Cours postgrad génieparasismique module3 vpe

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Cours postgrade de génie parasismiqueModule 3 : Evaluation des structures existantes

Dr Vincent Pellissier

EPFL-VPPL-OPPStation 5CH-1015 [email protected]

Notions de risque

Module 3 – Notions de risqueVincent Pellissier, EPFL -2-

Contenu de l’exposé

• Eléments juridiques• Notion de risque• La vulnérabilité du bâti helvétique• Détermination de la vulnérabilité• Outils de gestion du risque sismique

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Eléments juridiques• Contexte légal – Responsabilité

– Illicéité (notion de règles de l’art)– Faute– Dommage– Causalité

• Principes fondamentaux – Principe de précaution– Principe de proportionnalité


Questions juridiques ouvertes

• Validité légale du cahier technique SIA 2018• Conséquences juridiques en cas d’effondrement si les

principes du CT 2018 n’ont pas été respectés• Responsabilité et conduite de l’ingénieur en cas de

refus du MO de faire un contrôle• Délai raisonnable entre l’identification d’un bâtiment

avec sécurité largement insuffisante et son assainissement

• Action à entreprendre au niveau de l’occupation d’un bâtiment à sécurité largement insuffisante

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Notions de risque – Rappels théoriques• Dangers versus Risque• Evolution et tendance• Des événements rares mais catastrophiques• Le risque sismique en Suisse


Danger vs Risque

Conséquences

Vulnérabilité x Valeurs exposées au risque

considéré

Danger

Aléa(Intensité & Probabilité de

survenance)

Risque

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Evolution et tendance

Sources [SwissRe]

Demo


Des événements historiques rares mais potentiellement catastrophiques

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A quels risques la Suisseest-elle confrontée ?

Source [KATARISK 03]


Un risque sous-estimé en termes de mesures prises par les autorités

Dépenses publiques pour les mesures de protection, 600 millions de francs par année Source [Bachmann 2002]

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Quels sont les risques les plus importants de Suisse ?

Avalanches en Suisse

Séisme en Suisse200 morts par siècle => 2 morts par année

20’000 millions de francs par siècle

=> 200 millions par année

20 morts par année

4 millions de francs par année


Sécurité parasismique à quel prix ?

Casque moto

Ceinture auto

DésamiantageUSA

Mesures parasismiques

en Suisse

Coût pour sauver une vie humaine

Vaccinationstiers monde

?

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La vulnérabilité du bâti helvétique

• Paramètres déterminant la vulnérabilité d’un bâtiment

• Influence de la génération de norme sur le comportement sismique

• Structure du bâti helvétique• Particularités des sollicitations sismiques• Nouvelles constructions versus bâtiments

existants• Contexte d’application• Critères de décision (faut-il renforcer un

bâtiment existant ?)


Paramètres déterminants pour le comportement sismique des structures

structure• conception• matériaux• normes• détails

fondation & sol

éléments non-structuraux

sismicité-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0

8


0%

20%

40%

60%

80%

100%

= 1971 1972 - 1981 = 1982

dommages légers / pas de d.

dommages moyens

dommages importants

effondrement

depuis 19821972 - 1981jusqu’à 1971

Exemple de l’impact des normes sur la tenue sismique des bâtiments

Années de construction, selon les générations de normes

pour

cent

ages

des

bâtim

ents

statistiques de 2000 bâtimentsà Kobe (Japon) suite au séisme de 1995


> 2003

28%

45%

21%

6%

< 1947

1947 - 1975

1976 - 1990

1990 - 1993

Bâti existant suisse

hAge des bâtiments(immeubles d ’habitation, bureaux, écoles et hôpitaux)

hÉvolution des forces latérales(normes SIA; Bâtiment type à Bâle)

< 1956

1970 - 1989

1989 - 2003

1956 - 1970 sollicitation latérale(vent & séisme)

=> Besoin d’évaluation parasismique

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Vulnérabilité des bâtiments en Suisse ?

• Potentiellement considérable

• Mal connue– peu d’études spécifiques– pas de séismes « tests » récents

• Variable selon le type de bâtiment– Villas individuelles (1 - 2 étages)– Bâtiments multi-étages modernes (« engineered structures »)

béton armé, construction métalliquegénéralement des murs de refend

– Bâtiments multi-étages anciens (« non-engineered »)maçonnerie de pierre ou de briquepar ex. peu de diaphragmes rigides


Particularités de la sollicitation sismique

• Accidentelle & « no warning »

• Dynamique

• Composante horizontale

• Cyclique

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Nouvelles constructions vs Construction existantes

Construction existantes

Basé sur la gestion du risque → actualiser les exigences et la

durée d’utilisation→ estimer le comportement

ultime effectif→ Approche probabiliste?

Modifications de la structures sont très chères !

Nouvelles constructions

Améliorations sismiques + ou -« gratuites »

Basé sur les normes→ Actions et règles de

dimensionnement sont données→ « du côté de la sécurité »→ calculs déterministes suffisent

Calculs linéaires généralement suffisant

Calculs non-linéaires souvent requis


Réduction du risque sismique dans les nouvelles constructions

• Limitation des pertes de vies humainesApplication des normes de construction est efficace dans la

réduction du risque

Coûts généralement très faibles lorsqu’on intervient tôt dans le projet

• Limitation des dégâts matériels et des pertes de fonctionnalité

Normes de construction ne suffisent souvent pas (éléments non-structuraux, équipements ...)

Coûts variables en fonction de la limitation souhaitée

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« The challenge of existing buildings »

• Défi pour la sociétéDévelopper la volonté et les outils politiques, légaux,

fiscaux et économiques pour réduire le risque Rôle crucial des pouvoirs publics

– évènements rares et catastrophiquesQuid d’une assurance sismique ?

Graduées selon la vulnérabilitéPrimes réalistesPrivée ou publique

• Défi pour les spécialistesDévelopper et appliquer des outils d’évaluationDévelopper et appliquer des techniques de renforcementRéduire les coûts d’intervention


Priorités dans l’évaluation

• Ouvrages prioritairesStructures « life line »Constructions essentielles à la vie publique et économique Installations dangereuses (OPAM)

• Bâtiments anciens « Non-engineered » buildings

• Bâtiments en rénovation• Bâtiments vulnérables (maçonnerie)

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Quels cantons inventorient la sécurité sismique de leurs bâtiments publics importants et/ou de leurs

bâtiments de fonction critique<Double-click here to enter title>

Kantone

Ueberprüfung von kantonalen Gebäudebestände

ja

nein Quelle: BPUK Umfrage 2006

Procédures d’inventaires cantonaux

Remarque: Procédures plus ou moins poussées !


Qui exige explicitement une vérification de la sécurité parasismique dans le cadre de projets

de transformation?

Contexte d’application

• Les cantons du Valais et de Bâle-Ville pour les ouvragespublics et privés

• 18 cantons sur 26 pour leurs propres ouvrages publics

• La Confédération pour ses propres ouvrages (Weisungen)

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Construction parasismique et/ou obligation légaleexplicite d‘application des normes SIA ancrés dans

la loi sur les construction<Double-click here to enter title>

KantoneVerweis auf Normen oder spezifische Regelung im Gesetz oder Verordnungen

ja

Ergänzung vorgesehen

nein Quelle: BPUK Umfrage 2006

Contexte d’application


SourcesNeuf Normes SIA 260 et ss (2003)Existant Norme SIA 469 (1997) chiffre 3 21 3

Directive SIA 462 (1994) chiffre 2 1Directive SIA 162/5 (1997) chiffre 2 21Cahier technique SIA 2018 annexe D

Bilan- Plutôt trop, que trop peu, de règlements- Pas coordonnés- Toutes les formulations sont ouvertes (vagues)

Critères au niveau normatif

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Existant – Critères au niveau normatif

SIA 469 (chiffre 3 21 3):

La vérification est indispensable si la surveillance fait présumer une sécurité insuffisante, ou si une opération de remise en état, de rénovation ou de transformation, est envisagée. Il est nécessaire aussi lorsqu’un important changement d’utilisation doit avoir lieu.


SIA 462 (chiffre 2 1): Un contrôle de la sécurité structurale d'un ouvrage existant se justifie dans les cas suivants:

- lors de changement d'utilisation (actions modifiées, risques modifiés)- lors d'interventions sur la structure (modification du système porteur,création d'ouvertures)

- lors de dégâts à la structure (fissuration prononcée, grandesdéformations, éclatements, corrosion)

- lors d'importants mouvements du soI de fondation (tassement,glissement, affouillement)

- suite à une action accidentelle (choc, déraillement, incendie, explosion, séisme important)

- lorsque des connaissances nouvelles en font apparaître l'opportunité.


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SIA 162/5 (chiffre 2 21):

Une vérification doit être effectuée lorsque des dégâts ou des défauts significatifs sont constatés lors de la surveillance oulorsqu’une modification de l’ouvrage est envisagée. De même, ellepeut être effectuée lors de changements d’utilisation ou après des actions accidentelles.



SIA 2018 (annexe informative D: établissement de priorités pour le contrôle sismique de bâtiments):

• Bénéficier de la synergie lors de travaux importantsde transformation et d’assainissement

• Éviter les contrôles dans des situations oùl’implémentation de mesures n’est pas raisonnablement possible ou exigible

• Contrôler systématiquement les ouvrages dont la fonction est critique

• Contrôler sur la base de typologies de bâtiments àpriori très mauvais


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Critères au niveau cantonal

• Canton du Valais:

Pour les projets de transformation qui doivent êtresoumis au canton pour d’autres raisons et pour lesquels:

- Le bâtiment a plus de 2 étages et- Il y a augmentation de la surface ou- Il y a atteinte à la structure porteuse ou- Il y a changement d’affectation.

Le détail de la procédure sera présentée plus loin dans ce cours.



• Canton de Bâle Ville:

Uniquement pour les infrastructures critiques et les bâtiments à fort taux d’occupation dans le contexte de projets de transformation ou d’assainissementimportants

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• Autres cantons pour leurs ouvrages propres

Nota : Critères non relevés systématiquement à ce jour.


Critères pour les projets fédéraux

Infrastructure critique ou investissement > 5 Mio.- OUI

Valeur < 1 Mio.- ou investissement < 0.1 Mio.-et pas de fonction critique et ≤ 3 étages -> NON

Nuisance Etendue (%surf.) Investissement/ValeurHaute 3 > 50% 5 > 50% 5Moyenne 1 > 10% 2 > 10% 2Basse 0 < 10% 0 < 10% 0

Total de points 7+ OUI < 3 NON entre deux avis

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Détermination de la vulnérabilité

• Pour un gestionnaire de portefeuille immobilier

• Pour un assureur


Pour un gestionnaire de portefeuille : Exemple des bâtiments de l’EPFL

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Niveaux d’évaluation

• Évaluation statistique– Objectif est d’évaluer la vulnérabilité d’une population de bâtiments

« fragility analysis and curves »

• Évaluation préliminaire (triage)– Objectif est d’identifier des « bâtiments à risque »– Rapide, visuel & selon des critères simples

• Évaluation détaillée (structure individuelle)– Objectif est de donner une réponse technique à la question: faut-il

prendre des mesures parasismiques? – Vérification de la structure afin de déterminer sa vulnérabilité

sismique Diverses méthodes d’analyse


Méthodologie retenue à l’EPFL

1. Nouvelles constructions

2. Bâtiments existants

• Phase 1 - Microzonage

• Phase 2 – Vulnérabilité => Risque

• Phase 3 – CT SIA 2018

• Phase 4 – Mesures techniques

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Nouvelles constructions

1.Formation sur les formulaires ad hoc

2.Mise en œuvre du processus de contrôle

3.RPP demandés sur les nouvelles constructions (RLC, SV, CCE, PSE,…)

4.RPP demandés pour les transformations lourdes (BPH)


Bâtiments existantsMicrozonage spectral – Zonage

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Microzonage spectral – Spectres Tiré du rapport Résonance SA


Cadastrage du risque

http://plan-dii.epfl.ch

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Pour un assureur : Calcul de la prime d’assurance pour la ville d’Aigle


Population de bâtiments

Pourquoi la ville d’Aigle ?

Sismicité intéressante

Taille de la ville

Diversité du bâti

1 - 2.5 3 - 3.5 4 - 4.5 5 - 5.5 6 - 6.5 7 et +

Moëllons

"Wandbaute"

Cadres BA

Cadres Acier

Eglises

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

% par rapport au nombre total de

bâtiments

Nombre d'étages

Catégories sismiques

MoëllonsMaç. Mod"Wandbaute""Skelettbaute"Cadres BABoisCadres AcierPierres tailléesEglises?

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Modèle physique d’évaluation du risque sismique

Valeurs exposées

Vulnérabilité

Aléa Financières

Contractuelles

Législatives

Acteurs


Détermination de l’aléa

- Aléa local

- Aléa régional

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Les bâtiments sont classés en catégories sismiques


Ces bâtiments sont ensuites classés en clases de vulnérabilité

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VI VII VIII IX X XI0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

intensité MSK

% d

e bâ

timen

ts e

ndom

mag

és

DG 1DG 2DG 3DG 4DG 5

Courbes de vulnérabilité

Détermination de la vulnérabilité

Demo


156941220SMP

[68 – 81 – 94][442–524–606][25–57–78]IX

[32–39–46][206–252–301][12–17–22]VIII

[9–12–14][61–82–103][0–4–7]VII

Dommages mobiliers[millions de Frs.]

Dommages immobiliers

[millions de Frs.]MortsScénarios

Conséquences par scénarios

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Outils de gestion du risque

• Panel de mesures• 2 familles de méthodes de calcul• Par où commencer ?• Des questions ouvertes• Conclusion


Arsenal de mesures de gestion du risque

Demo

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« Amélioration technique sismique »

• Courant dans certains pays, rare en Suisse– En Suisse: surtout lors de la rénovation lourde d’un bâtiment

• Généralement pour sauver des vies humaines – i.e. prévention d’un effondrement partiel ou total

Exceptionnellement pour limiter les dégâts – i. e. maintenir la fonctionnalité ou prévenir un disfonctionnement

dangereux

• Généralement coûteux – Souvent péjorant pour l’utilisation pendant la construction– Parfois péjoration pour l’apparence ou la fonctionnalité du bâtiment

• Grande variété de techniques– Correspond à la diversité des insuffisances sismiques– Rôle croissant des matériaux composites


2 familles de méthodes de calcul• Méthodes basées sur

les forces (MBF)calcul linéairebase des normes de dimensionnementsimples, éprouvées et établiesprise en compte très approximative du comportement non-linéaire

• Méthodes basées sur les déplacements (MBD)

calcul non-linéairecompatible avec « performance based design » et avec le « capacity design »effort de calcul plus importantmanque d’outils de calculprédiction des déformations et du mode de ruptureplus « réaliste »

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Prédiction des dégâts passe par le calcul des déformations

Joe’s

Beer!Beer!Food!Food!

Déformation latérale

Efforts latéraux

Joe’sBeer!Beer!Food!Food!

small change inforce level

large change indeformation level


« Findings »

• Comparaison difficile- Critères de comparaison sont différents- Critères de décision sont différents- Evaluations sismiques chargées d’incertitudes

• Méthodes complémentairesdébuter par MBF,

et selon résultats et type de structure

compléter par MBDpour développer une compréhension plus large du comportement sismique probable

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Calculs parasismiques -Méthodes d’analyse

• Statique linéaireForces de remplacement

• Dynamique linéaireSpectre de réponse

• Statique non-linéaire

analyse « push-over »

• Dynamique non-linéaire

« Zeitverlaufverfahren »


Questions ouvertes

• Valeur légale du CT ?

• Vulnérabilité réel des bâtiments et infrastructures ?

• Qu’en est-il de la vulnérabilité des systèmes complexes ?

Systèmes de transports (ponts, murs de soutènement, …)Systèmes énergétiques, télécommunication, ….

• Efficacité des mesures techniques sur la vulnérabilité ?

Démo

Film

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Conclusion

• La réduction du risque sismique passe par – l’application des règles de l’art du génie parasismique à la

construction de nouvelles structures et infrastructuresproblème « politique » et économique

– une réduction de la vulnérabilité du bâti existantproblème économique, « politique » et technique

• Défi interdisciplinaire qui doit être relever dans le contexte d’une gestion intégrée des risques naturels (… et techniques)


Merci de votre attention

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