [19] a été entamé et au bout duquel un projet européen (RISKE UE) a vue le jour en 2003. Ce dernier est basé sur une corrélation statistique entre l’intensité macrosismique et le dommage apparent et décrit les pertes en termes de degré de dommage. Le fondement de cette méthode repose sur une exploitation de la méthode d’évaluation des intensités de l’Echelle Macrosismique Européenne (EMS98) qui définit la vulnérabilité par le biais d’une matrice d’endommagement DPM (damage probabilistic matrix), et ce-ci par l’élaboration de statistiques sur les dommages subis par différentes classes de bâtiments lors de séismes passés [196]. La méthode RISKE UE s’est focalisée sur la vulnérabilité de sept ville européennes : Nice (France), Barcelone (Espagne), Catane (Italie), Sofia (Bulgarie), Bucarest (Roumanie), Thessalonique (Grèce), et Bitola, (Macédoine). La méthodologie est passée par l’établissement d’un inventaire complet de tous les éléments à risque. Comparé au programme américain, le modèle intègre l’évaluation des anciens sites urbains, les monuments et les bâtiments à caractère historiques. Le programme RISK-UE [19] est modulaire et représente la première alternative à ce jour du programme HAZUS.
Le programme européen est caractérisé par le fait que chaque équipe a développé des courbes de fragilité basées sur une analyse de spectre de réponse spécifique au site ou à la région étudiée de manière à ce qu’elle soit largement différente des autres. Par conséquent, la méthodologie souffre d’une incohérence dans les données, les méthodes utilisées et les résultats obtenus, ce qui prouve que les équipes ont travaillé de façon indépendante. Le modèle ne présente aucune étude critique sur les différences de résultats obtenues. Par contre toutes les courbes de fragilité développées par l’ensemble des équipes ont adopté une même formulation (calcul par ductilité), établie par Vidic et al. (1994) [219] et Fajfar (2000) [60].
D’autres programmes se basant sur le retour d’expérience et reposant sur les principes de l’EMS 98 ont été développés pour l’évaluation de la vulnérabilité sismique comme les programmes GEMITIS et RADIUS [178]. Conçus par le comité français (Décennie Internationale pour la Prévention des Catastrophes Naturelles), ces programmes ont pour objectif l’estimation de dommages en cas de risque sismique pour des villes françaises (Nice, Pointe à Pitre et Fort) et pour GEMITIS des villes internationales (Addis Abeba (Ethiopie), Antofagasta (Chili), Bandung (Indonésie), Guayaquil (Ecuador), Izmir (Turquie), Skopje (Macédoine), Tashkent (Ouzbékistan), Tijuana (Mexico) et Zigong (Chine)) sous l’égide des nation unis pour le programme RADIUS.
Ces méthodes présentées ci-dessus ont été toutes établies sur la base d’observations postsismique, recensant les niveaux de dommages observés en fonction du type de construction.
Ces niveaux de dommages constatés ne peuvent être reliés à un mouvement du sol en l’absence d’enregistrement, mais seulement à une intensité macrosismique estimée elle même à partir de dégâts, ce qui rend ce paramètre une donnée implicite. Cette incohérence est un des points faibles de ces méthodes, par ailleurs les relations entre paramètres structuraux et dommages sont estimées de manière statistique.
Ces approches basées sur le retour d’expérience statistique exigent la prise en compte d’un échantillon élevé de structures et ne sont pas valides que pour les régions étudiées, par conséquent l’établissement des courbes de fragilité pour chaque site et pour différents systèmes peut prendre des dizaines d’années. Dans ces conditions, une approche déterministe fondée sur des modèles numériques ou analytiques peut être plus intéressante pour l’évaluation de la vulnérabilité sismique d’une structure dans une zone et pour un événement donnés [86].
Méthodes déterministes basées sur la performance
Dans les dernières années, une nouvelle série de concept pour l’estimation de la vulnérabilité des structures soumises aux charges sismiques a vue le jour. Ces concepts reposant sur l’avènement du « Performance Based Design », tant pour la conception parasismique de nouveaux bâtiments que pour l’évaluation du risque des bâtiments existants ont remplacé les méthodes conventionnelles existantes fondées sur des dires d’experts et des constats de dommages survenus lors de séismes ultérieurs. L’évolution de la définition de l’état limite vers celle d’un niveau de performance a traduit d’un coté le besoin de mieux comprendre le comportement d’une structure lors de sa réponse face à un séisme et d’autre part la nécessité de définir des degrés d’endommagements progressifs dans le cadre d’un diagnostique sismique [157]. Par conséquent, des niveaux de performance sont définis par différentes méthodes utilisant cette approche, dans ce cas l’endommagement structurel est déterminé par l’accélération ou le déplacement spectral au lieu de l’intensité macrosismique.
Ce changement dans le concept a été réalisé grâce à des changements de fondamentaux engendrés par le développement des méthodes de calculs dans le domaine de l’analyse sismique [130].
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Table des matières
Chapitre 1
Introduction générale
1.1. Motivations et objectifs de l’étude
1.2. Organisation de l’étude
Chapitre 2
Amortissement, notions et théorie
2.1. Introduction
2.2. Amortissement externe à la structure
2.2.1. Amortissement radiatif
2.2.2. Friction de Coulomb
2.2.3. Amortissement visqueux équivalent
2.3. Amortissement interne de la structure
2.3.1. Viscoélasticité
2.3.2. Effets de la température
2.3.3. Effet de la fréquence
2.3.4. Amortissement Hystérétique
2.3.5. Effet simultané de la fréquence et température
2.4. Mesure de l’amortissement
2.4.1. Méthode du décrément logarithmique
2.4.2. Méthode de la largeur de bande
2.4.3. Méthode du facteur de qualité
2.4.4. Méthode de l’énergie d’amortissement spécifique
2.5. Conclusion
Chapitre 3
Vulnérabilité et demande en capacité des structures en acier
3.1. Introduction
3.2. Evaluation de la vulnérabilité
3.2.1. Méthodes empiriques
3.2.2. Méthodes déterministes basées sur la performance
3.2.3. Etat de l’art sur les études de vulnérabilité des structures en acier
3.3. Méthode de la poussée progressive (Pushover)
3.3.1. Evaluation de la capacité structurale
3.3.2. Principe de la méthode
3.3.3. Détermination de la demande sismique
3.3.4. Rotule plastique
3.4. Analyse temporelle non – linéaire (ATNL)
3.5. Analyse modale non – linéaire rapide (FNA)
3.6. Conclusion
Chapitre 4
Protection et isolation sismique par système de dissipation passif
4.1. Introduction
4.2. Contrôle passif par isolation à la base
4.2.1. Appareil d’appuis en élastomère fretté à amortissement faible (LDRB)
4.2.2. Appareil d’appuis en élastomère à amortissement élevé (HDRB)
4.2.3. Appareil d’appuis en élastomère à noyau de plomb
4.2.4. Appareil d’appuis en pendule à friction (FPS)
4.3. Contrôle passif par dispositif dissipateur d’énergie
4.3.1. Dispositif Hystérétique
4.3.2. Amortisseur viscoélastique
4.3.3. Amortisseur hybride friction viscoélastique
4.3.4. Amortisseur inertiel couplé
4.3.5. Amortisseur à fluide visqueux (FVD)
4.4. Conclusion
Chapitre 5
Dissipation passive de l’énergie sismique par amortisseurs à fluide visqueux
5.1. Introduction
5.2. Etat de l’art sur le contrôle passif des structures en acier par les FVD
5.3. Propriétés mécaniques des systèmes amortis par FVD
5.3.1. Identification des propriétés mécaniques des amortisseurs FVD
5.3.2. Modèle analytique
5.3.3. Identification des propriétés d’un système structural à un seul degré de liberté
5.3.4. Identification des propriétés d’un système structural à plusieurs degrés de liberté
5.3.5. Evaluation du taux d’amortissement des FVD
5.3.6. Calcul des actions maximales
5.4. Conclusion
Chapitre 6
Analyse de la réponse des structures en portique équipées d’amortisseurs à fluide visqueux
6.1. Introduction
6.2. Présentation de la structure en portique étudiée
6.3. Analyse dynamique de la structure équipée de FVD linéaire
6.3.1. Amortissement visqueux pur
6.3.2. Amortissement visqueux avec rigidité de stockage
6.3.3. Analyse comparative avec d’autres systèmes de dissipation
6.3.4. Influence de la combinaison des FVD avec d’autres systèmes sur la réponse sismique
6.4. Analyse dynamique de la structure équipée de FVD non-linéaire
6.5. Analyse statique non-linéaire de la structure par poussée progressive « Pushover »
6.6. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques
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