The effects of reducing design drift limits: evidence from the field and nonlinear dynamic analyses
Cette étude combine des données de terrain provenant de plus de 1 800 bâtiments avec des analyses dynamiques non linéaires pour démontrer que la réduction des limites de dérive de calcul à 1,0 % diminue considérablement le risque d'effondrement et de dommages graves aux composants structurels et non structurels sans compromettre la capacité de dérive.
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Lorsque le sol tremble lors d'un séisme, les bâtiments ne se contentent pas de rester immobiles ou de s'effondrer ; ils oscillent. Les ingénieurs mesurent ce mouvement latéral sous la forme d'une dérive, qui est la distance parcourue par un étage par rapport à celui situé en dessous. Pendant des décennies, les codes de construction ont fixé des limites sur la façon dont cette dérive est autorisée à croître, en partant du principe que si un bâtiment est conçu pour se plier d'une certaine quantité sans se briser, il survivra. La sagesse dominante était que rendre un bâtiment plus rigide pour réduire cette oscillation pourrait être trop coûteux ou pourrait causer d'autres problèmes, tels que secouer trop violemment le contenu à l'intérieur. Cependant, une nouvelle étude remet en question cette hypothèse de longue date, suggérant que le moyen le plus sûr de protéger à la fois un bâtiment et les personnes et équipements à l'intérieur est de concevoir des structures nettement plus rigides que ce que les normes actuelles exigent, à condition qu'elles soient construites avec suffisamment de résistance interne pour supporter la contrainte.
Les chercheurs à l'origine de ce travail, basés à l'ETH Zurich et à l'Université de Canterbury, ont cherché à tester si le resserrement de ces limites de dérive améliore réellement la sécurité. Ils ont abordé la question sous deux angles : en examinant ce qui est arrivé à des milliers de bâtiments réels après des séismes passés, et en créant des modèles informatiques détaillés de nouveaux bâtiments conçus selon différentes normes de rigidité. Dans le monde réel, ils ont recueilli des données provenant de plus de 1 800 bâtiments en béton armé recensés après seize séismes différents à travers le monde. Ils se sont concentrés sur une caractéristique physique simple : quelle quantité d'espace occupée par les murs et les colonnes un bâtiment possédait par rapport à sa surface au sol. En termes d'ingénierie, une densité plus élevée de ces supports verticaux signifie que le bâtiment est plus rigide et oscille moins. En comparant cette densité aux rapports de dommages, ils ont trouvé un schéma clair. Les bâtiments possédant plus de murs et de colonnes, et donc moins de balancement, ont subi beaucoup moins de défaillances catastrophiques. Plus précisément, les structures ayant une densité plus élevée de supports verticaux étaient environ dix fois moins susceptibles de subir des dommages graves ou un effondrement par rapport à celles ayant moins de supports.
L'équipe a également examiné les dommages souvent négligés à l'intérieur des bâtiments, tels que les plafonds cassés, l'équipement médical endommagé et les cloisons ruinées. Ils ont analysé les rapports de 111 hôpitaux au Chili suite à un séisme majeur. Les résultats étaient frappants : les hôpitaux construits avec des cadres flexibles, qui oscillent davantage, étaient dix fois plus susceptibles de subir des dommages graves à leurs composants non structurels que les hôpitaux construits avec des murs en béton rigides. Cette conclusion contredit directement une crainte courante selon laquelle les bâtiments rigides secoueraient trop violemment leur contenu. Les données ont montré que la stabilité accrue des bâtiments rigides protégeait mieux les équipements délicats et les finitions intérieures que les cadres oscillants.
Pour comprendre exactement pourquoi cela se produit et pour prédire les performances futures, les chercheurs se sont ensuite tournés vers des simulations informatiques. Ils ont conçu seize bâtiments différents à cadre en béton armé et seize bâtiments à cadre et murs en béton armé. Chaque série a été conçue pour respecter quatre limites de dérive différentes, allant d'un cadre très flexible de 2,5 % jusqu'à un cadre très rigide de 1,0 %. Crucialement, ils se sont assurés que chaque bâtiment était détaillé avec un renforcement d'acier interne solide, ce qui signifie que même les bâtiments les plus rigides avaient la même capacité à se plier et à absorber l'énergie sans se briser que les plus flexibles. Ils ont ensuite soumis ces structures virtuelles à des forces sismiques simulées, incluant des secousses extrêmement rares et puissantes qui pourraient se produire une fois tous les 2 500 ans.
Les simulations ont confirmé les tendances observées dans les données du monde réel. Lorsque la limite de conception de l'oscillation passait de 2,5 % à 1,0 %, le risque d'effondrement du bâtiment lors d'un séisme massif chutait d'un facteur dix. Les bâtiments les plus rigides ont également subi moins de dommages structurels graves et de dommages à leurs planchers. De plus, l'étude a révélé que rendre les bâtiments plus rigides n'augmentait pas les forces d'accélération ressenties par le contenu à l'intérieur, une préoccupation qui avait précédemment découragé les ingénieurs de poursuivre des conceptions plus rigides. Au lieu de cela, les bâtiments plus rigides maintenaient leur intégrité et gardaient les planchers plus stables.
L'étude conclut que la réduction de la limite de dérive de conception admissible à 1,0 % est un moyen simple et efficace d'améliorer considérablement la sécurité sismique. Cette approche réduirait considérablement le risque d'effondrement et de dommages structurels graves, tout en protégeant le contenu précieux et les éléments non structurels à l'intérieur du bâtiment. Les preuves suggèrent que le compromis perçu entre rigidité et sécurité est une erreur de conception ; en concevant des bâtiments plus rigides sans compromettre leur résistance interne, les ingénieurs peuvent créer des structures bien plus résilientes aux secousses violentes de la terre.
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