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Cours postgrade de génie parasismiqueModule 3 : évaluation des structures existantes Dr Vincent Pellissier			Dr Michel Thomann Pellissier & de Torrenté			Zwahlen & Mayr SA Rue de Lausanne 65			Zone industrielle 2 CH-1950 Sion				CH-1860 Aigle pellissier.detorrente@gmail.commichel.thomann@zwahlen.ch Mesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation des bâtiments existants
Contenu de l’exposé Rappel des mesures de gestion du risque Mesures techniques – les stratégies  Exemples d’interventions techniques Evaluation sismique de structures existantes : Méthodes de calcul Exemples d’évaluations sismiques
Different generic risk management strategies are possible Risk is accepted … “Act of God”, “Status quo” 	… and passively transferred State as the “insurer of last resort”  Risk is actively transferred  Insurance and Reinsurance  Risk is reduced  New buildings Systematic use of modern seismic design rules (building codes)  Existing buildings Evaluation of vulnerable/critical buildings Strengthening of building with excessive seismic risk
Arsenal de mesures de gestion du risque Article
L’objectif d’une intervention parasismique est d’augmenter La ductilité globale de la structure et/ou La résistance de la structure et/ou La rigidité de la structure En modifiant la rigidité (et la masse) de la structure Une intervention parasismique change les caractéristiques dynamiques, donc aussi la demande sismique Intervention technique
Choix d’une mesure technique de     mitigation du risque sismique
5.0 2.0 4.0 1.0 3.0 0.0 2.0 -1.0 1.0 -2.0 0.0 0 2 4 6 8 10 100 0.1 1 10 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Aparté : Développement du spectre ADRS Accélérogramme Spectre de réponse b=5% Sa (m/s2) (m/s2) SDOFf variable b=5% (choix) f (Hz) (s) Sd = Sa / w2 2  Hz Sa(m/s2) 1 Hz b=5% Spectre ADRS Acceleration DisplacemntResponse Spectrum 0.5 Hz Sd (m)
Exemple de stratégies d’amélioration sismique sur un bâtiment cadre en béton armé avec colonnes courtes
Amélioration par addition de refends en béton armé 1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et réduction des déformations
Retrofitting by column jacketing 2. Amélioration de la ductilité et de la résistance 5. Augmentation de l’amortissement
Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres 2. Amélioration de la résistance et de la ductilité 3. Diminution de la fréquence propre
Amélioration par installation d’isolateurs sismiques (“base isolation”) et d’amortisseurs 2. Réduction de la résistance, augmentation de la ductilité 5. Réduction des forces sismiques et des déformations de la structure, augmentation de l’amortissement
Exemples d’interventions techniques
Rappel : Bâti existant suisse ,[object Object]
Évolution des forces latérales(normes SIA; Bâtiment type à Bâle)> 1989 1970 - 1989 force latérale  (vent & séisme) 1956 - 1970 < 1956 ,[object Object]
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Amélioration parasismique d’un bâtiment en béton armé à l’EPF Zurich
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Principes des méthodes d’évaluation rapides Objectif Triage Identification de bâtiments nécessitant une évaluation détaillée Rapide, visuel & selon des critères simples Paramètres d’évaluation … … … … … … Quantification des paramètres Sur base d’observations visuelles rapides Si possible complétées par quelques plans de construction
2 familles de méthodes de calcul Méthodes basées sur les forces (MBF) calcul linéaire base des normes de dimensionnement simples, éprouvées et établies prise en compte très approximative du comportement non-linéaire Méthodes basées sur les déplacements (MBD) calcul non-linéaire compatible avec « performance based design » et avec le « capacity design » effort de calcul plus important manque d’outils de calcul prédiction des déformations et du mode de rupture plus « réaliste »
Calcul linéaireMéthodes basées sur les forces(MBF) Statique linéaire Méthode des forces de remplacement (MFR) Dynamique linéaire Méthode du spectre de réponse (MSR) (ou analyse modale) Structures irrégulières 3D
Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformations Efforts  latéraux Joe’s Beer! Food! Joe’s Beer! Food! large change in deformation level small change in force level Déformation latérale
Critère d’évaluationPerformance sismique ?
Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements(MBD) Statique non-linéaire analyse « push-over » Dynamique non-linéaire Analyse temporelle
Objectif Estimation des déplacements horizontaux maximaux sous une sollicitation sismique donnée Particularités Méthode statique Travail avec la courbe force déformation latérale Permet d’évaluer la ductilité globale effective de la structure En modélisant la ductilité de chaque élément de la structure (par exemple les colonnes) courbe de capacité Base shear Roof displacement Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)
Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires) Hypothèses déformation maximum décrit la réponse les déformations sont dominées par le premier mode	 Avantages Basé sur les déplacements mode de rupture et degré d’endommagement  graphique et intuitive Limitations méthode approximative modes supérieures négligés estimation peu satisfaisante de l’amortissement effectif
Charges sismiques horizontales  « push over curve» x V4 S V V3 V2 V1 PF,  a, x SV Sa Capacity spectrum Sd Courbe de capacité Analyse statique nonlinéaire Mode fondamental  f pendule de remplacement Sa = SV/(W*a) Sd = x/(PF*f)
Sa F Sd x 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Point de performance du système Amortissement selon la « Substitute structure approach » ( béquivalent , ksecant ) Système hystérétique b=5% b=10% b=20% Performance pointSd = 35 mm
Analyse statique non-linéaire 7.0 ] 2  [m/s 6.0 a S 5.0 spectres deréponse 4.0 3.0 2.0 Performancepoint 1.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 spectre de capacité S  [m] d Sd,max = 78 mm
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Calcul des sollicitations dans le bâtiment amélioré Choisir un niveau d’action sismique élevé Si on intervient, anticiper un accroissement possible des exigences Même méthodes de calcul des sollicitations que pour un bâtiment neuf Prédimensionnement avec méthodes linéaires Dimensionnement détaillé avec méthode non-linéaire (par exemple non-linéaire statique) pour modéliser la ductilité globale de la structure améliorée
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Description de la structure Etat-major en cas de catastrophe, CO III Construit en 1894, rénové en 1994 Murs en maçonnerie traditionnelle (moellons) Dalles bois Masse concentrée dans les murs Structure porteuse régulière, 13 m x 35 m 3 étages Utilisation restante: 10 ans
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Travail de MasterMarcelo Oropeza En cours EPFL Bâtiment ELD - EPFL Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés:  Modèle 1 :	néglige l’interaction sol-structure 				  	bâtiment sans sous-sol. 71
Bâtiment ELD - EPFL ,[object Object],Modèle 2 :	modèle grossier du sol.
Bâtiment ELD - EPFL ,[object Object],Modèle 3 :	modèle détaillé du sol 			interaction sol structure (ATC-40 : Applied Technology 		Counsil. ATC-40 : Seismic evaluation and retrofit of concrete 		buildings. Volume 1. 1996).
Caractéristiques des matériaux
Modélisation des sections ETABS:	Section Designer pour les 			poutres 75
Aperçu du modèle 1 (1)
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Modes de vibration Modèle 1 - dalles souples:  Mode 1: période 1.06 s
Modes de vibration Taux de la masse modale participante 		Modèle 1: dalle souple
Spectres de réponse γf=1  q=2 M1r M1s M2r M2s
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Cours module3 vpe_renforcement

  • 1. Cours postgrade de génie parasismiqueModule 3 : évaluation des structures existantes Dr Vincent Pellissier Dr Michel Thomann Pellissier & de Torrenté Zwahlen & Mayr SA Rue de Lausanne 65 Zone industrielle 2 CH-1950 Sion CH-1860 Aigle pellissier.detorrente@gmail.commichel.thomann@zwahlen.ch Mesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation des bâtiments existants
  • 2. Contenu de l’exposé Rappel des mesures de gestion du risque Mesures techniques – les stratégies Exemples d’interventions techniques Evaluation sismique de structures existantes : Méthodes de calcul Exemples d’évaluations sismiques
  • 3. Different generic risk management strategies are possible Risk is accepted … “Act of God”, “Status quo” … and passively transferred State as the “insurer of last resort” Risk is actively transferred Insurance and Reinsurance Risk is reduced New buildings Systematic use of modern seismic design rules (building codes) Existing buildings Evaluation of vulnerable/critical buildings Strengthening of building with excessive seismic risk
  • 4. Arsenal de mesures de gestion du risque Article
  • 5. L’objectif d’une intervention parasismique est d’augmenter La ductilité globale de la structure et/ou La résistance de la structure et/ou La rigidité de la structure En modifiant la rigidité (et la masse) de la structure Une intervention parasismique change les caractéristiques dynamiques, donc aussi la demande sismique Intervention technique
  • 6. Choix d’une mesure technique de mitigation du risque sismique
  • 7. 5.0 2.0 4.0 1.0 3.0 0.0 2.0 -1.0 1.0 -2.0 0.0 0 2 4 6 8 10 100 0.1 1 10 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Aparté : Développement du spectre ADRS Accélérogramme Spectre de réponse b=5% Sa (m/s2) (m/s2) SDOFf variable b=5% (choix) f (Hz) (s) Sd = Sa / w2 2 Hz Sa(m/s2) 1 Hz b=5% Spectre ADRS Acceleration DisplacemntResponse Spectrum 0.5 Hz Sd (m)
  • 8. Exemple de stratégies d’amélioration sismique sur un bâtiment cadre en béton armé avec colonnes courtes
  • 9. Amélioration par addition de refends en béton armé 1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et réduction des déformations
  • 10. Retrofitting by column jacketing 2. Amélioration de la ductilité et de la résistance 5. Augmentation de l’amortissement
  • 11. Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres 2. Amélioration de la résistance et de la ductilité 3. Diminution de la fréquence propre
  • 12. Amélioration par installation d’isolateurs sismiques (“base isolation”) et d’amortisseurs 2. Réduction de la résistance, augmentation de la ductilité 5. Réduction des forces sismiques et des déformations de la structure, augmentation de l’amortissement
  • 14.
  • 15.
  • 16.
  • 17. Renforcement par contreventement métallique extérieur
  • 20. Amélioration parasismique d’un bâtiment en béton armé à l’EPF Zurich
  • 21. Intervention extérieure sur un bâtiment des années 1970 à Fribourg
  • 22. Intervention difficile à l’intérieur (il faut assurer une liaison monolithique avec la structure existantes)
  • 23. Agrandissement et amélioration parasismique d’un bâtiment de la police à Sion
  • 24. Ajout de refends en béton armé dans une structure existante, home Sion
  • 25. Ajout de refends en béton armé à l’extérieur d’un bâtiment, Saxon
  • 26. Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte
  • 27. Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte
  • 28. Utilisation de panneaux en béton armé préfabriqués et de précontrainte verticale
  • 29. Comportement monolithique du cadre « renforcé »
  • 30. Chemisage de colonne : Recouvrement d’armature insuffisant
  • 31. Exemples de chemisage de piles en béton armé
  • 32. Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie traditionnelle à Zurich
  • 33. Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie de brique ciment à Martigny
  • 34. Murs en maçonnerie avec tissus composites sur un côté
  • 35. Intervention parasismique sur une citerne industrielle en Valais
  • 36. Isolation sismique : exemple d’un pont, Memphis USA
  • 37.
  • 38.
  • 39. Principes des méthodes d’évaluation rapides Objectif Triage Identification de bâtiments nécessitant une évaluation détaillée Rapide, visuel & selon des critères simples Paramètres d’évaluation … … … … … … Quantification des paramètres Sur base d’observations visuelles rapides Si possible complétées par quelques plans de construction
  • 40. 2 familles de méthodes de calcul Méthodes basées sur les forces (MBF) calcul linéaire base des normes de dimensionnement simples, éprouvées et établies prise en compte très approximative du comportement non-linéaire Méthodes basées sur les déplacements (MBD) calcul non-linéaire compatible avec « performance based design » et avec le « capacity design » effort de calcul plus important manque d’outils de calcul prédiction des déformations et du mode de rupture plus « réaliste »
  • 41. Calcul linéaireMéthodes basées sur les forces(MBF) Statique linéaire Méthode des forces de remplacement (MFR) Dynamique linéaire Méthode du spectre de réponse (MSR) (ou analyse modale) Structures irrégulières 3D
  • 42. Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformations Efforts latéraux Joe’s Beer! Food! Joe’s Beer! Food! large change in deformation level small change in force level Déformation latérale
  • 44. Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements(MBD) Statique non-linéaire analyse « push-over » Dynamique non-linéaire Analyse temporelle
  • 45. Objectif Estimation des déplacements horizontaux maximaux sous une sollicitation sismique donnée Particularités Méthode statique Travail avec la courbe force déformation latérale Permet d’évaluer la ductilité globale effective de la structure En modélisant la ductilité de chaque élément de la structure (par exemple les colonnes) courbe de capacité Base shear Roof displacement Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)
  • 46. Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires) Hypothèses déformation maximum décrit la réponse les déformations sont dominées par le premier mode Avantages Basé sur les déplacements mode de rupture et degré d’endommagement graphique et intuitive Limitations méthode approximative modes supérieures négligés estimation peu satisfaisante de l’amortissement effectif
  • 47. Charges sismiques horizontales « push over curve» x V4 S V V3 V2 V1 PF, a, x SV Sa Capacity spectrum Sd Courbe de capacité Analyse statique nonlinéaire Mode fondamental f pendule de remplacement Sa = SV/(W*a) Sd = x/(PF*f)
  • 48. Sa F Sd x 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 Point de performance du système Amortissement selon la « Substitute structure approach » ( béquivalent , ksecant ) Système hystérétique b=5% b=10% b=20% Performance pointSd = 35 mm
  • 49. Analyse statique non-linéaire 7.0 ] 2 [m/s 6.0 a S 5.0 spectres deréponse 4.0 3.0 2.0 Performancepoint 1.0 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 spectre de capacité S [m] d Sd,max = 78 mm
  • 50. Réponse sismique d’un bâtiment -Analyse dynamique non-linéaire
  • 51. Calcul des sollicitations dans le bâtiment amélioré Choisir un niveau d’action sismique élevé Si on intervient, anticiper un accroissement possible des exigences Même méthodes de calcul des sollicitations que pour un bâtiment neuf Prédimensionnement avec méthodes linéaires Dimensionnement détaillé avec méthode non-linéaire (par exemple non-linéaire statique) pour modéliser la ductilité globale de la structure améliorée
  • 52.
  • 53. Maçonnerie : Home de Nendaz
  • 54. Moellons traditionnels : Hôtel de Ville de Saxon
  • 55. Béton armé : ELD, EPFL
  • 56. Maçonnerie : Ecole des Ursulines, Sion
  • 57.
  • 58.
  • 59. Propriétaires privés, nombreuxCharpente acier, normes de 1979, CV St-André Toiture légère, ajout d’un plancher intermédiaire Structure porteuse régulière, 17 m x 31 m Utilisation restante: 10 ans Classe de sol…
  • 60. Description de la structure C D
  • 61.
  • 62.
  • 63. CV de façade: poteaux (flambage) et diagonales (traction)
  • 64.
  • 65. Sd = Sd,max (plateau)
  • 66. résistance requise uniquement pour les éléments stabilisateurs de la « boîte » indépendante
  • 67.
  • 68. Mesures de renforcement APPUIS AU FLAMBAGE ANCRAGE DANS FONDATIONS
  • 69. Mesures de renforcement NOUVELLES DIAGONALES (UNP260) ET MEILLEURE DISTRIBUTION DES FORCES
  • 70. Mesures de renforcement Ancrage dans les fondations
  • 73. 2 M T 1 Propositions d’intervention
  • 75. Hôtel de ville - Saxon
  • 76. Description de la structure Etat-major en cas de catastrophe, CO III Construit en 1894, rénové en 1994 Murs en maçonnerie traditionnelle (moellons) Dalles bois Masse concentrée dans les murs Structure porteuse régulière, 13 m x 35 m 3 étages Utilisation restante: 10 ans
  • 77.
  • 78. Ancrage dans les murs ?
  • 79.
  • 80. Analyse de l’état existant Hors plan: h/t < 15, sauf 1 mur intérieur h/t = 23 > 17  aeff < amin Dans le plan: aeff = 0.39 ≈ amin = 0.40 (effet cadre négligé)
  • 81.
  • 82. Travail de MasterMarcelo Oropeza En cours EPFL Bâtiment ELD - EPFL Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés: Modèle 1 : néglige l’interaction sol-structure bâtiment sans sous-sol. 71
  • 83.
  • 84.
  • 86. Modélisation des sections ETABS: Section Designer pour les poutres 75
  • 89. Modes de vibration Modèle 1 - dalles souples: Mode 1: période 1.06 s
  • 90. Modes de vibration Taux de la masse modale participante Modèle 1: dalle souple
  • 91. Spectres de réponse γf=1 q=2 M1r M1s M2r M2s
  • 92. Résultats - Efforts normaux N Modèle 1 - Dalles souples
  • 94. Description de la structure Etablissement scolaire, CO II Construit en 1960 environ Murs en maçonnerie ciment et terre cuite Dalles béton armé Façades largement ouvertes, murs-poteaux de faible largeur Structure porteuse régulière, 15 m x 48 m 5 étages (rez + 4), pas de sous-sol Utilisation restante: 60 ans
  • 95. Description de la structure
  • 97.
  • 98. 1 % sur sens Y  négligeable
  • 99.
  • 100. Mesures de renforcement Etablissement scolaire:
  • 101. Mesures de renforcement Objectif: aint > 1.0
  • 102. Ecole de Vollèges – Modélisation
  • 103.
  • 104. agd = 1.5 m/s2
  • 106.
  • 107. Merci de votre attention