Le document présente un cours postgrade sur l'évaluation des structures existantes en génie parasismique, abordant les techniques de mitigation du risque sismique et les méthodes d'évaluation des bâtiments. Il discute des stratégies d'intervention pour renforcer la résistance et la ductilité des constructions existantes, illustrées par divers exemples. En outre, des méthodes d'évaluation rapides et des calculs sismiques non linéaires sont décrits pour estimer la performance sismique des structures.

1. Cours postgrade de génie parasismiqueModule 3 : évaluation des structures existantesDr Vincent Pellissier Dr Michel ThomannPellissier & de Torrenté Zwahlen & Mayr SARue de Lausanne 65 Zone industrielle 2CH-1950 Sion CH-1860 Aiglepellissier.detorrente@gmail.commichel.thomann@zwahlen.chMesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation des bâtiments existants

2. Contenu de l’exposéRappel des mesures de gestion du risqueMesures techniques – les stratégies Exemples d’interventions techniquesEvaluation sismique de structures existantes :Méthodes de calculExemples d’évaluations sismiques

3. Different generic risk management strategies are possibleRisk is accepted …“Act of God”, “Status quo” … and passively transferredState as the “insurer of last resort” Risk is actively transferred Insurance and Reinsurance Risk is reduced New buildingsSystematic use of modern seismic design rules (building codes) Existing buildingsEvaluation of vulnerable/critical buildingsStrengthening of building with excessive seismic risk

4. Arsenal de mesures de gestion du risqueArticle

5. L’objectif d’une intervention parasismique est d’augmenterLa ductilité globale de la structure et/ouLa résistance de la structure et/ouLa rigidité de la structureEn modifiant la rigidité (et la masse) de la structureUne intervention parasismique change les caractéristiques dynamiques, donc aussi la demande sismiqueIntervention technique

6. Choix d’une mesure technique de mitigation du risque sismique

7. 5.02.04.01.03.00.02.0-1.01.0-2.00.002468101000.11105.04.03.02.01.00.00.000.050.100.150.20Aparté : Développement du spectre ADRSAccélérogrammeSpectre de réponseb=5%Sa (m/s2)(m/s2)SDOFf variableb=5% (choix)f (Hz)(s)Sd = Sa / w22 HzSa(m/s2)1 Hzb=5%Spectre ADRSAcceleration DisplacemntResponse Spectrum0.5 HzSd (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 armé1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et réduction des déformations

10. Retrofitting by column jacketing2. Amélioration de la ductilité et de la résistance5. Augmentation de l’amortissement

11. Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres2. Amélioration de la résistance et de la ductilité3. Diminution de la fréquence propre

12. Amélioration par installation d’isolateurs sismiques (“base isolation”) et d’amortisseurs2. Réduction de la résistance, augmentation de la ductilité5. Réduction des forces sismiques et des déformations de la structure, augmentation de l’amortissement

13. Exemples d’interventions techniques

14. Rappel : Bâti existant suisseAge des bâtiments(immeubles d ’habitation, bureaux, écoles et hôpitaux)

15. Évolution des forces latérales(normes SIA; Bâtiment type à Bâle)> 19891970 - 1989force latérale (vent & séisme)1956 - 1970< 1956Grand besoin d’évaluation

16. Dans certains cas, besoin d’amélioration sismiqueIl existe de nombreuses techniques d’amélioration parasismiquePassivesAjout de nouveaux systèmes de stabilisation latéraleMurs de refend béton arméContreventements métalliques Amélioration sismique des éléments (colonnes ou murs) de la structure existantePar chemisage (béton, métal, composites …)Par collage de lamellesPar ajout de précontrainteSemi-activesIsolation sismique Ajout de dissipateurs d’énergie Par frottementPar masse liquide

17. Renforcement par contreventement métallique extérieur

18. Défi … architectuctural!!

19. Défi …valeur historique

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. Evaluation des bâtiments existants Effort progressif dans le choix des méthodes de calcul

38. Illustrations par des exemplesMéthodes d’évaluation rapide

39. Principes des méthodes d’évaluation rapidesObjectifTriageIdentification de bâtiments nécessitant une évaluation détaillée Rapide, visuel & selon des critères simplesParamètres d’évaluation………………Quantification des paramètresSur base d’observations visuelles rapidesSi possible complétées par quelques plans de construction

40. 2 familles de méthodes de calculMéthodes basées sur les forces (MBF)calcul linéairebase des normes de dimensionnementsimples, éprouvées et établiesprise en compte très approximative du comportement non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements (MBD)calcul non-linéairecompatible avec « performance based design » et avec le « capacity design »effort de calcul plus importantmanque d’outils de calculprédiction des déformations et du mode de ruptureplus « réaliste »

41. Calcul linéaireMéthodes basées sur les forces(MBF)Statique linéaireMéthode des forces de remplacement (MFR)Dynamique linéaireMéthode du spectre de réponse (MSR) (ou analyse modale)Structures irrégulières3D

42. Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformationsEfforts latérauxJoe’sBeer!Food!Joe’sBeer!Food!large change indeformation levelsmall change inforce levelDéformation latérale

43. Critère d’évaluationPerformance sismique ?

44. Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements(MBD)Statique non-linéaireanalyse « push-over »Dynamique non-linéaireAnalyse temporelle

45. ObjectifEstimation des déplacements horizontaux maximaux sous une sollicitation sismique donnéeParticularitésMéthode statiqueTravail avec la courbe force déformation latéralePermet d’évaluer la ductilité globale effective de la structureEn modélisant la ductilité de chaque élément de la structure (par exemple les colonnes)courbe de capacitéBase shearRoof displacementMéthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)

46. Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)Hypothèsesdéformation maximum décrit la réponseles déformations sont dominées par le premier mode AvantagesBasé sur les déplacementsmode de rupture et degré d’endommagement graphique et intuitiveLimitationsméthode approximativemodes supérieures négligésestimation peu satisfaisante de l’amortissement effectif

47. Charges sismiques horizontales « push over curve»xV4SVV3V2V1PF, a,xSVSaCapacity spectrumSdCourbe de capacitéAnalyse statique nonlinéaireMode fondamental fpendule deremplacementSa = SV/(W*a)Sd = x/(PF*f)

48. SaFSdx5.04.03.02.01.00.00.000.050.100.150.20Point de performance du systèmeAmortissement selon la « Substitute structure approach »( béquivalent , ksecant )Système hystérétiqueb=5%b=10%b=20%Performance pointSd = 35 mm

49. Analyse statique non-linéaire7.0]2 [m/s6.0aS5.0spectres deréponse4.03.02.0Performancepoint1.00.00.000.050.100.15spectre de capacitéS [m]dSd,max = 78 mm

50. Réponse sismique d’un bâtiment -Analyse dynamique non-linéaire

51. Calcul des sollicitations dans le bâtiment amélioréChoisir un niveau d’action sismique élevéSi on intervient, anticiper un accroissement possible des exigencesMême méthodes de calcul des sollicitations que pour un bâtiment neufPrédimensionnement avec méthodes linéairesDimensionnement détaillé avec méthode non-linéaire (par exemple non-linéaire statique) pour modéliser la ductilité globale de la structure améliorée

52. Exemples d’évaluation de structures existantesHalle métallique : local des pompiers de Charrat

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. Moellons : Ecole de VollègesLocal feu - Charrat

58. Description de la structureLocaux du service du feu, CO IIIAutres affectations (CO I) sur 80% de la surface (dépôt, garage)

59. Propriétaires privés, nombreuxCharpente acier, normes de 1979, CV St-AndréToiture légère, ajout d’un plancher intermédiaireStructure porteuse régulière, 17 m x 31 mUtilisation restante: 10 ansClasse de sol…

60. Description de la structureCD

61. Analyse de l’état existant2 hypothèses admises: CO I et CO IIIaeff = 0.17 (CO I)

62. aeff = 0.12 (CO III)Eléments critiques CV de toiture: pannes (flambage) et diagonales (traction)

63. CV de façade: poteaux (flambage) et diagonales (traction)

64. Fondations: ancrage des efforts de traction des diagonalesStratégie de renforcementAtteindre aint = amin = 0.40Le renforcement pour atteindre aint = aadm = 0.44 (voir plus…) n’est pas proportionnel au sens du CT 2018Renforcement localisé du service du feu, effondrement admis du reste de la charpente  « boîte » indépendanteM = Mtot

65. Sd = Sd,max (plateau)

66. résistance requise uniquement pour les éléments stabilisateurs de la « boîte » indépendante

67. ajout de CV verticauxNOUVEAUX CV VERTICAUXRENFORTS DIAGONALES

68. Mesures de renforcementAPPUIS AU FLAMBAGEANCRAGE DANS FONDATIONS

69. Mesures de renforcementNOUVELLES DIAGONALES (UNP260)ET MEILLEURE DISTRIBUTION DES FORCES

70. Mesures de renforcementAncrage dans les fondations

71. Home de Nendaz

72. Home de Nendaz

73. 2MT1Propositions d’intervention

74. Proposition de renforcement

75. Hôtel de ville - Saxon

76. Description de la structureEtat-major en cas de catastrophe, CO IIIConstruit en 1894, rénové en 1994Murs en maçonnerie traditionnelle (moellons)Dalles boisMasse concentrée dans les mursStructure porteuse régulière, 13 m x 35 m3 étagesUtilisation restante: 10 ans

77. Analyse de l’état existantMéthode des forces de remplacement85% de la masse dans les murs  répartition des forces de remplacement au prorata des masses Effet diaphragme des plancher? Rigidité ?

78. Ancrage dans les murs ?

79. Stabilisation transversale suffisante ?Analyse de l’état existantSd/g [-]0.440.27T [s]T(SIA)T(Rayleigh)

80. Analyse de l’état existantHors plan: h/t < 15, sauf 1 mur intérieur h/t = 23 > 17  aeff < aminDans le plan: aeff = 0.39 ≈ amin = 0.40(effet cadre négligé)

81. Mesures de renforcementHors plan: stabilisation par cornièresDans le plan: pas de renforcementJustifié selon CT 2018 pour durée restante < 20 ans--> à revoir dans 20 ans…h’

82. Travail de MasterMarcelo OropezaEn cours EPFLBâtiment ELD - EPFLTrois modèles du bâtiment ELD seront considérés: Modèle 1 : néglige l’interaction sol-structure bâtiment sans sous-sol.71

83. Bâtiment ELD - EPFLTrois modèles du bâtiment ELD seront considérés: Modèle 2 : modèle grossier du sol.

84. Bâtiment ELD - EPFLTrois modèles du bâtiment ELD seront considérés: 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).

85. Caractéristiques des matériaux

86. Modélisation des sectionsETABS: Section Designer pour les poutres75

87. Aperçu du modèle 1 (1)

88. Aperçu du modèle 1 (2)

89. Modes de vibrationModèle 1 - dalles souples: Mode 1: période 1.06 s

90. Modes de vibrationTaux de la masse modale participante Modèle 1: dalle souple

91. Spectres de réponseγf=1 q=2M1rM1sM2rM2s

92. Résultats - Efforts normaux NModèle 1 - Dalles souples

93. Collège des Ursulines - Sion