Séisme et types d`ondes
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TPE : LE PARASISMIQUE Avancées scientifiques et réalisations techniques Problématique: Comment construire un bâtiment pour qu’il corresponde aux normes parasismiques ? Par : Marion Tierrie, Donia Delezenne, Mathis Decottignies et Guillaume Thiriet de la 1ère SSI Années 2011-2012 1 Sommaire: I. Introduction II. Séisme et types d’ondes 1) Explication d’un séisme 2) Les types d’ondes III. Le parasismique 1) le parasismique dans l’histoire 2) Fondations et types de sol 3) Structures et matériaux 4) Expérience IV. Conclusion 2 I. Introduction : Les séismes sont parmi les catastrophes naturelles les plus fréquentes et les plus dévastatrices de la planète. Ces phénomènes engendrent, en effet, de graves dégâts matériels et humains. Cependant, les séismes, contrairement aux autres catastrophes naturelles tuent surtout du fait de l’effondrement des structures et autres chutes d’objets. C’est pourquoi il est nécessaire d’établir des ouvrages résistants à la puissance des séismes afin de protéger les populations civiles de cet événement imprévisible et dévastateur. Evaluer le risque parasismique est très difficile du fait de l’imprécision des prévisions et de leur apparition aléatoire. On ne peut pas réellement connaitre les lieux et les moments exacts où se produiront des séismes. C’est pour cela que des ingénieurs ont inventé/créé la notion de parasismique. Depuis l’antiquité l’homme lutte contre ces catastrophes naturelles avec des moyens et des techniques grandissantes au fil du temps afin d’éviter ou du moins de limiter les dégâts occasionnés par ces phénomènes. C’est ainsi qu’est apparu le Parasismique ou l’art de construire des infrastructures de manière à limiter les dégâts causés par les vibrations des séismes. Comment construire un bâtiment pour qu’il corresponde aux normes parasismiques ? Voilà la question à laquelle nous répondrons aux travers de ce TPE. Quels sont les obstacles et les difficultés qui se heurtent à sa mise en œuvre ? Quelles sont les meilleures techniques, les meilleurs matériaux nécessaires à sa construction ? 3 II. Séisme et types d’ondes : 1) Explication d’un séisme Un séisme est une libération soudaine d’énergie. Elle se produit à l’intérieur de la terre, ce qui peut occasionner des dégâts considérables. Ces dégâts sont causés par des ondes qui se propagent depuis le foyer jusqu’à n’importe quel point de la surface. 4 2) Les types d’ondes a) Ondes de volume : P et S - Les ondes P aussi appelées ondes primaires ou ondes de volume. Le déplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par des dilatations et des compressions successives. Ces déplacements du sol sont parallèles à la direction de propagation de l’onde. Ce sont les ondes les plus rapides (6km/s près de la surface de la terre) et donc les premières à être enregistrées sur les sismogrammes. Elles sont responsables du grondement sourd que l’on peut entendre au début d’un tremblement de terre. Le sol s’écarte à cause des ondes P. - Les ondes S, ondes secondaires, ondes de cisaillement ou encore ondes transversales. Ces ondes sont beaucoup moins rapides que les ondes P (1,7 fois moins rapides) elles sont transversales, perpendiculaires à la zone de propagation. Leur vitesse augmente en milieu solide et elles ne se propagent pas dans les milieux liquides. 5 b) Ondes de surface : - L’onde de Love a un déplacement semblable à l’onde S sans le mouvement verticale. Elle provoque un ébranlement horizontal qui est la cause de nombreux dégât aux fondations d’un édifice qui n’est pas une construction parasismique. Les ondes de Love se propagent environ à 4km. s. - L’onde de Rayleigh a un déplacement complexe, assez semblable à celui d’une poussière portée par une vague, constituant un mouvement à la fois vertical et horizontal. 6 3) Biographie John William Strutt Rayleigh (1842 – 1919) : Mathématicien et Physicien Anglais Il découvre l’onde de Rayleigh en 1885. Augustus Edward Hough Love (1863-1940) : Mathématicien anglais En 1911, il a découvert un nouveau type d’ondes Sismiques qui portent aujourd’hui son nom. 7 III. Le parasismique : 1) Le parasismique dans l’histoire Depuis plus de 2000 ans, l’homme a constamment essayé de lutter contre les dégâts occasionnés par les tremblements de terre. Tout d’abord avec des moyens plus ou moins intuitifs, mais qui ont permis à de nombreuses églises, temples, châteaux de résister à des séismes parfois importants. Par exemple, les cités incas du Machu Picchu, et de même, à l’autre bout du monde, le palais impérial de Tokyo bâti avec des techniques plus ou moins similaires. Machu Picchu Palais impérial de Tokyo Les techniques parasismiques utilisées n’ont quasiment pas évolué en deux millénaires jusqu’aux années 1960 où des règlementations ont été mises en place sur les zones à risques. Par exemple, la France dispose d’une règlementation parasismique depuis 1969. Des règlementations qui évoluent régulièrement en fonction de l’expérience de l’homme face à ces catastrophes (exemple: le séisme de 2011 sur la côte pacifique du Japon). Un projet de règlementation est prévu pour 2012 à l’échelle européenne: l’Eurocode 8 est consacré à la conception et au dimensionnement des structures parasismiques. Cela vise à rendre les bâtiments présents dans les zones sismiques conformes aux règles parasismiques. 8 2) Types de sols et fondations Quels sont les problèmes de sol à vérifier avant de construire en zone sismique ? Avant de construire en zone sismique, il y a plusieurs critères à vérifier : - Les zones de Failles: Aucun ouvrage ne doit être édifié au voisinage d’une zone faillée reconnue active. - Les sols susceptibles de se tasser: Des études préalables sont nécessaires avant la construction d’un bâtiment sur un tel sol. - Les sols potentiellement liquéfiables*: Des fondations profondes et s’enfonçant en dessous de la zone de liquéfaction sont nécessaires pour ce type de sol. - Pentes instables: Il faut éviter les constructions sur les zones concernées bien qu’il existe quelques solutions pour les talus les moins instables. - Les zones de karst et cavités (terrains rocheux et fracturés): Pour ce type de sol il faut placer les fondations minutieusement à l’aide de forages pour détecter d’éventuelles anomalies. Les zones karstiques sont connues mais la localisation des accidents du sol reste aléatoire. Il excite d’autres zones à risques comme les falaises, les pentes, les vallées encaissées, les hétérogénéités géologiques, les sols meubles de forte épaisseur. Le saviez-vous ? * La liquéfaction des sols est un phénomène géologique qui se produit sous sollicitation sismique. Le passage d’une onde sismique provoque, dans certaines formations géologiques, la perte de résistance d’un matériau sableux saturé en eau. La liquéfaction engendre la destruction du sol rendant particulièrement instable les constructions reposant sur ces formations. 9 Voici ci-dessous un tableau représentant la vitesse des ondes de cisaillement par rapport aux types de sol. Plus l’onde est diminuée, plus le sol est de qualité. Types de sol Vitesse des ondes de cisaillement (m/s) Rochers Rochers sains et craies dures >800 Sol de bonne à très bonne résistance mécanique -Sols granulaires compacts -Sols cohérents (argiles ou marnes dures) > 400 Sol de résistance mécanique moyenne -rocher altéré ou fracturé -Sols granulaires moyennement compacts -Sols consistants moyennement consistants et craies tendres 300 à 800 Sol de faible résistance mécanique -Sols granulaires lâches -Sols cohérents mous 150 à 400 <150 10 L’architecte ne doit pas oublier de prendre en compte la nature du sol et sa capacité à propager les vibrations des ondes car il faut éviter que les ondes traversant le sol et celles traversant le bâtiment entrent en résonnance (voir partie sur la résonnance des bâtiments ci-dessous). Si leurs périodes propres étaient les mêmes, l’onde qui passerait du sol au bâtiment s’amplifierait et créerait de sérieux dommages (Voir expérience). Il existe une formule simple pour calculer la période propre du sol (To) : la duré d’un mouvement du sol lors d’un séisme. 4ℎ 𝑇𝑜 = 𝑣𝑠 ℎ : Hauteur du sol par rapport au niveau de la mer. 𝑣𝑠 : Vitesse des ondes de cisaillement, différente pour chaque type de sol. 𝑇𝑜 : Période propre du sol en secondes. Lorsque la construction est placée sur un sol hétérogène, l’architecte peut utiliser des fondations profondes pour obtenir une bonne stabilité. Il faut éviter que les fondations soient posées sur deux types de sols différents comme montré ci-dessus. Sinon, une partie de la structure peut s’effondrer et l’autre non. 11 La construction des fondations dépend du type de sol, il existe donc plusieurs types de fondations. On peut noter deux grands types de fondations: Les Appuis et Les amortisseurs. Un appui, pour fonctionner, a besoin d’une structure rigide. Les amortisseurs, eux, permettent de dissiper une quantité considérable d’énergie et ainsi de réduire l’amplitude d’oscillation des ondes (ce qui limite les dégâts aux structures). Ils peuvent être utilisés entre les étages. - Appuis à déformation : Ces appuis sont constitués de matériaux légèrement déformables appelés élastomères. Ils permettent une flexibilité horizontale est ainsi un déplacement de la superstructure dans le sens contraire au déplacement du sol. Plus les élastomères sont élastiques ou flexibles, moins les charges sismiques ressenties par le bâtiment sont importantes. Cependant une trop grande flexibilité diminue considérablement la stabilité de l’ouvrage en temps normal. - Appuis à glissement : Ils permettent de diminuer les forces horizontales. Il s’agit de deux blocs distincts qui glissent l’un par rapport à l’autre. 12 - Appuis à roulement : Fonctionnent similairement aux deux autres types d’appuis mais dans les deux sens. Peu sont utilisés car quand la bille reste au repos trop longtemps, elle se grippe. - Amortisseurs à frottements : Ils reposent sur les mêmes principes que les appuis à glissement. Mais ils sont disposés à divers endroits stratégiques de la superstructure. Ils dissipent l’énergie par un frottement sec. Ils permettent la déformation du bâtiment tout en la maîtrisant, leur système coulissant fait qu’ils restent toujours porteurs. Ses amortisseurs sont les plus efficaces et les plus durables. 13 - Amortisseurs visqueux : C’est un système constitué de tiges solidaires à la structure plongées dans un matériel dense mais déformable (bitume visqueux, plomb, huile de grande densité). Ils se déforment en opposant une résistance assurant ainsi une plus grande stabilité aux bâtiments. L’inconvénient est qu’il faut maintenir les fluides à une température constante se trouvant entre -10°C et 35°C. - Amortisseurs Hystérétiques : Ils sont principalement constitués de matériaux très ductiles comme le plomb, l’acier, les alliages ductiles. Ils n’ont pas de fonction porteuse donc leur déformabilité est maximale (ne jouant pas le rôle de pilier la masse de la superstructure n’agit pas dessus, ils n’ont pas besoin d’être rigides). Ces amortisseurs permettent de limiter le déplacement de la superstructure. 14 3) Structures et matériaux Structures : Différents facteurs entrent en compte pour la construction d’un bâtiment parasismique : Il faut respecter le principe du monolithisme. Ce concept permet d’éviter que les différentes parties se séparent lors des secousses d’un séisme. Cela signifie que toutes les parties de la structure d’un immeuble telles que le plancher, les murs ou encore le plafond doivent être solidaires. Ces derniers doivent tous être fixés à la structure principale afin de la soutenir au maximum. Certaines formes sont plus résistantes que d’autres, il faut éviter les bâtiments de forme complexe en un seul bloc. Il est préférable de découper ces bâtiments en plusieurs blocs de forme rectangulaire dont la longueur ne doit pas être plus de trois fois plus grande que la largeur. En effet, c’est la forme géométrique qui absorbe le mieux les ondes sismiques. Lorsque l’on étudie le comportement des bâtiments soumis à des tremblements sismiques, on peut constater que ceux de formes géométriques simples sont les plus résistants (d’où l’utilisation du rectangle). Formes recommandées Formes à éviter Lors de tremblements de terre, les constructions ont de grands mouvements horizontaux, il y a donc un risque que les bâtiments voisins s’entrechoquent, c’est pourquoi il est toujours nécessaire de les espacer d’une distance convenable. 15 Les contreventements: Le contreventement est un élément de construction qui permet de protéger les structures contre les déformations dues aux mouvements créés par les séismes. Il assure la stabilité du bâtiment. Il en existe 2 types : Les contreventements avec des plans verticaux ou palés de stabilité permettent de propager les ondes verticales vers les fondations pour éviter l’effondrement du bâtiment. Pour qu’elles soient efficaces, il faut disposer les palés de manière à ce qu’il y en ait au moins 3 par étages. Ils doivent être placés de façon symétrique par rapport au centre de gravité du plancher. Elles sont donc placés verticalement, superposées les unes sur les autres afin de bien communiquer les ondes aux différents niveaux. Une mauvaise disposition des palées peut engendrer des effondrements lors d’un séisme. Les contreventements avec des plans horizontaux ou Diaphragmes permettent de répartir les ondes latérales qui arrivent sur la construction vers les contreventements des plans verticaux. Il faut éviter les diaphragmes flexibles pour empêcher le déversement de murs. Contreventements verticaux et horizontaux 16 Matériaux: Lors de la construction de bâtiments parasismiques il est nécessaire de choisir les matériaux les plus appropriés (en fonction de leurs caractéristiques) au site de construction : Voici les propriétés les plus importantes des matériaux nécessaire à la stabilité et 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 élevé : Le rapport résistance/masse volume est important car quand il est élevé il permet la réalisation de structures légères. Le bois l'acier les alliages d'aluminium sont ici les meilleurs matériaux. -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 : Quantité d'énergie qu'un matériau peut absorber avant rupture sous un choc. L'acier les alliages d'aluminium et le bois ont une très bonne résilience. -Ductilité : Capacité du matériau à se plier jusqu'à un certain point et à revenir dans sa position naturelle sans perte de résistance. Ex : acier alliage d'aluminium et béton armé. -Ténacité : Elle caractérise la quantité d'énergie nécessaire à la rupture du matériau. Le plus tenace : acier, et en certaine circonstance le bois grâce à sa structure fibreuse. -Endurance : Capacité d'un matériau à être résistant à une fréquence élevée d'ondes sismiques. -Durabilité : Capacité du matériau à perdurer dans le temps sous la contrainte de l'humidité, des insectes, champignons, pression atmosphérique. 17 En étudiant chaque caractéristique des matériaux, l’ingénieur va considérablement aider l’architecte. Aux vues des différentes caractéristiques, on peut repérer 4 grands types d’architectures avec chacune leurs attributs spécifiques : Constructions en maçonnerie traditionnelle : 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 (ondes S) et la résistance de leurs joints sont mineures ; de plus, leur masse élevée aggrave nettement le risque d'écroulement de la construction. Constructions en bois : 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. Construction en béton armé : 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. Construction en acier : L'acier est le matériau parasismique par excellence, car il est homogène, résistant aux ondes de cisaillement, et a 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. Toutefois l'acier peut se rompre à basse température (-25° C). Il a en effet fait ses preuves durant de nombreux séismes, même dans des constructions n'ayant pas préalablement fait l'objet d'une étude parasismique. 18 La Résonnance d’un bâtiment: La résonnance est un phénomène selon lequel les structures sont sensibles à certaines fréquences. Un bâtiment soumis à une excitation (dans notre cas, un séisme : le tremblement du sol) va accumuler de l’énergie et être le siège d’oscillations de plus en plus importantes jusqu'à atteindre un régime d’équilibre ou bien jusqu’à l’effondrement du bâtiment. Ce phénomène est très souvent fatal aux bâtiments lors des grosses secousses. Pour éviter que ce phénomène apparaisse, il faut éviter que la période propre du sol et celle de la structure soient les mêmes. C’est pourquoi le choix du matériau, est plus particulièrement ses caractéristique est très importante (Voir l’expérience pour une explication plus concrète du phénomène). Minimiser les charges sismiques: La masse du bâtiment influe directement sur l’intensité des forces d’inertie qui s’exercent sur le bâtiment. Les forces d’inerties sont des forces dues à la masse du bâtiment: plus un bâtiment est lourd, plus sa résistance aux mouvements est grande et par conséquent plus grandes sont les forces d’inerties qui s’exercent sur lui. Les forces d’inerties sont proportionnelles à la masse du bâtiment et son accélération, transmise par le sol. Il faut donc privilégier les matériaux ayant un bon rapport masse/volume. Mais on peut aussi agir sur l’accélération de la manière suivante : - construire sur des terrains limitant l’amplification locale des ondes sismiques. -en gardant en tête que les bâtiments rigides (type béton armé) conviennent mieux pour des sols meubles alors que les bâtiments flexibles (structure 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 symétrique (se reporter a la partie : structure). -en utilisant des appuis parasismique (se reporter a la partie : les fondations). Nb g 19 4) Expérience Notre expérience consistera à symboliser de manière simple le phénomène de résonnance dans un bâtiment. En effet, comme nous l’avons vu plus haut, le phénomène de résonnance est souvent responsable de l’effondrement d’un bâtiment. Les architectes doivent donc prendre en compte ce phénomène lors de la construction de leurs bâtiments. Nous avons pu remarquer que les matériaux, en fonction de leurs caractéristiques (types, volumes, tailles) n’avaient pas la même fréquence propre. Nous allons utiliser 2 plaques thermos formables de même hauteur mais d’épaisseur différente. Ces plaques (représentant de manière très symbolique un immeuble) n’ont, par conséquent, pas la même fréquence propre. Fixées cote à cote sur une plaque de bois, nous allons les soumettre grâce à une table vibrante a différente fréquence (symbolisation des secousses) et nous expliquerons ainsi le phénomène de résonnance tout en montrant que 2 plaques de matériaux identiques peuvent avoir des fréquences propres différentes en fonction de leur caractéristique (ici : épaisseur). 20 IV. Conclusion Le parasismique est une notion très ancienne. Les constructions parasismiques existent depuis au moins deux millénaires. Leurs premières traces ont été trouvées dans les cités Incas du Machu Picchu. Le parasismique a été créé pour lutter contre les dégâts matériaux et humains causés par les séismes. Les zones qui n’en sont pas équipées risquent de subir de gros dégâts. Récemment, on peut noter le séisme de Haïti du 12 janviers 2010 qui a causé la mort de 230000 personnes, a fait 300000 blessés et plus de 1.2 millions de sans-abri. Cette catastrophe aurait pu être atténuée si le pays avait été équipé en systèmes parasismiques. Nous avons donc étudié les différentes innovations techniques dont nous disposons aujourd’hui. Nous avons pu remarquer que les fondations jouaient un rôle majeur dans la stabilité d’un bâtiment. On retrouve deux grands types de fondations : les appuis (à déformation, glissement ou roulement) et les amortisseurs (à frottement, visqueux ou hystérétiques) ayant chacun des propriétés différentes. La structure de la construction est elle aussi importante. Elle joue un rôle de stabilisation du bâtiment. Nous avons remarqué qu’il fallait éviter les bâtiments construits en un seul bloc et de formes complexes. Il faut privilégier les formes simples comme les carrés ou rectangles. Il faut à tout prix minimiser les charges sismiques. C'est-à-dire diminuer la charge du bâtiment car les forces d’inertie agissant sur le bâtiment augmentent proportionnellement à la masse du bâtiment. Il faut donc privilégier les matériaux ayant un bon rapport résistance/masse volumique. Pour stabiliser cette structure, on utilise des contreventements. Il en existe deux types : -avec plans verticaux : permet de propager les ondes verticales vers les fondations. -avec plans horizontaux : permet de répartir les ondes latérales vers les contreventements des plans verticaux. Les matériaux utilisés sont eux aussi très importants. Les principaux sont le béton armé, le bois, l’acier et les maçonneries traditionnelles. Lors de la construction de bâtiments parasismiques il est nécessaire de choisir les matériaux les plus appropriés (en fonction de leurs caractéristiques) au site de construction. Il est important de minimiser les charges sismiques, c’est-à-dire diminuer la masse du bâtiment car plus un bâtiment est lourd, plus sa résistance aux mouvements est grande et par conséquent plus grandes sont les forces d’inerties qui s’exercent sur lui. 21 Cependant avant de construire en zone sismique, il y a plusieurs critères à vérifier. Ces critères sont surtout liés au type de sol (sols susceptibles de se tasser, pentes instables, zones de failles, sols liquéfiables, zones de karst et cavités…). Sur ces types de sol, le parasismique serait très peu efficace. De plus, l’architecte ne doit pas oublier de prendre en compte la nature du sol et sa capacité à propager les vibrations des ondes. En effet, chaque sol ne propage pas les ondes à la même vitesse et il faut à tout prix éviter que les ondes traversant le sol et les ondes traversant le bâtiment entrent en résonnance ; ce qui créerait d’énormes dégâts. Nous avons cependant pu remarquer que la construction de structures parasismiques a un certain coût. Ce coût ne permet donc pas aux pays pauvres de s’équiper convenablement afin de résister aux séismes d’où les gros dégâts matériels et humains remarqués. 22 Bibliographie : -Site internet : http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sonance http://fr.wikipedia.org/wiki/G%C3%A9nie_parasismique http://fr.wikipedia.org/wiki/Onde_sismique http://fr.wikipedia.org/wiki/S%C3%A9isme http://pwar.info/seismes/Index.htm http://www.planseisme.fr/ http://eost.u-strasbg.fr/ http://www.chambon.ac-versailles.fr/ http://rssp.omp.obs-mip.fr/generalites/seismes.html http://www.liberation.fr/ http://www.mssmat.ecp.fr/Les-grandeurs-sismiques,503 -Livre et revue : « Science et vie junior » « Tout l’univers Encyclopédie » 23
