L’EUROCODE 8 APLLIQUEE À UN ETABLISSEMENT D’ENSEIGNEMENT À STRASBOURG (COMPARAISON DES GRANDS PRINCIPES AVEC LE PS92) Société d’accueil : MH-INGENIERIE PFE présenté par : Hervé YAMKOUDOUGOU Tuteur industriel : Davide PACINI, Ingénieur Structure Enseignant superviseur : Georg KOVAL, Maître de conférences INSA-Strasbourg La France, à travers l’arrêté du 22 Octobre 2010 vit actuellement une période de cohabitation des deux normes concernant la classification et les règles de construction parasismique applicable aux bâtiments de la classe dite « à risque normal » : la norme française dite PS92 et la norme européenne dite Eurocode 8. La deuxième sera la seule norme applicable à partir du 1 novembre 2012. C’est dans un tel contexte que ce sujet a été choisi. Il s’agit de mener une étude de calcul sismique et de dimensionnement de la superstructure du bâtiment en béton armé à l’Eurocode 8 tout en menant une étude théorique et comparative avec le PS92. Après avoir présenté le bâtiment qui fait l’objet de mon projet, le principe de détermination des charges extérieures dues au séisme sera l’objet de la deuxième partie et enfin le principe de dimensionnement des différents éléments structuraux sera mis en relief en dernière partie. Il est bien attendu que dans ces deux parties, des comparaisons seront faites avec le PS92. Ce projet se déroule au sein du bureau d’Études MH-Ingénierie à Hautepierre. Abstract: The aim of this project is to build an educational building (ECAM) in Schiltigheim, Strasbourg. This final year project focused on the application of the European seismic Standard called Eurocode 8 to the superstructure of this building. The superstructure is the part of the building situated above the foundations. Throughout this application, a comparison between the major principles of Eurocode 8 and the previous French standard PS92 is made. Based on an existing finite element model, modifications have been made to better approximate the behavior of the structure. Initially, will be determined the internal forces in the structure caused by seismic action. The second part is the design of the various superstructure structural elements such as reinforced concrete walls, columns, beams and slabs. This design will meet the requirements prescribed by the standard about the reinforcement and constructive details. 1 Présentation du bâtiment Le bâtiment de l’ECAM (École Catholique d’Arts et Métiers) est à construire dans le quartier de Schiltigheim à Strasbourg. En réalité, il s’agit d’un complexe de bâtiments unitaires séparés par des joints de dilatation, et par conséquent structurellement indépendants. On y distingue ainsi trois grandes unités : - Une « zone technique » qui constitue les ateliers pour l’enseignement technique - Une zone particulière d’amphithéâtre. - Une « zone bâtiment d’enseignement » qui constitue l’administration et l’enseignement général. La dernière zone, la « zone bâtiment d’enseignement » constitue l’objet de ce projet. Elle s’inscrit en plan dans un rectangle 19x55m² .Il s’agit d’un bâtiment à étage(R+2). Le contreventement du bâtiment est assuré par des voiles dans une direction, et dans l’autre direction, il est assuré par des voiles et essentiellement des ossatures bois en croix de Saint-André. Dans la première direction, il est noté des portiques en béton armé qui ne participent pas au contreventement. L’ensemble du bâtiment est en béton armé à l’exception des ossatures bois dont l’étude et le dimensionnement est assuré par un autre bureau d’étude INGENIERIE BOIS. PFE SOUTENUE LE 15/06/2011 Hervé-YAMKOUDOUGOU 2/4 Afin d’étudier le comportement de la structure à l’activité sismique, le modèle de la figure ci-dessous a été réalisé sous le logiciel Robot qui est un logiciel de calcul aux éléments fins. Figure 1: Bâtiment modélisé sous le logiciel Robot 2 Le calcul des charges sismiques L’Eurocode 8 propose deux méthodes d’analyse linéaire de la structure : une méthode simplifiée dite méthode de la force latérale s’appuyant sur un modèle 2-D de la structure et la méthode d’analyse modale basée sur le spectre de dimensionnement. La première convient dans le cas de structures régulières en élévation avec des conditions supplémentaires et la deuxième est adaptée aux structures irrégulières en élévation. L’ensemble des conditions d’irrégularité d’une structure suivant l’Eurocode 8 est développée et comparée avec le PS92. Ensuite, par application au bâtiment de l’ECAM, il en ressort qu’il s’agit d’un bâtiment irrégulier en élévation et en plan. D’ou la nécessité de mener une analyse modale basée sur le spectre de calcul. L’analyse modale a été effectué aux éléments finis et au bout des 50 premiers modes de vibration, plus de 90% de la masse modale cumulée est atteinte dans les deux directions et répond aux critères de sélection des différents modes selon l’Eurocode 8. En considérant que la structure était régulière en élévation, un calcul de l’accélération sismique de calcul basé sur les méthodes simplifiées a été effectué dans les deux normes et comparé. Aussi, il est montré que la forme du spectre de réponse élastique au niveau de l’Eurocode 8 a complètement changé avec une tendance à offrir des réponses plus élevées au niveau du bâtiment si le sol est de mauvaise qualité. Tout au long de cette partie, des tableaux comparatifs de la démarche à effectuer dans les points cités ci-après ont été effectués : -L’accélération de calcul -La classification des sols -La méthode de calcul simplifiée -L’analyse modale Les résultats des efforts engendrés par l’activité sismique au centre de gravité de chaque étage à l’Eurocode 8 comme au PS92 sont présentés. Aussi, il a été vérifié par un calcul manuel, la répartition des efforts dans la structure par application de la méthode de la rigidité équivalente. PFE SOUTENUE LE 15/06/2011 Hervé-YAMKOUDOUGOU 2/4 3 Le principe de dimensionnement Pendant l’action sismique, les forces d’inertie sont transmises par les liaisons entre les éléments structuraux. Ces forces d’inertie doivent rester inférieures à la capacité de résistance au niveau de ces liaisons. Les déformations qui leur correspondent doivent atteindre un niveau acceptable afin d’éviter une ruine inévitable par instabilité plastique. La conception moderne de calcul et de la sécurité des constructions soumises aux actions sismiques repose sur la réalisation de structures ductiles qui permet de dissiper la quantité nécessaire d’énergie, par déformations post-élastiques, ce qui permet de réduire considérablement les valeurs des forces d’inertie par rapport au cas du régime purement élastique. Le coefficient de comportement est ainsi appliqué dans ce cadre. Cette approche de dimensionnement est le même au niveau des deux normes. Le choix du coefficient de comportement Le coefficient de comportement d’une structure est lié à son comportement sous l’effet de la fatigue oligo-cyclique engendrée par les charges sismiques. Pour le même matériau, un tel comportement du bâtiment est déterminé par son système structural de contreventement. À chaque système structural de contreventement, est associé un coefficient de base de comportement auquel il est associé un coefficient reflétant le mode de rupture dominant : à l’effort tranchant ou à la flexion. Le même coefficient de comportement est fixé au PS92 sur la base d’observation de comportement des différents types de structures. L’Eurocode 8 apporte ainsi plus de précision dans le choix du coefficient de comportement. En considérant les deux normes, il est trouvé un coefficient de comportement de 1,5 pour le bâtiment en notant que dans le cadre de l’Eurocode 8, ce coefficient de comportement doit être supérieur ou égal à 1,5. La classe de ductilité Le dimensionnement des différents éléments structuraux repose sur un niveau de ductilité à atteindre. L’Eurocode 8 cite trois niveaux de ductilité là ou le PS92 n’en cite pas : La ductilité L : La structure possède une capacité de dissipation limitée et une ductilité limitée. La ductilité DCM : la classe de ductilité moyenne La classe DCH : la classe de ductilité haute Les deux dernières classes correspondent à des dispositions spécifiques de résistance au séisme. La classe de ductilité DCM est adoptée au bâtiment de l’ECAM. Pour tout le reste du projet, il est présenté l’ensemble des conditions à respecter aussi bien au niveau du calcul des armatures que des dispositions constructives. Il est distingué deux types d’éléments structuraux : les éléments sismiques primaires et les éléments secondaires comme au PS92 ; Comme éléments structuraux primaires, il est noté les dalles, les voiles et l’ossature de contreventement en bois. Les poteaux des portiques peuvent être considérés comme des éléments secondaires car dans la modélisation, il est placé des rotules aux extrémités qui lui permettent de reprendre des charges gravitaires. Cependant, dans la réalité, il est noté un encastrement qui n’est pas total du fait des armatures d’attente à chaque niveau d’étage. Par souci de sécurité supplémentaire, les poteaux des portiques sont supposés primaires et ferraillés en conséquence. Afin de limiter les dommages, un déplacement relatif maximum est imposé entre étages. Des déplacements maximum sont aussi imposés au niveau de différents éléments structuraux secondaires. Ces déplacements sont vérifiés. Dimensionnement des voiles En considérant l’un des voiles les plus chargés, il a été réalisé un dimensionnement complet. Ce voile est présenté dans la figure ci-dessous. Pour le calcul des ferraillages, des feuilles de calcul Excel ont été programmées pour chacune des deux normes. Il est présenté l’algorithme de calcul. PFE SOUTENUE LE 15/06/2011 Hervé-YAMKOUDOUGOU 3/4 Figure 2: Voile à dimensionner Dimensionnement des poteaux Comme les voiles, un calcul a été mené pour le poteau le plus chargé. Des feuilles de calcul Excel ont été programmées pour les deux normes et l’algorithme de calcul est présenté. Figure 3: Poteau à dimensionner Tout au long de cette partie, il a été réalisé des tableaux comparatifs au niveau des deux normes. Il s’agit des points suivants : -Le coefficient de comportement -La comparaison à l’Eurocode 8 et au PS92 des méthodes de calcul des murs -Le calcul des poteaux : comparaison à l’Eurocode 8 et au PS92 -La ductilité des poutres : comparaison à l’Eurocode 8 et au PS92. Dimensionnement des dalles Pour le calcul des dalles, elles ont été modélisées indépendamment du modèle sismique initial sur laquelle sont appliquées les charges d’exploitation. Elles sont ferraillées à l’Eurocode 2 tout en respectant les dispositions constructives en zone sismique. La comparaison des résultats est faite dans les deux normes. PFE SOUTENUE LE 15/06/2011 Hervé-YAMKOUDOUGOU 4/4