Méthodes d évaluation de la vulnérabilité sismique du bâti existant. Philippe GUEGUEN. Laboratoire de Geophysique Interne et Tectonophysique Grenoble

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1 Méthodes d évaluation de la vulnérabilité sismique du bâti existant Philippe GUEGUEN Laboratoire de Geophysique Interne et Tectonophysique Grenoble En collaboration avec R. Perruzzi, C. Martin, S. Podesta

2 Plan de l exposé 1. Pourquoi évaluer la vulnérabilité du bâti existant et pourquoi est-ce difficile? 2. Comment évaluer la vulnérabilité du bâti existant et comment la représenter? 3. Quelles sont les pratiques en Suisse/Italie/ France?

3 Risque sismique Kant: première origine physique des tremblements de terre Voltaire: la fatalité des catastrophes naturelles Rousseau: première réflexion sur la responsabilité de l Homme face aux risques naturels Séisme de Lisbonne 1 er novembre 1755

4 Aléa sismique et milieu urbain

5 Risque sismique en milieu urbain 1. Peu de mégalopoles dans leur configuration actuelle ont déjà subi des tremblements de terre majeurs Extreme catastophes have been rare only because the exposure of modern megacities to earthquake hazard has been relatively short (#50 years): an increase in the number of such catastrophes now seems to be inevitable. Jackson, Philosophical Transactions of the Royal Society, La qualité du bâti existant ne s est pas améliorée depuis 50 ans Spence and Coburn, 2002

6 Prédire les dommages sismiques Mexico City 1985 Turquie 1999 Kobe 1995

7 Pourquoi évaluer la vulnérabilité du bâti existant? 1. Représenter et sensibiliser - les dommages probables dans une ville - sensibiliser les pouvoirs publics - simuler les crises sismiques Premières pratiques dans des pays exposés à des niveaux d aléa élevés et ayant d importantes agglomérations (USA, Italie, Japon, Turquie...) Dans les pays à sismicité modérée, pouvoir comparer les risques entre eux (naturels, sanitaires, industriels, domestiques...)

8 Pourquoi évaluer la vulnérabilité du bâti existant? 2. Identifier, évaluer et renforcer - Identifier les bâtiments les plus vulnérables aux séismes (inventaire sismique) - organiser la stratégie de renforcement - planifier et évaluer (coût, durée) les actions de renforcement Méthodes de l ingénierie, encouragées aussi par les équipements et installations arrivant en fin de vie

9 Pourquoi est-ce si difficile? - Quantité des bâtiments existants concernés (échelle d un parc immobilier, d un quartier, d une ville...) - Grande variété des types de bâtiments (réponse variable) - Difficulté de décrire la structure dans sa totalité (manque de plans, de note de calcul, de description des fondations...) - Bien appréhender le comportement sismique d'une structure existante est bien plus difficile que de la dimensionner.

10 Pourquoi est-ce si difficile? faible renouvellement parcs très hétérogènes aucune prescription parasismique LE BATI ANCIEN parcs vastes et étendus un minimum d informations disponibles dispositions constructives variables

11 Pourquoi est-ce si difficile? Probabilité conditionnelle d atteindre un niveau de dommage (P(LS D=d) Incertitude faible Incertitude importante Incertitude nulle (modèle déterministe) σ = σmod + σseuil + σalea σmod : modèle de comportement σseuil : paramètre dʼendommagement σalea : indicateur de nocivité Demande sismique D (alea)

12 Pourquoi est-ce si difficile? moyens mis en œuvre + - Echelle d analyse Plusieurs centaines de bâtiments Quelques bâtiments Bâtiments individuels Méthodes Applicabilité Moyens humains Vulnérabilité EMS98 Indice de Vulnérabilité Avis des experts Mesures et essais Calculs analytiques simples Ville Commune Quartier Parcs immobiliers Bâtiments Stratégiques Grenoble Centre Ville HLM-Ecoles Centrales Nucléaires Analyse numérique modélisation Etudiants-Techniciens-Architectes-Ingénieurs-Ingénieurs confirmés-chercheurs

13 Comment évaluer la vulnérabilité du bâti existant? Vulnérabilité collective: - Basée sur des retours d expérience - Approche empirique - Approche statistique: recherche des données de base représentation des résultats - Trois méthodes originelles (USA/Italie/EMS98) et des émanations à d autres pays. - Objectifs: scénario sismique, sensibilisation, information

14 Source : EMS98 Les méthodes collectives Définition d une typologie Définition d une fonction d endommagement par type Définition d une échelle de dommage Intensité VI : de nombreux bâtiments des classes A et B subissent des dégâts de degré 1. Quelques uns de classes A et B subissent des dégâts de degré 2. Quelques uns de classe C subissent des dégâts de degré 1.

15 Source : GNDT Vertical Les méthodes collectives Horizontal 1 Pierre brutes Voûte 2 Pierre taillée Bois 3 Maçonnerie Acier 4 Béton armé Béton armé Exemple de matrice de probabilité d endommagement pour un type de construction Niveau de dommage Description 1 Aucun 2 Insignifiant 3 Léger 4 Considérable 5 Sérieux 6 Très sérieux 7 Destruction partielle 8 Destruction totale

16 Comment évaluer la vulnérabilité du bâti existant? Vulnérabilité individuelle: - Basée sur l analyse mécanique des structures - Approche mécanique - Collecte de données plans indispensables essais et calculs - Méthodes par typologie (famille de construction) ou par bâtiment seul. - Objectifs: Evaluation des dommages, en fonction d un niveau de performance à atteindre, pour du confortement.

17 Les méthodes individuelles Méthodes et modèles de calcul: -Calculs statiques équivalents (Push-Over adaptatif) ou calculs dynamiques temporels -Modèles simplifiés de béton armé et de remplissage Points de performance Modèle simplifié de bâtiment Hypothèse de calcul pour les poteaux b.a.

18 Les méthodes individuelles Hôtel de Ville Push Over de Grenoble Hotel de Ville - Grenoble Projet ANR ARVISE Team 1 Team 2 Team 1 Team Bâtiment bien documenté Informations communes M é t h o d e m é c a n i q u e s (Push-Over) Force MN Incertitudes importantes Displacement Ux (cm) Displacement Uy (cm)

19 Comment évaluer la vulnérabilité du bâti existant? Vulnérabilité individuelle pour une évaluation collective: - Basée sur des retours d expérience - Approche empirique - Approche statistique: recherche des données de base représentation des résultats utilisation d informations déterministes pour une représentation collective - Objectifs: scénario sismique, sensibilisation, information et inventaire sismique pour identifier les priorités

20 Les méthodes collectives Approche statistique: recherche des données de base par bâtiments représentation des résultats par secteurs Grenoble Lourdes

21 Source : ATC21 Les méthodes individuelles pour une représentation collective

22 Les méthodes individuelles pour une représentation collective Source : ATC21 Classement de la structure suivant son type. Recherche visuelle de critères Fragilisant la structure Calcul de l indice de vulnérabilité de base puis de la vulnérabilité modifiée Identification vis-à-vis d un niveau de performance à atteindre SVH ou FI en fonction de la classe du bâtiment (A, B, C, D). Identifier les priorités Si conforme: OK Si non-conforme : niveau d analyse supérieur (calcul)

23 Quelles sont les pratiques en Suisse/Italie/ France? - En fonction des classes de bâtiments: fonction, importance, type de construction - En général, approches gigognes: - Niveau inférieur : quelques informations, peu de compétences nécessaires, 1 journée pour un quartier - Niveau intermédiaire: précisions des informations, compétences requises, 1 journée pour un bâtiment - Niveau supérieur: données précises, plans, ingénieur spécialisé, 1 semaine ou plus par bâtiment

24 Pratique Suisse Directives de l OFEG (OFEN depuis 2006) - Procédures communes, établies et reconnues - Pas de caractère obligatoire: recommandations et fil conducteur - Appliquées sur les bâtiments de la confédération et de plusieurs cantons (bâtiments publics) - 3 étapes: - Etape 1: identifier les priorités pour un grand nombre de bâtiments (vulnérabilité individuelle pour une représentation collective) - Etape 2: introduire des calculs d ingénieur pour définir des priorités pour une étude détaillées (défauts et le niveau de conformité). - Etape 3: réponse définitive, en établissant un niveau de risque acceptable pour les personnes, selon la valeur de l ouvrage et les mesures à apporter (renforcement).

25 Pratique Suisse Directive de l OFEG

26 Pratique Suisse Directive de l OFEG Etape 1: Importance de l ouvrage Niveau de sismicité Critères visuels structuraux (analyse sur plan) Indicateurs pour la définition des priorités C est une analyse du risque

27 Pratique Suisse Critères de décision indicateur WZ signale les bâtiments qui s'effondreront le plus probablement lors d'un tremblement de terre et ceux où l'assainissement de la structure porteuse permettrait de réduire les risques. indicateur AZPS met en évidence l'ampleur prévisible des dommages. Elle signale notamment les cas où les risques dépendent surtout de la valeur du bâtiment et de son usage.

28 Pratique Suisse Exemple: Parc immobilier de l EPFL - 69 bâtiments Etape 1: 11 bâtiments ont les critères pour une analyse plus détaillée (16%) Coût: 20 jours (200 h d enquêtes) ingénieurs + 90 h pour analyse et rapport ====> 440 euros/bâtiment Etape 2: inutile devant le petit nombre de bâtiments (11) Etape 3: 0 bâtiment en situation la plus défavorable (< αmin = 0.25) 7 bâtiments en situation intermédiaire (0.25 < αmin < 0.80), 1 nécessitant un renforcement 4 bâtiments conformes (αmin > 0.80) Coût: 150 h ingénieurs / bâtiment ====> euros/bâtiment

29 Pratique Française Pas de référentiels réglementaires, uniquement des initiatives par projet Pas de pratiques communes. Méthode RisKUE et VULNERALP: Pas de décisions finales Uniquement une représentation de la vulnérabilité Projet SISMO-DT Expression des besoins d une collectivité locale (la ville de Grenoble) Méthode AFPS Vulnérabilité individuelle, dire d expert, pour évaluation de la vulnérabilité (~diagnostic) Etudes actuelles GEOTER/LGIT: La simplicité de VULNERALP/RiskUE niveau 1 semble suffisante pour une évaluation des priorités

30 Pratique Française Une initiative du ministère de l environnement Proposition de Recommandation CEPPRS Objectifs: introduire la vulnérabilité dans les Plans de Prévention du Risque Sismique 1. Méthode gigogne: inventaire sismique gigogne, depuis une étape collective (RiskUE/VULNERALP...) identique à l étape 1 de l OFEG puis passer à un niveau supérieur pour les bâtiments C et D 2. Méthode mécanique pour les bâtiments de classe C et D 3. Avis sur la sécurité de l ouvrage

31 Pratique Française Proposition de Recommandation CEPPRS O N F I D E N T I E L

32 Pratique française : exemple des écoles des Antilles Parc immobilier des écoles publiques 310 établissements, 1700 bâtiments, plus de m², plus de élèves. Etape 1 : Coûts des études (aléa/vulnérabilité/risque/pertinence des renforcements) en premier niveau d analyse : 2,7 M 8700 /établissement en moyenne 1800 /bâtiment Etape 2 : les bâtiments identifiés en priorité P1 (risque humain le plus élevé) passent progressivement en étude de programmation (diagnostics et études d ingénierie complémentaires), préalablement à la réalisation. Coût variable selon la complexité : de à Euros/bâtiment. NB : pour des bâtiments plus compliqués (cas des lycées, les coûts précédents sont en moyenne augmentés de 25 %).

33 Pratique Italienne Pas de méthode standard mais des recommandations pour l utilisation de méthodes scientifiquement validées (Guides méthodologiques) Méthode de vulnérabilité et risque en prévision de renforcement. Le code de construction Italien (DM 14 janvier 2008) distingue: - les bâtiments historiques (cultural heritage): sous la responsabilité du ministère des monuments historiques - les bâtiments ordinaires: sous la responsabilité des Services Techniques de la Province

34 Pratique Italienne Les bâtiments historiques (cultural heritage): sous la responsabilité du ministère des monuments historiques Guide méthodologique: Guidelines for valuation and decrease of seismic Hazard of cultural heritage, Directive P.C.M 12 Octobre niveaux : LV1 : planification des interventions de renforcement - analyse de risque LV2 et LV3: définition des interventions et des travaux

35 Pratique Italienne Les bâtiments historiques (cultural heritage) 2 approches différentes: - macrosismiques - basées sur des retours d expérience (méthodes empiriques) - mécaniques - basées sur des relations force-déplacement (courbe de capacité) pour décrire la réponse globale (déterministe) 3 méthodologies différentes en fonction de la fonction de la structure (la fonction fait le type): - Méthode déterministe pour les Palaces et les Tours (mécanique) - Méthode statistique pour les églises (retours d expériences).

36 Pratique Italienne Les bâtiments historiques (cultural heritage): La méthode LV1 propose des méthodes simplifiées (mécaniques) pour évaluer le dommage probable pour un niveau d accélération, en fonction du type de construction et de sa fonction (~ son type). Enquêtes de paramètres décrivant la structure: entretien, irrégularités, positionnement.

37 Pratique Italienne Les bâtiments historiques (cultural heritage): Niveau 1 - LV1: 2-3 jours par bâtiment Données de base: inspections, détails constructifs, qualité de la maçonnerie. Données complémentaires: information historique, documents Résultats: analyse du risque, probabilité de ruine, de dommage, pour chaque niveau de dommage, décision à prendre... Seismic safety Index Is: aslu : capacité de la structure exprimée en vitesse ultime du sol correspondant à la limite de dommage considéré ag :accélération réglementaire du sol ag ϒ : importance de la structure S: coefficient de site

38 Pratique Italienne Les bâtiments historiques (cultural heritage): Niveau 2 - LV2-LV3: 15 jours par bâtiment Données de base: inspections, détails constructifs, qualité de la maçonnerie in-situ. Données complémentaires: information historique, documents, plans Résultats: Evaluation de la vulnérabilité sismique et définition du renforcement... Analyse pour un seul bâtiment

39 Pratique Italienne Les bâtiments ordinaires : sous la responsabilité du service technique de chaque province. Pas de méthode unique mais un ensemble de méthodes disponibles dans la littérature italienne. Par exemple: Lagomarsino and Giovinazzi (2006) et Bernardini et al. (2007) Essentiellement des études de vulnérabilité et de risque pour un aléa en intensité macro-sismique: à l échelle d une municipalité. Méthode empirique (retours d expérience): GNDT, RISK-UE Enquêtes visuelles: dispositions constructives, irrégularité, contreventement, état d entretien etc...

40 Pratique Italienne Exemple d application suite au séisme de Molise dans la région de Molise. Nombre de bâtiments: 250 (démarrage 31/12/2007) (écoles) Ressources: 6 mois - 50 techniciens Méthodologies: VC pour le béton et VM pour la maçonnerie (méthodes empiriques, disponible dans la liste des méthodes validées) Résultats: haut niveau de risque = 29% moyen niveau de risque = 36% faible niveau de risque = 35% Conclusions (préliminaires): 50 bâtiments sans actions de renforcement 75 bâtiments à renforcer 5 bâtiments à détruire

41 Conclusions Le bâti existant n est pas toujours vulnérable Faire preuve de pragmatisme : niveau de risque acceptable (le besoin des propriétaires) et comparaison avec d autres risques Evaluation pour proposer du renforcement (ne se substitue pas aux décisions politiques) Pas d évaluation parfaite (incertitude)

42 Conclusions Etape indispensable: méthode sommaire, qui doit conduire à des indicateurs de décision pour des grands parcs immobiliers Ne pas s arrêter à l étape préliminaire Distinguer les méthodes empiriques des méthodes mécaniques: complémentaires mais pas en opposition. Préciser les compétences nécessaires (Evaluation = technicien - Renforcement = ingénieurs)