GENERALITES SUR LE SEISME ET LES STRUCTURES EN ACIER

GENERALITES SUR LE SEISME ET LES STRUCTURES EN ACIER

Comportement des constructions

Les connaissances sismiques et géotechniques permettent d’identifier les types de constructions à éviter ou à renforcer en fonction du site. Les secousses d’un même séisme peuvent être très différentes d’un site à l’autre : plus ou moins fortes, plus ou moins longues, mais aussi avoir des caractéristiques fréquentielles très variables.
Chaque construction doit être appropriée aux caractéristiques des secousses et aux déformations des sols possibles sur son site d’implantation. Sa conception doit permettre d’éviter les déformations trop irrégulières ou excessives et sa réalisation doit permettre un endommagement qui ne porte pas atteinte à sa stabilité.
La société s’attache à établir des règles de construction et des plans d’urbanisme efficaces à partir de ces connaissances. La réglementation vise un arbitrage économiquement raisonnable à partir des connaissances scientifiques et techniques. « Trop » se protéger est inutile et coûte cher. Trop peu se protéger coûte des vies humaines et des pertes économiques inacceptables.

Le matériau acier

L’acier est réglementairement défini par ses nuances (critères de rigidité et résistance). Sa production industrielle se fait selon des procédures en général bien contrôlées (Normalisation des nuances et fabrication des profilés fiable et respectée dans la plupart des pays).
Comportement de l’acier sous séisme :
x Très bon comportement sous séisme dû à ses qualités:
9 Très bonne résistance en traction et en compression.
9 Bonne résistance au cisaillement.
9 Rapport résistance/masse volumique élevé.
9 Résilience élevée (absorption d’énergie cinétique, bon comportement sous sollicitations alternées).
9 Ductilité élevée (sauf certains aciers spéciaux et types de section à éviter).
x Ces qualités doivent être conservées par :
9 Le choix de la structure.
9 le choix et la mise en œuvre des éléments et de leurs assemblages.
9 la prévention de la corrosion [3].

Comportement des structures lors d’un séisme

Le comportement des structures lors d’un séisme est un problème qui reflète de la dynamique. Contrairement au vent qui génère des forces de pression qui s’appliquent de manière directe sur l’ouvrage, les mouvements sismiques eux produisent des forces inertielles internes causées par la vibration des masses des différents éléments qui constituent la structure. L’expérience montre que chaque structure a son propre comportement et pour cause celui-ci dépend de plusieurs paramètres tels que la hauteur, la forme géométrique, la nature du site, l’emplacement géographique, mais aussi de paramètres dynamiques tels que la rigidité, période de vibration, la masse totale ainsi que l’amortissement.
Dans l’intention d’améliorer le comportement des structures dans les zones sismiques, il est nécessaire de prévoir des éléments de contreventement qui ont pour rôles de s’opposer aux actions horizontales générées par le mouvement du sol, et d’assurer la stabilité latérale des constructions. Le type de contreventement à mettre en place doit ainsi être choisi de manière judicieuse, et disposé suivant les directions principales.

Définitions du contreventement

Les contreventements sont des éléments stabilisateurs ayant pour principal rôle d’assurer la stabilité des structures non auto stables vis-à-vis des actions horizontales provoquées par les tremblements de terre, le vent et les chocs.
Dans les structures métalliques, la plupart des contreventements sont réalisés par des barres de triangulation disposées entre les éléments porteurs (poteaux, traverses, pannes…) de façon à constituer des poutres à treillis pouvant s’opposer aux forces horizontales situées dans leur plan et agissant de préférence aux nœuds.

Structures contreventées

Dans la progression des conceptions, les ingénieurs fournissent plus d’effort pour trouver des systèmes plus performants et répondant à un souci économique de plus en plus exigeant.
La stabilité latérale de ces constructions constitue le problème primordial. On l’a constaté lors des différents tremblements de terre enregistrés.
Pour ce type de construction, cette stabilité est assurée par les différents systèmes de contreventement en amélioration perpétuelle. Parmi les structures dissipatives résistantes aux séismes, il existe essentiellement trois systèmes structuraux.
¾ Les structures en portique auto stable : Pour ce type de structure, la résistance aux forces horizontales est assurée principalement par la flexion des poteaux et des poutres. Le principal inconvénient de ces structures très dissipatives est le comportement flexible pouvant favoriser leur mise en résonance avec le sol.
¾ Les structures à palées triangulées centrées : Ce sont des structures pour lesquelles l’intersection des barres du système de contreventement coïncide avec le milieu des éléments porteurs et ou avec les jonctions poteaux-poutres.
Pour ce genre de structure la stabilité latérale est assurée soit par les diagonales tendues (contreventement en X), soit par la combinaison simultanée des diagonales tendues et comprimées (contreventement en V et K). Ces structures manifestent un meilleur comportement comparativement aux structures contreventées par cadres auto stables.
¾ Les structures à palées excentrées : Dans ce type de structure, l’intersection des barres de contreventement peut se localiser à n’importe quel point de la poutre selon la configuration adoptée. Ces systèmes de contreventement, toujours en cours d’investigation, s’avèrent plus performants que les systèmes de contreventement traditionnels.

Structure à cadre ou portique

Pour ce type d’ossature, la résistance aux forces horizontales est assurée principalement par la flexion des poutres. Il convient donc que les zones dissipatives soient principalement situées dans des rotules plastiques formées dans les poutres ou dans les assemblages, de sorte que l’énergie soit dissipée par flexion cyclique. Les zones dissipatives peuvent aussi être situées à la base de l’ossature et au sommet des poteaux dans le dernier niveau des bâtiments à plusieurs étages [3]

Triangulation par diagonales

Dans le cas de la triangulation par diagonales, la résistance aux forces horizontales est assurée uniquement par les diagonales tendues. Leur résistance en compression est exclue pour éviter les poussées dans les nœuds d’ossature.
Les barres de contreventement ont soit des sections réduites, soit des goussets d’assemblage plastifiable. Elles sont faiblement dissipatives en traction et flambent, rapidement en compression pour protéger les nœuds d’ossature.

Ossatures en portique, combinées avec des entretoises centrées

Les structures en portique avec triangulation à barres centrées sont des ossatures dans lesquelles la résistance aux forces horizontales est assurée principalement par des éléments soumis à des efforts normaux.
Une bonne topologie est telle que la stabilité de l’ossature soumise à l’application de forces horizontales d’une direction donnée soit assurée même si on enlève de l’ossature toutes les diagonales comprimées. Une telle topologie est considérée comme dissipative car les barres tendues se plastifient.
Cette solution mixte est généralement utilisée pour limiter les déformations des structures en portiques, pour lesquelles les barres du système de contreventement ont leurs intersections sur les axes des poteaux et des poutres. La dissipation de l’énergie sismique se fait essentiellement par plastification en traction de ces barres.

Triangulation en V

Pour la triangulation en V, dans laquelle la résistance aux forces horizontales peut être assurée par les barres tendues et comprimées; le point d’intersection de ces barres est situé sur la poutre.
Ces assemblages sont généralement articulés, mais les encastrements sont préférables.
La résistance à l’action sismique horizontale résulte de l’action conjointe des diagonales tendues et comprimées. Les sections des barres sont donc plus importantes pour les croix de Saint André [5].

Triangulation en K 

Les triangulations en K, dans lesquels l’intersection des diagonales est située sur un poteau, ne peuvent pas être utilisées en zone sismique, afin de protéger les poteaux du poinçonnement qui peut générer une perte de stabilité de l’ouvrage.
Les ossatures à triangulation en K comporte un système de contreventement qui ne peut être considéré comme dissipatif parce qu’il exigerait la coopération du poteau au mécanisme plastique, ce mécanisme tend à former une rotule plastique dans le poteau dés que la résistance en compression de la diagonale du contreventement est dépassée.

Les Contreventements excentrés

L’excentrement des barres de triangulation produit des « tronçons courts » dans les poutres ou, de préférence, dans les barres de contreventement.
Ces tronçons courts s’endommagent prioritairement et ont un rendement énergétique élevé en favorisant des efforts de cisaillement dans la rotule plastique. Il est important que l’emplacement de ces tronçons à endommager soit bien maîtrisé. Le tronçon court doit être raidi par des entretoises entre les semelles du profilé en I ou en H.
Il convient d’utiliser des configurations d’ensemble permettant de garantir un comportement dissipatif homogène de l’ensemble des tronçons courts [5].
Les tronçons courts créés par l’excentrement créent des rotules plastiques qui travaillent en cisaillement (et non en flexion), ce qui leur assure un rendement beaucoup plus élevé. Il est important que l’emplacement de ces rotules soit bien maîtrisé.

Table des matières
INTRODUCTION GENERALE 
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LE SEISME ET LES STRUCTURES EN ACIER.
I.1. Introduction
I.2. Propagation des ondes
I.3. Comportement des constructions
I.4. Le matériau acier
I.5. Comportement des structures lors d’un séisme
I.6. Définitions du contreventement
I.7. Structures contreventées
I.7.1. Structure à cadre ou portique
I.7.2. Triangulation par diagonales
I.7.3. Ossatures en portique, combinées avec des entretoises centrées
I.7.4. Triangulation en V
I.7.5. Triangulation en K
I.7.6. Les Contreventements excentrés
I.8. Conclusion
CHAPITRE II : LES DIFFERENTS TYPES DE DISPOSITIFS DISSIPATIFS
II.1.Introduction
II.2. Contrôle passif avec dissipateurs d’énergie
II.2.1. Dissipateurs hystérétiques
II.2.1.1. Les amortisseurs métalliques
a. Le dispositif d’amortissement et de rigidité supplémentaire (ADAS)
b. Amortisseur de plaques triangulaire (TADAS)
c. Entretoise à flambement empêché (buckling restrained brace – BRB)
d. Dispositifs d’extrusion de plomb (LED)
II.2.1.2. Les amortisseurs à friction
a. L’amortisseur PALL
b. Amortisseur boulonné encoché
c. La contrainte de dissipation d’énergie (EDR)
d. Amortisseur visqueux élastique solide
II.3.Conclusion
CHAPITRE III : PRESENTATION DE L’OUVRAGE
III.1. Introduction
III.2. Les données géométriques
III.3. Règlements utilisés
III.4. Mode de construction
III.4.1. Acier de construction pour les éléments de structure
III.4.2. Le béton
III.5. Pré-dimensionnement
III.5.1. Charge permanentes et Charge d’exploitations
III.5.2. Les planchers
III.5.3. Charge climatiques
III.5.3.1. Effet du vent
III.5.3.2. Effet de la neige
III.6. Dimensionnement des éléments
III.7. Systèmes de contreventements
III.8. Etude sismique
III.8.1. Différentes dispositions des contreventements
III.9. Conclusion
CHAPITRE IV : APPLICATION DES DIFFERENTS DISPOSITIFS DISSIPATIFS
SURUN BATIMENT METALLIQUE
IV.1. Introduction
IV.2. Description du dispositif dissipatif et des excitations sismiques
IV.3. Analyse des réponses temporelles pour le système ADAS
IV.3.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.3.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.3.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.3.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.3.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.3.6. Variation de l’effort normal en fonction de la rigidité
IV.4. Analyse des réponses temporelles pour le système TADAS
IV.4.1. variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.4.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.4.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.4.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.4.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.4.6. Variation du moment fléchissant en fonction de la rigidité
IV.5. Analyse des réponses temporelles pour le système BRB diagonale
IV.5.1. variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.5.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.5.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.5.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.5.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.6. Analyse des réponses temporelles pour le système BRB chevron
IV.6.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.6.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.6.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.6.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.6.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.7. Analyse des réponses temporelles pour le système PALL
IV.7.1. variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.7.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.7.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.7.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.7.5. Variation de l’effort normal en fonction de la rigidité
IV.7.6. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.8. Analyse des réponses temporelles pour le système FRICTION diagonale
IV.8.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.8.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.8.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.8.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.8.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.9. Analyse des réponses temporelles pour le système FRICTION chevron
IV.9.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.9.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.9.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.9.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.9.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.10. Analyse des réponses temporelles pour le système ADAS
IV.10.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.10.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.10.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.10.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.10.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.10.6. Variation de l’effort normal en fonction de la rigidité
IV.11. Analyse des réponses temporelles pour le système TADAS
IV.11.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps
IV.11.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
IV.11.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
IV.11.4. Variation du déplacement inter-étage en fonction du temps
IV.11.5. Variation du déplacement en fonction de la force de frottement
IV.11.6. Variation du moment fléchissant en fonction de la rigidité
IV.12. Résultats numériques
IV.13. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Télécharger le rapport complet