Brevet FR2761099A1 — publié le 19980925

La présente invention se rapporte à un dispositif antisismique pour bâtiments et ouvrages d'art ainsi qu'à des bâtiments et ouvrages d'art équipés de tels dispositifs. La protection de bâtiments et d'ouvrages d'art contre les séismes est un problème bien connu, pour la résolution duquel on a proposé de nombreuses solutions, généralement assez coûteuses, d'entretien difficile et d'efficacité relative. L'invention se rapporte à un dispositif de conception nouvelle, relativement peu coûteuse, fiable et d'entretien et de vérification aisés. Un avantage supplémentaire de l'invention est qu'elle pourrait même être appliquée après coup à des ouvrages non protégés déjà bâtis. Le dispositif antisismique pour bâtiments et ouvrages d'art conforme à l'invention se caractérise en ce qu'il comprend des câbles précontraints fixés, à une de leurs extrémités, à une structure de sol supportant le bâtiment ou l'ouvrage, et à leur autre extrémité, à une structure d'étage ou de hauteur élevée du bâtiment ou de l'ouvrage, lesdits câbles étant tendus en suivant une courbe optimisée par le calcul en fonction des caractéristiques de construction du bâtiment ou de l'ouvrage, le câble étant tendu dans un plan passant par la direction horizontale de déplacement que l'on veut limiter. Par structure de sol, on entend toute structure du bâtiment ou de l'ouvrage rigidement liée au sol, telle par exemple qu'un plancher de rez-de-chaussée ou de soussol, voire d'étage inférieur. Avantageusement, sur chaque câble précontraint, est prévu au moins un ressort-amortisseur de traction. De façon préférentielle, le dispositif comporte au moins un ressort-amortisseur de traction qui est monté au voisinage de l'extrémité basse d'ancrage du câble à la structure de sol. De façon préférentielle, l'extrémité haute du câble est fixée vers une partie haute du bâtiment ou de l'ouvrage, à une certaine distance de son sommet. Pour définir la courbe que suit le câble, sont prévus des éléments de guidage, avantageusement au niveau au moins de certains planchers, murs ou poteaux du bâtiment ou de l'ouvrage. Selon une autre caractéristique du dispositif de l'invention, les éléments de guidage au passage d'une structure du bâtiment ou de l'ouvrage, telle notamment que planchers, murs ou poteaux, peuvent être avantageusement des dispositifs frotteurs dissipateurs d'énergie. De préférence, il est prévu au moins trois, et de préférence au moins quatre câbles précontraints précités, orientés dans une direction horizontale différente de l'espace. De façon encore préférentielle, au moins deux câbles parallèles pour chaque direction horizontale protégée sont prévus, et lesdits deux câbles sont disposés chacun vers les faces opposées du bâtiment ou de l'ouvrage protégé. D'autres caractéristiques, objets et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à l'aide de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels La figure 1 est une vue schématique illustrant le principe de fonctionnement d'un dispositif conçu conformément à l'invention. La figure 2 montre à plus grande échelle le détail entouré II à la figure 1. La figure 3 montre de façon très schématique l'ensemble d'un immeuble à protéger. La figure 4 montre de façon schématique l'implantation des câbles dans un bâtiment du type schématisé à la figure 3. La figure 5 montre en vue éclatée le plan de base, le plan de sommet et le plan supérieur d'ancrage des câbles du schéma de la figure 4, cette vue permettant de comprendre comment sont disposés les câbles dans l'espace par rapport aux quatre directions indiquées. La figure 6 montre comment travaillent deux des câbles, dans le cas d'un effort subi par le bâtiment dans le sens indiqué par la flèche dans cette figure. La figure 7 montre de façon schématique l'implantation d'un câble dans le bâtiment. La figure 8 montre à plus grande échelle l'ancrage en fixation basse du câble au niveau du cercle repéré VIII à la figure 7. La figure 9 montre à plus grande échelle comment s'effectue le passage du câble au niveau d'un plancher du bâtiment, tel que repéré en IX à la figure 7. La figure 10 montre le déplacement et la déformation d'un câble lors d'un mouvement du bâtiment dans le sens de la flèche A parallèlement au plan dans lequel est tendu ce câble. En se reportant à la figure 1, on a illustré de façon schématique un bâtiment référencé dans son ensemble 10 reposant sur le sol 11 et comportant un certain nombre de planchers dont trois ont été référencés 12, 13, 14, 15. Conformément à l'invention, pour protéger un tel bâtiment ou ouvrage à l'encontre de séismes, on prévoit dans le bâtiment un certain nombre de câbles qui seront dirigés, par exemple comme il sera expliqué plus en détail en référence aux figures 4 à 6 qui suivront. A la figure 1, un câble 16 a été illustré tendu entre un point du sol 17 où il est ancré et un point 18 du plancher supérieur 15 de l'ouvrage. Conformément à l'invention, comme il a déjà été mentionné, le câble 16 est précontraint en tension. En outre, vers la partie basse du câble, comme illustré en 19, est prévu un ressort-amortisseur de traction également précontraint en traction qui permettra d'encaisser des efforts de déformation du câble et de dissiper l'énergie correspondante et également d'assurer et maintenir la précontrainte du câble 16 dans le temps. Comme illustré à la figure 2, il est avantageusement prévu à chaque passage du câble 16 à travers un plancher tel que le plancher 12 un dispositif frotteur 20 qui viendra freiner les mouvements de déplacement du câble lors d'un séisme tendant à déformer le bâtiment, comme on l'expliquera plus en détail notamment en relation avec la figure 6. Le principe général de l'invention étant ainsi exposé, on supposera que l'on applique le dispositif à un bâtiment tel qu'une tour 21 illustrée à la figure 3 de section parallélépipédique droite, carrée, de 30 mètres de côté à la base et de 100 mètres de hauteur, soit par exemple environ 33 étages. En se référant à la figure 4, le même ouvrage 21 a été schématisé mais l'on n'en a plus représenté que le périmètre de base au sol référencé 22, le sommet référencé 23 et un étage intermédiaire relativement élevé référencé 24 par exemple au niveau compris entre le 21ème et le 27ème étage dans l'exemple indiqué d'une tour d'environ 33 étages. A la même figure 4, on a référencé par les flèches A, B, C, D les quatre directions du bâtiment, par exemple Nord-Sud, Sud-Nord, Est-Ouest, Ouest-Est. Pour retenir le bâtiment qui serait soumis à une poussée dans le sens de la flèche A (figure 6) sont prévus dans l'exemple illustré deux câbles Al, A2 dont les points d'ancrage bas et haut ont été respectivement référencés al, a2 dans le plan 22 et a'l, a'2 dans le plan 24. Ces câbles sont tendus dans des plans verticaux parallèles à la direction A. I1 est clair que si le bâtiment est soumis à une déformation qui tend à déplacer son sommet 23 dans le sens de la flèche A, les câbles Al, A2 vont être soumis à une traction supplémentaire par suite de l'allongement de la distance séparant les points al, a'l et a2, a'2. Avantageusement, les deux câbles Al, A2 sont proches des faces latérales correspondantes du bâtiment, soit ici, par rapport au plan des figures 4 et 6, la face respectivement avant et arrière. De la même façon, pour résister à une poussée dans le sens de la flèche B, sont prévus deux câbles dirigés dans un sens vertical parallèle à la direction de la flèche B. A la figure 4, pour ne pas surcharger la figure, seul un câble B (vers la face arrière du bâtiment) a été représenté ancré en b et b' respectivement dans les plans 22 et 24. A la figure 5, on a par contre représenté de façon à permettre de bien identifier leur implantation, les points d'ancrage respectifs bl, b'1 d'un premier câble B (proche de la face avant du bâtiment) et b2, b'2 le deuxième câble B (proche de la face arrière du bâtiment et correspondant à celui illustré à la figure 4). De la même façon, sont prévus deux câbles dans des plans verticaux parallèles à la flèche C dont les points d'implantation ou ancrage au niveau des plans 22 et 24 ont été référencés respectivement cl, c2 et c'1, c'2, et de la même façon deux autres câbles dans des plans verticaux parallèles à la flèche D pour résister à une poussée dans le sens de la flèche D, câbles ancrés respectivement dans le plan 22 et dans le plan 24 aux points référencés dl, d2, d'l, d'2. On observe à la figure 5 qu'avantageusement, les points d'ancrage al-cl, bl-c2, dl-b2, a2-d2 sont confondus, de même que les points d'ancrage au niveau du plan 24 b'l-d'2, a'l-d'l, a'2-c'2, b'2-c'l ; de la sorte, pour huit câbles dont chaque foix deux disposés parallèlement seront mis en action pour résister au mouvement de déplacement du bâtiment dans une direction, il suffira de prévoir quatre ancrages au sol et quatre ancrages au niveau de l'étage supérieur. Si l'on veut mieux répartir les efforts, on peut avantageusement écarter les uns des autres les points d'ancrage bas et haut. Mais de façon générale, on adoptera une position symétrique des câbles qui travaillent en opposition pour, à l'état de repos du bâtiment ou de l'ouvrage, équilibrer les forces de compression qu'appliquent sur lui les câbles. En se reportant aux figures 7 et 8, on a illustré comment pouvait être réalisé un ancrage au niveau du sol. A la figure 7, on a représenté la tour 21 en ne référençant, pour ne pas surcharger la figure, qu'un plancher d'étage sur trois et un seul câble 16, qui est tendu dans un plan pratiquement vertical entre un point d'ancrage ll au sol et un point d'ancrage au niveau du plancher référencé 24. Au niveau de l'ancrage au sol, comme on le voit plus clairement à la figure 8, on a interposé entre l'extrémité inférieure du câble 16 et le plancher inférieur 22 reposant sur le sol un ressort amortisseur de traction 19 qui peut être par exemple du type JARRET, tel qu'explicité ci-après dans l'exemple donné. Deux articulations 25, 26 permettent un parfait alignement en traction du ressort-amortisseur 19 avec le câble précontraint 16. L'ancrage de l'axe 25 peut être obtenu par une pièce d'équerre 27 convenablement ancrée au plancher 22 et à un poteau de structure porteur 28. Comme on le voit plus clairement à la figure 9, à chaque passage de plancher, tel que le plancher intermédiaire 29, on prévoit avantageusement un frotteur 30 qui freine le mouvement du câble 16 et permettra de dissiper de l'énergie lors d'un mouvement de déplacement du bâtiment. Dans un exemple de simulation, tel qu'illustré à la figure 10, on a appliqué le dispositif de l'invention comportant les huit câbles tendus comme exposés précédemment à une tour de 100 mètres de hauteur comprenant environ 33 étages sur une base carrée de 30 mètres sur 30 mètres. Chaque câble est lié au bâtiment à une extrémité, l'extrémité basse référencée A0 au sol par l'intermédiaire d'un ressort-amortisseur de traction du type précédemment indiqué, et à l'autre extrémité haute référencée A7 en surface du plancher du 23ème étage. Les câbles sont tendus avec une prétension d'environ 300kN. Le ressort-amortisseur a une précontrainte de 350kN, c'est-à-dire qu'il est toujours placé en position d'installation initiale. Au niveau de chaque étage, le câble traverse le plancher par un trou 32 formant élément de guidage du câble (figure 9) ; pour ne pas surcharger la figure, on n'a référencé les trous que de trois planchers en trois planchers (figure 10). Les trous ne sont habituellement pas alignés de sorte que le câble suit une certaine courbe et comprime le plancher avec un effort F (figure 9) dépendant de l'angle formé entre le câble et la verticale. A l'état stable de repos, le bâtiment est vertical, et les huit câbles engendrent des forces égales et opposées pour tous les planchers, lesquelles forces s'annulent. Lors d'une déformation dans une direction du bâtiment, par exemple la direction A, seuls les deux câbles dont les traces a, a'l, a2, a'2 sur le plan horizontal sont parallèles à cette direction travaillent (ce sont les seuls qui sont soumis à allongement). La figure 6 montre les deux câbles Al, A2 tendus lors d'une déformation du bâtiment dans la direction mentionnée. La figure 10 illustre les déplacements du câble lorsque le sommet du bâtiment se déplace de 1 mètre dans la direction A. Dans un exemple de solution réalisable, le câble serait constitué de torons d'acier et aurait une section de diamètre environ 38 millimètres, soit une contrainte initiale de 300 MPa. L1 = longueur en place du câble entre les points AO et A7 : 77,9 mètres. Poids du câble : environ 700 kg. La longueur de travail LO du câble au repos, avant installation est telle que LO = AOA1 + A1A2 + A2A3 + A3A4 + A4A5 + A5A6 + A6A7 - allongement initial (précontrainte) = 77,9 m - 0,111 m = 77,789 m. En admettant un déplacement initial latéral de 1 mètre pour le sommet du bâtiment (1 centième de sa hauteur) la distance AOA7 devient égale à 78,165 mètres, soit un allongement de 265 millimètres. Cette valeur correspond à un allongement du câble ajoutée à l'allongement du ressort-amortisseur. Si l'on fait travailler le câble jusqu'à 550 MPa, cela donne un allongement supplémentaire du câble dû à la déformation du bâtiment de 102 millimètres, d'où une course ressort de 163 millimètres (265 - 102 = 163). Un amortisseur JARRET ayant pour caractéristique course de traction 170 millimètres, précontrainte 350 kN, réaction maxi 700 kN répond aux exigences. Un tel appareil aurait comme volume approximatif D = 300 millimètres, L = 900 millimètres. La figure 9 montre des frotteurs coincés entre le câble et le plancher. Ceux-ci dissiperont de l'énergie durant la déformation du bâtiment. En effet, le câble en s'allongeant, se déplacera par rapport au plancher et leurs points de contact se déplaceront le long du câble. De tels frotteurs peuvent être constitués par exemple par des pièces en matière plastique moulée à haute résistance qui frottent sur le câble ou par des macho ire comportant des surfaces frottantes qui sont appliquées à force sur le câble, soit directement, soit indirectement. REVENDICATIONS 1 - Dispositif antisismique pour bâtiments et ouvrages d'art, caractérisé en ce qu'il comprend des câbles précontraints (16) fixés à une de leurs extrémités à une structure de sol (22) supportant le bâtiment ou l'ouvrage et à leur autre extrémité à une structure d'étage de hauteur élevée du bâtiment ou de l'ouvrage, lesdits câbles étant tendus en suivant une courbe optimisée par le calcul en fonction des caractéristiques de construction du bâtiment ou de l'ouvrage, le câble étant tendu dans un plan passant par la direction horizontale de déplacement que l'on veut limiter. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que des éléments de guidage (32) du câble (16) sont prévus au niveau au moins de certains planchers, murs ou poteaux du bâtiment ou de l'ouvrage. 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que sur chaque câble (16) précontraint est prévu au moins un ressort-amortisseur de traction (19). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'au moins un ressort-amortisseur de traction est monté au voisinage de l'extrémité basse d'ancrage du câble à la structure de sol. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'extrémité haute du câble est fixée vers une partie haute du bâtiment ou de l'ouvrage, à une certaine distance de son sommet. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au passage des structures du bâtiment ou de l'ouvrage, telles notamment que planchers, murs ou poteaux, sont prévus des dispositifs frotteurs (30) de freinage des mouvements de déplacement des câbles (16) et dissipation d'énergie. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est prévu au moins trois et de préférence au moins quatre câbles précontraints précités orientés dans des directions horizontales différentes de l'espace. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins deux câbles parallèles pour chaque direction horizontale protégée sont prévus, lesdits deux câbles étant disposés chacun vers les faces opposées du bâtiment ou de l'ouvrage protégé. 9 - Bâtiment ou ouvrage protégé contre les séismes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif antisismique selon l'une quelconque des revendications précédentes.