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
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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
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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 ?
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
 =

ℎ : Hauteur du sol par rapport au niveau de la mer.
 : Vitesse des ondes de cisaillement,
différente pour chaque type de sol.
 : 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.
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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.
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-
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.
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-
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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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).
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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.
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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.
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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 »
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