6 ème Symposium International sur la construction en zones sismiques (SICZS2013), Chlef les 9 et 10 Octobre 2013 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie DJAFER HENNI Imane, DENINE Sidali, KHELIFA KERFAH Ilyas, KASSOUL Amar Laboratoire de Structures, Géotechnique et Risques (LSGR), Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie (rosa @ hotmail.com) Thème N° 6 : Vulnérabilité, pathologie et réhabilitation des structures et des ponts endommagés. Résumé : Cette article vise à d’étudier la vulnérabilité d’une structure ancienne situe dans une zone révisée de faible a moyenne sismicité (IIa), après le changement du règlement parasismique Algérien. Cette étude est suivie par l’utilisation des différentes méthodes d’évaluation. L’analyse de la vulnérabilité de notre structure est traitée en premier temps par la méthode d’observation de la vulnérabilité résultant de séismes où la méthode d’expertise, dans un second lieu, on passé aux méthodes d’analyses dynamique linéaire et statique non linéaire. À l’issue de ce travail, on a conclu que notre structure a montré une large vulnérabilité dans la nouvelle zone sismique IIa. Mots clés : Vulnérabilité, méthode d’expertise, méthode analytique simple, méthode ‘pushover‘, courbe de capacité. 1. INTRODUCTION Le séisme est le risque naturel majeur le plus meurtrier, tant par ses effets directs que par les phénomènes induits (mouvements de terrain, tsunamis, etc.) [1]. En outre, ces phénomènes peuvent aussi conduire à des pertes économiques parfois indépassables par le pays touché. Après le séisme d’El Asnam 1980 plusieurs codes parasismiques sont apparus. Le premier règlement parasismique Algérien est le RPA81/V1983 [2]. Ce code a connu différentes améliorations dans ses recommandations durant les dernières années, un nombre important des catégories de ces zones a été également changé. Depuis le séisme de Boumerdes en 2003, le zonage a été revu pour tout le territoire national, les nouvelles prescriptions sont décrites dans le code actuel (RPA99/V2003) [3]. Nous pouvons alors constater que la plupart des constructions implantées sur celui-ci sont dimensionnées selon l’ancienne version du règlement Algérien, d’où la nécessité de mettre en évidence la conformité de ces ouvrages avec la version actuelle du RPA99/V2003. L’objectif de notre étude concerne l’évaluation de la vulnérabilité d’un bâtiment dimensionné selon la version de 1983 où RPA81/V1983. Dans ce contexte, une évaluation de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif implanté en 1987 en zone I, dans la wilaya de M’sila selon le règlement parasismique algérien (RPA81/1983) avant sa modification en 2003, laquelle est devenue zone IIa dans le code actuel, sera réalisée [4]. 2. MÉTHODES D’ÉVALUATION DE LA VULNÉRABILITÉ 2.1 Notions Le terme «vulnérabilité » est utilisé pour exprimer les différences de réaction des bâtiments aux secousses sismiques. Par exemple, si deux groupes de bâtiments sont soumis exactement à la même secousse sismique et que l’un des groupes se comporte mieux que l’autre, alors on dira que les bâtiments qui ont été le moins endommagés avaient une vulnérabilité plus faible aux tremblements de terre que ceux qui ont été plus endommagés. L’évaluation de la vulnérabilité d’un bâtiment ou d’un ensemble de bâtiments nécessite l’estimation des dommages potentiels aux différents types de structures, et selon différentes intensités sismiques. Afin d’estimer les dommages probables, il est intéressant d’utiliser des approches empiriques ou des analyses dynamiques théoriques des structures à l’étude proposées par différentes chercheurs et organismes. Les approches pour l’évaluation de la vulnérabilité sont multiples et peuvent être classées soit selon leur degré de difficulté en fonction de temps de calcul (Lang, 2002) comme montre le tableau 1 [5]. L’analyse de la vulnérabilité de notre structure est limitée en premier temps sur la méthode d’observation de la vulnérabilité résultant de séismes où la méthode d’expertise, dans un second lieu, si elle n’est pas vérifiée on passe aux méthodes d’analyses détaillées [5]. Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie Tableau 1. Classification selon le temps et la difficulté de calcul [5]. Investissement Application Méthodes Temps et difficulté de calcul Ensemble de bâtiments Observation de la vulnérabilité résultant de séismes bâtiment unique Jugement Expert Modèles analytiques simples Attribution de pointage Analyses détaillées 2.1 Méthode d’observation ou d’expertise La méthode d’observation ou d’expertise a pour objectif d’estimer la capacité de résistance des ouvrages existants. Cette expertise nous renseigne sur les paramètres suivants [6] : Historique de l’ouvrage Type de structure. Matériaux Détails de réalisation Conditions de sol Dommages subis par l’ouvrage. 2.2 Méthode d’analyse détaillée - Méthode statique non linéaire « Pushover » L’analyse 'pushover' est une procédure statique non linéaire dans laquelle la structure subit des charges latérales suivant un certain modèle prédéfini en augmentant l’intensité des charges jusqu’à ce que les modes de ruine commencent à apparaître dans la structure. La figure 1 montre graphiquement la procédure [7]. Le déplacement du sommet est représenté en fonction de la force sismique (effort tranchant à la base). Plusieurs niveaux d’endommagement peuvent être distingués à travers cette représentation graphique. Vb Etat élastique limite Etat élastique limite Déplacement au sommet (a) courbe pushover d’un système à PDDL ∗ Accélération spectrale Effort tranchant à la base = Ut Déplacement spectrale = (b) courbe de capacité Figure 1. Signification physique de la courbe pushover L’obtention de la courbe de capacité est composée de deux transformations : - La force sismique (l’effort tranchant à la base Vb) est transformée en accélération spectrale Sa, et le déplacement réel au niveau du toit ut est transformé en déplacement spectral Sd (équation (1)): = ∗ = ∗ ( ) . est la masse effective de la construction, liée à l’amplitude du premier mode de vibration et aux masses mj des différents niveaux (équation 2), . est l’amplitude du premier mode de vibration au sommet et Г1 est le facteur de participation modale correspondant au premier mode de vibration (équation 2). ∗ = (∑ ∑ . . . . ) 295 = ∑ ∑ . . . . ( ) . Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie Nous obtenons, par ces transformations, une courbe de capacité dont les composantes sont le spectre du déplacement (Sd) en abscisse et le spectre d’accélération (Sa) en ordonnée (figure 2.a). Le point de croisement entre l'exigence (conversion du spectre de réponse conventionnel du format Sa-T au format Sa-Sd,) et la résistance (représentée donc par la courbe de capacité) fournit le point de fonctionnement et décrit donc l’état d’endommagement de l’édifice (figure 2.b). Sa Sa Sa Tc Courbe de capacité T T Point de performance Sd Sd (a) spectre élastique Sa-T au format Sa-Sd (b) Détermination du déplacement Figure 2. Détermination du point de performance. 3. DESCRIPTION DE LA STRUCTURE L’ouvrage choisi pour l’étude de la vulnérabilité sismique est un bâtiment administratif d’une grande importance de sept étages [4].. Ce bâtiment est construit en 1987 à M’sila dans une zone de faible sismicité (zone I), selon le règlement parasismique Algérien de 1983 (RPA81/V1983) [2]. Après les différentes améliorations du règlement parasismique Algérien, le zonage du site a été changé de faible vers une zone de moyenne sismicité (zone IIa) selon le RPA99/V2003 [3]. La figure 3 montre les dimensions géométriques de la structure qui se présentent par une longueur L= 26m, une largeur l= 22,7m et une hauteur totale HT= 24,5m avec une hauteur d’étage het= 3,5m. Figure 3: Vue en plan du bâtiment. 4. ETUDE DE LA VULNERABILITE SISMIQUE 296 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie 4.1 Étude de la vulnérabilité par la méthode d’Observation L’objectif de cette méthode est d’étudier la vulnérabilité de l’ouvrage par un procédé plus simple afin de voir une vision préliminaire sur le degré de vulnérabilité. D’après le paragraphe 3, l’historique du bâtiment date de 1987, c.à.d. il a été dimensionné par le règlement parasismique Algérien de 1983, donc la vérification de la fragilité du bâtiment devient nécessaire après l’actualisation du règlement. Matériaux utilisés Dans le but d’évaluer les caractéristiques mécaniques actuelles du béton, des essais non destructifs ont été réalisés. La contrainte de compression du projet est fc 28=16MPa, par contre d’après la note de calcul fc 28 =20MPa. En conséquence, les armatures utilisées sont de hautes adhérences avec une limite élastique utilisée f e= 400 MPa. Type de structure D’après la comparaison réalisée (Dennine et KHelifa Kerfa, 2013) [4] , concernant les recommandations sur les éléments structuraux entre le RPA81/v83 et RPA99/v2003, il a été noté qu’il n’y a pas une grande différence entre les deux versions du règlement parasismique Algérien pour les poteaux et les poutres, par ailleurs l’ancienne version ne donne aucune indication concernant l’exigence d’utilisation des voiles de contreventement et la hauteur totale en zone I, par contre la version 2003 oblige l’incorporation des voiles de contreventement pour les bâtiments implantés en zone II, comme il exige que la hauteur totale n’excède pas (04) niveau ou quatorze (14) mètres, il est noté que notre bâtiment ne vérifie pas ces deux derniers recommandations [3]. Expertise de l’ossature de la structure - Vérification des poteaux Selon le RPA99/2003, les dimensions de la section transversale et le ferraillage des poteaux doivent satisfaire aux conditions exigée en (zone IIa) [3]. (a) Poteaux (35x35) cm² (b) Poteaux (40x40) cm² Figure 4. Les sections brutes des poteaux. Tableau 2. Vérification des dimensions et ferraillages des poteaux selon RPA99/v2003. Type Dimension Poteau / 40x40 35x35 / ferraillage 40x40 35x35 Min(b, h ) ≥ 25 cm 40 > 25 35 > 25 Recommandations Min (b, h) ≥ 1 b < <4 4 h 40 > 17.5 0.25 > 1 > 4 35 > 17.5 0.25 > 1 > 4 Cadre ƍh =At/t.b1 ƍh(RPA) min = 0,8% (b x h) A Existant(cm²) (cm²) (%) (%) (cm²) 4T16+4T14=1 12.80 0.33 0.3 8=2.01 4.20 8T16=12.32 9.8 0.38 0.3 8=2.01 Vérification / vérifiée vérifiée / vérifiée vérifiée D’après la figure 4 et les résultats d’expertise illustrés dans le tableau 2, le control des armatures longitudinales As (cm2) avec les armatures longitudinales minimales min=0,8% (b x h) adoptée dans la zone IIa et les dimensions minimales des coffrages des poteaux sont convenables avec ceux exigées par le RPA 99/2003. - Vérification des poutres D’après les conditions exigées par le RPA99/2003, les poutres doivent respecter les dimensions du coffrage et la configuration des armatures montrés dans le tableau (2) et la figure (4) [3]. 297 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie (a) poutre principale. (b) poutre secondaire et de chainage. Figure 5. Les sections brutes des poutres. Tableau 3. Vérification des dimensions et ferraillages des poutres selon RPA99/v2003. Type Poutre Dimen sion / ferraill age Recommandations b ≥ 20 cm PP PS+PC h ≥ 30 cm 30 > 20 30 > 20 / 40 > 30 35 > 30 A Existant(cm²) PP PS+PC 5T12=5.65 3T12=3.39 (%) 0.53 0.36 1.33<4 1.17<4 Cadre (cm²) 8=2.01 8=2.01 RPA (%) 0.5 0.5 h ≤4 b ƍh =At/t.b1 (%) 0.33 0.38 vérification / ƍh(RPA) (%) 0.3 0.3 vérifiée vérifiée / vérifiée vérifiée D’après la figure (5) et le tableau (2), Les dimensions minimales de toutes les poutres et le pourcentage des armatures longitudinales totales respectent largement les conditions exigées par le RPA99/V2003. D’après l’étude préliminaire de la vulnérabilité sismique de notre ouvrage dans le domaine linéaire par la méthode d’observation, on remarque que malgré la majorité des paramètres vérifient les conditions du RPA99/V2003 [3], le nombre d’étage dépasse(04) niveau ou quatorze (14) mètres exigé par le code RPA99/V2003, ce qui montre la vulnérabilité de notre structure en portique auto-stable. Par conséquent, on passe à une méthode plus détaillée que l’observation qui vérifie la vulnérabilité des éléments porteurs dans le domaine non linéaire, pour plus de précision. 4.2 Étude de la vulnérabilité par la méthode dynamique linéaire Dans cette partie, on détermine les caractéristiques dynamiques existant de notre ouvrage, et en vérifiant en même temps leur vulnérabilité en utilisant la méthode dynamique linéaire. Ces caractéristiques concernent d’abord, les périodes propres de vibration et la participation des masses. Enfin, on détermine la force sismique par la méthode statique équivalente et leur résultante. 4.2.1 Détermination des périodes propres et la participation des masses En utilisant le logiciel SAP2000/V14.2 [8], on détermine les périodes propres de vibration, la participation des masses et les modes propres de notre ouvrage, Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau 4. Tableau 4. Résumé des Période propres et la participation des masses modales. Mode Période (sec) UX UY UX % UY % 1 1.3 1.104E-18 0.79673 1.104E-16 79.673 2 1.2 0.80683 6.72E-18 80.683 79.673 3 1.2 0.00212 7.746E-16 80.895 79.673 4 0.4 4.734E-16 0.12007 80.895 91.68 5 0.4 0.10928 7.538E-16 91.823 91.68 Les 5 premiers modes sont suffisants pour que la participation des masses modales atteigne les 90% (Selon RPA99/version2003). 298 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie Pour les trois directions principales de la structure les valeurs des périodes fondamentales sont : La 1ére période : T1=1.31 sec La 2éme période : T2=1.24 sec La 3éme période : T3=1.22 sec Les deux premiers modes sont des modes de translation (ce qui est acceptable). Le troisième mode est un mode de torsion. La valeur de la période fondamentale (T) de la structure est estimée à partir de la formule empirique donnée par RPA99/V2003, comme suit [3] : T CT hN 3/ 4 Avec : CT : coefficient en fonction du système de contreventement et du type de remplissage. CT = 0,050; (Portique auto stable en béton armé avec remplissage en maçonnerie). hN : hauteur mesurée en mètres à partir de la base de la structure jusqu’au dernier niveau hN= 24.50 m 3 T = 0.05 x 24.50 4 0.55 s Les valeurs de la période calculée à partir de la méthode numérique du SAP 2000, ne doivent pas dépasser plus celle estimée à partir des formules empiriques appropriées par RPA99/V2003 majorée de 30%. Comparons maintenant les périodes obtenues par le SAP 2000 et celles calculées par de la formule empirique majorée de 30%. On a : TX SAP = 1.2 sec > 1.3.TX RPA = 1.3x0.55= 0.715 sec TY SAP = 1.3 sec > 1.3.TY RPA = 1.3x0.55= 0.715 sec D’après ces deux inégalités, on observe que les périodes dans les deux sens dépassent de loin celles exigées par RPA99/V2003. La différence des périodes dépasse plus de 40% celle obtenue par la formule empirique. Ceci est due à la souplesse de notre ouvrage ce qui montre leur vulnérabilité devant une secousse sismique en zone deux. 4.2.2 Détermination de la force sismique par la méthode statique équivalente Les forces sismiques selon le code en vigueur seront déterminées en fonction de la catégorie du bâtiment, les périodes propres de ces modes fondamentaux, les facteurs de comportement et de qualité et du poids propre total de la structure. Si la structure répond aux conditions d'application de la méthode statique équivalente citée par le RPA99/V2003. La force sismique totale V, appliquée à la base de la structure, doit être calculée successivement dans les deux directions horizontales selon la formule suivante [3] : A. D. Q V= W R Avec : A : Coefficient d’accélération de zone ; A=0.15 Q : facteur de qualité ; R : Coefficient de comportement ( R=3.5) ; W : Le poids de la structure ; Le poids de notre structure est W= 44619.65 KN. D : facteur d’amplification dynamique moyen (tableau 5) ; Tableau 5. Les forces sismiques selon RPA99/V2003. SENS T2 (S meuble) (sec) Tmin (sec) D V Rpa (KN) 0.8V Rpa (KN) X-X 0.5 0.55 2.069 4747.79 3798.02 Y-Y 0.5 0.55 2.069 4945.61 3956.49 Les deux résultantes des forces sismiques déterminées selon le logiciel SAP 2000/V14.2 sont montrées dans le tableau 6. 299 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie Tableau 6. La résultante des forces sismiques selon logiciel SAP2000/V14.2. Spectre FX (KN) FY (KN) EX 2627.904 0.0002982 EY 0.0003095 2648.089 Vsap= F F (KN) 2627.904 2648.089 La résultante des forces sismiques à la base Vsap obtenue par combinaison des valeurs modales ne doit pas être inférieure à 80 % de la résultante des forces sismiques déterminée par la méthode statique équivalente V RPA pour une valeur de la période fondamentale donnée par la formule empirique appropriée. VX SAP =2627.904 KN < 0.8VX RPA = 3798.02 KN VY SAP =2648.089 KN < 0.8VY RPA = 3956.49.KN D’après ces deux inégalités, on observe que les forces sismiques dans les deux sens sont inférieures de celles exigées par RPA99/V2003. La différence dépasse 30 % de celle obtenue par la formule empirique. Ce résultat confirme l’observation enregistré dans la vérification de la période fondamentale, ce qui montre leur vulnérabilité vis-à-vis au force sismique. Ce point montre aussi que la force sismique de dimensionnement original en zone I était très faible à l’époque. 4.3 Étude de la vulnérabilité par la méthode statique non linéaire « Pushover » Afin de montrer la performance de notre structure, on va mettre en évidence l’analyse de la vulnérabilité de notre bâtiment par la méthode statique non-linéaire ou pushover. Cette méthode est basée sur l’augmentation de la charge jusqu'à ce que les modes de ruine apparaissent. Les hypothèses considérées dans la modélisation sont: - Le plancher est considéré comme étant un diaphragme rigide. - La rigidité de flexion des poteaux fissurés est pris égale à 0,7EI (ACI-318, 2008). - La rigidité des poteaux fissurés est pris égale à 0,5EI (ACI-318, 2008). - L'interaction de sol structure n'est pas considérée dans cette étude. Pour l’obtention de la courbe pushover, nous avons utilisé le logiciel SAP2000 [8]. Les résultats d’analyse sont présentés sous forme de courbe de capacité non linéaire qui lie l’effort tranchant à la base et le déplacement au sommet, elle est en général formée par une phase à caractère élastique linéaire suivie par une phase non linéaire correspondant à la formation des rotules de flexion et de cisaillement, jusqu’au moment de la rupture (défaut de résistance) comme montre la figure 6. La rupture est identifiable par une chute de l’effort à la base suite à un petit déplacement de la structure [7] Figure 6. Courbe force-déplacement. La courbe pushover de la structure est schématisée dans la figure 7. D’après cette figure, nous pouvons conclure que pour un effort à la base d’une valeur de 1990.313 KN (valeur de la capacité ultime) qui represente à moins de 45 % de la force trouvé par la méthode statique équivalente dans le sens X (Vx= 4747.79 KN) .En plus le déplacement global correspond a cet effort égale a 29.59 cm dépasse le déplacement toléré par le RPA99/V2003 (0.1% h = 24.5 cm). 300 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie Figure 7. Courbe de capacité. La Figure 8 montre la possibilité de la formation des rotules plastiques et leurs positionnements dans la structure. D’après cette figure, on constate qu’un effort tranchant de 1990.313 KN provoque l’apparition des rotules plastique d’effondrement, ce qui montre que la structure va subir un grand effondrement dans la zone (CD). B : Début de plastification CP : Prévention contre l’Effondrement IO : Occupation immédiate LS : Sécurité de vie C : Effondrement D : Ruine E : Rupture totale des éléments Figure 8. Distribution des rotules plastiques. Le SAP2000/V14.2 travaille sur le principe des normes américaines FEMA, le processus d’itération permettant de trouver le point de performance montré dans la figure 9, en intégrant le spectre de réponse réglementaire correspondant à la zone sismique actuelle (IIa)[3]. D’après la figure 9, on constate que la valeur de l’effort tranchant de performance est de 1518,543 KN, et le déplacement correspondant atteint une valeur de 0.055m, on remarque aussi que la structure demande un amortissement de εeff = 0,106 pour s’amortir. 301 Analyse de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone de moyenne sismicité en Algérie Figure 9. Courbe de fragilité. 5. CONCLUSION GENERALE L’étude entrepris s’est intéressé à l’évaluation de la vulnérabilité d’un bâti se trouvant en zone sismique IIa. Suite au changement de la règlementation en 2003 nous avons jugé nécessaire d’apprécier la compatibilité de celle-ci avec la nouvelle version. D’après cette étude, on est dans la mesure de dégager les conclusions suivantes : 1- La description et l’expertise des plans de coffrage et de ferraillage de la structure existante, ont montré que tous les éléments structuraux vérifient les dispositions constructives exigées par le RPA99/V2003. Par ailleurs, le règlement RPA99/V2003 oblige l’incorporation des voiles de contreventement pour les bâtiments implantés en zone II, comme il exige que la hauteur totale n’excède pas (04) niveaux ou quatorze (14) mètres. Il est à noter que notre bâtiment ne répond pas à ces deux dernières recommandations. 2- L’étude de la vulnérabilité par la méthode dynamique linéaire a montré que les périodes et la force sismique à la base ont montré une insuffisance remarquable de celle obtenue par le RPA99/V2003. 3- La mise en évidence réelle de la vulnérabilité de l’ouvrage, par l’application de la méthode statique non linéaire ou pushover, on a montré que les efforts à la base dans les deux sens restent moins de 45 % de la force trouvé par la méthode statique équivalente. Par contre, le déplacement global correspond dépasse le déplacement toléré par le RPA99/V2003 . À l’issue de cette étude, nous pouvons conclure que notre structure a montré une large vulnérabilité dans la nouvelle zone sismique IIa. En conséquence, on exhorte aux décideurs la réhabilitation de la structure dans le futur proche. 6. Bibliographie [1] Site d’information sismique automatique automatique régionale de dommage ; (http:/isard.brgm.fr/IMG/jpg/fig14d.jpg). [2] Le règlement parasismique Algérien RPA81/V1983, Document Technique Réglementaire DTR B.C.2 .2, Centre National De Recherche Appliquée En Centre Parasismique C.G.S, Algérie. [3] Le règlement parasismique Algérien RPA99/V2003, Document Technique Réglementaire DTR B.C.2 .2, Centre National De Recherche Appliquée En Centre Parasismique C.G.S, Algérie. [4] DENINE Sidali, KHELIFA KERFAH Ilyas, «Evaluation de la vulnérabilité d’un bâtiment administratif situé dans une zone sismique (IIa) en Algérie», Mémoire de master, Université Hassiba Benbouali de Chlef, Algérie, 2013. [5] Marie-José Nollet « Evaluation de la vulnérabilité sismique des bâtiments existants », département de génie de la construction, école de technologie supérieure, Montréal (Québec), 2004, (www.etsmtl.ca/biblio/etsrt/2004/ets-rt-2004-001.pdf). 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