Cours module3 vpe_renforcement

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Cours Postgradué en génie parasismique
Evaluation de bâtiments existants et exemples de mesures de gestion du risque

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Cours module3 vpe_renforcement

  1. 1. Cours postgrade de génie parasismiqueModule 3 : évaluation des structures existantes<br />Dr Vincent Pellissier Dr Michel Thomann<br />Pellissier & de Torrenté Zwahlen & Mayr SA<br />Rue de Lausanne 65 Zone industrielle 2<br />CH-1950 Sion CH-1860 Aigle<br />pellissier.detorrente@gmail.commichel.thomann@zwahlen.ch<br />Mesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation des bâtiments existants<br />
  2. 2. Contenu de l’exposé<br />Rappel des mesures de gestion du risque<br />Mesures techniques – les stratégies <br />Exemples d’interventions techniques<br />Evaluation sismique de structures existantes :<br />Méthodes de calcul<br />Exemples d’évaluations sismiques<br />
  3. 3. Different generic risk management strategies are possible<br />Risk is accepted …<br />“Act of God”, “Status quo”<br /> … and passively transferred<br />State as the “insurer of last resort” <br />Risk is actively transferred <br />Insurance and Reinsurance <br />Risk is reduced <br />New buildings<br />Systematic use of modern seismic design rules (building codes) <br />Existing buildings<br />Evaluation of vulnerable/critical buildings<br />Strengthening of building with excessive seismic risk<br />
  4. 4. Arsenal de mesures de gestion du risque<br />Article<br />
  5. 5. L’objectif d’une intervention parasismique est d’augmenter<br />La ductilité globale de la structure et/ou<br />La résistance de la structure et/ou<br />La rigidité de la structure<br />En modifiant la rigidité (et la masse) de la structure<br />Une intervention parasismique change les caractéristiques dynamiques, donc aussi la demande sismique<br />Intervention technique <br />
  6. 6. Choix d’une mesure technique de mitigation du risque sismique<br />
  7. 7. 5.0<br />2.0<br />4.0<br />1.0<br />3.0<br />0.0<br />2.0<br />-1.0<br />1.0<br />-2.0<br />0.0<br />0<br />2<br />4<br />6<br />8<br />10<br />100<br />0.1<br />1<br />10<br />5.0<br />4.0<br />3.0<br />2.0<br />1.0<br />0.0<br />0.00<br />0.05<br />0.10<br />0.15<br />0.20<br />Aparté : Développement du spectre ADRS<br />Accélérogramme<br />Spectre de réponse<br />b=5%<br />Sa (m/s2)<br />(m/s2)<br />SDOFf variable<br />b=5% (choix)<br />f (Hz)<br />(s)<br />Sd = Sa / w2<br />2 Hz<br />Sa(m/s2)<br />1 Hz<br />b=5%<br />Spectre ADRS<br />Acceleration DisplacemntResponse Spectrum<br />0.5 Hz<br />Sd (m)<br />
  8. 8. Exemple de stratégies d’amélioration sismique sur un bâtiment cadre en béton armé avec colonnes courtes<br />
  9. 9. Amélioration par addition de refends en béton armé<br />1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et réduction des déformations<br />
  10. 10. Retrofitting by column jacketing<br />2. Amélioration de la ductilité et de la résistance<br />5. Augmentation de l’amortissement<br />
  11. 11. Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres<br />2. Amélioration de la résistance et de la ductilité<br />3. Diminution de la fréquence propre<br />
  12. 12. Amélioration par installation d’isolateurs sismiques (“base isolation”) et d’amortisseurs<br />2. Réduction de la résistance, augmentation de la ductilité<br />5. Réduction des forces sismiques et des déformations de la structure, augmentation de l’amortissement <br />
  13. 13. Exemples d’interventions techniques<br />
  14. 14. Rappel : Bâti existant suisse<br /><ul><li>Age des bâtiments(immeubles d ’habitation, bureaux, écoles et hôpitaux)
  15. 15. Évolution des forces latérales(normes SIA; Bâtiment type à Bâle)</li></ul>> 1989<br />1970 - 1989<br />force latérale <br />(vent & séisme)<br />1956 - 1970<br />< 1956<br /><ul><li>Grand besoin d’évaluation
  16. 16. Dans certains cas, besoin d’amélioration sismique</li></li></ul><li>Il existe de nombreuses techniques d’amélioration parasismique<br />Passives<br />Ajout de nouveaux systèmes de stabilisation latérale<br />Murs de refend béton armé<br />Contreventements métalliques <br />Amélioration sismique des éléments (colonnes ou murs) de la structure existante<br />Par chemisage (béton, métal, composites …)<br />Par collage de lamelles<br />Par ajout de précontrainte<br />Semi-actives<br />Isolation sismique <br />Ajout de dissipateurs d’énergie <br />Par frottement<br />Par masse liquide<br />
  17. 17. Renforcement par contreventement métallique extérieur<br />
  18. 18. Défi … architectuctural!!<br />
  19. 19. Défi …valeur historique<br />
  20. 20. Amélioration parasismique d’un bâtiment en béton armé à l’EPF Zurich<br />
  21. 21. Intervention extérieure sur un bâtiment des années 1970 à Fribourg<br />
  22. 22. Intervention difficile à l’intérieur (il faut assurer une liaison monolithique avec la structure existantes)<br />
  23. 23. Agrandissement et amélioration parasismique d’un bâtiment de la police à Sion<br />
  24. 24. Ajout de refends en béton armé dans une structure existante, home Sion<br />
  25. 25. Ajout de refends en béton armé à l’extérieur d’un bâtiment, Saxon<br />
  26. 26. Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte<br />
  27. 27. Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte<br />
  28. 28. Utilisation de panneaux en béton armé préfabriqués et de précontrainte verticale<br />
  29. 29. Comportement monolithique du cadre « renforcé »<br />
  30. 30. Chemisage de colonne : Recouvrement d’armature insuffisant<br />
  31. 31. Exemples de chemisage de piles en béton armé<br />
  32. 32. Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie traditionnelle à Zurich <br />
  33. 33. Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie de brique ciment à Martigny<br />
  34. 34. Murs en maçonnerie avec tissus composites sur un côté<br />
  35. 35. Intervention parasismique sur une citerne industrielle en Valais<br />
  36. 36. Isolation sismique : exemple d’un pont, Memphis USA<br />
  37. 37. Evaluation des bâtiments existants<br /><ul><li> Effort progressif dans le choix des méthodes de calcul
  38. 38. Illustrations par des exemples</li></li></ul><li>Méthodes d’évaluation rapide<br />
  39. 39. Principes des méthodes d’évaluation rapides<br />Objectif<br />Triage<br />Identification de bâtiments nécessitant une évaluation détaillée Rapide, visuel & selon des critères simples<br />Paramètres d’évaluation<br />…<br />…<br />…<br />…<br />…<br />…<br />Quantification des paramètres<br />Sur base d’observations visuelles rapides<br />Si possible complétées par quelques plans de construction<br />
  40. 40. 2 familles de méthodes de calcul<br />Méthodes basées sur les forces (MBF)<br />calcul linéaire<br />base des normes de dimensionnement<br />simples, éprouvées et établies<br />prise en compte très approximative du comportement non-linéaire<br />Méthodes basées sur les déplacements (MBD)<br />calcul non-linéaire<br />compatible avec « performance based design » et avec le « capacity design »<br />effort de calcul plus important<br />manque d’outils de calcul<br />prédiction des déformations et du mode de rupture<br />plus « réaliste »<br />
  41. 41. Calcul linéaireMéthodes basées sur les forces(MBF)<br />Statique linéaire<br />Méthode des forces de remplacement (MFR)<br />Dynamique linéaire<br />Méthode du spectre de réponse (MSR) (ou analyse modale)<br />Structures irrégulières<br />3D<br />
  42. 42. Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformations<br />Efforts <br />latéraux<br />Joe’s<br />Beer!<br />Food!<br />Joe’s<br />Beer!<br />Food!<br />large change in<br />deformation level<br />small change in<br />force level<br />Déformation latérale <br />
  43. 43. Critère d’évaluationPerformance sismique ? <br />
  44. 44. Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements(MBD)<br />Statique non-linéaire<br />analyse « push-over »<br />Dynamique non-linéaire<br />Analyse temporelle<br />
  45. 45. Objectif<br />Estimation des déplacements horizontaux maximaux sous une sollicitation sismique donnée<br />Particularités<br />Méthode statique<br />Travail avec la courbe force déformation latérale<br />Permet d’évaluer la ductilité globale effective de la structure<br />En modélisant la ductilité de chaque élément de la structure (par exemple les colonnes)<br />courbe de capacité<br />Base shear<br />Roof displacement<br />Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)<br />
  46. 46. Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)<br />Hypothèses<br />déformation maximum décrit la réponse<br />les déformations sont dominées par le premier mode <br />Avantages<br />Basé sur les déplacements<br />mode de rupture et degré d’endommagement <br />graphique et intuitive<br />Limitations<br />méthode approximative<br />modes supérieures négligés<br />estimation peu satisfaisante de l’amortissement effectif <br />
  47. 47. Charges sismiques horizontales <br />« push over curve»<br />x<br />V4<br />S<br />V<br />V3<br />V2<br />V1<br />PF, <br />a,<br />x<br />SV<br />Sa<br />Capacity spectrum<br />Sd<br />Courbe de capacité<br />Analyse statique nonlinéaire<br />Mode fondamental<br /> f<br />pendule de<br />remplacement<br />Sa = SV/(W*a)<br />Sd = x/(PF*f)<br />
  48. 48. Sa<br />F<br />Sd<br />x<br />5.0<br />4.0<br />3.0<br />2.0<br />1.0<br />0.0<br />0.00<br />0.05<br />0.10<br />0.15<br />0.20<br />Point de performance du système<br />Amortissement selon la « Substitute structure approach »<br />( béquivalent , ksecant )<br />Système hystérétique<br />b=5%<br />b=10%<br />b=20%<br />Performance pointSd = 35 mm<br />
  49. 49. Analyse statique non-linéaire<br />7.0<br />]<br />2<br /> [m/s<br />6.0<br />a<br />S<br />5.0<br />spectres deréponse<br />4.0<br />3.0<br />2.0<br />Performancepoint<br />1.0<br />0.0<br />0.00<br />0.05<br />0.10<br />0.15<br />spectre de capacité<br />S<br /> [m]<br />d<br />Sd,max = 78 mm<br />
  50. 50. Réponse sismique d’un bâtiment -Analyse dynamique non-linéaire<br />
  51. 51. Calcul des sollicitations dans le bâtiment amélioré<br />Choisir un niveau d’action sismique élevé<br />Si on intervient, anticiper un accroissement possible des exigences<br />Même méthodes de calcul des sollicitations que pour un bâtiment neuf<br />Prédimensionnement avec méthodes linéaires<br />Dimensionnement détaillé avec méthode non-linéaire (par exemple non-linéaire statique) pour modéliser la ductilité globale de la structure améliorée <br />
  52. 52. Exemples d’évaluation de structures existantes<br /><ul><li>Halle métallique : local des pompiers de Charrat
  53. 53. Maçonnerie : Home de Nendaz
  54. 54. Moellons traditionnels : Hôtel de Ville de Saxon
  55. 55. Béton armé : ELD, EPFL
  56. 56. Maçonnerie : Ecole des Ursulines, Sion
  57. 57. Moellons : Ecole de Vollèges</li></li></ul><li>Local feu - Charrat<br />
  58. 58. Description de la structure<br />Locaux du service du feu, CO III<br /><ul><li>Autres affectations (CO I) sur 80% de la surface (dépôt, garage)
  59. 59. Propriétaires privés, nombreux</li></ul>Charpente acier, normes de 1979, CV St-André<br />Toiture légère, ajout d’un plancher intermédiaire<br />Structure porteuse régulière, 17 m x 31 m<br />Utilisation restante: 10 ans<br />Classe de sol…<br />
  60. 60. Description de la structure<br />C<br />D<br />
  61. 61. Analyse de l’état existant<br />2 hypothèses admises: CO I et CO III<br /><ul><li>aeff = 0.17 (CO I)
  62. 62. aeff = 0.12 (CO III)</li></ul>Eléments critiques<br /><ul><li> CV de toiture: pannes (flambage) et diagonales (traction)
  63. 63. CV de façade: poteaux (flambage) et diagonales (traction)
  64. 64. Fondations: ancrage des efforts de traction des diagonales</li></li></ul><li>Stratégie de renforcement<br />Atteindre aint = amin = 0.40<br />Le renforcement pour atteindre aint = aadm = 0.44 (voir plus…) n’est pas proportionnel au sens du CT 2018<br />Renforcement localisé du service du feu, effondrement admis du reste de la charpente  « boîte » indépendante<br /><ul><li>M = Mtot
  65. 65. Sd = Sd,max (plateau)
  66. 66. résistance requise uniquement pour les éléments stabilisateurs de la « boîte » indépendante
  67. 67. ajout de CV verticaux</li></li></ul><li>NOUVEAUX CV VERTICAUX<br />RENFORTS DIAGONALES<br />
  68. 68. Mesures de renforcement<br />APPUIS AU FLAMBAGE<br />ANCRAGE DANS FONDATIONS<br />
  69. 69. Mesures de renforcement<br />NOUVELLES DIAGONALES (UNP260)<br />ET MEILLEURE DISTRIBUTION DES FORCES<br />
  70. 70. Mesures de renforcement<br />Ancrage dans les fondations<br />
  71. 71. Home de Nendaz<br />
  72. 72. Home de Nendaz<br />
  73. 73. 2<br />M<br />T<br />1<br />Propositions d’intervention<br />
  74. 74. Proposition de renforcement<br />
  75. 75. Hôtel de ville - Saxon<br />
  76. 76. Description de la structure<br />Etat-major en cas de catastrophe, CO III<br />Construit en 1894, rénové en 1994<br />Murs en maçonnerie traditionnelle (moellons)<br />Dalles bois<br />Masse concentrée dans les murs<br />Structure porteuse régulière, 13 m x 35 m<br />3 étages<br />Utilisation restante: 10 ans<br />
  77. 77. Analyse de l’état existant<br />Méthode des forces de remplacement<br />85% de la masse dans les murs  répartition des forces de remplacement au prorata des masses<br /> Effet diaphragme des plancher? <br /><ul><li> Rigidité ?
  78. 78. Ancrage dans les murs ?
  79. 79. Stabilisation transversale suffisante ?</li></li></ul><li>Analyse de l’état existant<br />Sd/g [-]<br />0.44<br />0.27<br />T [s]<br />T(SIA)<br />T(Rayleigh)<br />
  80. 80. Analyse de l’état existant<br />Hors plan: h/t < 15, sauf 1 mur intérieur h/t = 23 > 17  aeff < amin<br />Dans le plan: aeff = 0.39 ≈ amin = 0.40<br />(effet cadre négligé)<br />
  81. 81. Mesures de renforcement<br />Hors plan: stabilisation par cornières<br />Dans le plan: pas de renforcement<br /><ul><li>Justifié selon CT 2018 pour durée restante < 20 ans</li></ul>--> à revoir dans 20 ans…<br />h’<br />
  82. 82. Travail de MasterMarcelo Oropeza<br />En cours EPFL<br />Bâtiment ELD - EPFL<br />Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: <br />Modèle 1 : néglige l’interaction sol-structure bâtiment sans sous-sol.<br />71<br />
  83. 83. Bâtiment ELD - EPFL<br /><ul><li>Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: </li></ul>Modèle 2 : modèle grossier du sol.<br />
  84. 84. Bâtiment ELD - EPFL<br /><ul><li>Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: </li></ul>Modèle 3 : modèle détaillé du sol<br /> interaction sol structure (ATC-40 : Applied Technology Counsil. ATC-40 : Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings. Volume 1. 1996).<br />
  85. 85. Caractéristiques des matériaux<br />
  86. 86. Modélisation des sections<br />ETABS: Section Designer pour les poutres<br />75<br />
  87. 87. Aperçu du modèle 1 (1)<br />
  88. 88. Aperçu du modèle 1 (2)<br />
  89. 89. Modes de vibration<br />Modèle 1 - dalles souples: <br />Mode 1: période 1.06 s<br />
  90. 90. Modes de vibration<br />Taux de la masse modale participante<br /> Modèle 1: dalle souple<br />
  91. 91. Spectres de réponse<br />γf=1 <br />q=2<br />M1r<br />M1s<br />M2r<br />M2s<br />
  92. 92. Résultats - Efforts normaux N<br />Modèle 1 - Dalles souples<br />
  93. 93. Collège des Ursulines - Sion<br />
  94. 94. Description de la structure<br />Etablissement scolaire, CO II<br />Construit en 1960 environ<br />Murs en maçonnerie ciment et terre cuite<br />Dalles béton armé<br />Façades largement ouvertes, murs-poteaux de faible largeur<br />Structure porteuse régulière, 15 m x 48 m<br />5 étages (rez + 4), pas de sous-sol<br />Utilisation restante: 60 ans<br />
  95. 95. Description de la structure<br />
  96. 96. Analyse de l’état existant<br />
  97. 97. Analyse de l’état existant<br />Matériaux: valeurs caractéristiques pour obtenir une meilleure estimation de la sécurité réelle du bâtiment<br />Torsion: edx/Lx = 0.11 > 0.10 (SIA 160)<br /><ul><li> Estimer l’influence de la torsion avec la méthode des forces
  98. 98. 1 % sur sens Y  négligeable
  99. 99. 19 à 26 % sur sens X  non négligeable</li></li></ul><li>Analyse de l’état existant<br />
  100. 100. Mesures de renforcement<br />Etablissement scolaire: <br />
  101. 101. Mesures de renforcement<br />Objectif: aint > 1.0 <br />
  102. 102. Ecole de Vollèges – Modélisation <br />
  103. 103. Ecole de Vollèges – Calcul dynamique<br />Résultat du calcul dynamique sur modèle 2D de paroi (façade Est)<br />Masse totale reprise par la façade : 3'376 kN<br />(épaisseur moyenne admise : 50 cm / densité fictive : 50 kN/m3)<br />Module d’élasticité admis : 7'000 N/mm2 <br />Période fondamentale calculée : T1 = 0.107 sec.<br />Spectre de réponse<br /><ul><li>sol de classe A
  104. 104. agd = 1.5 m/s2
  105. 105. q = 1.5
  106. 106. gf = 1.2</li></li></ul><li>Ecole de Vollèges – Résultats <br />
  107. 107. Merci de votre attention<br />

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