Brevet FR2833984A1 — publié le 20030627

L'invention concerne un dispositif d'absorption d'énergie sismique destiné à protéger une construction, telle qu'un immeuble d'habitation, un ouvrage de génie civil ou autre. On connaît dans l'état de la technique des dispositifs de protection para-sismiques qui comportent des éléments absorbeurs d'énergie, tels que des coussins élastomères ou des vérins, interposés entre deux éléments de structure de l'édifice à protéger, ou entre un élément de structure de l'édifice et un plot d'ancrage solidaire su sol. Par exemple, on a déjà proposé de solidariser un élément structurel de fondation d'un édifice à un plot d'ancrage par l'intermédiaire d'une pile de coussins élastomères déformables verticalement. On a également proposé des dispositifs à piston reliant deux parois de structure d'un édifice, afin d'amortir leurs mouvements relatifs durant une secousse sismique, notamment dans une direction horizontale. L'invention vise donc plus particulièrement un dispositif d'absorption d'énergie sismique destiné à protéger une construction, ledit dispositif comportant au moins un vérin hydraulique, ledit vérin comprenant un cylindre destiné à être fixé en translation par rapport au sol de façon à s'étendre suivant un axe sensiblement horizontal, un piston mobile axialement dans le cylindre et séparant de façon étanche le volume intérieur du cylindre en deux compartiments dont l'un premier contient un fluide d'amortissement, et une tige de piston solidaire du piston mobile, ladite tige étant d'une part solidaire d'une partie de fixation ou d'appui sur une paroi verticale de la construction. De tels dispositifs se sont avérés être d'une efficacité limitée, notamment dans le cas de séismes à forte magnitude, ces dispositifs assurant une absorption unidirectionnelle des secousses et pouvant être très fortement endommagés par des ondes sismiques se propageant dans une direction différente de leur direction privilégiée de fonctionnement. De telles secousses peuvent endommager le dispositif de façon rédhibitoire et le rendre inopérant. Ceci est particulièrement dangereux dès lors qu'apparaissent des répliques consécutives au séisme principal. Un objet de l'invention est de proposer un dispositif anti-sismique permettant une répartition multidirectionnelle d'une secousse sismique de forte intensité, afin de garantir l'efficacité du dispositif durant toute la secousse, et durant les éventuelles secousses ultérieures. A cet effet, un dispositif d'absorption d'énergie sismique suivant l'invention comporte en outre une armature rigide destinée à être montée coulissante essentiellement suivant un axe sensiblement vertical dans un élément creux de structure de la construction, et reliée à la tige de piston de façon articulée à rotation autour d'un axe sensiblement orthogonal à l'axe du vérin et à l'axe de coulissement de l'armature. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention, prises seules ou selon toutes les combinaisons techniquement envisageables : - le dispositif comporte un deuxième tel vérin, les deux vérins étant associés en fonctionnement et agencés de façon symétrique par rapport à l'armature, de façon qu'un mouvement angulaire dans un sens de l'armature par rapport à la structure de la construction provoque une diminution du volume du premier compartiment de l'un des vérins et l'augmentation du volume du premier compartiment du vérin associé ; - le premier compartiment d'un vérin est en communication fluidique avec le premier compartiment du vérin associé, via une canalisation d'échange de fluide de section de passage inférieure à la section du piston ; - le dispositif comporte un réservoir de fluide en communication fluidique avec le premier compartiment d'au moins un vérin, via une canalisation de remplissage pourvue de moyens sélectifs d'ouverture et d'obturation ; - la partie de fixation ou d'appui de la tige comprend un coussin élastomère destiné à former un tampon d'amortissement entre la tige et une paroi verticale de la construction ; - le dispositif comporte un support articulé destiné à être fixé rigidement par rapport au sol, et sur lequel est monté pivotant le cylindre suivant un axe sensiblement orthogonal à l'axe du vérin, la liaison pivot étant pourvue de moyens de rappel vers une position neutre du cylindre par rapport au support ; et - l'armature présente une base d'appui sur le sol et une partie de guidage dans l'élément creux de structure, ladite base et ladite partie de guidage étant situées de part et d'autre de l'articulation sur la tige de piston. L'invention vise également une construction, telle qu'un immeuble ou un ouvrage de génie civil, comprenant un élément creux de structure sensiblement vertical, et un dispositif tel que décrit précédemment dont l'armature est montée coulissante dans ledit élément creux de structure. Suivant une autre caractéristique de la construction suivant l'invention, celle-ci comporte des fondations et le vérin est disposé au sous-sol de la construction, de sorte que la partie de fixation ou d'appui de la tige est fixée ou prend appui sur un élément vertical de fondation, tel qu'une poutre ou un panneau. Un exemple de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non-limitatif, va maintenant être décrit plus en détail en référence au dessin annexé. Sur ce dessin, la Figure unique est une vue en coupe schématique, dans un plan vertical, d'un immeuble comportant un dispositif conforme à l'invention. Sur cette Figure, on a représenté schématiquement la structure d'un bâtiment 1 à plusieurs étages. Cette structure comporte essentiellement des poutres ou panneaux verticaux 3, et des dalles 5 horizontales délimitant entre elles la pluralité d'étages de l'immeuble. On a indiqué, par le système d'axes X-X, Y-Y, Z-Z les directions usuelles orthogonales entre elles définissant les plans horizontaux X-Y et la verticale Z-Z. Ces directions correspondent aux directions privilégiées du dispositif. A la base du bâtiment 1, les éléments verticaux de structure 3, à savoir les poutres ou panneaux verticaux, sont ancrés au-dessous du niveau du sol S, dans des saignées 7 creusées dans le sol à partir d'un niveau de fond de fouilles F. La structure du bâtiment définit ainsi, entre le niveau du sol S et le niveau de fond de fouilles F, un soussol 9 compris entre une dalle de plancher 5A et les éléments de structure verticaux 3A situés à la base du bâtiment 1 et ancrés dans les saignées 7. La structure du bâtiment présente un élément central creux 11 qui s'étend verticalement, de préférence sur l'essentiel de la hauteur du bâtiment. Cet élément central 11 peut être, par exemple, une poutre creuse ou un assemblage rigide de poutres disposées coaxialement. A son extrémité inférieure, l'élément central creux 11 débouche dans le sous-sol 9 par une ouverture 13, représentée ici évasée. Le dispositif d'absorption d'énergie sismique qui fait l'objet de l'invention est destiné à protéger un bâtiment tel que décrit précédemment, ou tout autre ouvrage de génie civil adapté. Le dispositif comporte une armature rigide 21, sous la forme par exemple d'une poutre sensiblement complémentaire de l'élément central creux 11, montée coaxialement avec un jeu transversal J, de sorte que l'armature 21 peut coulisser axialement à l'intérieur de l'élément central creux 11. L'armature 21 présente à son extrémité inférieure une base 23 fixée à un premier coussin en élastomère 25 et reposant sur le fond de fouilles F par l'intermédiaire de celui-ci. L'armature 21 est articulée par rapport à la base 23 au moyen d'une articulation principale 27, qui peut être une liaison à rotule ou une liaison à pivot simple d'axe X-X horizontal, et au moyen d'un pivot central 29 d'axe X-X. L'armature 21 présente une partie de guidage dans l'élément central 11, cette partie étant celle qui, quelle que soit la position angulaire de l'armature 21 au cours des oscillations dites de pendulage de l'armature avec le bâtiment, est située à l'intérieur de l'élément central creux 11. Une autre partie de l'armature 21, située audessous de l'ouverture 13 lorsque le dispositif est monté dans le bâtiment, s'étend dans le sous-sol 9, et comporte la base 23 et les articulations 27,29. Ainsi, l'armature 21 peut se déplacer à coulissement axial dans l'élément central creux 11 sous l'effet d'une secousse sismique de direction verticale V, avec un effet d'amortissement procuré par le premier coussin en élastomère 25, et se déplacer angulairement suivant un mouvement oscillant pendulaire autour de l'axe X-X perpendiculaire à l'axe de coulissement. Le mouvement pendulaire de l'armature 21 se produit solidairement avec celui de l'ensemble de la structure du bâtiment 1, sous l'effet des composantes horizontales H de la secousse sismique. On va maintenant décrire les éléments du dispositif d'absorption d'énergie sismique qui permettent d'amortir les oscillations en pendulage de l'armature 21. Dans l'exemple représenté, les éléments d'amortissement de pendulage sont prévus pour être disposés et pour fonctionner de façon symétrique, des éléments identiques étant prévus latéralement de part et d'autre de l'armature 21 dans le sous-sol 9. Cette symétrie n'est pas indispensable au fonctionnement du dispositif de l'invention, mais elle constitue une caractéristique optionnelle particulièrement avantageuse. Pour des raisons de concision de la description, on ne décrira qu'une fois chacun des éléments d'amortissement du dispositif 21, les éléments associés étant identiques et positionnés symétriquement par rapport au plan vertical contenant l'axe de l'armature 21. Pour la clarté de la Figure, les éléments seront repérés sur la Figure par des références numériques tantôt indiquées du côté gauche de l'armature 21, tantôt du côté droit. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend un vérin hydraulique 31 essentiellement constitué d'un cylindre 32 et d'un piston 33 mobile axialement dans le cylindre 32. Le vérin 31 est fixé en translation par rapport au sol S, en l'occurrence par rapport au fond de fouilles F, au moyen d'un support 35 fixé rigidement sur le fond de fouilles F et d'une articulation 36 reliant le cylindre 32 au support 35 par un pivot d'axe X-X. L'articulation 36 est prévue de façon que, lorsque le dispositif est inactif en l'absence de secousses sismiques, le vérin 31 s'étende sensiblement horizontalement suivant l'axe Y-Y, dans une position dite neutre . En particulier, le pivot 36 peut être pourvu de moyens de rappel vers cette position horizontale neutre du cylindre 32 par rapport au support 35. Le piston 33 sépare de façon étanche le volume intérieur du cylindre 32 en deux compartiments 32A, 32B, le premier compartiment 32A, situé du côté tourné vers l'armature 21, est rempli d'un fluide d'amortissement tel que de l'huile incongelable. A titre d'exemple, ce fluide d'amortissement peut être constitué d'huile de vaseline ou d'huile de baleine. L'autre compartiment 32B contient pour sa part simplement de l'air sous pression atmosphérique. Le piston 33 est solidaire d'une tige de piston 41 qui s'étend axialement de part et d'autre de celui-ci. Le piston 33 délimite ainsi deux sections 41A, 41B de tige. La section 41A s'étend depuis le piston 33, au travers du premier compartiment 32A et d'une ouverture pratiquée à l'extrémité correspondante du cylindre 32, jusqu'au pivot central 29 de l'armature 21. La section 41B s'étend depuis le piston 33 au travers du deuxième compartiment 32B et d'une ouverture pratiquée à l'extrémité correspondante du cylindre 32, jusqu'à une extrémité de tige solidaire d'un deuxième coussin ou tampon 43 en élastomère. Dans la position de repos du dispositif, telle que représentée sur la Figure, la section 41B de la tige s'étend horizontalement jusqu'à une position telle que le tampon 43 prend appui sur la paroi intérieure de la base verticale de structure 3A correspondante. De la même façon que le premier coussin 25 peut être soit fixé sur le fond de fouilles F soit en appui simple, le tampon 43 peut être fixé sur la paroi 3A ou en appui sur celle-ci. La section 41A de la tige de piston s'étend, dans la position de repos du dispositif, horizontalement jusqu'au pivot central 29. Cette section est articulée à pivotement autour de l'axe X-X, au moyen d'au moins un pivot 45, et de préférence, comme prévu dans le mode de réalisation représenté, deux pivots 45. En outre, le vérin 31 est pourvu d'un clapet 51 de mise à l'air libre du compartiment 32A, ou clapet atmosphérique. Le clapet 51 est de préférence taré à une pression comprise entre 160 kg/cm2 et 180 kg/cm2, de façon à éviter une rupture des articulations en cas de dépassement de l'amplitude +8 de l'échelle de Richter. Comme indiqué précédemment, dans le dispositif représenté sur la Figure conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, le vérin 31 est associé fonctionnellement à un deuxième vérin 61 identique, disposé symétriquement au premier 31 par rapport à l'armature 21. Les compartiments 32A de chaque vérin 31,61 contenant le fluide d'amortissent sont reliés par une conduite 63 d'échange de fluide dont la section est de préférence très inférieure à la section du piston 33, notamment de section inférieure à la moitié de la section du piston. Ainsi, l'écoulement du fluide de l'un des compartiments 32A au travers de la canalisation d'échange de fluide 63, lors du déplacement du piston 33 dans le cylindre 32, s'effectue en s'accompagnant d'un effort résistant important sur le piston 33. La canalisation d'échange de fluide 63 est pourvue de vannes 65, par exemple électromagnétiques, dont on peut commander la fermeture si l'on souhaite neutraliser le fonctionnement du dispositif et supprimer la possibilité d'écoulement de fluide entre les deux vérins 31,61. De telles vannes sont notamment utiles pour des opérations de maintenance du dispositif. Afin d'assurer un remplissage correct en fluide des compartiments 32A de chacun des vérins 31,61 et de la canalisation d'échange de fluide 63, on prévoit dans le dispositif un réservoir de fluide 67. Le réservoir 67 est relié à la canalisation d'échange de fluide 63, par l'intermédiaire d'une conduite normalement obturée au moyen d'une vanne 69, dont l'ouverture n'est commandée que lors de phases de maintenance, en vue du remplissage des compartiments 32A et de la canalisation 63. On comprend aisément le fonctionnement du dispositif lors de l'apparition de secousses sismiques présentant notamment des composantes horizontales H : la structure du bâtiment est sollicitée par ces secousses de sorte que la structure entière oscille en pendulage, entraînant solidairement le pendulage de l'armature 21. Celle-ci pivote autour de l'articulation principale 27 et du pivot central 29. Du fait du mouvement de pendulage de l'armature 21, les tiges 41 des vérins 31,61 coulissent essentiellement dans une direction horizontale avec une liberté de pivotement autour de chaque articulation 45. Ainsi, les pistons 33 des vérins 31,61 se déplacent sensiblement solidairement dans le même sens, l'un dans un sens tendant à faire diminuer le volume du compartiment 32A contenant le fluide d'amortissement, et l'autre dans le sens qui tend à faire augmenter le volume du compartiment 32A de l'autre vérin. Une partie du fluide contenu dans le premier vérin est donc chassée vers l'autre vérin en transitant par la canalisation d'échange de fluide 63, et en exerçant un effort résistant sur le piston 33 du vérin correspondant. On comprend que le sens de circulation du fluide est inversé en même temps que le mouvement d'oscillation de l'armature 21, c'est-à-dire de l'ensemble de la structure du bâtiment. L'invention n'est pas limitée au seul mode de réalisation qui vient d'être décrit en référence à la Figure, mais peut être mise en oeuvre suivant de nombreuses variantes. Par exemple, une première variante consiste en un dispositif dissymétrique comprenant un ou plusieurs vérins 31 dont le compartiment de fluide 32A est fermé et rempli de fluide compressible, l'amortissement étant obtenu par compression du fluide. Suivant une autre variante, le dispositif peut comprendre des vérins agencés par paires 31, 61, comme décrit en référence à la Figure, et comprendre plusieurs paires de vérins 31,61 fonctionnant en parallèle. L'invention qui a été décrite permet d'absorber l'énergie de phénomènes sismiques de grande amplitude, l'absorption d'énergie étant répartie dans la dispositif de façon adaptative aux mouvements de pendulage de la structure du bâtiment. Ceci est particulièrement sensible dans le cas de dispositifs symétriques, grâce à la circulation du fluide d'amortissement. Toutefois, les formes et dimensions des différents éléments pourront varier dans la limite des équivalents, comme d'ailleurs les matériaux utilisés pour la fabrication, sans changer pour cela la définition générale de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'absorption d'énergie sismique destiné à protéger une construction (1), ledit dispositif comportant au moins un vérin hydraulique (31), ledit vérin (31) comprenant un cylindre (32) destiné à être fixé en translation par rapport au sol (S) de façon à s'étendre suivant un axe (Y-Y) sensiblement horizontal, un piston (33) mobile axialement dans le cylindre (32) et séparant de façon étanche le volume intérieur du cylindre en deux compartiments (32A, 32B) dont l'un premier (32A) contient un fluide d'amortissement, et une tige de piston (41) solidaire du piston mobile (33), ladite tige (41) étant d'une part solidaire d'une partie (43) de fixation ou d'appui sur une paroi verticale (3A) de la construction, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une armature rigide (21) destinée à être montée coulissante essentiellement suivant un axe sensiblement vertical (Z-Z) dans un élément creux (11) de structure de la construction, et reliée à la tige de piston (41) de façon articulée à rotation autour d'un axe (X-X) sensiblement orthogonal à l'axe (Y-Y) du vérin (31) et à l'axe de coulissement de l'armature (21). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième tel vérin (61), les deux vérins (31,61) étant associés en fonctionnement et agencés de façon symétrique par rapport à l'armature (21), de façon qu'un mouvement angulaire dans un sens de l'armature (21) par rapport à la structure (3) de la construction provoque une diminution du volume du premier compartiment (32A) de l'un des vérins (31,61) et l'augmentation du volume du premier compartiment (32A) du vérin associé (31,61). 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le premier compartiment (32A) d'un vérin (31,61) est en communication fluidique avec le premier compartiment (32A) du vérin associé (31,61), via une canalisation (63) d'échange de fluide de section de passage inférieure à la section du piston (33). 4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir de fluide (67) en communication fluidique avec le premier compartiment (32A) d'au moins un vérin (31,61), via une canalisation de remplissage (68) pourvue de moyens sélectifs d'ouverture et d'obturation (69). 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie de fixation ou d'appui de la tige (41) comprend un coussin élastomère (43) destiné à former un tampon d'amortissement entre la tige (41) et une paroi verticale (3A) de la construction (1). 6. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un support articulé (35) destiné à être fixé rigidement par rapport au sol (S), et sur lequel est monté pivotant le cylindre (32) suivant un axe (X-X) sensiblement orthogonal à l'axe (Y-Y) du vérin (31), la liaison pivot (36) étant pourvue de moyens de rappel vers une position neutre du cylindre (32) par rapport au support (35). 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'armature (21) présente une base (23) d'appui sur le sol (F), et une partie de guidage dans l'élément creux de structure (11), ladite base (23) et ladite partie de guidage étant situées de part et d'autre de l'articulation (27,29) sur la tige de piston (41). 8. Construction comprenant un élément creux de structure (11) sensiblement vertical, caractérisée en ce qu'il comprend un dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, dont l'armature (21) est montée coulissante dans ledit élément creux de structure (11). 9. Construction suivant la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des fondations (F, 3A, 7) et le vérin (31,61) est disposé au sous-sol (9) de la construction (1), de sorte que la partie (43) de fixation ou d'appui de la tige (41) est fixée ou prend appui sur un élément vertical de fondation (3A), tel qu'une poutre ou un panneau.