LES «BUILDING CODES» ET LE POSTE DE TRANSFORMATION

LES «BUILDING CODES» ET LE POSTE DE TRANSFORMATION Loïc VIEU-VIENNET, Schneider Electric, France, loic.vieu-viennet@schneider-electric.com Thierry CORMENIER, Schneider Electric, France, thierry.cormenier@schneider-electric.com ABSTRACT Le présent papier a pour but de mettre en évidence le cadre normatif voire règlementaire de la construction intégrant les règles de dimensionnement dans lequel s inscrivent les enveloppes des produits électriques «Postes de transformation préfabriqués haute tension / basse tension». KEYWORDS CEI 62271-202, Postes préfabriqués HT/MT MT/BT, Eurocodes, Béton INTRODUCTION Les «building codes» sont des ensembles de règles qui spécifient le niveau minimum acceptable de dimensionnement d un ouvrage. Leur but principal est de sécuriser l'ouvrage et donc l occupant et le matériel à l'intérieur en garantissant une durée de vie sans perte d'intégrité. Dans le monde de la distribution de l'énergie électrique les bâtiments abritant les postes de transformation des éléments doivent, durant leurs phases de conception, répondre à une analyse croisée entre les normes CEI et les «building codes». Le poste préfabriqué HT/BT étant un ouvrage d art, il est dimensionné par calcul conformément à la CEI 62271-202 en utilisant ces "building codes. Il existe plusieurs «building codes» développés par des groupements d experts, EUROCODES (Europe), IBC (international Building code US), ASCE (American society of Civil Engineering) qui deviennent des normes ou des règlements après décrets des instances de chaque pays. Chaque règlementation a une approche similaire des comportements physiques, mais se différenciant par des coefficients et des méthodologies historiques. Concevant en zone Europe ce seront les EUROCODES qui seront principalement cités dans les différents exemples de l article. Ceux-ci ont pour vocation d harmoniser les «building codes» des pays Européens et ont le statut de norme nationale depuis 2005.Toutes les normes nationales en contradiction seront retirées au plus tard en 2010. LES EUROCODES Les EUROCODES traitent des différents types d ouvrage de construction (Béton armé, structure en acier, mixte, bois, maçonnerie, aluminium) en définissant les règles générales de calcul selon la méthode des états limites. Celles-ci donnent des valeurs pour les actions, comme le poids propre et autres charges fixes, les surcharges (charges d'exploitation), les actions dues au feu, à la charge de la neige, aux effets du vent, aux influences thermiques, au trafic,... La méthode de calcul «aux états limites» se fonde sur une approche semi-probabiliste et l usage de coefficients partiels de sécurité associés, d une part aux résistances et d autre part aux actions, qui traduisent les différentes incertitudes liées aux propriétés des matériaux et à la réalisation de l ouvrage. On défini deux états limites, l Etat Limite de Service (ELS) correspondant à des conditions au-delà desquelles les exigences d aptitude au service spécifiées pour la structure ne sont plus satisfaites et l Etat Limite Ultime (ELU) correspondant au maximum de la capacité portante de l ouvrage. Cette méthodologie de calcul est approuvée mondialement et est à la base des principaux «building codes». Malgré des règles communes, chaque pays d Europe possède une annexe nationale définissant leurs déviations par rapport aux valeurs recommandées. Ainsi, les valeurs de calculs dues au vent, à la neige ou voire aux séismes sont différentes selon les pays. APPLICATIONS DES EUROCODES Conformément aux règles du Comité Européen de Normalisation (CEN), AFNOR, membre français du CEN, procède depuis avril 2010 à l annulation des normes nationales en contradiction avec les normes européennes de la série des Eurocodes. La Commission Générale de NORmalisation du BÂTiment en charge des DTU du bâtiment, dans son communiqué du 28 avril 2010, a annoncé sa décision de retirer de la liste des DTU en vigueur les règles DTU de calcul suivantes : règles AL, BAEL, BPEL, CB71, CM66, P22-703, N84 et NV65. En mars 2010, le Ministère de l Economie de l Industrie et de l Emploi a publié une recommandation sur la référence aux Eurocodes dans les marchés publics relatifs aux ouvrages de construction qui les rend obligatoires et vont 1

devenir de-facto un standard pour le marché privé. Les Eurocodes doivent remplacer les codes nationaux existants. De plus, chaque pays pourra éditer une Annexe Nationale qui référencera les particularités du pays Pour le Génie civil, des discussions sont en cours pour mettre à jour la liste des fascicules. Certains documents restent disponibles de façon transitoire en raison de la réglementation française relative aux aspects «Comportement au feu» et «Prévention du risque sismique». Comportement au Feu L arrêté du 14 mars 2011 relatif à la résistance au feu des produits, éléments de construction et d ouvrages, modifie l arrêté du 22 mars 2004, notamment en ce qui concerne la citation des normes Eurocodes. Ce texte permet en outre l utilisation des normes sur calcul du comportement au feu actuelle pendant trois ans après sa publication. Après le mois de mars 2014, ces documents ne seront plus applicables et seules les normes Eurocodes pourront être utilisées. Prévention du Risque sismique Les trois textes réglementaires suivant ont abrogé 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» : Décret n 2010-1254 du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique; Décret n 2010-1255 du 22 octobre 2010 portant délimitation des zones de sismicité du territoire français ; 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» A partir de novembre 2011, seules les normes Eurocodes 8 de la série NF EN 1998 pourront être utilisées. L EUROCODE 2 : calcul des structures en BETON L EUROCODE 2 s applique au calcul des bâtiments et des ouvrages de génie civil en béton armé ou non armé, ou en béton précontraint. Il est conforme aux principes et exigences de sécurité et d aptitude au service des ouvrages et aux bases de calcul et de vérification données dans l EUROCODE 0 (Bases de calcul des structures). L EUROCODE 2 ne traite que ce qui concerne, les exigences de résistance mécanique, d aptitude au service, de durabilité et de résistance au feu des structures en béton. Elle traite aussi des caractéristiques minimales des matériaux utilisés, ainsi que leur mise en place. Le béton utilisé doit être conforme à l EN 206-1 qui définie le béton avec une approche performancielle. En effet, cette norme définie les caractéristiques minimales d un béton en fonction de 5 classes que l on nomme classe de résistance à la compression, classe de consistance définissant la rhéologie du béton à l état frais, classe de chlorure définissant le pourcentage de chlore, le diamètre du plus gros granulat et la classe d exposition définissant le milieu auquel le béton sera exposé. Ainsi, les propriétés des matériaux sont représentées par des valeurs caractéristiques de résistance et la notion de durabilité définie par l enrobage des aciers est directement liée à la classe d exposition du béton. Les aciers aussi doivent être conformes à la norme EN 10080 qui précise leur résistance mais aussi leur ductilité. Les enrobages dépendent de la qualité du béton, des conditions d adhérence et d environnement mais désormais de «la durée d utilisation de projet», définie dans l Eurocode 0, et ensuite de l agressivité du milieu prise en compte en fonction des conditions d environnement définies par «les classes d exposition» introduites par l EN 206-1. C est dans cette norme EN 206-1 que l on trouvera le béton approprié. Mais c est dans l Eurocode 2 que sera défini l enrobage des aciers. A l Etat Limite de Service (ELS), la grande nouveauté est la maîtrise de la fissuration. Il s agit du calcul de la largeur de la fissure pour la limiter en fonction du type de structure (cuvelage par exemple) et de la classe d environnement par rapport aux notions de fissurations préjudiciables ou non préjudiciables utilisées précédemment. LE BETON EN 206-1 La norme NF EN 206-1 s applique à tous les bétons de structure réalisés en centrales de Béton Prêt à l Emploi ou en usine de préfabrication. Elle est l aboutissement de 20 ans de travail conduit par le Comité Européen de Normalisation, et constitue une avancée significative à plusieurs titres : - elle favorise l amélioration et l harmonisation de la qualité et de la durabilité des bétons - elle tient compte de nouvelles avancées technologiques - elle prend mieux en compte l environnement des ouvrages - elle impose la transparence sur les résistances - elle établit des critères de conformité plus rigoureux - elle impose des contrôles plus fréquents. Il s agit de béton pour lequel les propriétés requises et les caractéristiques supplémentaires sont spécifiées au producteur qui est responsable de fournir un béton satisfaisant à ces exigences. Figure 1. Exemple de désignation d un béton conforme à la norme EN 206-1 2

Classes de résistance à la compression La classe de résistance à la compression des bétons à 28 jours est désignée par la lettre C de Concrete suivi de deux nombres correspondant aux résistances mesurées respectivement sur éprouvettes cylindriques et cubiques (par exemple C 40/50 ; C60/75). Dimension des granulats Le béton est spécifié selon la dimension maximale des granulats. La classification est fonction de la dimension nominale supérieure du plus gros granulat présent dans le béton. Classes de consistance Les consistances peuvent être spécifiées par différents essais, affaissement, temps VEBE, indice de serrage ou diamètre d étalement. La consistance pour les bétons autoplaçant est mesurée par un essai d étalement réalisé à l aide du cône d Abrams Figure 2. Presse pour essai de compression du béton Classes d exposition La norme NF EN 206-1 définit 18 classes d exposition regroupées par risqué de corrosion ou d attaques dépendant des actions et conditions environnementales auxquelles le béton de l ouvrage, ou de la partie de l ouvrage, est soumis. À ces classes sont associées des exigences minimales que le béton doit respecter. - X0 : Aucun risque de corrosion - XC 1 à 3 : Carbonations - XD 1 à 3 : Corrosion due aux Cl- - XS 1 à 3 : Corrosion avec eau de mer - XF 1 à 3 : Gel/Dégel - XA 1 à 3 : Attaque chimique Figure 4. Essai d étalement pour mesurer la consistance d un béton auto-plaçant Classes de chlorures Quatre classes de chlorures sont définies dans la norme NF EN 206-1 (0,20, 0,40, 0,65 et 1,0). Ce rapport correspond à la teneur maximale en ions Cl rapportée à la masse de ciment. LES ACIERS EN 10080 La norme de référence des aciers pour l armature du béton est la norme NF EN 10080 (Aciers pour l armature du béton. Acier soudable pour béton armé. Généralités). Cette norme est le support pour le marquage CE des aciers pour béton armé qu ils soient lisses, à empreintes ou à verrous. Elle concerne les aciers soudables pour béton armé sous forme de barres, couronnes, produits déroulés, treillis soudés et treillis raidisseurs. Elle ne contient pas de niveau de performance des produits et doit être utilisée en liaison avec une «spécification de produit». Cette spécification peut être d origine européenne (TS 10081, Annexe C de l Eurocode 2, NF EN 1992-1-1 ou Annexe N de la norme NF EN 13369) ou d origine nationale (NF A 35-080). Figure 3. Illustrations des différentes classes d exposition d un béton Figure 5. Diagramme des choix du comportement de l acier 3

La norme NF A 35-080 spécifie les prescriptions relatives aux barres et couronnes soudables, en acier pour béton armé de nuances B500A, B500B, B450B et B450C, de diamètre nominal 5 mm à 56 mm, en conformité avec les prescriptions générales fixées par la norme NF EN 10080. Les actions accidentelles dynamiques telles que les chutes ou coups de vent peuvent être modélisées par une amplitude, une période ou une durée comme le montre la figure 8. Elles sont pondérées par des coefficients régis par les «building code» pays. Figure 6. Caractéristiques des nuances d acier à béton La norme de référence pour les armatures du béton est la norme NF A 35-027 (Produits en acier pour le béton armé. Armatures).Les prescriptions de cette norme concernent l ensemble des caractéristiques des armatures. Elles ne s appliquent qu en l absence de spécifications différentes mentionnées sur les plans ou dans les pièces écrites visant les armatures Figure 8. Description d action mécanique sur l ouvrage Les données d entrées peuvent être issues d essai voire d enregistreurs d accélération ou de chocs comme le montre la figure 9. METHODOLOGIE DE CALCUL Après avoir définis les matériaux en conformité avec les normes ci-dessus, l enveloppe peut être dimensionnée dans les différentes phases de sa vie comme le démoulage, le stockage en usine, le levage, le transport et l exploitation Figure 7 Exemple de modélisation pour le calcul 3D par éléments finis L outil de calcul dédié aux activités de génie civil prend en considération les différentes combinaisons de cas de charges imposées par la règlementation, où ne seront retenus que les plus contraignants. Ces cas de charges intègrent les coefficients de sécurité et les actions suivantes : G= actions permanentes (poids propre de l enveloppe et des équipements, poussées des terres) Q= actions variables dominantes (charge d exploitation) Qi= actions variables d accompagnement (vent, neige ) A= actions accidentelles (charge sismique ou pression du vent accidentelle) Figure 9. Essai de chute de 10cm et enregistrement d accélération lors d un transport maritime Le calcul évaluera les contraintes et dimensionnera les sections d aciers, mais cela n est pas suffisant car les «building codes» définissent aussi les dispositions constructives. Ce sont des règles de façonnage, d ancrage et de liaisonnage des aciers. Combinaison de cas de charge à l États Limite de Service: Caractéristique G+Q+0.7Qi Fréquente G+07Q+0.6Qi Quasi-permanente G+0.6Q Combinaison de cas de charge à l États Limite Ultime: EQU (équilibre statique) 1.35G+1.50Q+1.05Qi STR/GEO (rupture/déformation) 1.35G+1.05Q Figure 10. Dessin 3D d une liaison de 2 faces Combinaison de cas de charge à l États Limite Ultime Accidentelle (ELUA) : Accidentelle 1 G+0.60Q+A Accidentelle 2 G+A 4

L EUROCODE 8 : CALCUL DES STRUCTURES AU SEISME paramètres fondamentaux d une étude sismique sont la connaissance des actions sismiques, du type d ouvrage et de la nature du sol. La France dispose depuis le 24 octobre 2010 d une nouvelle réglementation parasismique, confirmée par la parution au Journal Officiel de deux décrets sur le nouveau zonage sismique national et d un arrêté fixant les règles de construction parasismique à utiliser pour les bâtiments de la classe dite «à risque normal» sur le territoire français. Ces textes permettront l application de nouvelles règles de construction parasismique telles que les règles Eurocode 8 à compter du 1er mai 2011. L évolution des connaissances scientifiques a engendré une réévaluation de l aléa sismique et une redéfinition du zonage en se fondant principalement sur une approche de type probabiliste (prise en compte des périodes de retour). Ce nouveau zonage facilite l application des nouvelles normes de construction parasismique Eurocode 8 fondées sur une approche de ce type et permet une harmonisation des normes françaises avec celles des autres pays européens. Le territoire national est ainsi divisé en 5 zones de sismicité, allant de 1 (zone d aléa très faible) à 5 (zone d aléa fort), représentées sur la carte d aléa Figure 11. La réglementation s applique aux nouveaux bâtiments, et aux bâtiments anciens dans des conditions particulières, dans les zones de sismicité 2, 3, 4 et 5. Figure 12. Schéma des paramètres du calcul sismique Les outils de simulation permettent d utiliser des spectres de réponse définis selon le «building code» qui régit le logiciel de calcul utilisé. Il faut donc adapter ou construire le spectre défini selon le «building code» du pays utilisateur. La figure 13 montre plusieurs exemples de spectres déjà utilisés. Acceleration (m/s²) 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 PS92 UBC1997 IS 1893 Eurocode8 1.00 0.50 0.00 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 Period(s) Figure 13. Comparaison de spectres pour un même type de sol, d édifice et de zone sismique. 2.50 3.00 3.50 4.00 LES BETONS FIBRES Les BÉTONS RENFORCES DE FIBRES (BRF) sont des matériaux à matrice cimentaire, renforcés par des fibres métalliques. La présence de fibres, les performances en traction et leur comportement ductile permettent de s affranchir dans certains cas des armatures passives. Cette technologie permet une optimisation des épaisseurs et des fonctionnalités données à l enveloppe. Elle respecte les règles de conception exigée par les Eurocodes. En effet, le dimensionnement prend en compte les différents cas de charge (Eurocodes 2), les actions (Eurocodes 1) ainsi que les avantages d un béton conforme à l EN 206-1. Le comportement du béton fibré est défini par des essais de flexion réalisés sur presse en laboratoire interne comme le montre la figure 14. Figure 11. Carte de France 2010 des aléas sismiques La prise en compte des contraintes sismiques est de plus en plus demandée. Elle nécessite toutefois de bien connaitre le site d exploitation des postes. En effet, les Figure 14. Comportement flexion/déformation 5

CONCLUSION Ces «building codes» deviennent aujourd hui aussi obligatoires par leur aspect règlementaire que sécuritaire et durable. Leur impact est source d amélioration de qualité et de durée de vie. Ces règlementations appliquées à l enveloppe complèteront les exigences minimales prescrites par la norme produit des postes préfabriqués HT/BT CEI 62271-202. REFERENCES [1] IEC; 2006; IEC 62271-202 HV/LV Prefabricated Substations, IEC, Geneva, Switzerland. [2] T.Cormenier, L.Vieu-Viennet, P.Brun; 2011 CIRED N 477; NEW UNDERGROUND HV/LV PREFABRICATED SUBSTATIONS FOR BETTER INTEGRATION IN THE ENVIRONMENT, Frankfurt, Germany 6