INCLUSIONS RIGIDES POUR BATIMENTS EN ZONE SISMIQUE ET EUROCODE 8

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1 INCLUSIONS RIGIDES POUR BATIMENTS EN ZONE SISMIQUE ET EUROCODE 8 EUROCODE 8 RIGID INCLUSIONS DESIGN FOR BUILDINGS IN FRENCH SEISMIC AREA Stéphane BRULE 1, Emmanuel JAVELAUD 1, Cyril PLOMTEUX 1 1 Ménard, France RÉSUMÉ L Eurocode 8 (NF EN 1998) amène les professionnels des métiers des travaux d amélioration de sol à estimer les conséquences de l évolution réglementaire sur les pratiques de dimensionnement notamment pour les inclusions rigides au mortier (Colonnes à Module Contrôlé CMC TM ) prévues pour les projets de bâtiment. ABSTRACT Eurocode 8 (NF EN 1998) involves a new regulatory framework for the deep foundation and soil improvement communities. Our analysis is focussed on the change in soil classification and the cement rigid inclusion (Controlled Modulus Columns CMC TM ) design method. 1. Introduction La protection parasismique des bâtiments neufs est une exigence de la puissance publique prescrivant l application de règles spécifiques pour ces ouvrages. La refonte de la réglementation sismique conduit à des évolutions dans le dimensionnement des bâtiments. Dans cet article, il est examiné ce que va notamment induire le contexte réglementaire sur les pratiques de caractérisation de sol et sur la justification des inclusions rigides en zones sismiques. L analyse présentée fait partie intégrante des travaux du groupe A.F.P.S. sur les inclusions rigides, sous la direction de M P. Berthelot du Bureau de Contrôle VERITAS. 2. Les inclusions rigides au mortier La technique des inclusions rigides verticales de type Colonnes à Module Contrôlé (CMC TM ) est utilisée pour augmenter la portance du sol et/ou contribuer à réduire les tassements du sol sous la charge d un ouvrage. Cela consiste à transférer les charges vers une couche de sol plus résistante. Pour les projets de renforcement de sol des ouvrages de bâtiments, la démarche consiste à réaliser par refoulement du sol, des colonnes verticales au mortier sous les fondations superficielles (semelles isolées et/ou filantes ou radier) et/ou sous le dallage. Dans le cas d un dallage ou d un radier (figure 1), un matelas de répartition en matériaux frottants est indispensable entre la sous-face du dallage et la tête des inclusions pour le transfert des charges. 579

2 Charge répartie Dallage ou radier Plate-forme de transfert Réseau de CMC dans le sol compressible Sol d ancrage Figure 1. Principe du transfert des charges appliquées en surface de radier ou de dallage vers les CMC et le sol 3. Le contexte réglementaire et normatif 3.1. Le cadre normatif des Eurocodes Parmi les dix Eurocodes destinés à harmoniser les règles de construction européennes depuis mars 2010, l Eurocode 8 (EC8) est relatif à la conception et au dimensionnement des structures pour leur résistance aux séismes. L Eurocode 8 remplace les normes PS 92 appliquées dans la construction parasismique. L harmonisation européenne autorise toutefois à chacun des membres de l Union un espace de liberté encore important en lui permettant, au sein des annexes nationales, d introduire des «Paramètres Déterminés» au niveau national pour les projets de bâtiment et ouvrages de génie civil. L AFNOR a pour objectif de transposer les Eurocodes en normes françaises homologuées. Cette démarche a aussi pour conséquence la ré-écriture de textes ou la refonte de documents en usage dans la profession, sous forme de normes françaises homologuées Le cas de l amélioration de sol L amélioration de sol est mentionnée dans l EC8 sous forme de technique envisageable pour la densification des sols et le traitement contre la liquéfaction des sols lors de séismes. La description détaillée des différents procédés ainsi que les méthodes de justification du renforcement seront décrits dans le document de l Association Française du Génie Parasismique (A.F.P.S.) intitulé «Amélioration et renforcement de sol sous actions sismiques». Ce document complète les recommandations pour les inclusions rigides sous sollicitation statique du projet national sur l Amélioration des Sols par Inclusions Rigides A.S.I.RI./ I.R.E.X. (Institut pour la Recherche Appliquée et l Expérimentation en Génie Civil). 580

3 3.3. Le contexte réglementaire national Il faut distinguer les ouvrages à «Risque Normal» ou O.R.N. (catégories I à IV - ex : hangar, maison, école, hôpital) et les ouvrages à «Risque Spécial» ou O.R.S. (ex : barrages, I.C.P.E. installations classées pour l environnement, installations nucléaires). Les O.R.N. répondent d un zonage sismique du territoire avec une accélération de calcul et un spectre de réponse élastique de l ouvrage fixés réglementairement. Les O.R.S. peuvent retenir des études spécifiques déterministes et spécifiques. Les textes ou projet de texte suivants sont à prendre en considération dans le cadre de l application de l Eurocode 8 pour les ouvrages dits à Risque Normal : [a] Arrêté du 29 mai 1997 (JO du 3 juin 1997) relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la catégorie dite «à risque normal» telle que définie par le décret n du 14 mai 1991 relatif à la prévention du risque sismique. [b] Projet d'arrêté modifiant l'arrêté du 29 mai 1997 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la catégorie dite "à risque normal" telle que définie par le décret n du 14 mai 1991 relatif à la prévention du risque sismique. Ce projet d arrêté devrait être validé en Les articles 3 et 4 du texte [b] définissent les zones de sismicité et les catégories d importance des bâtiments pour lesquels les règles de construction sont applicables : zones de sismicité 2, 3, 4 ou 5 définies par l article R du code de l environnement (nouveau zonage sismique de la France) et catégories d importance des ouvrages II, III et IV. Les règles de construction parasismiques ne s appliquent pas à la zone de sismicité 1 ni aux bâtiments de catégorie d importance I. Les annexes nationales des différentes parties de l Eurocode 8 renvoient l utilisateur vers les Textes de l Administration Française en ce qui concerne les «Paramètres Déterminés». La puissance publique définit notamment les paramètres suivants : - le coefficient d importance γ L selon la catégorie de bâtiment, - les valeurs d accélération maximale de référence au niveau d un sol rocheux a gr, les accélérations horizontales a g et verticales a gv toujours pour un sol rocheux, - la valeur du paramètre de sol S, - les périodes des spectres de réponse élastique, - le facteur CM dans l étude des cas de liquéfaction des sols. Cette articulation des textes réglementaires et normatifs permet d envisager une révision réglementaire des paramètres intervenant dans le dimensionnement des ouvrages sans pour autant modifier les textes normatifs que constituent les Eurocodes. 581

4 4. Incidence sur les méthodes de dimensionnement 4.1. Principe de vérification des inclusions en zone sismique Il faut différencier deux cas : soit les inclusions rigides ont pour fonction principale la réduction des tassements et ne sont pas nécessaires à la justification de la stabilité de l ouvrage sous actions sismiques (cas n 1), soit les inclusions sont nécessaires à la justification de la portance de l ouvrage sous actions sismiques (cas n 2). Ce dimensionnement doit être réalisé préalablement à la vérification des CMC sous séisme. Pour le cas n 2 sous sollicitation sismique, vont se manifester des efforts internes (effort tranchant, moment) dans les inclusions en raison de la déformation du sol lors du passage du train d ondes sismiques (effet cinématique) et en raison des efforts inertiels de la structure transmis au sol renforcé à la base de la structure. L objectif est vérifier que les contraintes induites dans les inclusions rigides sous les effets cinématiques et inertiels restent acceptables au regard des propriétés du mortier employé : résistance à la compression, contrainte de traction, résistance au cisaillement. Les contraintes normales σ extrêmes dans les inclusions rigides sollicitées en flexion composée (effort axial N et moment de flexion M) sont données par la formule suivante (1) avec S, la section de l inclusion, I, le moment quadratique de la section et ν, le rayon de l inclusion : 4.2. Changements apportés par l Eurocode 8 N M σ = ± (1) S I v Les classes de sol A à E, S1 et S2 La classification EC8 est basée sur la valeur moyenne des ondes de cisaillement sur les trente premiers mètres de sol (V s,30 ). En amélioration de sol, les classes concernées seront essentiellement C, D, E et les classes A, S1 et S2 sous certaines conditions. Cette classification fait ressortir la notion de réflecteur sismique c est à dire que les interfaces de sol sont davantage conditionnées par leur contraste d impédance ρ i+1 V i+1 / ρ i V i, soit le rapport des produits de la vitesse de l onde volumique par la masse volumique du sol sous-jacent i+1 sur le sol le recouvrant i. Ainsi, la notion d épaisseur de sol est moins un critère distinctif que dans les règles PS92. Le substratum «géotechnique» pour des ouvrages de type bâtiment n est que rarement assimilable au substratum «sismique» ou «rocheux». A l inverse, l usage direct de la moyenne harmonique proposée dans l EC8 pour calculer V s,30 ne doit pas conduire à une erreur de représentativité des terrains de surface par lissage sur 30 m. Les caractéristiques des premiers mètres de sol restent déterminantes pour les ouvrages sur fondations superficielles. Les méthodes géophysiques (Cross-Hole, H/V, etc.) doivent être réalisées par des spécialiste et toujours couplées aux données géologiques et aux sondages géotechniques de reconnaissance in situ (essais pénétrométriques, pressiométriques, scissométriques, etc.). 582

5 Les spectres de réponses élastiques Les spectres de réponse élastiques des ouvrages à «risque normal» changent nettement par rapport à ceux des règles PS 92 et ne sont conditionnés que par la classe de sol. Nous invitons le lecteur à les consulter dans l Eurocode 8. La valeur de calcul pour le déplacement en tête d inclusion rigide d g est en liaison immédiate avec les périodes caractéristiques T c et T d et la valeur a g qui est l accélération de calcul pour un sol de classe A (a g = γ L.a gr ) : d g = a g.s.t C.T D (2) T C et T D sont respectivement la valeur limite supérieure des périodes correspondant au palier d accélération spectrale constante et la valeur définissant le début de la branche à déplacement spectral constant. Les autres paramètres sont définis en 3.3. Les valeurs obtenues ont tendance à être plus fortes que celles calculées pour le d max des règles PS 92. Cette valeur de déplacement intervient dans le calcul des efforts internes dans l effet cinématique Effets inertiels et/ou cinématiques Au travers des dispositions relatives aux puits et pieux, l Eurocode 8 statue sur l importance relative d un effet sur l autre dans la partie 5 (EC8-5) au paragraphe (1) P et (6) P : «Les moments fléchissants qui se développent en raison de l interaction cinématique doivent être calculés uniquement lorsque toutes les conditions suivantes sont réunies simultanément : - Le profil du sol est de classe D, S 1 ou S 2 et contient des couches consécutives dont la rigidité diffère nettement, - La zone est de sismicité modérée ou forte, c est à dire lorsque le produit a g.s dépasse 0.1g (c est à dire excède 0.98 m/s 2 ), et la structure supportée est de catégorie d importance III ou IV.» La traduction de l ensemble de ces conditions conduit au résultat du tableau I pour les inclusions rigides en zone sismique. Tableau I. Effet cinématique (C) et/ou inertiel (I) à prendre en considération pour les zones sismiques 2 à 5 Zone 2 à 5 Catégories de bâtiments I II III IV A I I I B I I I C I I I D I C+I C+I E I I I S1 I C+I C+I S2 I C+I C+I 583

6 5. Conclusions L objectif d harmonisation des documents techniques se concrétise par la mise en application des Eurocodes. L une des conséquences est la mutation des conditions d exercice des métiers de l ingénierie et de la construction par la nécessité d accroître les synergies entre les professions. Cette interdépendance entre les différents Eurocodes et les textes nationaux demande un temps suffisant de pratique pour apprécier la portée de ces nouveaux outils, comme l illustre l exemple sur les inclusions rigides en zone sismique. 6. Références bibliographiques Arrêté du 29 mai 1997 (JO du 3 juin 1997) relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la catégorie dite «à risque normal» Brûlé S., Javelaud E.H., Ohmachi T., Nakamura Y. and Inoue S. (2010) H/V method used to qualify the modification of dynamic soil characteristics due to ground improvement work by means of heavy compaction process. A case study: the former Givors s glass factory area. 7th International Conference on Urban Earthquake Engineering and 5th International Conference on Earthquake Engineering. 3-5 mars 2010, Japon. Brûlé S., Javelaud E., Pal O., Rizzo A.V. et Brunet-Manquat E. (2009) Le nouveau centre hospitalier d Annemasse et Bonneville (CHIAB) en Haute-Savoie : un projet de renforcement de sol hors norme. Revue Travaux 866. Décret n du 14 mai 1991 relatif à la prévention du risque sismique. NF EN de septembre 2005 : «Eurocode 8 Calcul des structures pour leur résistance aux séismes Partie 1 : Règles Générales, actions sismiques et règles pour les bâtiments». NF EN /NA de décembre 2007 : Eurocode 8 Calcul des structures pour leur résistance aux séismes Partie 1 : Règles Générales, actions sismiques et règles pour les bâtiments - Annexe nationale à la NF EN : NF EN de septembre 2005 : Eurocode 8 Calcul des structures pour leur résistance aux séismes Partie 5 : Fondations, ouvrages de soutènement et aspects géotechniques. NF EN /NA d octobre 2007 : Eurocode 8 Calcul des structures pour leur résistance aux séismes Partie 5 : Fondations, ouvrages de soutènement et aspects géotechniques - Annexe nationale à la NF EN : Projet d'arrêté modifiant l'arrêté du 29 mai 1997 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la catégorie dite "à risque normal". Projet d arrêté du 1 er avril 2008 fixant les règles parasismiques applicables à certaines installations classées et visant à remplacer l arrêté du 10 mai 1993 fixant les règles parasismiques applicables aux installations soumises à la législation sur les installations classées. 584

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