Des bâtiments qui résistent aux séismes

Lors d'un tremblement de terre, c'est d'abord l'écroulement des bâtiments qui fait le plus de victimes. Comprendre le comportement des ouvrages pendant un séisme, c'est apprendre à construire des édifices qui ne s'effondrent pas : une mission assurée depuis 1968 par le laboratoire d'Études de Mécanique Sismique (CEA Saclay).

Entrée d’un complexe résidentiel de la baie de San Francisco sur le point de s’effondrer à la suite du séisme de 1989.
© DR

Le 17 octobre 1989, la Californie subissait les effets d'un séisme d'une magnitude équivalente à celle enregistrée en Arménie un an auparavant. Cependant, les conséquences des deux catastrophes furent bien différentes. En effet, on dénombra 72 morts en Californie pour plus de 25 000 en Arménie. La généralisation des constructions parasismiques à San Francisco et leur quasi-absence en Arménie expliquent en grande partie cet écart considérable entre les bilans humains.

Construire pour limiter les dégâts

Contrairement à d'autres catastrophes naturelles comme les avalanches ou les inondations, les séismes tuent presque exclusivement par les chutes d'objets et l'effondrement des édifices. Comme les hommes n'ont pour l'instant aucun moyen d'empêcher les séismes ni de prédire quand ils auront lieu, le génie parasismique reste à ce jour le seul espoir de limiter le nombre et l'ampleur des dégâts causés par les tremblements de terre dans les zones urbaines. Il consiste à concevoir des immeubles et des maisons capables de se déformer, voire de s'endommager, sans s'effondrer.

Les bâtiments japonais traditionnels, notamment les fameuses pagodes bouddhiques, respectaient déjà les principales règles de construction parasismique. Frêles mais résistantes, ces constructions utilisaient des structures en bois encastrées, qui offraient un parfait équilibre entre légèreté et solidité. Le risque nouveau que fait courir l'urbanisation et la multiplication des bâtiments en béton dans des zones sismiques a, depuis les années 60, entraîné un essor de la recherche au Japon, où les architectes sont depuis longtemps des experts de l'art de vivre avec les tremblements de terre.

Des scientifiques au secours des architectes

La mise au point de règles de construction parasismique passe d'abord par une meilleure compréhension du comportement des bâtiments et des matériaux lorsqu'ils sont soumis aux sollicitations mécaniques qu'engendre le séisme. 

Cet immeuble de San Francisco s’est affaissé à la suite d’une liquéfaction du sol provoquée par le tremblement de terre de 1989.
© J.K. NakataUne tâche qui requiert l'expertise de scientifiques et d'ingénieurs venant aussi bien de la mécanique des structures, du génie civil que de la physique des matériaux.

Depuis 1968, à Saclay, le laboratoire d'Études de Mécanique Sismique (EMSI) a pour mission de comprendre et prédire le comportement sismique des structures. Partie intégrante de la Direction de l'Énergie Nucléaire du Commissariat à l'Énergie Atomique (CEA), le laboratoire réalise des simulations numériques et effectue des essais grandeur nature. Les recherches sont menées sur la plate-forme d'essai TAMARIS, qui reproduit des séismes et teste la résistance de différents équipements et bâtiments, en taille réelle ou réduite.

01.DES TREMBLEMENTS DE TERRE AUX MULTIPLES CONSÉQUENCES

Ill a fallu attendre le milieu du XXe siècle et la théorie de la tectonique des plaques pour qu'on comprenne enfin le mécanisme des séismes. Le mouvement continu de la croûte terrestre génère des tensions suivies de brusques libérations d'énergie mécanique. Bien que leur structure ait bien résisté, ces immeubles se sont renversés à la suite d’une liquéfaction des sols.
© DRCes « craquements » en profondeur de la croûte terrestre sont à l'origine d'ondes sismiques qui se propagent jusqu'à la surface du globe et entraînent des tremblements de terre. Le séisme se manifeste ainsi par des mouvements verticaux et horizontaux, un va-et-vient qu'il transmet aux bâtiments. Les structures qui ne parviennent pas à absorber et dissiper l'énergie mécanique qui leur est ainsi transmise s'endommagent et peuvent s'effondrer. Un bâtiment dont la fréquence propre coïncide avec les fréquences caractéristiques du mouvement du sol est particulièrement vulnérable : l'amplitude du mouvement de l'édifice se met alors à augmenter significativement (mise en résonance) en cas de séisme. Sur sol mou, ce phénomène très destructeur affecte plutôt les ouvrages élevés et « flexibles », tandis que sur un sol ferme ou rocheux, les constructions rigides sont plus sollicitées.

Parfois, les séismes ont également des effets indirects sur les édifices. En effet, les vibrations sismiques peuvent liquéfier certains terrains meubles ou gorgés d'eau qui se comportent alors comme des sables mouvants. Le phénomène de liquéfaction peut provoquer des glissements de terrain et le tassement des fondations, et, par voie de conséquence, le basculement des immeubles qu'elles supportent. Le 17 août 1999, lors du séisme d'Izmit en Turquie, qui causa 15 000 morts, 24 000 disparus et plus de 20 milliards de dollars de dégâts matériels, beaucoup de maisons ont basculé alors que leur structure avait résisté à l'onde sismique. En fait, leurs fondations reposaient sur des sols sableux qui se sont liquéfiés lors du séisme. Enfin, les dégâts les plus spectaculaires, quoique plus rares, sont ceux dus aux effondrements de sol ou aux éboulements rocheux directement induits par le séisme.

02.L'HISTOIRE DU GÉNIE PARASISMIQUE

Le 17 octobre 1989, la Californie subissait les effets d'un séisme d'une magnitude équivalente à celle enregistrée en Arménie un an auparavant. Cependant, les conséquences des deux catastrophes furent bien différentes. En effet, on dénombra 72 morts en Californie pour plus de 25 000 en Arménie. La généralisation des constructions parasismiques à San Francisco et leur quasi-absence en Arménie expliquent en grande partie cet écart considérable dans les bilans humains.

Contrairement à d'autres catastrophes naturelles comme les avalanches ou les inondations, les séismes tuent presque exclusivement par les chutes d'objets et l'effondrement des bâtiments. Comprendre le comportement des ouvrages pendant une secousse et apprendre à construire des édifices qui ne s'effondrent pas est donc un moyen efficace de se prémunir des effets des séismes. 

L’architecture de la grande pagode de Sian, en Chine, lui a permis de survivre à plusieurs séismes, y compris celui de 1556, qui tua plus de 800 000 personnes… et lui fit perdre son sommet.
© R.M. HamiltonC'est l'objet du génie parasismique. Un bâtiment construit suivant des règles parasismiques doit pouvoir se déformer, voire s'endommager, sans s'effondrer. En d'autres termes, le génie parasismique consiste à concevoir des structures capables d'absorber et de dissiper l'énergie mécanique transmise par le séisme.

Bien avant l'apparition du génie parasismique moderne, plusieurs grandes civilisations ont su construire des monuments qui ont résisté au temps et aux séismes. Le site andin de Machu-Pichu est ainsi un remarquable exemple d'architecture parasismique. Tout comme le Palais Impérial de Tokyo et ses murailles, composées de blocs de pierre pesant plusieurs tonnes, qui résistent admirablement aux fréquentes secousses qui les agitent.

Habitués aux cataclysmes sismiques, les architectes japonais sont depuis longtemps des experts de l'art de vivre avec les tremblements de terre. Les bâtiments japonais traditionnels, notamment les fameuses pagodes bouddhiques, respectaient déjà les principales règles de construction parasismique. Frêles mais résistantes, ces constructions utilisaient des structures en bois encastrées, qui offraient un parfait équilibre entre légèreté et solidité. Le risque nouveau que fait courir l'urbanisation et la multiplication des bâtiments en béton dans des zones sismiques, a, depuis les années 60, entraîné un essor de la recherche et une amélioration sensible des techniques du génie parasismique.

03.LES PRINCIPES FONDAMENTAUX

En France, dans les régions où il existe un risque sismique – principalement dans l'est et au pied des massifs alpins et pyrénéens, les autorités imposent aux maîtres d'œuvre le respect des règles de construction parasismique pour la réalisation de nouveaux bâtiments. Ces recommandations, qui s'appliquent aussi bien aux grands bâtiments d'habitation qu'aux maisons individuelles,Séance d’essai d’un portique en béton sur la table Azalée de Tamaris.
© CEA s'inspirent du bon sens, des règles élémentaires de la construction, mais aussi des avancées récentes du génie parasismique. L'application de ces règles ne garantit pas qu'un bâtiment résiste à n'importe quel niveau de séisme, mais, que pour un séisme historiquement vraisemblable, le bâtiment ne s'effondrera pas.

Construire parasismique, c'est d'abord choisir un site dont les propriétés géologiques limitent les risques d'effondrement. Il faut éviter les terrains en pente, exposés aux éboulements et glissements de terrain, les limites entre sols durs et sols mous et les sols qui peuvent se liquéfier et entraîner un enfoncement des fondations sous l'effet du séisme.

La construction parasismique impose aussi des contraintes architecturales, notamment dans le choix de la forme des bâtiments. Il convient ainsi de privilégier les plans simples, symétriques et réguliers pour diminuer les risques de torsion et de collision entre les éléments de l'édifice : les formes en U, en L ou plus complexes encore sont à éviter. 

04.LA RECHERCHE EN GÉNIE PARASISMIQUE

La conception ou l'amélioration des règles de construction parasismique requièrent l'expertise de scientifiques et d'ingénieurs venant aussi bien du génie civil, de la mécanique des structures que de la physique des matériaux. Depuis 1968, à Saclay, le laboratoire d'Études de Mécanique Sismique (EMSI) a pour mission de comprendre et prédire le comportement sismique des structures afin de réduire les conséquences des séismes pour la population. Cette unité, située à Saclay, en Essonne, fait partie de la Direction à l'Energie Nucléaire du Commissariat à l'Energie Atomique (CEA).

Les instruments de la plate-forme Tamaris. La table vibrante Azalée, la plus grande d’Europe, est au centre.
© CEALe champ d'application des études confiées au laboratoire est large. Il comprend aussi bien les équipements (armoires électriques, tuyauteries, réservoirs, etc.) que les bâtiments (structures en béton armé, charpentes métalliques, etc.). Pour mener à bien sa mission, le laboratoire développe des méthodes d'analyse numérique et réalise des essais sismiques grâce à l'installation TAMARIS. Inaugurée le 30 mai 1990, l'installation TAMARIS n'a cessé depuis de se développer pour répondre aux besoins de la prévention sismique. TAMARIS regroupe actuellement six instruments :

• quatre tables vibrantes (Azalée, Vésuve, Mimosa et Tournesol) qui reproduisent des séismes par des mouvements verticaux, horizontaux et combinés. Plus grande table vibrante en Europe, Azalée a été conçue à l'origine pour entraîner une charge de 100 tonnes à la vitesse de 1 m/sec, selon 2 axes horizontaux. Elle a par la suite été améliorée en 2001 pour simuler le mouvement vertical.

• un mur d'essai permettant d'appliquer des efforts sur une structure au moyen de vérins,

• une fosse d'essai de 15 mètres de profondeur.

Le laboratoire EMSI met cette expertise au service des industriels : il contribue à l'établissement de règles normatives, à l'élaboration de méthodes d'analyses simplifiées et à la définition de critères (de ruine, de stabilité, etc.). Une collaboration entre scientifiques et maîtres d'œuvre qui contribue à rendre plus « sûres » les villes de demain.

Des solutions structurales qui garantissent notre sécurité

Dans le monde entier.

Comme on peut le voir sur la carte ci-dessous, le risque sismique concerne le monde entier. Certaines zones plus que d'autres mais la majorité doivent se soumettrent aux règles parasismiques.

 - L'étude des sols:

Comme nous l'avons vu précédemment, le choix du site est primordial notamment en raison des nombreux effets de site (= l'amplification ou la minimisation des ondes sismiques selon la nature du sol). On peut désormais admettre qu'un bâtiment construit sur un rocher sera moins vulnérable que les autres. Les éléments du paysage sont ainsi privilégiés, par les architectes, comme appuis pour les fondements d'une construction (rocher, montagne...).
Les sols sont donc rigoureusement analysé par les spécialiste et plus particulièrement la fréquence des séismes. Grâce à ceci, ils déterminent la période de ces mouvements, de ces vibrations et en déduisent ainsi les dégâts causés par de tels mouvements tectoniques.
Certains sols seront plus adapté que d'autres. L'épaisseur du terrain n'importe peu, seule sa ductilité est prise en compte. Les immeubles situés sur des terrains plus épais mais très ductiles subiront plus de dommages qu'une construction sur un sol peu épais mais dur.
Les effets induits, c'est à dire toutes les autres catastrophes qui peuvent découler d'un séisme sont à étudier pour la nature d'un sol. Effectivement, un sol instable sollicité par des tassements ou bien des glissements de terrain sont à proscrire. L'autre phénomène important est la « teneur » en eau de certains terrains. Suite à un tremblement de terre ceux ci peuvent s'affaisser et entraîner la destruction de plusieurs bâtiment: c'est la liquéfaction des sols.

Le phénomène de liquéfaction des sols 

- L'isolation à la base:

L'énergie d'un séisme, déployées par les nombreuses ondes sismiques sont directement en provenance du sol. Ces forces sont transmises à tous les objets situés à la surface tel que les bâtiments. L'objectif, réfléchi depuis le début des années 1900 est d'isoler et de réduire les forces exercées par les différentes ondes et secousses.
Le but est ici de différencier, de dissocier les mouvements du sol avec ceux de la structure: les forces transmises sont donc minimiser au maximum. Une construction isolée verra les forces exercées sur elle beaucoup moins importantes qu'une structure non isolée.
L'isolation est réalisée au point de transmission des forces, c'est à dire à la base. C'est cette dernière qui subit l'essentiel des forces et a pour but de minimiser les déformations. La base exerce comme un filtre sur les accélérations. La structure qui surmonte ce socle isolateur ne subit qu'une infime partie des accélérations. En cas de séisme très puissant, l'ensemble de la construction peut se mettre à osciller ou bien se comporter d'une manière rigide puis reprend sa forme initial avec des dégats limités et des vies préservées. Ce sont en fait les forces d'inertie transmises qui sont limitées et restent en dessous des capacités élastiques de la structure.

Afin que les forces d'inertie transmises à la structure soit raisonnables par rapport à la résistance de la structure, la durée des vibrations ne doit pas excéder la durée d' « excitation » maximale du séisme. Si cette durée des vibrations augmente considérablement, toutes les forces libérées par les ondes sismique vont se concentrer au niveau de l'isolateur, de la base. 
Un dispositif annexe doit servir de renfort pour dissiper ces pressions, tels que les amortisseurs. Les forces seront ainsi mieux maîtriser et le risque d'un effondrement de la construction situé au dessus de la base (superstructure) sera réduit.

L'isolation sismique à la base

- Les fondations.

Sur certains terrains, il n'est pas toujours possible d'avoir une nature de sol correct et en adéquation avec la construction envisagée. Souvent utilisées pour les bâtiments très lourds, les fondations profondes peuvent s'avérer être une option adaptée. Elles sont généralement mise en œuvre par un système de pieux, de puits et de poteaux.

- Systèmes s'appuie, les amortisseurs.

Très utiles pour dissiper l'énergie sismique, en renfort des isolations à la base, les amortisseurs sont employés dans de nombreux cas: ils sont en effet indispensables. Cependant, de nombreuses études sont à réaliser notamment leur adaptation aux bâtiments et au terrain: chaque type d'amortisseur s'installe sur des infrastructures définies. L'usure doit également être prise en compte pour éviter qu'ils ne vieillissent plus vite que le bâtiment lui-même. Elle peut-être occasionné par de multiples facteurs tel l'humidité ou encore la température. 
Il existe 3 principaux systèmes d'appuis:

Amortisseur parasismique

- les amortisseurs visqueux.
Ceux ci sont les plus courants et les plus utilisés puisqu'il sont montables très facilement malgré leur grande sensibilité aux variations de température. 
Les amortisseurs à fluide visqueux sont de simples boîtes fixées aux fondations et contenant comme son nom l'indique un fluide d'une grande viscosité, tel le bitume. Il s'agit en fait d'un barreau rigide relié d'un côté aux fondations de la structure et de l'autre, il beigne dans un liquide visqueux qui ralentit son mouvement aux cours des secousses sismiques. Les forces sont ainsi atténuées de 15 à 20% 
L'ensemble des éléments dissipateurs sont généralement en acier spécial, matière favorisant la dissipation des efforts sismiques.

Amortisseurs visqueux