Matériaux et propriétés

L'ingénieur, en aval, doit étudier les différentes caractéristiques des matériaux pour sélectionner les plus appropriés au site en question.

Voici les propriétés les plus importantes des matériaux nécessaires 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 volumique est important car quand il est élevé il permet la réalisation de structures légères. Le bois l'acier les alliages d'aluminium.

-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 insecte, champignons, pression atmosphérique.

Ainsi, en étudiant les principaux matériaux sur le marché, l'ingénieur aide considérablement l'architecte.
A partir de ces propriétés de matériaux, on peut classer les quatres grands types de constructions avec leurs attributs:

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 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 a un défaut majeur, son rapport résistance/masse volumique est faible.

Calculs de forces : équilibre dynamique, comment minimiser les charges sismiques, comment maximiser les forces de rappels

L'ingénieur doit également, au-delà de la considération des matériaux, prendre en compte les forces et énergies mises en jeu sur un bâtiment, en période sismique. La principale chose à retenir est que le bâtiment se déplace sous l'influence des mouvements du sol (c'est le fameux mouvement oscillatoire du bâtiment lors d'un séisme), on l'appelle équilibre dynamique.

équilibre dynamique

Ce terme est à juste titre employé car il décrit parfaitement le phénomène considéré : la construction, par le principe d'inertie, tend à garder sa position initiale par un mouvement contraire à celui du sol. On observe ainsi un « déplacement relatif des étages » noté δ.

A celles-ci s'opposent les forces de rappel et les forces dissipées. Les forces de rappel sont les forces propres au bâtiment dues à son élasticité, faisant face aux forces d'inertie. Les forces dissipées sont quant à elles la différence entre forces d'inertie et forces de rappel, c'est-à-dire la perte causée par divers facteurs extérieurs (conditions climatiques, nature du bâtiment, etc.).

Fi – Fd = Fr D'où Fi = Fr + Fd

Fd = forces dissipées Fi = forces d'inertie Fr = forces de rappel

La vidéo ci-contre (cliquez sur l'image et sur "ouvrir") présente une simulation sismique sur une structure similaire à celle d'un bâtiment. Ce genre d'étude nous montre clairement le déplacement relatif des étages lors d'un tremblement de terre. On remarque également que même après la fin des vibrations du socle la superstructure continue à osciller.

L'ingénieur, pour favoriser la résistance d'une construction au séisme, doit donc :

-minimiser les charges sismiques
-maximiser les forces de rappel.

Comment minimiser les charges sismiques ?

La masse du bâtiment influe directement sur l'intensité des forces d'inertie. En effet, les forces d'inertie sont proportionnelles à la masse du bâtiment et à son accélération, transmise par le sol. Les forces d'inertie sont donc définies comme suit :

Fi = m . a

m = masse a = accélération

Il est donc souhaitable de limiter la masse du bâtiment. Ainsi les constructions légères sont les plus avantageuses, et les matériaux ayant un meilleur rapport résistance/masse volumique sont donc à privilégier.

Mais on peut aussi agir sur l'accélération de la manière suivante :

-en construisant sur des terrains limitant l'amplification locale des secousses sismiques
-en gardant en tête que les bâtiments rigides (type béton armé) conviennent mieux pour des terrains meubles, alors que les bâtiments flexibles (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 symétriques (se reporter à la partie : Formes & systèmes porteurs)
-en utilisant des appuis parasismiques (se reporter à la partie : Les systèmes parasismiques )

Comment maximiser les forces de rappel ?

  On peut maximiser ces forces de 2 manières :

•  en accroissant sa capacité à stocker l'énergie
•  en accroissant sa capacité à dissiper l'énergie.

Il existe différentes options pour favoriser le stockage d'énergie qui peuvent être utilisées indépendamment ou combinées par l'ingénieur.

L'utilisation de matériaux résilients (acier, bois) est une très bonne solution car en général ceux-ci ont une grande capacité de déformation, caractéristique permettant l'augmentation du volume qui accueille ainsi le surplus d'énergie.

Pour la même raison, mais pour une plus longue durée, la ductilité des matériaux doit être plus généralement sollicitée.

Enfin, privilégier des piliers de grande dimension s'avère efficace : en effet, plus la surface est réduite, plus l'énergie qui s'y engouffre y est concentrée.

L'ingénieur peut en plus opter pour une construction à forte capacité dissipative. Cette démarche nécessite l'application de la précédente (il faut d'abord stocker pour diminuer la quantité d'énergie à dissiper).

Il existe plusieurs manières de dissiper. Il est possible de renvoyer l'énergie dans l'environnement par le biais de fondations profondes. Des études ont également montré qu'un ouvrage lourd permet un meilleur renvoi de l'énergie. En outre, l'utilisation d'amortisseurs parasismiques reste la meilleure solution (cf. partie II d).

Conclusion :

Néanmoins, tous ces principes ne peuvent être utilisés en même temps : certains facteurs s'excluent l'un l'autre… Par exemple, la masse de la construction doit être minime pour limiter les forces d'inertie, mais élevée pour une augmenter les forces.

Ainsi l'ingénieur doit opter pour un meilleur compromis entre les propriétés des matériaux, la forme du bâtiment, et le type de sol pour bien prendre en compte toutes les forces en jeu.

Cependant ce type de méthode reste de la conception parasismique classique et présente de nombreuses faiblesses, qui peuvent être comblées par les récents progrès en système parasismique.