Brevet FR2316412A1 — publié le 19770128

La présente invention concerne un dispositif de protection d'une construction contre les effets de sollicitations dynamiques horizontales importantes. Elle s'applique plus particulière- ment, à titre d'exemple, à la protection des bâtiments contre les secousses sismiques. Même dans les zones à séismicité relativement faible, les constructions importantes ordinaires sont soumises à des dispositions réglementaires, mais celles-ci sont généralement etablies pour assurer une protection de caractère probabiliste et statistique è l'encontre des secousses sismiques. I1 est en effet impossible, pour des raisons économiques, de -vouloir protéger toutes les constructions, en tous lieux, contre les séismes de toutes intensités et quelle que soit la situation de la construction par rapport 8 l'épicentre du séisme.Ainsi en France, dans certaines régions, on admet qu'une construction doit pouvoir résister à des secousses ou des ondes de choc donnant une accélération au maximum égale à 0,2 g- , ce qui revient å admettre la possibilité de dommages dans les cas à probabilité infime où la plupart des facteurs seraient simultanément dans les conditions les plus défavorables. Pour certaines constructions, par contre, des dommages même faibles peuvent présenter une exceptionnelle gravité ; c'est le cas en particulier d'installations comportent l'utilisation de l'énergie nucléaire, telles que des centrales nucléaires, ou d'installations de stockage et traitement de matières dangereuses ou explosives. On a alors recours à une protection intrinsèque pour éliminer tout risque de dommage, c'est-à-dire que les éléments dangereux proprement dits, tels que le coeur du réacteur nucléaire ou le réservoir de matières dangereuses, peuvent résister par eux-mêmes à des sollicitations extérieures importantes. Mais la prise en considération de cette protection intrinsèque pour la détermination de la structure de la construction soumise à ces sollicitations importantes peut conduire à un alourdissement considérable des dispositions constructives et de leur coût ; elle peut même conduire à des solutions irréalisables avec les techniques actuelles. On est ainsi souvent amené à réaliser des structures lestées à la base et raidies par des éléments résistants, et des structures de hauteur réduite ou au moins en partie souterraines. Les constructions ainsi conçues, tout en étant lourdes et massives, ne permettent pas pour autant une bonne connaissance de la sécurité qu'elles assurent réellement.En effet, les efforts et oscillations engendrés dans une construction soumise à des sollicitations dynamiques importantes sont fonction de la nature de ces sollicitations extérieures, des différentes raideurs de la structure et du sol, ainsi que des capacités d'amortissement des matériaux sollicités, appartenant tant à la structure qu'au sol. Or, la connaissance des sollicitations extérieures est très impré cise, on contact mal le comportement plastique de ltensemble sol- structure, et il est impossible de vérifier expérimentalement en grandeur réelle la validité des hypothèses utilisées dans les calculs. En outre, les accélérations et les efforts induits dans les équipements de la construction peuvent prendre une importance telle que l'utilisation des équipements et matériels usuels devienne impossible. Dans le cas enfin d'une zone à forte séismicité et d'une construction exigeant une sécurité absolue contre tout dommage, mê- me léger, comme par exemple une centrale nucléaire, c'est la protection intrinsèque de l'élément dangereux qui doit assurer la sécurité quelle que soit la probabilité d'apparition du séisme maximal. Pour que cette sécurité soit réellement assurée, il faudrait que son degré puisse être déterminé avec certitude. Ceci est pratiquement impossible à cause de deux imprécisions fondamentales -d'une part le sol d'assise, souvent hétérogène, a un comportement dynamique mal connu, alors que les théories actuelles de calcul lui accordent un grand rôle, - d'autre part, les mouvements et accélérations du sol engendrés par les ondes sismiques sont variables d'un séisme à un autre et d'un térrain à un autre. La présente invention a pour butd'apporter une solution à ces problèmes, en permettant de limiter à un seuil prédéterminé connu les effets des sollicitations extérieures aléatoires et en particulier les effets des accélérations horizontales dues à un séisme ou à des ondes de choc après une explosion.Suivant cette invention,le dispositif de protection d'une construction contre les effets de sollicitations dynamiques, notamment d'origine sismique, est caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble d'appuis à friction constitués par des plots en appui mutuel appartenant respectivement à la construction et au sol de fondation, des moyens étant prévus pour permettre le déplacement relatif avec friction des plots associés suivant leur surface d'appui mutuel, et en ce que les coefficients de frottement statique et dynamique des surfaces en contact sont compris entre une valeur minimale,compatible avec les déplacements admissibles pour la construction en fonction de ses liaisons, et une valeur maximale compatible avec le seuil de résistance propre de cette construction. Dans ces conditions, le déplacement des surfaces en contact des appuis à friction intervient pour préserver la construction dès que les effets sur cette construction des accélérations horizontales du sol dépassent un seuil prédéterminé. Selon une forme préférentielle de l'invention, les appuis à friction sont constitués par des couples de plaques planes disposées dans au moins un plan horizontal, la nature, le traitement et l'état de surface des plaques étant déterminés en fonction des coefficients de frottement recherchés, dans les limites de 0,08 à 0,5. Selon une forme particulière encore améliorée de l'invention, les appuis à friction comportent, en série avec les surfaces de frottement, au moins un bloc d'élastomère, et notamment un bloc feuilleté. L'invention va maintenant & re décrite avec plus de détails, en se référant à un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés. La figure 1 est une coupe schématique de bâtiments d'une centrale nucléaire protégée par un dispositif selon l'inven- tion. La figure 2 est une vue de détail en coupe, également schématique, d'un appui à friction. En se référant aux figures 1 et 2 des dessins annexés, on voit en 1 une construction à protéger contre les effets destructifs des composantes horizontales des secousses sismiques. Cette construction comporte, par exemple, plusieurs bâtiments la, lb, 1 c, de hauteurs et de poids différents1 appartenant à une même centrale nucléaire. Ainsi, les bâtiments la et le peuvent abriter des réacteurs, alors que le bâtiment central lb, plus léger, contient les auxiliaires nucléaires. Ces divers bâtiments sont portés par une même-dalle de béton armé 2. Les fondations de la construction sont constituées par un radier général 3 ancré au sol. Entre la dalle 2 et le radier 3, sont interposés des supports à friction 4 constitués (figure 2) par des plots 4a, 4b en appui mutuel, appartenant respectivement à la dalle 2 et au radier 3. Le plot supérieur 4a est constitué par une plaque métallique 6 ancrée dans la dalle 2. Le plot inférieur 4b a une structure composite. il comprend une plaque métallique supérieure 7, de moindre surface que la plaque 6 et qui surmonte un bloc d'élastomère 8, solidaire à la fois de la plaque 7 et du radier 3 par l'intermédiaire d'une plaque 9 de répartition de la charge. On a montré sur la figure 2, en P et S les surfaces de friction en appui mutuel des plaques 6 et 7, la plaque 6 du plot 4a jouant le rôle de patin, et la plaque 7 celui de table de glissement, le bloc d'élastomère 8 étant ainsi disposé en série avec les surfaces de friction, en ce qui concerne la transmission des accélérations entre le sol et la construction. Pour déterminer les caractéristiques des plaques de frottement 6 et 7, on calcule d'abord les oscillations, les efforts horizontaux et les déplacements engendrés dans la structure de la construction par les sollicitations maximales propres au site et pour des valeurs variables du coefficient de frottement. On choisit comme valeur maximale du coefficient de frottement, la valeur correspondant au seuil de résistance propre de la structure, et comme valeur minimale la valeur qui conduit à des déplacements admissibles compatibles avec les liaisons de la construction. La nature des plaques de frottement 6 et 7, leur traitement, leur état de surface, leur profil (surface plane ou disposition de cannelures, stries ou autres dessins), leur revêtement éventuel par des produits synthétiques de protection, ainsi que leur graissage éventuel, sont déterminés de façon à créer un coefficient de frottement statique correspondant au seuil des efforts horizontaux définis plus haut. La résolution du problème à partir des règles précitées conduit généralement à retenir des coefficients de frottement compris entre 0,08 et 0,5. On va maintenant préciser, à titre d'exemples, certaines modalités de réalisation des plaques de frottement 6, 7 et du bloc d'élastomère 8. La plaque 6 du plot 4a est en acier inoxydable. La plaque 7 est en fonte graphitée avec un traitement de surface anti-abrasif et anti-grippant obtenu par sulfuration, conduisant à un coefficient de frottement de 0,2. Le bloc 8 peut être réalisé en néoprène, étant constitué de plaques de néoprène de 12 mm chacune frettées par des toles minces d'acier, avec adhérence par vulcanisation, le bloc ayant ainsi une épaisseur totale de 10 cm. De tels blocs sont en eux-mêmes connus. Le nombre et la surface des plots 4 sont conditionnés par le taux de compression maximum admissible pour le néoprène et par l'intérêt d'assurer une égale répartition des charges entre les plots. On voit ainsi que le nombre des plots 4 est plus faible à l'aplomb du bâtiment central lb de moindre poids que les constructions la, le. D'autres modes de rdalisation des surfaces de frottement des plots 4a, 4b sont détaillés ci-après à titre non limitatif. Le plot 4a peut être constitué par une t81e en acier inoxydable associé au plot 4b réalisé - soit en fonte à graphite sphéroldal dont le traitement de surface est constitué d'un dépôt de bronze et de P.T.F.E. incorporé au bronze, - soit en fonte à graphite sphéroldal traitée par sulfonitruration, - soit en bronze, - soit en cupro-aluminium avec un traitement de surface anti-usure et antigrippant, - soit en bronze au plomb. D'autres solutions consistent en l'utilisation d'un plot 4a en acier dont le revêtement anticorrosif est constitué par du nickel déposé par voie chimique. Ce plot 4a étant associé - soit à un plot 4b de même nature dont le traitement par sulfuration est antigrippant, - soit aux plots 4b décrits précédemment. Certaines de ces surfaces de frottement sont striées pour permettre l'évacuation des débris engendrés par le frottement. Il faut également choisir un coefficient de frottement dynamique, et en conséquence la nature des plaques de frottement, pour que le glissement n'atteigne pas une amplitude excessive; car un trop fort déplacement horizontal de la construction pourrait aussi être dangereux. Au cours du déplacement, les appuis à friction devront donc absorber l'énergie mise en jeu au-delà de celle normalement absorbée par les déformations admissibles de la structure, et inférieures au seuil prédéterminé. Des dispositifs complémentaires tels que des butées peuvent être prévus de façon à limiter les déplacements, de même que pour permettre le remplacement ou le recentrage des appuis à friction si cela s'avérait nécessaire. L'utilisation complémentaire d'un bloc 8 d'élastomère fretté dans les appuis à friction permet d'abord, gracie à sa souplesse, de compenser les tolérances d'exécution dans la réalisation pratique d'un plan de glissement des appuis à friction. Elle permet également de faire vibrer la construction avant le déclenchement du glissement, selon une fréquence qui échappe à la résonance.Enfin, la présence de la plaque d'élastomère permet également de faire vibrer les différents points de la construction en phase lors du glissement, de telle sorte que le plafonnement de la somme des efforts horizontaux conduise à une limitation des accélérations et des efforts de chaque point de la structure Le bloc d'élastomère 8 prévu par l'invention permet ainsi de ramener la fréquence d'oscillation de la construction à 1 Hz environ, alors que la fréquence engendrée par la vibration du sol est de 4 à 5 Hz en général. Comme de plus tous les points de la construction vibrent en phase, les accélérations au niveau des divers étages sont toutes de même signe, ce qui évite l'existence en certains points du bâtiment d'accélérations de sens opposés ayant parfois des valeurs de crête très importantes. Le dispositif objet de l'invention permet donc de limiter à une valeur raisonnable le renforcement des constructions qui risquent d'entre soumises à des sollicitations dynamiques importantes. il permet en particulier de réaliser en zones de forte séismicité des constructions exigeant un degré de sécurité connu avec certitude, et dont la tenue a été vérifiée en zones de faible séismicité. Ainsi protégée, la construction résiste d'elle-même aux efforts pour lesquels elle a été déterminée, et échappe à la sollicitation lorsque celle-ci devient excessive. Pratiquement, les coefficients de frottement des appuis à friction se situent entre les limites de 0,08 à 0,5 environ. En effet, pour les valeurs plus faibles, correspondant à des appuis roulants ou à un glissement, par exemple de polytétrafluoréthylène sur acier inoxydable, la moindre sollicitation entraînerait un déplacement important sans absorber lténergie. Pour des valeurs plus élevées du coefficient de frottement, on aboutirait à une solidarisation trop forte avec les fondations, et la résistance propre à donner à la structure deviendrait excessive. Un autre avantage de l'invention est également de permettre l'utilisation telle quelle d'une structure de bâtiment prévue pour des conditions sismiques données dans d'autres conditions sismiques, grâce à une simple adaptation des appuis à friction. La combinaison d'un bloc d'élastomère armé et feuilleté, travaillant au cisaillement en série avec les appuis à friction apporte par ailleurs, ainsi qu'il a été vu, des avantages essentiels et spécifiques. Bien entendu, l'illvention n'est pas strictement limitée aux exmpl es qui ont été donnés pl us haut, c'est ainsi qu'on ne s'écartera pas de l'objet de l'invention par des réalisations qui n'en différeraient que par des détails, ou qui s' appliqueraient à des portions de construction ou à des ouvrages qui ne seraient pas fondés sur un radier général. De me, il n'est pas nécessaire que tous les appuis à friction soient dans le me plan horizontal, mais tous les appuis doivent évidemment être dans des plans parallèles horizontaux. De même, les positions relatives du bloc d'élastomère et des plaques de frottement peuvent etre inversées, ainsi que les positions relatives des plaques de frottement elles-rnêmes. Le contour et la dimension des plaques de frottement peuvent etre choisis indifféremment sans changer l'invention. La structure des plaques de frottement peut etre composite, la feuille de frottement étant alors associée à d'autres matériaux (métaux, élastomères, etc... placés en série). A titre d'exemple numérique dans un cas particulier,pour 2 une construction représentant 640 m de surface au sol, il a été prévu 1000 appuis à friction du genre de la figure 2. IZEVENDI CAT IONS 1. Dispositif de protection d'une construction contre les effets de sollicitations dynamiques horizontales importantes, notamment d'origine sismique, ce dispositif comprenant de façon connue en soi un ensemble d'appuis à friction, constitues par des plots en appui mutuel appartenant respectivement à la construction et au sol de fondation, des moyens étant prévus pour permettre le déplacement relatif avec friction des plots associés suivant leur surface d'appui mutuel, caractérisé en ce que les coefficients de frottement statique et dynamique des surfaces en contact sont compris entre une valeur minimale compatible avec les déplacements admissibles pour la construction, en fonction de ses liaisons, et une valeur maximale compatible avec le seuil de résistance propre de cette construction. 2. Dispositif de protection selon la revendication 1, caractérisé -en ce que les plots en appui mutuel comportent des surfaces de friction sensiblement planes, disposées dans au moins un plan horizontal. 3. Dispositif de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étendue de l'une des surfaces de friction déborde sensiblement par rapport à celle de l'autre surface, l'une des surfaces jouant le rôle de table de glissement et l'autre, celui de patin. 4. Dispositif de protection conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la nature, le traitement de surface et le profil des surfaces de friction appartenant aux plots en appui mutuel gont tels, que les coefficients de frottement ont des valeurs prédéterminées, à l'intérieur de la gamme allant de 0,08 à 0,5. 5. Dispositif conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les appuis à friction comportent, en série avec les surfaces de frottement, au moins un bloc d'élastomère. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le bloc d'élastomère est constitué par des plaques de néoprène armées par des tôles suivant une structure feuilletée.