Avantages et inconvénients du chemisage en matériaux composites 

Guide à la conception parasismique

L’architecture est déterminée dans l’avant-projet, donc la forme et le type de contreventement doivent être clairs dès le début. Pour cela, il est préférable qu’une stratégie de conception parasismique soit adoptée dès les premiers pas de la conception d’un projet.
Pour avoir un bâtiment parasismique, il faut réaliser la démarche suivante :
1. Conception architecturale parasismique.
2. Application des règles parasismiques (dispositions constructives parasismiques, dimensionnement, et calcul).
3. Bonne exécution.
Pour une construction en zone sismique, il faut étudier les sollicitations dans deux aspects: statique et dynamique. Normalement, la force de la pesanteur est dirigée verticalement de haut en bas, mais au cours d’un séisme, des charges verticales ascendantes apparaissent en plus des charges horizontales. Donc, le contreventement est nécessaire, pour assurer la stabilité de l’ouvrage.
Il est essentiel de s’éloigner du risque de faire rentrer le bâtiment en résonance donc on veut contrôler sa période propre car si deux éléments en contact possèdent des fréquences très semblables, l’amplitude du mouvement induit augmente et la structure se fragilise. Notons que la fréquence du sol augmente avec sa rigidité.
Pour augmenter la période propre on peut : soit réduire la rigidité (structure en portique flexible, augmentation de la hauteur, augmentation du rapport hauteur/largeur appelé élancement géométrique du bâtiment), soit appliqué une isolation parasismique (l’idée est d’isoler la structure du sol durant le séisme ce qui est réalisable en disposant des amortisseurs entre la superstructure et les fondations, ainsi ces derniers se déplacent tandis que la structure reste presque fixe).
Pour diminuer la période propre on peut soit augmenter le nombre et les dimensions des éléments structuraux, soit utiliser des voiles en béton, soit réduire l’élancement géométrique ou la hauteur ou même augmenter la surface de la base de la construction.

Critère de choix du système porteur

Dans les zones sismiques, le système de contreventement doit être choisi et étudié attentivement. Dans ce qui suit nous allons citer des critères qui jouent un rôle dans le choix du système :
1. Compatibilité avec le plan architectural : beaucoup de formes artistiques peuvent être créées et construites, mais le problème consiste dans le manque de compatibilité avec les règles de contreventement comme la régularité en plan et en élévation.
2. Adéquation avec le sol : on réalise un système rigide sur un sol mou et un système flexible sur un sol ferme ou rocheux.
3. Hauteur du bâtiment.
4. Dissipative ou non : si la structure peut réduire les amplitudes d’oscillations et l’intensité des charges sismiques, on dit qu’elle est dissipative.
5. Adoption aux conditions d’appui : les tassements différentiels provoquent des effondrements totaux qu’il faut les limiter.

Critères de conformité

Etat limite ultime

Il faut vérifier que la structure possède une résistance suffisante et une capacité de dissipation d’énergie bien spécifiée. La balance entre les deux est caractérisée par le facteur de comportement q et la classe de ductilité. Or, pour les nouvelles structures en béton armé, faiblement dissipatives, on a q < 1.5 et pour les structures dissipatives, on a q > 1.5 et tout en prenant en compte les dissipations hystériques qui se réalisent dans les zones critiques vu que dans ces zones, il y aura apparition des contraintes les plus élevées et la destruction de ces lieus entrainent l’effondrement de la structure.
La structure doit résister au renversement et au glissement sans oublier les effets du second ordre.

Etat de limitation de dommage

Un degré adéquat de fiabilité contre les dommages inacceptables doit être assuré et nécessairement, il faut respecter les limites de déformation. De plus, dans le cas des bâtiments d’importance vitale pour la protection civile, il est indispensable que ces derniers aient une rigidité et une résistance sécuritaire.

Conception et dimensionnement

Il est préférable que le bâtiment ait une forme régulière en plan et en élévation. On a recours à un dimensionnement en capacité pour assurer un comportement dissipatif / ductile donc pour assurer un mécanisme plastique et éviter les ruptures fragiles.
Puisque la résistance sismique dépend largement des zones critiques où les rotules plastiques apparaissent, la conception prendra en compte que les éléments puissent transmettre les efforts et dissiper de l’énergie. En plus, les fondations doivent avoir une raideur convenable pour pouvoir transmettre au sol les actions provenant de la superstructure.
Notons que la rotule plastique est une valeur fictive créée pour simplifier l’étude d’un élément en cours de plastification.

Quelques principes pour la conception

La méthode traditionnelle de contreventement est formée de deux concepts : le premier consiste en une augmentation de la raideur et la résistance du bâtiment et le second se base sur la réduction des masses. Or, si on fait une lecture sur le spectre de calcul, on voit que lorsqu’on applique même un seul de ces deux concepts, on fait diminuer la période fondamentale, et si notre construction est dans la zone post élastique, et sa période diminue, la réponse au séisme augmente (accélération et déplacement) et cela est évidemment défavorable pour notre structure.
Dès les premiers pas de la conception, et pour un résultat bien économique, il est indispensable de prendre en compte l’aléa sismique , donc, il faut évaluer la structure à partir des magnitudes, de la période et des phénomènes induits. D’autre part, on prend en considération les caractéristiques de la structure :
Simplicité de la structure : L’existence d’un chemin clair et direct dans la transmission des forces sismiques minimise les incertitudes et cela est applicable dans une structure simple.
 Uniformité, symétrie et hyperstaticité : l’uniformité dans un plan est caractérisée par une distribution égale des éléments de structure responsables d’une transmission des forces d’inerties distribuées sur les masses de la structure. Parfois, le recours aux joints peut être la solution en tenant compte des chocs qui peuvent se réaliser en divisant la structure en des unités dynamiques indépendantes. De même, l’uniformité en élévation fait diminuer le risque d’avoir des zones critiques qui peuvent causer des effondrements. Une bonne concordance entre la distribution des masses, des résistances et des rigidités élimine les excentricités. Enfin, une bonne distribution des éléments (qui peut être symétrique) crée une hyperstaticité convenable à la répartition des effets des actions et à une dissipation de l’énergie.
 Résistance et rigidité : Le bâtiment doit pouvoir résister au séisme dans les deux directions horizontales. Pour cela, la structure doit contenir des éléments de bonne résistance et rigidité dans les deux directions. Il faut éviter les déplacements de la structure qui créent des instabilités et des dommages importants.
 Résistance et rigidité à la torsion : Outre la résistance et la rigidité latérale, le bâtiment doit résister à la torsion pour limiter les mouvements non uniformes. Ainsi, l’arrangement des éléments de contreventement à la périphérie du bâtiment sera la meilleure solution.
 Action des diaphragmes au niveau des étages : Les planchers jouent un rôle important dans le comportement sismique. Ils sont des diaphragmes horizontaux qui transmettent les forces d’inertie aux éléments verticaux et résistent aux actions horizontales. Au cas d’une disposition complexe des éléments verticaux ou lorsque les systèmes possèdent des caractéristiques de déformabilité différentes, l’action du diaphragme horizontal de rigidité convenable est importante. La liaison entre les planchers et les verticaux est délicate et à bien prendre en considération.
 Fondation adéquate : Il faut bien choisir et dimensionner notre fondation de façon que toute la structure reçoive une excitation sismique uniforme. On a besoin d’un radier rigide au cas où le nombre de murs structuraux est restreint. Et pour les semelles ou pieux, il est recommandé de mettre des longrines dans le deux sens.

Evaluation des bâtiments

La conception des bâtiments existant peut être faite sans considération de forces latérales, alors, des développements non élastiques significatifs vont apparaître mêmes sous un faible séisme. Ces bâtiments sont généralement non ductiles, et les lieux de formation des rotules plastiques ne sont pas détaillés pour supporter les charges énormes. En plus, les éléments ne sont pas construits pour résister à une force de cisaillement aussi forte. Ils ont rarement une raideur suffisante pour créer une déformation non élastique dans tout le bâtiment et peut être par coïncidence qu’ils auront des murs qui résistent au séisme.
Dans le passé, le contreventement d’un bâtiment existant était difficile, non obligatoire, et très coûteux. Pour cela tant de structures ne sont pas renforcées contre un séisme. Mais de nos jours, de nouvelles approches sont plus flexibles, plus rationnelles et limitées sur les bâtiments qui ont vraiment besoin d’un système de contreventement.
Durant un séisme de forte magnitude, les déformations peuvent être localisées dans quelques éléments faute d’une mal disposition des membres de la structure et d’une mal hiérarchie de résistance.
Les poteaux sont étudiés comme soumis à des forces gravitationnelles uniquement donc ils n’ont aucune résistance à la flexion et le cisaillement provenant des forces latérales. Par contre, les poutres ont rarement présentées des déficiences après un séisme.
Le but primordial de tout renforcement est la protection de la vie humaine en prévenir un effondrement local ou global de la structure.
Les nouvelles normes consistent à poser les critères d’évaluation de la réaction des bâtiments existants à un séisme et de fournir des méthodes de correction si nécessaire.
Les quatre points suivants doivent être réalisés à chaque fois qu’on a un cas de renforcement d’un existant :
1. Conception
2. Analyse de l’existant
3. Dimensionnement final
4. Liaisons avec existant
La conception de performance de base sert mieux les intérêts et les objectifs du chef d’ouvrage en permettant de prendre des décisions plus rationnelles avec une vérification claire de la performance et ainsi les pertes seront limitées dans le cas d’un séisme fréquent ou occasionnel.

Caractéristiques des bétons

La méthode consiste à réaliser au moins cinq carottages sur planchers et poteaux pour ensuite faire un écrasement des éprouvettes. De ce fait, on calcule la résistance caractéristique moyenne du béton déjà existant.
Ensuite, des essais peuvent se faire :
 Impact – écho : Une onde acoustique se propage dans la structure et permet une estimation des caractéristiques mécaniques du béton. L’avantage de cette méthode non destructif demande d’avoir une seule face exposée. Cette méthode permet un diagnostic rapide. Les ondes se propagent à travers la structure, et se réfléchissent sur les limites internes et externes en provoquant des déplacements périodiques sur la surface. Ces mouvements sont suivis par un capteur et le résultat est numérisé.
Dans le cadre de tests d’impact Echo, des mesures directes de vitesse de l’onde sont également faites. Compte tenu de la vitesse des ondes et la période d’arrivée (ou fréquence), les profondeurs de défauts internes ou externes limites révèlent.

Mesure de carbonatations

Le ciment contient de l’hydrate de chaux, entrant en contact avec l’acide carbonique de l’aire, forme du calcaire avec une libération d’eau. Ainsi, le pH du béton baisse et les armatures se corrodent.
Le moment de mesure de la carbonatation est très important. La réalisation d’un essai après une période sèche peut induire à des mauvaises évaluations.
Dès qu’il y a apparition de corrosion, le potentiel tend vers des valeurs négatives.
Il est indispensable que l’ingénieur responsable des travaux du diagnostic soit compétant sur la physico-chimie des matériaux. S’il s’agit d’un cas délicat, il aura recours à un spécialiste ou à un ingénieur chimiste de laboratoire.
Notons qu’il est admis qu’une vitesse de corrosion supérieure à 10 -6 m/an est élevée et que le béton carbonaté a un pH qui diminue de 14 à 9 et ainsi il devient un milieu favorable à la corrosion.

Repérage de structures existantes

Sur une ou deux coupes transversales, on réalise un repérage global pour tirer les dimensions de tous les constituants de la structure étudiée. Le lasermètre est responsable d’une relevée géométrique du bâtiment pour des résultats rapides et faciles de longueurs, surfaces et volumes. En plus, le georadar permet d’obtenir une représentation du sol et des éléments avec la disposition du ferraillage.

Sondage du sol

Une analyse documentaire est demandée. On fait au moins deux sondages pressiomètriques de 5 m de profondeur et deux sondages destructifs de 10 m de profondeur sous le niveau des fondations existantes. Les différentes couches du sol sont identifiées.

Table des matières
REMERCIEMENTS 
Symboles
Glossaire 
Introduction 
Chapitre I : Sols et fondations
A. Méthode de renforcement du sol
B. Application
Chapitre II : Guide à la conception parasismique 
A. Critère de choix du système porteur
B. Critères de conformité
1. Etat limite ultime
2. Etat de limitation de dommage
3. Conception et dimensionnement
C. Catégorie d’usage
D. Actions sismiques
1. Zones sismiques
2. Spectre de réponse élastique horizontal
3. Spectre de réponse élastique vertical
4. Déplacement de calcul au sol
5. Coefficient de comportement
6. Spectre de calcul pour l’analyse élastique
7. Effort tranchant à la base
E. Quelques principes pour la conception
F. Eléments sismiques secondaires
G. Critère de régularité de la structure
1. Régularité en plan
2. Régularité en élévation
H. Méthode d’analyse
I. Analyse par les forces latérales
J. Analyse modale
K. Condition de joint sismique
L. Limitation des dommages
M. Evaluation des bâtiments
N. Exigences fondamentales
O. Données fondamentales
P. Définition du niveau de connaissance
Q. Intervention sur la structure
R. Conception de l’intervention sur la structure
S. Méthode d’évaluation de la vulnérabilité d’une structure
T. Comment les constructions dissipent de l’énergie ?
U. Mécanisme de rupture
V. Les déformations
W. Rotation de corde
Chapitre III : Techniques de reconnaissances des matériaux 
A. Caractéristiques des bétons
B. Caractéristiques des armatures
C. Mesure de carbonatations
D. Repérage de structures existantes
E. Sondage du sol
F. Application
Chapitre IV : Types de contreventement
A. Règles particulières pour les bâtiments en béton
B. Portique
1. Comportement d’un portique
2. Guide sur la conception des portiques
3. Longueurs et formes des poteaux
4. Avantages et inconvénients des portiques
C. Murs de contreventement
1. Définition
2. Avantages et inconvénients des murs
3. Addition de nouveaux voiles en béton
4. Fondations des nouveaux voiles de contreventement
D. Addition d’un système d’entretoise
1. Disposition et conception d’un système d’entretoise
2. Avantages et inconvénients
3. Système excentriques et concentriques
4. Contreventement par croix de St André
5. Système extérieur
6. Système intérieur
7. Connexions entretoise – portique
8. Méthodes d’exécutions
9. Test expérimental
10. Conclusion du test
11. Méthode de calcul
E. Isolation parasismique
1. Principe d’isolation parasismique
2. Avantages et inconvénients
Chapitre V : Types de renforcement des structures
A. Critères de choix d’une solution de renforcement
B. Chemisage en béton armé
1. Préparation du support béton et des armatures
2. Diamètres et espacements des trous
3. Mise en place des produits de scellement
4. Mise en place du béton
5. Essais et contrôles
6. Avantages et inconvénients du chemisage en béton armé
7. Détails, technologies et aspects de construction
8. Résistance, raideur et capacité de déformation
C. Chemisage par matériaux composites
1. Fonctionnement d’une structure renforcée par des matériaux composites collés
2. Utilisation des PRF
3. Technique de mise en œuvre des matériaux composites
4. Essais et contrôles
5. Avantages et inconvénients du chemisage en matériaux composites
6. Caractéristiques des fibres
7. Caractéristiques des polymères
8. Renforcement par PRF vis-à-vis de l’effort tranchant
9. Confinement par PRF
10. Renforcement à la flexion des poteaux par PRF collés
11. Echec par séparation des PRF
12. Résistance à l’effort tranchant
D. Chemisage en acier
1. Test expérimental
2. Conclusions du test
3. Avantages et inconvénients du chemisage en acier
4. Résistance à l’effort tranchant
E. Technique de réparation et de renforcement des joints poteau–poutre
1. Chemisage en béton
2. Chemisage en acier
3. Chemisage en polymères renforcés de fibre
Chapitre VI : Etude de cas
A. Sondages
B. Rapport de sol
C. Catégories d’usage
D. Différents types de charges
1. Actions permanentes (G)
2. Charges d’exploitation (Q)
3. Charges accidentelles (A)
E. Choix du coefficient de comportement
F. Catégories d’importance
G. Spectre
H. Combinaisons
I. Matériaux utilisés
1. Le béton
2. Les armatures
3. Les sections aciers
J. Descente de charges
K. Contreventement
L. Résultats
1. Masse modale
2. Déplacement relatif
3. Calcul de l’effort tranchant à la base du séisme
4. Résultats de pré dimensionnements
Conclusion
Annexe 1 – Renforcement d’une semelle
A. Renforcement d’une semelle
B. Vérification au poinçonnement
Annexe 2 – Calcul des poteaux
A. Dimensionnement d’un nouveau poteau
B. Renforcement d’un poteau par chemisage en acier
Annexe 3 – Calcul des poutres
A. Dimensionnement d’une poutre
B. Renforcement d’une poutre par TRF
Annexe 4 – Dimensionnement d’une entretoise
Annexe 5 – Dimensionnement des boulons
Annexe 6 – Calcul d’un voile de contreventement
Annexe 7 – Calcul de l’action du vent
Liste des figures
Liste de tableaux
Résumé 
Summary 
Références

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