SISMOB : améliorer la connaissance du comportement des ouvrages en bois en situation sismique

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1 SISMOB : améliorer la connaissance du comportement des ouvrages en bois en situation sismique Cet article présente les premiers résultats obtenus sur les panneaux à base de bois en termes de ductilité et de coefficient de comportement, selon la méthode d interprétation relative aux règles de Eurocode 8 «Calcul des structures pour leur résistance aux séismes». Des essais dynamiques seront réalisés pour compléter cette première approche. Pour contacter les auteurs : Carole Faye carole.faye@fcba.fr FCBA Pôle Industries Bois Construction Allée de Boutaut BP Bordeaux Cedex Tél : Stéphane Hameury stephane.hameury@cstb.fr CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment) 84 avenue Jean-Jaurès Champs-sur-Marne Tél : Copyright FCBA INFO, Mars

2 D après les sources de la Direction Départementale des Territoires de l Isère, «La possibilité qu un séisme fort se produise et engendre des victimes et des dégâts importants est avérée en France métropolitaine. Un séisme du même type que celui qui est survenu à Lambesc près de Salon-de-Provence, le 11 juin 1909, pourrait causer de 400 à 1000 morts et 700 millions d euros de coûts économiques directs». En effet, la vulnérabilité des personnes et des biens s est accrue du fait de l augmentation de la population française et de celle des constructions dont l effondrement est l une des causes principales de la mort des personnes. Afin de réduire la vulnérabilité au risque sismique, le Gouvernement a décidé d engager dès l année 2005 le «Plan Séisme», un programme national de prévention du risque sismique. Depuis le 24 octobre 2010, la France dispose d une nouvelle réglementation parasismique, entérinée par la parution au Journal Officiel de deux décrets (1, 2) sur le nouveau zonage sismique national et d un arrêté (3) fixant les règles de construction parasismique à utiliser sur le territoire national. Ces textes permettront l application des nouvelles règles Eurocode 8 : «Calcul des structures pour leur résistance aux séismes» à compter du 1er mai Le territoire national est divisé en 5 zones de sismicité, allant de 1 (zone de très faible aléa) à 5 (zone d aléa fort), représentées sur la carte cicontre. La réglementation s applique dans les zones de sismicité 2, 3, 4 et 5. (1) Décret n du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique (2) Décret n du 22 octobre 2010 portant sur la délimitation des zones de sismicité du territoire français (3) Arrêté du 22 octobre 2010 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la classe dite «à risque normal» Nouveau zonage sismique de la France Copyright FCBA INFO, Mars

3 Ainsi, au niveau réglementaire, l évolution des textes officiels (des codes nationaux PS92 aux codes européens Eurocode 8) implique que le pourcentage de zones sismiques en France métropolitaine passe environ de 20 à 60 %. Dans ce contexte, améliorer la connaissance du comportement en situation sismique des ouvrages bois, dans le but d optimiser leur dimensionnement, est un enjeu important pour les entreprises de la filière. L étude SISMOB, démarrée dés 2008 sur la base d un partenariat entre le CSTB et FCBA concerne plus particulièrement le comportement parasismique des murs à ossature bois. Ce projet se déroule par étapes avec différents financeurs (2008 : financement apporté par le Syndicat des maisons à ossature bois, 2009 : DHUP, : DHUP et CODIFAB). L objectif de cet article est de présenter les résultats obtenus sur les panneaux à base de bois en termes de ductilité et de coefficient de comportement selon deux approches : la première est la méthode d interprétation relative aux règles Eurocode 8 (EN ), la seconde est une nouvelle approche basée sur l énergie proposée dans le cadre de l étude SISMOB. Afin de mieux comprendre l importance des paramètres étudiés : la ductilité et le coefficient de comportement, le paragraphe suivant revient sur les règles Eurocode 8 dans le but rappeler la méthode d analyse élastique utilisant le coefficient de comportement «q». Analyse élastique et coefficient de comportement «q» selon les règles Eurocode 8 La vérification d une structure aux états limites ultimes selon les règles Eurocode 8 peut s effectuer sur la base d une analyse linéaire, afin d éviter les difficultés de calculs liées à une analyse non linéaire des structures. Pour cela, on utilise le spectre de calcul S d (T) intégrant le coefficient de comportement q. Ce coefficient permet de prendre en compte la ductilité de la structure, c est-à-dire sa capacité à résister aux actions sismiques au-delà de son domaine élastique. Copyright FCBA INFO, Mars

4 Le spectre de calcul S d (T) est défini par les quatre expressions données sur la Figure 1, conformément au (4)P de l EN Les valeurs des périodes T B, T C, T D, définissant les limites des branches du spectre de calcul, dépendent de la classe de sol ; elles sont données dans le Tableau 1 (selon l arrêté du 22 octobre 2010). Classes de sol Pour les zones de sismicité 1 à 4 Pour les zones de sismicité 5 T B (s) T C (s) T D (s) T B (s) T C (s) T D (s) A sol rocheux 0,03 0,2 2,5 0,15 0,4 2 B 0,05 0,25 2,5 0,15 0,5 2 C 0,06 0,4 2 0,2 0,6 2 D 0,1 0,6 1,5 0,2 0,8 2 E sol comprenant une couche superficielle d alluvions 0,08 0,45 1,25 0,15 0,5 2 Tableau 1 : Valeurs de T B, T C et T D à prendre en compte pour l évaluation des composantes horizontales du mouvement sismique en fonction des classes de sol (définies dans le tableau 3.1 de l EN ) Ainsi, pour l exemple d une structure située en zone de sismicité 4 (moyenne) sur un sol de type B et dont la période propre est comprise entre 0,05 et 0,25 seconde, la composante horizontale F H de l action sismique pour la méthode d analyse élastique s exprime en fonction de S d (T) par la relation suivante : FH = m S d (T) = m a g S 2,5/q = m 5,4/q N avec : m : masse de la structure, a g = a gr γ i = 1,6 x 1 est l accélération du sol a gr pondérée par γ i le coefficient d importance du bâtiment. Les valeurs des accélérations du sol a gr sont présentées dans le Tableau 2. La détermination des zones sismiques est donnée par le décret du 22 octobre Le coefficient d importance γ i dépend de la catégorie d importance du bâtiment (Tableau 3). S est le paramètre de sol, résultant de la classe de sol (Tableau 4). Copyright FCBA INFO, Mars

5 Zones de sismicité a gr (m/s 2 ) 1 (très faible) (zone blanche) 0,4 Catégories d importance du bâtiment Coefficient d importance γ i 2 (faible) (zone jaune) 0,7 3 (modérée) (zone orange) 1,1 4 (moyenne) (zone rouge) 1,6 5 (forte) (zone violette) 3 Tableau 2 : Valeurs des accélérations de sol selon les zones de sismicité (selon l arrêté du 22 octobre 2010 [3]) I 0,8 II 1 III 1,2 IV 1,4 Tableau 3 : Valeurs du coefficient d importance en fonction de la catégorie d importance du bâtiment. Les catégories de bâtiment sont définies selon l arrêté du 22 octobre 2010 [3]. Classes de sol S pour les zones de sismicité 1 à 4 S pour la zone de sismicité 5 A sol rocheux 1 1 B 1,35 1,2 C 1,5 1,15 D 1,6 1,35 E sol comprenant une couche superficielle d alluvions 1,8 1,4 Tableau 4 : Valeur du paramètre de sol en fonction de la classe de sol selon l arrêté du 22 octobre 2010 [3] La Figure 1 représente les spectres de calcul normalisés (S d (T)/a g ) pour les zones de sismicité 1 à 4, pour un coefficient d importance égal à 1 (valeur correspondante par exemple aux bâtiments d habitation individuelle), pour les cinq classes de sol définies dans la EN Les cinq courbes en pointillé correspondent à une valeur de q égale à 1, les cinq courbes en trait plein correspondent à une valeur de q égal à 3, valeur correspondant aux panneaux de mur cloués de haute ductilité selon l Annexe Copyright FCBA INFO, Mars

6 Nationale. Cette figure montre l importance du coefficient de comportement q, coefficient minorateur des efforts de calcul. 5 4,5 4 3,5 Sd/ag 3 2,5 2 1,5 1 0,5 β= ,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4 Période propre [s] Classe de sol A Classe de sol B Classe de sol C Classe de sol D Classe de sol E Classe de sol A, q= 3 Classe de sol B, q= 3 Classe de sol C, q= 3 Classe de sol D, q= 3 Classe de sol E, q= 3 Figure 1 : Spectres de calcul en zone de sismicité 1 à 4 pour un coefficient d importance égal à 1 et un coefficient de comportement égal à 3 ; β est un coefficient correspondant à la limite du spectre de calcul horizontal. Les limites supérieures des valeurs des coefficients de comportement q et les classes de ductilité pour des exemples de structures bois sont données dans le Tableau 5 qui reprend le Tableau 8.1 de l Eurocode 8. Copyright FCBA INFO, Mars

7 Ductilité Exemples types de structure en bois q DCL Classe de ductilité faible DCM Classe de ductilité moyenne DCH Classe de ductilité élevée Consoles, poutres, arcs avec deux ou trois assemblages brochés ; treillis assemblés par connecteurs Panneaux de murs collés avec diaphragmes collés, assemblés par clous et boulons ; treillis avec assemblages brochés et boulonnés ; structures mixtes composées d une ossature en bois (résistant aux forces horizontales) et d un remplissage non porteur Portiques hyperstatiques avec assemblages brochés et boulonnés 2,5 Panneaux de mur cloués avec diaphragmes collés, assemblés par clous et boulons ; treillis avec assemblages cloués Portiques hyperstatiques avec assemblages brochés et boulonnés 4 Panneaux de mur cloués avec diaphragmes cloués, assemblés par clous et boulons Tableau 5 : Classes de ductilité et coefficient de comportement q. Selon l Annexe Nationale, le coefficient de comportement q des panneaux de murs cloués est limité à la valeur de 3. De plus, concernant les murs à ossature bois, l Eurocode 8 propose de suivre les règles de moyens suivantes permettant de leur affecter la classe de ductilité élevée (DCH) : a) les panneaux de particules ont une masse volumique d au moins 650 kg/m 3 ; b) les panneaux de contreplaqué ont une épaisseur d au moins 9 mm ; c) les panneaux de particules ou de fibres ont une épaisseur d au moins 13 mm. 1, Les dispositions suivantes doivent être respectées : le diamètre maximum d des organes de fixation est de 3,1 mm et l épaisseur minimum du panneau est de 4d. En revanche, aucune règle de moyens permettant d affecter une classe de ductilité élevée n est proposée pour les murs à ossature bois avec panneaux OSB, alors qu ils représentent environ 80 % du marché français de la maison à ossature bois, devant les panneaux de particules et de contreplaqué. Copyright FCBA INFO, Mars

8 SISMOB : résultats et perspectives Ainsi, dans l étude SISMOB, des essais cycliques selon la NF EN 12512, conformément au (5) de l EN , ont été réalisés sur des éléments de murs à ossature bois en OSB et en panneaux de particules selon la configuration d essais de la EN 594, afin : d évaluer la classe de ductilité des panneaux OSB, et de mener des essais comparatifs avec des panneaux de particules réputés de classe de ductilité élevée. L objectif de ce paragraphe est de présenter les essais cycliques menés sur les panneaux OSB et de particules et les résultats obtenus en termes de ductilité et de coefficient de comportement selon deux approches : la première est la méthode d interprétation relative aux règles Eurocode 8, la seconde est une approche alternative basée sur l énergie proposée dans le cadre de SISMOB. Essais cycliques sur panneaux de murs Les essais cycliques ont été menés sur des panneaux de type OSB et panneaux de particules pour les quatre configurations suivantes : configuration (1) : 4 essais sur panneaux OSB d épaisseur 9 mm / pointes de diamètre d=2,1 mm et de longueur l=45 mm ; configuration (2) : 2 essais sur panneaux OSB d épaisseur 12 mm / pointes de diamètre d=2,1 mm et de longueur l=45 mm ; configuration (3) : 4 essais sur panneaux de particules d épaisseur 10 mm / pointes de diamètre d=2,5 mm et de longueur l=50 mm ; configuration (4) : 2 essais sur panneaux de particules d épaisseur 16 mm / pointes de diamètre d=2,5 mm et de longueur l=50 mm ; L essai monotone (Figure 2) est réalisé conformément à la norme NF EN 594 pour déterminer V Y et V U, les glissements limite et ultime. Les essais cycliques (Figures 3 et 4) sont réalisés selon les cycles de chargement conformes à la norme NF EN Copyright FCBA INFO, Mars

9 Figure 2 : Courbe expérimentale Force=fonction(V) de l éprouvette en panneaux de particules de 10 mm pour l essai monotone selon la NF EN 594 ν ,25νy 0,50νy ,75νy 1,00νy 2,00νy 4,00νy 5000 Force en N t Déplacement en mm Figure 3 : Cycles de déplacements selon la NF EN Le glissement limite V y est déterminé à partir de l essai monotone réalisé conformément à la norme NF EN 594. Figure 4 : Courbe Force=f(déplacement) pour l ensemble des cycles selon NF EN et courbe enveloppe en rouge pour l éprouvette en panneaux de particules de 10 mm Copyright FCBA INFO, Mars

10 Figure 5 : Dispositif d essai cyclique Figure 6 : Cisaillement des pointes et déplacement des panneaux Détermination de la ductilité cyclique et du coefficient de comportement q selon l approche EC8 La ductilité est déterminée à partir de la plus grande valeur du glissement pour laquelle la réduction de résistance obtenue sous 3 cycles complets à un même déplacement ne dépasse pas 20 %. Le Tableau 6 présente, pour les essais sur panneaux OSB et panneaux de particules, la classe de ductilité et le coefficient de comportement q selon la démarche Eurocode 8. MURS Ductilité EC8 (niveau VY sans chute de 20%) Classe de ductilité EC8 q EC8 OSB 9 mm OSB 12 mm P 10 mm 1 <D<2 2 <D<4 2 <D<4 DCL DCL DCL 1,5 1,5 1,5 P 16 mm 2 <D<4 DCL 1,5 Tableau 6 : Résultats d essais (SISMOB) pour les panneaux OSB et de particules selon la démarche de l EN Quels que soient l épaisseur et le type de mur testé, cette approche aboutit à classer les murs en classe de ductilité limitée (DCL), y compris pour les panneaux Copyright FCBA INFO, Mars

11 de particules de 16 mm que les règles de moyens de l EN classent en ductilité élevée (DCH). Ces résultats mettent en évidence que l approche proposée par les règles Eurocode 8, initialement développée pour quantifier la ductilité des assemblages seuls (zones dissipatives), n est pas adaptée à l analyse du comportement de composants de murs. Détermination de la ductilité cyclique et du coefficient de comportement q selon l approche alternative en énergie Cette méthode est basée sur la procédure suivante (Figure 7) : élaboration de la courbe enveloppe des essais cycliques de la structure et de la courbe élasto-plastique équivalente en énergie selon la norme ASTM E 2126, détermination du coefficient de comportement q selon le principe d égalité en énergie entre la courbe élasto-plastique et le modèle linéaire équivalent. Figure 7 : Courbes enveloppe et élasto-plastique selon ASTM E 2126 et modèle linéaire équivalent. Les courbes cycliques ne sont pas représentées pour une facilité de lecture. Le Tableau 7 présente, pour les essais sur panneaux OSB et panneaux de particules, la classe de ductilité et le coefficient de comportement q obtenus par cette approche. Copyright FCBA INFO, Mars

12 MURS Dc, Ductilité cyclique de la courbe enveloppe (ASTM E 2126) q OSB 12 mm P 10 mm P 16 mm 3,6 2,5 3,1 2,3 5,6 3,2 Tableau 7 : Valeurs moyennes de ductilité et de q déterminées à partir de l approche en énergie Les principales conclusions sont les suivantes : la valeur de q=3,2 obtenue pour les panneaux de particules de 16 mm correspond à la classe de ductilité élevée attendue pour ces panneaux selon les règles de moyen de l EC8, la valeur de q=2,5 obtenue pour les panneaux d OSB de 12 mm correspondrait à la classe de ductilité moyenne, cette méthode permet de déterminer des valeurs de ductilité et de coefficient de comportement différentes pour les essais menés sur les panneaux de particules en 10 et 16 mm, ce qui n était pas le cas avec l approche de l Eurocode 8. Cependant, cette approche présente le problème suivant : la détermination de V Y s effectue selon la norme ASTM E 2126, mais d autres méthodes sont communément utilisées aux États-Unis, au Japon et en Australie. Or, les valeurs de la ductilité et du coefficient de comportement sont directement dépendantes des valeurs du glissement limite V Y. Ainsi, les valeurs du coefficient de comportement q obtenues par d autres méthodes peuvent être supérieures ou inférieures d environ 30 %. Ainsi, il est nécessaire de calibrer ce critère en énergie. Pour cela, des essais sous sollicitations dynamiques sur éléments de murs à ossature bois permettraient de connaître leur comportement réel ainsi que d évaluer un coefficient de comportement. Il est prévu de réaliser ces essais dans une phase suivante de ce programme prévue en au Laboratoire de Copyright FCBA INFO, Mars

13 Mécanique de FCBA qui dispose d une table vibrante depuis novembre 2010 (Figure 8). Figure 8 : Table vibrante pour essais dynamiques au Laboratoire Mécanique de FCBA Copyright FCBA INFO, Mars