Brevet FR2709503A1 — publié le 19950310

l La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la protection parasismique d'une construction et elle s'applique notamment aux constructions déjà existantes. Un séisme est une vibration plus ou moins intense du sol engendrée par le glissement brutal, en profondeur, d'une portion importante d'une surface de faille. L'onde de choc qui en résulte contient une onde longitudinale (ou onde de compression) et une onde transversale (ou onde de cisaillement), en proportions variables, fonction de l'orientation à partir du foyer d'émission. Ces deux ondes ne se propagent pas à la même vitesse. A chaque traversée des couches de sol, si le contraste mécanique est suffisant. Il se produit à l'interface une réflexion et une réfraction avec naissance d'une nouvelle onde longitudinale et d'une nouvelle onde transversale, ainsi qu'une onde évanescente d'interface. A la surface du sol, sur lequel sont placées les constructions, il se produit donc un ensemble de mouvements dans les directions de l'espace (x, y et z) assez compliqués, généralement issus de la propagation de vibrations dans une direction subverticale car la célérité des ondes est plus grande en profondeur. Le rai sismique peut être plus ou moins Incliné selon la nature des sols et la géologie locale. La surface du sol est une surface de réflexion des ondes et l'onde de surface est l'onde de Rayleigh. La protection parasismlque consiste à construire les structures de façon qu'elles puissent résister aux sollicitations provenant du sol, ce qui nécessite des surdimentionnements des éléments d'ossatures, la prise de précautions particulières au niveau des appuis, et de choisir des structures dont les périodes propres soient différentes de celles qui sont contenues dans les ondes sismques. Quoique l'incidence de tels dispositifs sur les coûts de la construction neuve ne soit pas négligeable, elle est faible par rapport aux coûts des mêmes dispositifs, réalisés par reprise des différents éléments (ossature, appuis etc....) sur une construction existante. En effet, au coût des travaux, s'ajoute alors l'arrêt d'exploitation du bâtiment que l'on veut traiter. Le but de l'invention est d'intervenir sur les fondations des constructions existantes, de façon à diminuer très sensiblement l'amplitude des vibrations de surface nées d'un séisme ou autre phénomène vibratoire, et par conséquent de diminuer l'intensité des sollicitations auxquelles les constructions sont soumises, sans que la réalisation des travaux perturbe trop gravement l'exploitation des dites constructions. Ce but est atteint par la modification de l'interaction sol- structure, au moyen de dispositifs placés dans le sol et liés aux fondations de façon que le bâtiment soit soumis à des vibrations de moindre amplitude. La protection par écrans ou par bouclier donne des résultats très insuffisants, que ce soit en faisant varier la masse du sol en l'augmentant (par des inclusions de murs ou de pieux en béton ou encore des injections de ciment) ou, au contraire, en la diminuant (par des vides, des puits ou des cavités) ou encore en augmentant la raideur du sol (par précontrainte du sol, par des pieux....) par (les dispositifs disposés autour du bâtiment. Les coupures vides, comme des tranchées de grande profondeur (de l'ordre de 30 mètres) donnent les meilleurs résultats, mals elles sont coûteuses et difficiles, voire impossibles à réaliser autour (lde bâtiments existants et surtout à maintenir dans l'état de coupure. source de leur efficacité, si leurs parois ont des angles supérieurs à celui du glissement des terres. La présente invention vise à fournir une technique plus simple à mettre en oeuvre et plus efficace. Selon l'invention, on relie la fondation de la construction et le sol situé en profondeur par une pluralité d'armatures n'ayant pas un caractère porteur, ayant une longueur d'au moins dix mètres et ancrées dans le sol, soit par un dispositif situé en bout d'armatures en profondeur, soit par une liaison continue entre le sol et les armatures le long de celles-ci, lesquelles armatures etant éventuellement soumises à une tension de quelques tonnes insuffisante pour précontraindre le massif de terre, certaines au moins des armatures étant inclinées et certaines au moins orientées selon des directions qui se croisent en projection sur au moins un plan vertical. Dans des modes de réalisation préférés, la technique de l'invention présente encore une ou plusieurs des particularités suivantes: - on exerce sur les armatures une traction de 2 à 10 tonnes environ, - on utilise des armatures ayant une longueur de 10 à 40 m environ, - on répartit les endroits de fixation des armatures en sorte qu'il existe entre les fixations d'armatures voisines une longueur de fondation d'au moins 2,50 m, - les armatures constituent un faisceau sous une fondation isolée ou à un noeud de fondation ou à un point sensible de la fondation, - on utilise un ensemble d'armatures verticales ou inclinées pour liaisonner les fondations situées en partie centrale de la construction et des armatures inclinées en périphérie avec une inclinaison pouvant aller jusqu'à la sub horizontalité, - on utilise des armatures choisies dans le groupe constitué par les cables, les barres, les tiges et les tubes ou une combinaison de ces moyens, - on utilise des ancrages constitués par des plaques, des scellements ordinaires ou injectés sous pression ou des ancrages par expansion. Si l'on imagine une onde plane de compression se propageant verticalement de bas en haut dans un sol dont les propriétés mécaniques sont uniquement fonction de la profondeur (sol stratifié horizontalement par exemple), en tout point d'un plan horizontal, les mouvements verticaux sont Identiques, donc en phase, et leur amplitude augmente probablement lorsqu'on se rapproche de la surface du sol car le module d'élasticité (ou encore la vitesse de propagation des ondes) est d'autant plus faible que les contraintes dues au poids propre diminuent. Si on liaisonne les fondations de la construction avec le sol situé en profondeur, et cela au moyen de câbles, d'armatures ou d'ancrages à plaque, ou d'ancrages expansés ou scellés injectés, l'amplitude de la vibration du sol en surface sera une moyenne des amplitudes aux différentes profondeurs (entre la fondation et le point bas d'ancrage) et, par conséquent, la mise en place de ces dispositifs verticaux dans le sol aura pour résultat de réduire l'effet de la sollicitation sismique. Si les tiges d'ancrages ou tirants sont libres (comme des câbles, des armatures, etc), on peut les tendre légèrement pour qu'ils restent en tension au cours du séisme: une tension de quelques tonnes suffit. Mais il est également possible et peut être moins cher de les solidariser avec le sol tout du long, par un coulis de ciment, comme une simple armature dans du béton armé, qui travaille aussi bien en traction qu'en compression. Cependant, il est évident que de telles armatures, efficaces contre une onde longitudinale, n'auront pratiquement aucun effet contre une onde de cisaillement car elles ne présentent qu'une très faible raideur transversale. Des armatures horizontales n'auront pas d'avantage d'effet dans un tel cas puisque les points situés à un même niveau vibrent en phase. Par contre, des armatures Inclinées joignant des points ayant des amplitudes de mouvement différentes produiront en surface l'effet recherché. C'est pourquoi, contre le séisme le plus général, c'est-à-dire constitué d'une superposition d'ondes longitudinales, d'ondes transversales et d'ondes de surface, c'est un ensemble d'ancrages verticaux, inclinés et subhorizontaux, typiquement de 10 à 40 mètres de long, qui seront mis en place pour atténuer les effets du séisme sur la structure. On peut connaitre approximativement la position probable du foyer d'un séisme contre lequel on veut se prémunir. Toutefois, dans les zones situées au voisinage Immédiat des frontières des grandes plaques lithosphériques, on cherchera à se protéger contre différentes sollicitations provenant d'azimuts différents (et avec des orientations souvent proches de la verticale). Dans ce cas on doit optimiser la position (dimensionnement, inclinaison, profondeur et topologie) des ancrages. Par des programmes informatiques connus, on peut calculer la réponse d'une structure posée sur le sol, sous l'effet des vibrations du sol pendant la durée du séisme: c'est un problème mécanique connu, dont le calcul ne présente pas de difficulté particulière, sinon que les durées de calculs sont longues pour l'étude des cas tridimensionnels avec des lois de comportement des sols complexes (élasto-visco- plasticité avec écrouissage ou radoucissement). Il suffit de faire le calcul du renforcement pour chaque orientation du séisme, pour chaque mode de renforcement (orientation, inclinaison, longueur, topologie, densité des armatures, etc) et, par itération, de choisir le renforcement le plus efficace, c'est- à-dire celui qui donne la plus petite amplitude de mouvement à la structure. On utilisera pour cela, avantageusement, un système expert par apprentissage qui, à partir d'un certain nombre de cas étudiés et calculés, permettra de mieux connaître les descripteurs de la structure, de la fondation et du site, de façon à optimiser la solution et obtenir la plus grande efficacité possible en fonction du budget disponible pour le renforcement envisagé. On décrira ci-après des exemples de mise en oeuvre de l'invention, à titre illustratif, en référence aux figures du dessin joint sur lequel: - la fig. 1 est une coupe verticale schématique d'un bâtiment équipé d'un dispositif de protection conforme à l'invention: - la fig. 2 est une vue en plan du bâtiment et du dispositif; - les figs. 3 à 6 sont des coupes verticales schématiques de bâtiments équipés de différents dispositifs de protection conformes à l'invention; - les figs 7 à 10 sont des schémas de quatre réalisations de tirants utilisés dans des dispositifs de protection conformes à l'invention - la fig. 11 est un schéma d'un bâtiment expérimental et, - les figs 12 et 13 sont des graphiques illustrant les effets d'un dispositif conforme à l'invention dans le cas du bâtiment de la fig. 11. Les figs. 1 à 6 montrent un bâtiment B dont la fondation F est reliée au sol, en profondeur, par des tirants T, conformément à la présente invention. Les dispositifs de tirants comprennent des tirants horizontaux TH, des tirants verticaux Tv et des tirants obliques To. Les tirants obliques sont convergents ou divergents, dirigés vers la partie du sol qui se trouve au droit du bâtiment ou dirigés vers l'extérieur de cette partie. De préférence certains des tirants obliques se croisent en X (avec contact ou à distance l'un de l'autre) comme on le voit sur les figs.2, 4, 5 et 6. Les tirants sont reliés à la fondation par ancrage dans la fondation d'origine ou dans des massifs rendus solidaires de la fondation d'origine. Les tirants sont ancrés dans le sol par tout moyen connu approprié, en fonction des facilités techniques et de la nature du terrain. A titre d'exemples, on a représenté sur les figs 7 à 10, un tirant ancré dans le sol par une plaque P (fig. 7), par un bulbe de scellement S (fig. 8), par injection d'une matière de scellement I (fig. 9), par scellement continu L sur la longueur du tirant (fig. 10). A titre d'exemple, on a mesuré les effets d'ancrages en X sur un bâtiment expérimental constitué d'une ossature métallique avec remplissage en briques creuses, d'un dallage, d'un plancher intermédiaire et d'une toiture sur une ferme métallique, les appuis au sol étant constitués de semelles superficielles isolées, bâtiment schématisé sur la fig. 1 1. Les fig. 12 et 13 montrent la réponse d'un poteau du milieu sous l'effet d'une sollicitation horizontale venant de la gauche. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui ont été décrits. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réaliser une protection parasismique d'une construction dans lequel on relie la fondation (F) de la construction (B) et le sol situé en profondeur par une pluralité d'armatures (T) n'ayant pas un caractère porteur, ayant une longueur d'au moins dix mètres et ancrées dans le sol soit par un dispositif situé en bout d'armatures en profondeur, soit par une liaison continue entre le sol et les armatures le long de celles-ci, lesdites armatures étant éventuellement mises en tension de quelques tonnes, insuffisante pour précontraindre le massif de terre, certaines au moins des armatures étant inclinées et certaines au moins des armatures étant orientées selon des directions qui se croisent en projection sur au moins un plan vertical. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on exerce sur les armatures une traction de 2 à 10 tonnes environ. 3. Procédé selon la revendication i ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise des armatures ayant une longueur de 10 à 40 m environ. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on répartit les endroits de fixation des armatures en sorte qu'il existe entre les fixations d'armatures voisines une longueur (le fondation d'au moins 2,50 m. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé eni ce que les armatures constituent un faisceau sous une fondation Isolée, ou à un noeud de fondation ou à un point sensible de la fondation. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on utilise un ensemble d'armatures verticales ou inclinées pour liaisonner les fondations situées en partie centrale de la construction et des armatures inclinées en périphérie avec une inclinaison pouvant aller jusqu'à la sub-horizontalité. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérise en ce qu'on utilise des armatures choisies dans le groupe constitué pair les cables, les barres, les tiges et les tubes ou une combinaison d(e ces moyens. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise des ancrages constitués par des plaques. des scellements ordinaires ou Injectés sous pression ou des ancrages par expansion. 9. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'armatures (T) telles que définies dans l'une des revendications 1 à 8, reliant la fondation (F) de la construction (B), au sol situé en profondeur. 10. Application du procédé selon l'un des revendications 1 à 8 ou d'un dispositif selon la revendication 9 à la protection parasismique d'une construction existante.