Tpe sur le génie parasismique

 Matériaux et propriétés

 

         L'ingénieur, en aval, doit étudier les différentes caractéristiques des matériaux pour sélectionner les plus appropriés au site en question.

Voici les propriétés les plus importantes des matériaux nécessaires à la solidité du bâtiment en zone sismique:

->Résistance mécanique :

Il s'agit de la résistance aux trois types d'ondes et aux trois directions principales dans lesquelles elles peuvent se propager. L'acier et les alliages d'aluminium présentent une bonne résistance mécanique, ainsi que le béton armé.

->Rapport résistance masse volumique :

Le rapport résistance/masse volumique est important car quand il est élevé il permet la réalisation de structures légères. Le bois, l'acier et les alliages d'aluminium sont donc conseillés.

->Rigidité :

La rigidité est importante pour la stabilité de la forme du bâtiment. L'acier est rigide à petite échelle mais flexible à grande échelle.

->Résilience :

C'est la quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant rupture sous l’effet d’un choc. L'acier, les alliages d'aluminium et le bois ont une très bonne résilience.

->Ductilité :

C'est la capacité du matériau à se plier jusqu'à un certain point et à revenir dans sa position naturelle sans perte de résistance (sorte d’élasticité). Là aussi l'acier, l'alliage d'aluminium et le béton armé sont recommandés.

->Ténacité :

Elle caractérise la quantité d'énergie nécessaire à la rupture du matériau. Le plus tenace est l'acier, et en certaines circonstances le bois grâce à sa structure fibreuse.

->Endurance :

C'est la capacité d'un matériau à être résistant à une fréquence élevée d'ondes sismiques.

->Durabilité :

C'est la capacité du matériau à perdurer dans le temps sous la contrainte de l'humidité, des insectes, des champignons, ou encore de la pression atmosphérique.  

 

 

         Ainsi, en étudiant les principaux matériaux sur le marché, l'ingénieur aide considérablement l'architecte. A partir de ces propriétés de matériaux, on peut classer les quatre grands types de constructions avec leurs attributs:

->Les maçonneries traditionnelles, c'est-à-dire utilisant la pierre, les briques en terre cuite ou les blocs de bétons , sont les plus répandues dans les villes anciennes. Cependant elles présentent de grandes faiblesses face aux séismes. Leur résistance aux ondes de cisaillement et la résistance de leurs joints sont mineures ; de plus, leur masse élevée aggrave nettement le risque d'écroulement de la construction.

->Les constructions en bois sont généralement assez sûres lors des tremblements de terre, car elles se détruisent rarement entièrement du fait de leur légèreté, qui permet un amortissement des ondes conséquent. Le bois est résiliant, il supporte donc bien les chocs et les vibrations. Cependant, il n'est pas ductile (il ne revient pas à sa position d'origine après déformation). De plus, il est sensible à l'humidité et il est facilement inflammable.

->Le béton armé est utile pour sa rigidité dans les éléments non structuraux (murs, éléments non porteurs, etc.). Cependant, il à un défaut majeur, son rapport résistance/masse volumique est faible.

->L'acier est le matériau parasismique par excellence, car il est homogène, résistant aux ondes de cisaillement, et à un rapport résistance/masse volumique élevé, ce qui permet la réalisation de constructions légères. Il est très résiliant, et peut donc absorber beaucoup d'énergie. Il est également très ductile et donc dissipe bien l'énergie. Cependant l'acier peut se rompre à basse température (-25° C). Mais il à toutefois fait ses preuves durant de nombreux séismes, même dans des constructions non parasismiques.

 

L'ingénieur doit également, au-delà de la considération des matériaux, prendre en compte les forces et énergies mises en jeu sur un bâtiment, en période sismique. La principale chose à retenir est que le bâtiment se déplace sous l'influence des mouvements du sol (c'est le fameux mouvement oscillatoire du bâtiment lors d'un séisme), on l'appelle équilibre dynamique.

Equilibre dynamique:

Ce terme est à juste titre employé car il décrit parfaitement le phénomène considéré : la construction, par le principe d'inertie, tend à garder sa position initiale par un mouvement contraire à celui du sol. On observe ainsi un « déplacement relatif des étages ».

Plus la construction est lourde plus grande est sa résistance aux mouvements et plus grandes sont les forces d'inertie qu'elle subit. Le bâtiment doit résister aux charges sismiques (forces d'inerties dûes au poids de la construction) : plus ces charges sont importantes plus la force d'inertie est élevée.

A celles-ci s'opposent les forces de rappel et les forces dissipées. Les forces de rappel sont les forces propres au bâtiment dues à son élasticité, faisant face aux forces d'inertie. Les forces dissipées sont quant à elles la différence entre force d'inertie et force de rappel, c'est-à-dire la perte causée par divers facteurs extérieurs (conditions climatiques, nature du bâtiment, etc).

 

 

 

 

 

 

L'ingénieur, pour favoriser la résistance d'une construction au séisme, doit donc :

-minimiser les charges sismiques

-maximiser les forces de rappel.

Charges sismiques :

La masse du bâtiment influe directement sur l'intensité des forces d'inertie. En effet, les forces d'inertie sont proportionnelles à la masse du bâtiment et à son accélération, transmise par le sol. Les forces d'inertie sont donc définies comme suit :

 

 

 

Il est donc souhaitable de limiter la masse du bâtiment. Ainsi les constructions légères sont les plus avantageuses, et les matériaux ayant un meilleur rapport résistance/masse volumique sont donc à privilégier.

Mais on peut aussi agir sur l'accélération de la manière suivante :

         ->en construisant sur des terrains limitant l'amplification locale des secousses sismiques

         ->en gardant en tête que les bâtiments rigides (type béton armé) conviennent mieux pour          des terrains meubles, alors que les bâtiments flexibles (en acier) conviennent mieux pour          des sols fermes et rigides

         ->en optant pour des constructions de faible hauteur

         ->en concevant des bâtiments de forme simple et symétriques

         ->en utilisant des appuis parasismiques

 

On peut maximiser les forces de rappel de deux manières, en accroissant la capacité du bâtiment à stocker l’énergie ou à la dissiper

L'utilisation de matériaux résilients comme l'acier ou le bois est une très bonne solution pour stocker l’énergie car en général ceux-ci ont une grande capacité de déformation, caractéristique permettant l'augmentation du volume qui accueille ainsi le surplus d'énergie.

Il existe plusieurs manières de dissiper l’énergie. Il est possible de renvoyer l'énergie dans l'environnement par le biais de fondations profondes. Des études ont également montré qu'un ouvrage lourd permet un meilleur renvoi de l'énergie. Enfin, l'utilisation d'amortisseurs parasismiques reste la meilleure solution .

         Il faut donc jouer sur le poids et la flexibilité des matériaux afin de faire un bâtiment résistant aux séismes