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Cours module3 vpe_renforcement
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Cours module3 vpe_renforcement

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Cours Postgradué en génie parasismique …

Cours Postgradué en génie parasismique
Evaluation de bâtiments existants et exemples de mesures de gestion du risque

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  • 1. Cours postgrade de génie parasismiqueModule 3 : évaluation des structures existantes
    Dr Vincent Pellissier Dr Michel Thomann
    Pellissier & de Torrenté Zwahlen & Mayr SA
    Rue de Lausanne 65 Zone industrielle 2
    CH-1950 Sion CH-1860 Aigle
    pellissier.detorrente@gmail.commichel.thomann@zwahlen.ch
    Mesures techniques de mitigation du risque sismique et évaluation des bâtiments existants
  • 2. Contenu de l’exposé
    Rappel des mesures de gestion du risque
    Mesures techniques – les stratégies
    Exemples d’interventions techniques
    Evaluation sismique de structures existantes :
    Méthodes de calcul
    Exemples d’évaluations sismiques
  • 3. Different generic risk management strategies are possible
    Risk is accepted …
    “Act of God”, “Status quo”
    … and passively transferred
    State as the “insurer of last resort”
    Risk is actively transferred
    Insurance and Reinsurance
    Risk is reduced
    New buildings
    Systematic use of modern seismic design rules (building codes)
    Existing buildings
    Evaluation of vulnerable/critical buildings
    Strengthening of building with excessive seismic risk
  • 4. Arsenal de mesures de gestion du risque
    Article
  • 5. L’objectif d’une intervention parasismique est d’augmenter
    La ductilité globale de la structure et/ou
    La résistance de la structure et/ou
    La rigidité de la structure
    En modifiant la rigidité (et la masse) de la structure
    Une intervention parasismique change les caractéristiques dynamiques, donc aussi la demande sismique
    Intervention technique
  • 6. Choix d’une mesure technique de mitigation du risque sismique
  • 7. 5.0
    2.0
    4.0
    1.0
    3.0
    0.0
    2.0
    -1.0
    1.0
    -2.0
    0.0
    0
    2
    4
    6
    8
    10
    100
    0.1
    1
    10
    5.0
    4.0
    3.0
    2.0
    1.0
    0.0
    0.00
    0.05
    0.10
    0.15
    0.20
    Aparté : Développement du spectre ADRS
    Accélérogramme
    Spectre de réponse
    b=5%
    Sa (m/s2)
    (m/s2)
    SDOFf variable
    b=5% (choix)
    f (Hz)
    (s)
    Sd = Sa / w2
    2 Hz
    Sa(m/s2)
    1 Hz
    b=5%
    Spectre ADRS
    Acceleration DisplacemntResponse Spectrum
    0.5 Hz
    Sd (m)
  • 8. Exemple de stratégies d’amélioration sismique sur un bâtiment cadre en béton armé avec colonnes courtes
  • 9. Amélioration par addition de refends en béton armé
    1. Amélioration de la résistance Augmentation des forces sismiques et réduction des déformations
  • 10. Retrofitting by column jacketing
    2. Amélioration de la ductilité et de la résistance
    5. Augmentation de l’amortissement
  • 11. Amélioration par addition de contreventements métalliques et affaiblissement des poutres
    2. Amélioration de la résistance et de la ductilité
    3. Diminution de la fréquence propre
  • 12. Amélioration par installation d’isolateurs sismiques (“base isolation”) et d’amortisseurs
    2. Réduction de la résistance, augmentation de la ductilité
    5. Réduction des forces sismiques et des déformations de la structure, augmentation de l’amortissement
  • 13. Exemples d’interventions techniques
  • 14. Rappel : Bâti existant suisse
    • Age des bâtiments(immeubles d ’habitation, bureaux, écoles et hôpitaux)
    • 15. Évolution des forces latérales(normes SIA; Bâtiment type à Bâle)
    > 1989
    1970 - 1989
    force latérale
    (vent & séisme)
    1956 - 1970
    < 1956
    • Grand besoin d’évaluation
    • 16. Dans certains cas, besoin d’amélioration sismique
  • Il existe de nombreuses techniques d’amélioration parasismique
    Passives
    Ajout de nouveaux systèmes de stabilisation latérale
    Murs de refend béton armé
    Contreventements métalliques
    Amélioration sismique des éléments (colonnes ou murs) de la structure existante
    Par chemisage (béton, métal, composites …)
    Par collage de lamelles
    Par ajout de précontrainte
    Semi-actives
    Isolation sismique
    Ajout de dissipateurs d’énergie
    Par frottement
    Par masse liquide
  • 17. Renforcement par contreventement métallique extérieur
  • 18. Défi … architectuctural!!
  • 19. Défi …valeur historique
  • 20. Amélioration parasismique d’un bâtiment en béton armé à l’EPF Zurich
  • 21. Intervention extérieure sur un bâtiment des années 1970 à Fribourg
  • 22. Intervention difficile à l’intérieur (il faut assurer une liaison monolithique avec la structure existantes)
  • 23. Agrandissement et amélioration parasismique d’un bâtiment de la police à Sion
  • 24. Ajout de refends en béton armé dans une structure existante, home Sion
  • 25. Ajout de refends en béton armé à l’extérieur d’un bâtiment, Saxon
  • 26. Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte
  • 27. Ajout d’effort normal dans un refend en maçonnerie à l’aide de précontrainte
  • 28. Utilisation de panneaux en béton armé préfabriqués et de précontrainte verticale
  • 29. Comportement monolithique du cadre « renforcé »
  • 30. Chemisage de colonne : Recouvrement d’armature insuffisant
  • 31. Exemples de chemisage de piles en béton armé
  • 32. Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie traditionnelle à Zurich
  • 33. Amélioration parasismique d’un bâtiment en maçonnerie de brique ciment à Martigny
  • 34. Murs en maçonnerie avec tissus composites sur un côté
  • 35. Intervention parasismique sur une citerne industrielle en Valais
  • 36. Isolation sismique : exemple d’un pont, Memphis USA
  • 37. Evaluation des bâtiments existants
    • Effort progressif dans le choix des méthodes de calcul
    • 38. Illustrations par des exemples
  • Méthodes d’évaluation rapide
  • 39. Principes des méthodes d’évaluation rapides
    Objectif
    Triage
    Identification de bâtiments nécessitant une évaluation détaillée Rapide, visuel & selon des critères simples
    Paramètres d’évaluation






    Quantification des paramètres
    Sur base d’observations visuelles rapides
    Si possible complétées par quelques plans de construction
  • 40. 2 familles de méthodes de calcul
    Méthodes basées sur les forces (MBF)
    calcul linéaire
    base des normes de dimensionnement
    simples, éprouvées et établies
    prise en compte très approximative du comportement non-linéaire
    Méthodes basées sur les déplacements (MBD)
    calcul non-linéaire
    compatible avec « performance based design » et avec le « capacity design »
    effort de calcul plus important
    manque d’outils de calcul
    prédiction des déformations et du mode de rupture
    plus « réaliste »
  • 41. Calcul linéaireMéthodes basées sur les forces(MBF)
    Statique linéaire
    Méthode des forces de remplacement (MFR)
    Dynamique linéaire
    Méthode du spectre de réponse (MSR) (ou analyse modale)
    Structures irrégulières
    3D
  • 42. Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformations
    Efforts
    latéraux
    Joe’s
    Beer!
    Food!
    Joe’s
    Beer!
    Food!
    large change in
    deformation level
    small change in
    force level
    Déformation latérale
  • 43. Critère d’évaluationPerformance sismique ?
  • 44. Calcul non-linéaireMéthodes basées sur les déplacements(MBD)
    Statique non-linéaire
    analyse « push-over »
    Dynamique non-linéaire
    Analyse temporelle
  • 45. Objectif
    Estimation des déplacements horizontaux maximaux sous une sollicitation sismique donnée
    Particularités
    Méthode statique
    Travail avec la courbe force déformation latérale
    Permet d’évaluer la ductilité globale effective de la structure
    En modélisant la ductilité de chaque élément de la structure (par exemple les colonnes)
    courbe de capacité
    Base shear
    Roof displacement
    Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)
  • 46. Méthodes « Push-over » (statiques non-linéaires)
    Hypothèses
    déformation maximum décrit la réponse
    les déformations sont dominées par le premier mode
    Avantages
    Basé sur les déplacements
    mode de rupture et degré d’endommagement
    graphique et intuitive
    Limitations
    méthode approximative
    modes supérieures négligés
    estimation peu satisfaisante de l’amortissement effectif
  • 47. Charges sismiques horizontales
    « push over curve»
    x
    V4
    S
    V
    V3
    V2
    V1
    PF,
    a,
    x
    SV
    Sa
    Capacity spectrum
    Sd
    Courbe de capacité
    Analyse statique nonlinéaire
    Mode fondamental
    f
    pendule de
    remplacement
    Sa = SV/(W*a)
    Sd = x/(PF*f)
  • 48. Sa
    F
    Sd
    x
    5.0
    4.0
    3.0
    2.0
    1.0
    0.0
    0.00
    0.05
    0.10
    0.15
    0.20
    Point de performance du système
    Amortissement selon la « Substitute structure approach »
    ( béquivalent , ksecant )
    Système hystérétique
    b=5%
    b=10%
    b=20%
    Performance pointSd = 35 mm
  • 49. Analyse statique non-linéaire
    7.0
    ]
    2
    [m/s
    6.0
    a
    S
    5.0
    spectres deréponse
    4.0
    3.0
    2.0
    Performancepoint
    1.0
    0.0
    0.00
    0.05
    0.10
    0.15
    spectre de capacité
    S
    [m]
    d
    Sd,max = 78 mm
  • 50. Réponse sismique d’un bâtiment -Analyse dynamique non-linéaire
  • 51. Calcul des sollicitations dans le bâtiment amélioré
    Choisir un niveau d’action sismique élevé
    Si on intervient, anticiper un accroissement possible des exigences
    Même méthodes de calcul des sollicitations que pour un bâtiment neuf
    Prédimensionnement avec méthodes linéaires
    Dimensionnement détaillé avec méthode non-linéaire (par exemple non-linéaire statique) pour modéliser la ductilité globale de la structure améliorée
  • 52. Exemples d’évaluation de structures existantes
    • Halle métallique : local des pompiers de Charrat
    • 53. Maçonnerie : Home de Nendaz
    • 54. Moellons traditionnels : Hôtel de Ville de Saxon
    • 55. Béton armé : ELD, EPFL
    • 56. Maçonnerie : Ecole des Ursulines, Sion
    • 57. Moellons : Ecole de Vollèges
  • Local feu - Charrat
  • 58. Description de la structure
    Locaux du service du feu, CO III
    • Autres affectations (CO I) sur 80% de la surface (dépôt, garage)
    • 59. Propriétaires privés, nombreux
    Charpente acier, normes de 1979, CV St-André
    Toiture légère, ajout d’un plancher intermédiaire
    Structure porteuse régulière, 17 m x 31 m
    Utilisation restante: 10 ans
    Classe de sol…
  • 60. Description de la structure
    C
    D
  • 61. Analyse de l’état existant
    2 hypothèses admises: CO I et CO III
    • aeff = 0.17 (CO I)
    • 62. aeff = 0.12 (CO III)
    Eléments critiques
    • CV de toiture: pannes (flambage) et diagonales (traction)
    • 63. CV de façade: poteaux (flambage) et diagonales (traction)
    • 64. Fondations: ancrage des efforts de traction des diagonales
  • Stratégie de renforcement
    Atteindre aint = amin = 0.40
    Le renforcement pour atteindre aint = aadm = 0.44 (voir plus…) n’est pas proportionnel au sens du CT 2018
    Renforcement localisé du service du feu, effondrement admis du reste de la charpente  « boîte » indépendante
    • M = Mtot
    • 65. Sd = Sd,max (plateau)
    • 66. résistance requise uniquement pour les éléments stabilisateurs de la « boîte » indépendante
    • 67. ajout de CV verticaux
  • NOUVEAUX CV VERTICAUX
    RENFORTS DIAGONALES
  • 68. Mesures de renforcement
    APPUIS AU FLAMBAGE
    ANCRAGE DANS FONDATIONS
  • 69. Mesures de renforcement
    NOUVELLES DIAGONALES (UNP260)
    ET MEILLEURE DISTRIBUTION DES FORCES
  • 70. Mesures de renforcement
    Ancrage dans les fondations
  • 71. Home de Nendaz
  • 72. Home de Nendaz
  • 73. 2
    M
    T
    1
    Propositions d’intervention
  • 74. Proposition de renforcement
  • 75. Hôtel de ville - Saxon
  • 76. Description de la structure
    Etat-major en cas de catastrophe, CO III
    Construit en 1894, rénové en 1994
    Murs en maçonnerie traditionnelle (moellons)
    Dalles bois
    Masse concentrée dans les murs
    Structure porteuse régulière, 13 m x 35 m
    3 étages
    Utilisation restante: 10 ans
  • 77. Analyse de l’état existant
    Méthode des forces de remplacement
    85% de la masse dans les murs  répartition des forces de remplacement au prorata des masses
    Effet diaphragme des plancher?
    • Rigidité ?
    • 78. Ancrage dans les murs ?
    • 79. Stabilisation transversale suffisante ?
  • Analyse de l’état existant
    Sd/g [-]
    0.44
    0.27
    T [s]
    T(SIA)
    T(Rayleigh)
  • 80. Analyse de l’état existant
    Hors plan: h/t < 15, sauf 1 mur intérieur h/t = 23 > 17  aeff < amin
    Dans le plan: aeff = 0.39 ≈ amin = 0.40
    (effet cadre négligé)
  • 81. Mesures de renforcement
    Hors plan: stabilisation par cornières
    Dans le plan: pas de renforcement
    • Justifié selon CT 2018 pour durée restante < 20 ans
    --> à revoir dans 20 ans…
    h’
  • 82. Travail de MasterMarcelo Oropeza
    En cours EPFL
    Bâtiment ELD - EPFL
    Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés:
    Modèle 1 : néglige l’interaction sol-structure bâtiment sans sous-sol.
    71
  • 83. Bâtiment ELD - EPFL
    • Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés:
    Modèle 2 : modèle grossier du sol.
  • 84. Bâtiment ELD - EPFL
    • Trois modèles du bâtiment ELD seront considérés:
    Modèle 3 : modèle détaillé du sol
    interaction sol structure (ATC-40 : Applied Technology Counsil. ATC-40 : Seismic evaluation and retrofit of concrete buildings. Volume 1. 1996).
  • 85. Caractéristiques des matériaux
  • 86. Modélisation des sections
    ETABS: Section Designer pour les poutres
    75
  • 87. Aperçu du modèle 1 (1)
  • 88. Aperçu du modèle 1 (2)
  • 89. Modes de vibration
    Modèle 1 - dalles souples:
    Mode 1: période 1.06 s
  • 90. Modes de vibration
    Taux de la masse modale participante
    Modèle 1: dalle souple
  • 91. Spectres de réponse
    γf=1
    q=2
    M1r
    M1s
    M2r
    M2s
  • 92. Résultats - Efforts normaux N
    Modèle 1 - Dalles souples
  • 93. Collège des Ursulines - Sion
  • 94. Description de la structure
    Etablissement scolaire, CO II
    Construit en 1960 environ
    Murs en maçonnerie ciment et terre cuite
    Dalles béton armé
    Façades largement ouvertes, murs-poteaux de faible largeur
    Structure porteuse régulière, 15 m x 48 m
    5 étages (rez + 4), pas de sous-sol
    Utilisation restante: 60 ans
  • 95. Description de la structure
  • 96. Analyse de l’état existant
  • 97. Analyse de l’état existant
    Matériaux: valeurs caractéristiques pour obtenir une meilleure estimation de la sécurité réelle du bâtiment
    Torsion: edx/Lx = 0.11 > 0.10 (SIA 160)
    • Estimer l’influence de la torsion avec la méthode des forces
    • 98. 1 % sur sens Y  négligeable
    • 99. 19 à 26 % sur sens X  non négligeable
  • Analyse de l’état existant
  • 100. Mesures de renforcement
    Etablissement scolaire:
  • 101. Mesures de renforcement
    Objectif: aint > 1.0
  • 102. Ecole de Vollèges – Modélisation
  • 103. Ecole de Vollèges – Calcul dynamique
    Résultat du calcul dynamique sur modèle 2D de paroi (façade Est)
    Masse totale reprise par la façade : 3'376 kN
    (épaisseur moyenne admise : 50 cm / densité fictive : 50 kN/m3)
    Module d’élasticité admis : 7'000 N/mm2
    Période fondamentale calculée : T1 = 0.107 sec.
    Spectre de réponse
  • Ecole de Vollèges – Résultats
  • 107. Merci de votre attention