Évolution des mesures parasismiques

Contributions originales des travaux

Cette thèse présente plusieurs contributions originales tant au niveau de la problématique abordée que dans le développement d’une méthodologie d’évaluation de la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux de Montréal. Afin d’assurer la viabilité des recommandations faites, les travaux se basent sur des outils d’analyse et de calcul qui ont déjà fait leur preuve dans l’évaluation de la fiabilité des systèmes et de la vulnérabilité sismique des composants, tels que les arbres de défaillance, les mesures de vibration ambiantes (MVA), les courbes de fragilité et les analyses des modes de défaillance, de leurs effets et de leur criticité (AMDEC). La présente recherche se base sur le concept de performance avec, comme point de départ, les données sur l’état réel des bâtiments et des composants à l’étude. Les systèmes critiques des hôpitaux sont modélisés sous forme d’arbres de défaillance, décrivant la complexité de ces systèmes ou l’effet de l’interaction/interdépendance entre leurs sous-systèmes. De manière spécifique, cette recherche intègre les facteurs de vulnérabilité sismique des bâtiments hospitaliers par une démarche systémique d’analyse.

À notre connaissance, il s’agit de la première recherche prenant en compte tant le comportement des structures, des CFO et des interfaces, que les paramètres reliés à l’aléa local et aux effets de site pour les hôpitaux. L’originalité de cette recherche réside également dans le potentiel d’application future des résultats, par exemple le développement d’un plan d’intervention pour garantir la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux à l’échelle de l’île de Montréal ou à d’autres types d’installations sur des territoires différents. Un chiffrier développé sur MS Excel permet de colliger l’information pour les bâtiments existants et ainsi prioriser les composants les plus vulnérables et d’appliquer les mesures de mitigation adéquates. Il constitue un outil facile d’utilisation pour les gestionnaires d’hôpitaux. Bien que cette étude vise des bâtiments existants, la réduction du risque sismique associé aux systèmes critiques de CFO des hôpitaux est similaire pour les bâtiments en construction.

Dans ces cas, on peut s’attendre à ce que la réponse d’une structure corresponde aux objectifs de performance du CNB 2010 si elle est conçue selon les exigences parasismiques en vigueur avec un choix de site et une configuration structurale et architecturale optimaux. La méthodologie ici présentée peut donc efficacement s’appliquer à l’ensemble des bâtiments hospitaliers. Ce travail sort un peu des sentiers battus en ce sens que la problématique exige d’aller au-delà des problématiques structurales habituellement traitées. Les travaux réalisés ont donné lieu à la présentation d’articles dans plusieurs conférences internationales : à la XVe conférence mondiale de génie parasismique (Youance et al. 2012), aux conférences annuelles de la Société Canadienne de Génie Civil (Youance et al. 2013; 2014) et à la préparation d’un article soumis pour publication à la Revue canadienne de génie civil (Youance et al. 2015). .

Évolution des mesures parasismiques

Les considérations parasismiques intégrées dans les codes de construction actuels sont le résultat d’un long processus de mise à jour et d’une meilleure compréhension de la nature des risques. Ils répondent à un objectif principal qui est la protection des vies. Malgré les séismes récurrents répertoriés depuis le XIVe siècle, les premiers codes de construction ne font leur apparition que près de six siècles plus tard : Japon (1924), États- Unis (1927), Nouvelle Zélande (1931), Chili (1939), Roumanie et Turquie (1940) et le Canada en 1941 (Davenport 2004; Davidovici 2007; Holmes 2002; Mitchell et al. 2010; Reitherman 2008; Sezen et al. 2000; USGS 2013). Parmi les pays à forte sismicité, la Chine et l’Iran, dont les codes ont été inscrits respectivement en 1954 et 1967, comptent le plus grand nombre de séismes à haut taux de perte en vies humaines (USGS 2013). Toutefois, les premières versions des codes de conception des bâtiments ne comportent pas nécessairement d’exigences pour la conception parasismique. Elles sont ensuite régulièrement mises à jour et les versions actuelles reflètent une meilleure compréhension de la sismicité des différents pays, du comportement des composants et des systèmes dynamiques mais surtout des leçons apprises des différents séismes (Reitherman 2008). L’évolution du code américain en matière de risques reliés aux hôpitaux est unique en Amérique du Nord. Elle permet de comprendre les défis auxquels le Québec fait face compte tenu de la similarité des méthodes de construction. Le résumé de cette évolution, présentée à la section 1.2, est tirée en grande partie des travaux de Holmes (2002); l’information est validée par d’autres références (Davidovici 2007; Meade et Kulick 2007; Tokas 2007).

Période 1971-1994 : dommages enregistrés et évolution des normes parasismiques spécifiques aux hôpitaux en Californie Au cours de la période 1971-1994, les normes parasismiques californiennes ont évolué de manière significative en réponse à l’ampleur des dommages enregistrés sur les hôpitaux lors de trois séismes1 : 1) San Fernando (9 février 1971, Mw6,6), 2) Loma Prieta (18 octobre 1989, Mw6,9) et 3) Northridge (17 janvier 1994, Mw6,7). En 1971, le constat est sévère, l’agence fédérale Occupational Safety & Health Administration (OSHA) souligne que les prescriptions des codes en vigueur se sont révélées particulièrement inadéquates dans le cas des hôpitaux (OSHA 2006). Les dommages structuraux sont importants et le cas le plus notable cité dans la littérature est celui de l’hôpital Olive View Medical Center construit en 1970 qui a dû être évacué lors du séisme du 9 février 1971. En 1989 et en 1994, on constate un meilleur comportement global des structures reconstruites ou réhabilitées après 1971 avec en revanche un mauvais comportement des éléments non-structuraux (Davidovici 2007; Holmes 2002).

Le Tableau 1.1 résume les principaux dommages observés lors des trois séismes avec les caractéristiques : magnitude (Mw), accélération horizontale (Hg) et verticale (Vg) lorsque disponibles. Des réponses légales visant l’adaptation des normes existantes ont été proposées immédiatement après chacun des événements sismiques. En 1972, le projet de loi 519 appelé « The Hospital Safety Act of 1972 » est le résultat d’une conjoncture favorable. En effet, la fin des années 1960 correspond à une période de réflexion et de mise à jour de la législation relative à la conception sismique des écoles, votée suite au séisme de Long Beach (11 mars 1933, Mw 6,4). L’objectif était alors d’en améliorer les conditions d’application. De manière générale, le contexte entre 1970 et 1994 est marqué par une remise en question des normes existantes et leur adaptation progressive grâce aux données recueillies lors des séismes successifs et des inventaires exhaustifs réalisés après chacun des séismes. Les principales dispositions légales sont présentées dans les paragraphes suivants ainsi que les défis reliés à leur application.

Approches NEHRP – FEMA En 1997, le National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) publie le document FEMA 273 qui modifie légèrement le diagramme proposé par SEAOC. Quatre objectifs généraux de performance sont retenus: 1) l’opérationnalité, 2) l’occupation immédiate, 3) la sécurité des occupants et 4) la prévention de l’effondrement explicités en termes d’objectifs d’éléments individuels (structure et composants non-structuraux). La performance globale du bâtiment dépend d’une combinaison des déformations de la structure, des dommages enregistrés aux composants non-structuraux ainsi que des conséquences de ces dommages sur les systèmes opérationnels des bâtiments. Le niveau de conformité est atteint lorsque l’analyse structurale ou non-structurale indique des déformations n’excédant pas les limites imposées. Pour les deux premiers niveaux (opérationnalité et occupation immédiate), le bâtiment se déforme dans le domaine élastique puisqu’aucune déformation résiduelle n’est acceptée. La Figure 1.5 est la version améliorée présentée dans les rapports FEMA 356 et 396 (FEMA 2000; 2003) qui traitent respectivement des bâtiments à usage normal et des hôpitaux. Le changement apporté par cette version est la prise en compte d’un aléa sismique plus élevé relié à l’objectif de prévention de l’effondrement (ou objectif de sécurité de base) soit 2% en 50 ans (1/2500 ans) au lieu de 10% en 50 ans (1/475 ans) retenu dans la version de 1997. Ces objectifs s’appliquent également aux bâtiments existants.

Le FEMA pose alors certaines limites dans les objectifs de réhabilitation en utilisant un aléa sismique plus faible ou un niveau de performance plus faible que pour la conception des bâtiments. Dans le cas des hôpitaux, le manuel FEMA-396 propose, sur la base des mêmes critères de performance, une réhabilitation incrémentale afin de garantir la faisabilité financière et technique du rehaussement parasismique. L’objectif est d’identifier les espaces les plus à risque et d’échelonner les travaux en fonction de leur criticité. Le FEMA-396 fournit aux organisations de l’information et des outils nécessaires pour la prise de décisions critiques, la planification du processus de réduction des risques sismiques et la mise en oeuvre incrémentale efficiente de la réhabilitation des bâtiments jugés à risque. Le cadre établi par l’introduction des notions de performance amena le développement de méthodes empiriques basées sur les données collectées sur environ un quart de siècle. Cellesci répondent à un besoin de simulation, de validation et d’application de nouvelles approches, mais aussi de classement des informations disponibles. Le jugement d’experts est appelé à jouer un rôle primordial.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉVOLUTION DU CADRE LÉGAL ET REVUE DE LA PERFORMANCE DES HOPITAUX LORS DE SÉISMES PASSÉS
1.1 Évolution des mesures parasismiques
1.2 Période 1971-1994 : dommages enregistrés et évolution des normes parasismiques spécifiques aux hôpitaux en Californie
1.2.1 La loi de 1972 « The Hospital Safety Act of 1972 – Senate Bill 519 »
1.2.2 The Milestone 4 Report, (Building Safety Board, 1990)
1.2.3 The Senate Bill 1953
1.3 Période post 1994 : conception basée sur la performance
1.3.1 Approche SEAOC 1995
1.3.2 Approches NEHRP – FEMA
1.3.3 Données empiriques et développement de méthodes d’évaluation de la fonctionnalité post-sismique
1.4 Dommages enregistrés et évolution des normes parasismiques canadiennes
1.4.1 Dommages enregistrés et vulnérabilité sismique des bâtiments hospitaliers existants au Québec
1.4.2 Prescriptions actuelles du Code national du bâtiment (CNB 2010)
1.4.3 Considérations sismiques pour les composants non-structuraux, Norme CAN/CSA-S832-14
1.5 Synthèse de la revue de littérature – Objectif 1 : établir les objectifs de performance d’un centre hospitalier
CHAPITRE 2 GÉNÉRALISATION DES OBSERVATIONS SUR LES DOMMAGES ET PRINCIPES D’ÉVALUATION DE LA VULNÉRABILITÉ SISMIQUE DES BÂTIMENTS EXISTANTS
2.1 Généralisation des dommages et comportement des composants durant un séisme
2.2 Courbes de capacité de la structure
2.3 Courbes de fragilité
2.3.1 Courbes de fragilité – (Abo El Ezz 2013)
2.3.2 Courbes de fragilité – HAZUS (FEMA 2012)
2.3.3 Courbes de fragilité – (Porter et al. 2010)
2.3.4 Courbes de fragilité basées sur des études expérimentales
2.3.5 Discussion
2.4 Méthodes d’évaluation sismique des bâtiments et des composants non-structuraux
2.4.1 Méthodes d’évaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments existants et des composants non-structuraux
2.4.2 Détermination de la période naturelle des structures et mesures de vibrations ambiantes
2.4.3 Incertitudes dans l’utilisation des mesures de vibrations ambiantes
2.5 Synthèse de la revue de littérature – Objectif 2 : identifier les relations entre la vulnérabilité des composants
CHAPITRE 3 ANALYSE DES SYSTÈMES CRITIQUES – ÉTAT DES CONNAISSANCES ET SYNTHÈSE CRITIQUE
3.1 L’hôpital défini comme un système complexe et interactif
3.2 La méthode d’analyse par arbres de défaillance (AdD)
3.3 Application à l’évaluation de la fonctionnalité post-sismique des hôpitaux existants
3.3.1 Évaluation de la fiabilité sismique des installations critiques
3.3.2 Amélioration de la durabilité sismique des infrastructures critiques à partir d’analyse de système (Chaudhuri et Shinozuka 2009; 2010)
3.3.3 Méthodologies en cours de développement (Pinto et al. 2011a; 2011b; Pitilakis et al. 2005)
3.4 Récapitulatif
3.5 Identification et analyse des interdépendances entre les systèmes critiques
3.5.1 Le système de protection incendie
3.5.2 L’évacuation sécuritaire des occupants
3.5.3 Les systèmes CVCA
3.5.4 Les systèmes des gaz médicaux
3.5.5 Les services d’infrastructures essentielles et leur interface avec les bâtiments
3.6 Synthèse de la revue de littérature – Objectif 3 : identifier et analyser les interdépendances entre les systèmes
CHAPITRE 4 CADRE D’ÉVALUATION DE LA FONCTIONNALITÉ POST-SISMIQUE DES HÔPITAUX DE MONTRÉAL
4.1 Problématique spécifique à Montréal
4.1.1 Portrait des infrastructures hospitalières
4.1.2 Sismicité et effets de sites à Montréal
4.2 Méthodologie détaillée de la recherche
4.3 Étape 1 : Collecte de données des hôpitaux-témoins
4.4 Étape 2 : Modélisation des systèmes reliés aux niveaux de performance des hôpitaux
4.5 Étape 3 : Calcul d’un indice de priorité de risque IPR
4.5.1 Détermination de l’indice SRI
4.5.2 Détermination de la probabilité de dommage P
4.6 Étape 4 : Calcul d’un indice de fonctionnalité post-sismique (IFP)
4.7 Les analyses statistiques et paramétriques
CHAPITRE 5 BASE DE DONNÉES SUR LES BÂTIMENTS TÉMOINS
5.1 Hôpital général de Montréal
5.1.1 Évaluation générale
5.1.2 Conceptualisation des systèmes critiques
5.2 Hôpital Rivière-des-Prairies
5.2.1 Évaluation générale
5.2.2 Conceptualisation des systèmes critiques
5.3 Mesures de vibrations ambiantes et procédures d’extraction
5.3.1 Dispositif expérimental
5.3.2 Procédures d’extraction et d’analyse
5.3.3 Résultats expérimentaux
5.4 Évaluation de la vulnérabilité sismique de la structure ou SRI structural
5.5 Évaluation du risque sismique des composants fonctionnels et opérationnels ou SRI non-structural
5.6 Conclusion
CHAPITRE 6 DÉVELOPPEMENT DE LA MÉTHODOLOGIE D’ÉVALUATION DE LA FONCTIONNALITÉ POST-SISMIQUE DES HÔPITAUX DE MONTRÉAL
6.1 Spectre cible de Montréal
6.2 Gamme de valeurs de l’indice SRI
6.2.1 SRI structural – Récapitulatifs des résultats
6.2.2 SRI non-structural – Récapitulatifs des résultats
6.2.3 Classement relatif des composants et discussion
6.3 Développement des valeurs de P
6.3.1 Calcul de la demande sismique
6.3.2 Développement des courbes de fragilité
6.4 Indice de fonctionnalité post-sismique et critères d’interprétation
6.4.1 Valeurs désagrégées de l’indice IFP
6.4.2 Critères d’interprétation de l’IFP
6.5 Discussion et conclusion
CHAPITRE 7 VALIDATION ET ÉTUDES DE CAS
7.1 Modèles analysés et paramètres du processus de validation
7.1.1 Modélisation
7.1.2 Sélection et transformation des accélérogrammes représentatifs
7.1.3 Modélisation des sites pour les différentes catégories d’emplacement
7.1.4 Analyse dynamique
7.1.5 Comparaison des données d’IPR et de probabilité de dommage
7.2 Études de cas – Application de la méthodologie
7.2.1 Propriétés des oscillateurs multiples linéaires
7.2.2 Détermination de la demande sismique à partir des extrants des mesures de vibrations ambiantes
7.2.3 Études de cas
7.3 Discussion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I VALEURS NUMÉRIQUES POUR LE CALCUL DE L’INDICE DE CONFORMITÉ POUR LES BÂTIMENTS CLASSÉS PRÉ-CODE
ANNEXE II ÉVOLUTION DES NORMES PARASISMIQUES CANADIENNES
ANNEXE III COMPORTEMENT DES HÔPITAUX LORS DE SÉISMES MAJEURS
ANNEXE IV DIAGRAMMES DE SYSTÈMES MÉCANIQUES
ANNEXE V ARBRES DE DÉFAILLANCE DE SYSTÈMES DE L’HÔPITAL GÉNÉRAL DE MONTRÉAL
ANNEXE VI ARBRES DE DÉFAILLANCE DE SYSTÈMES DE L’HÔPITAL RIVIÈRE-DES-PRAIRIES
ANNEXE VII SPÉCIFICATIONS DES APPAREILS UTILISÉS POUR LES MESURES DE VIBRATIONS AMBIANTES
ANNEXE VIII ÉTAPES D’ANALYSE DES SIGNAUX DE MESURES DE VIBRATIONS AMBIANTES
ANNEXE IX EXEMPLE DE CALCULS DES INDICES SRI POUR LES CFO
ANNEXE X DÉTAILS DE CALCUL DE LA PROBABILITÉ DE DOMMAGES
ANNEXE XI DÉTAILS DE CALCUL DE L’IFP
ANNEXE XII DONNÉES POUR LA TRANSFORMATION DES SIGNAUX
ANNEXE XIII DONNÉES ISSUES DES ANALYSES
ANNEXE XIV RÉSULTATS DES ANALYSES TEMPORELLES – MDOF
ANNEXE XV RÉSULTATS DÉTAILLÉS DES ÉTUDES DE CAS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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