Les constructions parasismiques
TPE 2015/2016
Tom Donnadieu
Hugo Barbier
Jonathan Debard
Forces d'inertie
Lors d'un séisme, le sol est soumis à des accélérations désordonnées dues aux ondes sismiques qui font onduler le sol dans toutes les directions. Ce sont les mouvements horizontaux du sol qui affectent le plus les bâtiments. Les bâtiments, étant logiquement celés au sol par leurs fondations, subissent aussi ces accélérations.
Cependant ils tendent à revenir à leur position d'origine entre chaque mouvement du sol. Les forces qui tendent à faire revenir les bâtiments à leur position initiale sont les forces d'inertie. Elles sont proportionnelles aux accélérations du sol et à la masse de la structure. Lorsque le sol se déplace dans une direction quelconque, les fondations suivent automatiquement ce mouvement, tandis que le haut du bâtiment le suit avec un temps de retard. Ce retard est dû à la force d'inertie.
Un bâtiment de masse élevée, subissant une accélération du sol importante, a une très grande force d'inertie et le haut de sa structure a donc un retard très important par rapport au mouvement du sol. Plus ce retard est important, plus il y a de chances de rupture et donc d'effondrement du bâtiment. Il faut donc éviter de concevoir des infrastructures trop lourdes ou alors rechercher un moyen pour que ces infrastructures suivent les mouvements du sol sur toute leur hauteur.
Résonance
Il faut savoir que chaque bâtiment a une fréquence d'oscillation propre qui dépend de sa masse, de sa taille mais aussi des matériaux qui le composent. Lorsque la fréquence d’oscillation du sol correspond à celle du bâtiment, on dit qu'il entre en résonance. Les mouvements de celui-ci sont alors amplifiés et le risque d'effondrement est à son maximum.
On sait par exemple qu'une petite maison a beaucoup plus de chances de s'effondrer qu'un immeuble de grande taille pour une fréquence d'oscillation du sol élevée à cause du phénomène de résonance et inversement.
Pour éviter ce phénomène, les ingénieurs doivent adapter la construction en fonction des possibles accélérations du sol afin que leurs fréquences soient les plus éloignées possibles. Cependant chaque bâtiment est différent et ces études reposent sur des probabilités donc il y a une marge d'erreur à considérer lors de la conception de l'ouvrage.
Ductilité
En effet, si les éléments qui composent un bâtiment sont trop rigides, il va bouger de la même manière que le sol et s'effondrera rapidement. Tandis que s'ils sont trop souples, des déformations importantes vont se créer à l'intérieur du bâtiment, provoquées par le fait que leurs mouvements sont différents et le bâtiment sera encore une fois rapidement détruit.
Le choix des matériaux est aussi très important dans une construction parasismique. L'une de leurs caractéristiques la plus importante pour ce type de construction est la ductilité. C'est la capacité d'un matériau à se plier jusqu'à un certain point et à revenir dans sa position initiale sans perte de résistance (sorte d’élasticité).
D'autres caractéristiques doivent être prises en compte comme la résilience (capacité à absorber de l'énergie), la résistance (aux ondes et à la masse) ou encore l'endurance (capacité à résister dans le temps: pour les répliques).
Matériaux
On peut désormais se demander quel est le matériau idéal pour une construction parasismique.
La pierre, les briques et le béton sont les plus répandus dans les anciennes constructions mais ils ne sont pas très résistants et leurs joints ne permettent pas de disperser l'énergie. De plus, leur masse augmente beaucoup le risque d'effondrement du bâtiment. Le béton armé, quant à lui, est très utile pour sa rigidité mais il ne doit pas être utilisé dans les éléments structuraux : dalles, murs porteurs, plafonds (comme expliqué précédemment) et il a un rapport résistance/masse volumique faible. Les constructions en bois résistent généralement assez bien lors des séismes du fait de leur légèreté. De plus le bois est très résiliant (il absorbe bien énergie car il ne se rompt pas vraiment grâce à sa constitution) mais il n'est pas du tout ductile et très inflammable.
L'acier est le matériau parasismique par excellence. Il est très résistant aux ondes sismiques, et peut aussi endurer de nombreuses répliques. Il a un rapport résistance/masse volumique élevé, ce qui permet la réalisation de constructions légères. Il est très résiliant, et peut donc absorber beaucoup d'énergie. Il est également très ductile et donc dissipe bien l'énergie. Le seul défaut de l'acier est qu'il peut se rompre à basse température (-25° C). Toutes ces qualités font de lui le meilleur matériau pour une construction parasismique. Par exemple, la Tokyo Skytree ci-dessus est principalement constituée d'acier et elle est parfaitement parasismique.