Charges sismiques s'exerçant sur les bâtiments en Allemagne

Article technique

La norme DIN EN 1998-1 et l'Annexe nationale DIN EN 1998-1/NA indiquent comment déterminer les charges sismiques. Cette norme s’applique au dimensionnement et à la construction de bâtiments et d’ouvrages de génie civil en zone sismique en Allemagne.

Cette réglementation [1] ne s'applique pas aux structures spéciales, telles que les centrales nucléaires, les structures en mer et les grands barrages. Le but de cette norme est d’assurer qu’en cas de séisme :

  • les vies humaines sont protégées ;
  • les dommages sont limités ;
  • les structures importantes pour la protection civile restent opérationnelles.

Un séisme est une action provenant du sol qui s'exerce sur une ou plusieurs structures. Cette action correspond ainsi à un ensemble de déformations ou d'accélérations imposées. Les actions résultant de l'activité sismique sont classées en différentes catégories d'actions sismiques afin de pouvoir les combiner avec d'autres actions (charges imposées, neige, etc.) dans des situations de calcul définies selon la norme DIN EN 1990.

Exigences fondamentales

Les structures situées dans des zones sismiques doivent se conformer à certaines exigences de stabilité et de limitation des dommages.

La structure doit être conçue et construite de manière à résister au séisme calculé, sans effondrement local ou général, conservant ainsi son intégrité structurale et une capacité portante résiduelle après l’événement sismique. Le séisme de référence pour le calcul doit alors être déterminé avec une période de retour de référence, TNCR = 475 ans [2]. Cette valeur correspond à une probabilité de dépassement de 10 % en 50 ans.

La structure doit être conçue et construite pour résister à des actions sismiques présentant une probabilité de se produire plus importante que les actions sismiques de calcul, sans qu’apparaissent des dommages et des limitations d’exploitation, dont le coût serait disproportionné par rapport à celui de la structure [1].

Ce calcul est cependant négligé dans l'Annexe nationale allemande consacrée aux actions sismiques.

La différentiation de la fiabilité est obtenue en classant les structures en diverses catégories d’importance. Un coefficient d’importance γI est attribué à chaque catégorie. Celui-ci est utilisé comme valeur de modification de l'action sismique de référence afin de déterminer le séisme calculé [1]. La catégorie d'importance II correspond à la période de retour de référence TNCR du séisme de référence.

Catégorie d'importanceBâtimentsCatégorie d'importance γI
I
Bâtiments d’importance mineure pour la sécurité des personnes,
par exemple, bâtiments agricoles, etc.
0,8
II
Bâtiments courants n’appartenant pas aux autres catégories (bâtiments résidentiels et immeubles de bureaux de petite taille, ateliers, etc.)
1,0
IIIBâtiments dont la résistance aux séismes est importante compte tenu des conséquences d’un effondrement, par exemple : écoles, salles de réunion, institutions culturelles, etc.1,2
IV
Bâtiments dont l’intégrité en cas de séisme est d’importance vitale
pour la protection civile, par exemple : hôpitaux, casernes de pompiers, centrales électriques, etc.
1,4

Critère de conformité - États limites ultimes

Les états limites ultimes et de service d'un bâtiment doivent être vérifiés afin de satisfaire aux exigences fondamentales définies pour celui-ci en cas de séisme.

Les états limites ultimes décrivent les scénarios d'effondrement possibles ou d'autres défaillances structurelles du bâtiment considéré [1]. La ductilité en fonction des exigences et la stabilité structurale de l'ensemble du bâtiment, y compris tous les composants de fondation et le sol, doivent être respectées afin de garantir la conformité du bâtiment.

Les états limites de service concernent cependant des dommages ayant un impact négatif sur l'état de service du bâtiment [1]. Les limites de déformation adéquates doivent être respectées afin de garantir la fiabilité de celui-ci en cas de dommages. Les bâtiments importants doivent être conçus comme suffisamment rigides pour protéger la population et présenter une résistance permettant d'assurer le bon déroulement des principaux services.

Ductilité

Un séisme génère habituellement une énergie qui s'exerce sur un bâtiment, induisant des vibrations [2]. L'oscillation du bâtiment et la charge sismique correspondantes dépendent des propriétés du bâtiment. En matière de séisme, il est possible de concevoir des bâtiments capables de supporter des forces agissantes relativement élevées avec peu de déformations élastiques ou des forces agissantes plus faibles avec des déformations plastiques plus importantes. La seconde solution entraîne une dissipation de l'énergie sensiblement plus élevée nécessitant un calcul physique non linéaire du système structural. En pratique, le coefficient de comportement q, qui dépend de la classe de ductilité, est utilisé pour trouver un équilibre entre le chargement et la dissipation de l'énergie [1]. Plus la classe de ductilité est élevée, plus la charge sismique équivalente est faible. Cependant, plus la classe de ductilité est élevée, plus les exigences de calcul de structure sont par ailleurs élevées afin de garantir la ductilité de celle-ci.

 Classe de ductilité de la structureCoefficient de comportement q
Comportement de structure faiblement dissipatifDCL (limitée)≤ 1,5
Comportement de structure dissipatifDCM (moyenne)Éléments en béton selon le Chapitre 5 de la DIN EN 1998-1
Structures en acier selon le Chapitre 6 de la DIN EN 1998-1
Structures mixtes acier-béton selon le Chapitre 7 de la DIN EN 1998-1
Structures en bois selon le Chapitre 8 de la DIN EN 1998-1
Structures en maçonnerie selon le Chapitre 9 de la DIN EN 1998-1
DCH (haute)

Action sismique

Le mouvement dû au séisme en un point donné de la surface du sol est représenté dans la norme sismique par un spectre de réponse élastique en accélération (également appelé spectre de réponse élastique). Le spectre de réponse élastique est identique d'après les exigences définies en matière de stabilité structurale et de limitation des dommages.

Il est nécessaire d'effectuer des calculs non linéaires car l'action sismique est réduite à l'aide d'une réaction non linéaire pour la plupart des structures [1]. Pour des raisons de simplicité, il est possible de déterminer le comportement ductile des bâtiments à l'aide d'un calcul linéaire à partir d'un spectre de réponse élastique modifié par le coefficient de comportement q. Le spectre de réponse modifié avec q s'appelle le spectre de calcul [1]. Le coefficient de comportement q est lié à un amortissement visqueux de 5 % de la structure.

Figure 01 - Spectre de calcul

ZoneFonction du spectre de calcul Sd(T)
0 ≤ T ≤ TBagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ [1 + T/TB ⋅ (2,5/q - 1)]
TB ≤ T ≤ TCagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2,5/q
TC ≤ T ≤ TDagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2,5/q ⋅ TC/T
TD ≤ TagR ⋅ γI ⋅ S ⋅ 2,5/q ⋅ (TC ⋅ TD)/T2

Sd(T) = ordonnée du spectre de calcul
T = période de vibration d’un système linéaire à un seul degré de liberté
γI = coefficient d'importance
q = coefficient de comportement
agR = accélération maximale de référence au niveau d’un sol 
TB, TC, TD = période de contrôle du spectre de réponse
S = paramètre du sol

L'accélération maximale de référence au niveau d’un sol agR est une valeur propre à chaque site. Cette valeur a été obtenue au terme d'une évaluation des risques sismiques conduite par la République fédérale d'Allemagne. Les territoires nationaux sont divisés en zones sismiques en fonction de l’aléa local. L’aléa peut être supposé constant à l’intérieur de chaque zone. Il est classé avec la valeur correspondante d’accélération maximale de référence au niveau d’un sol agR [1].

Zone sismiqueValeur d’accélération maximale de référence au niveau d’un sol agR en m/s2
0Non spécifiée
10,4
20,6
30,8
N/ANon spécifiée

Figure 02 - Carte des zones sismiques

Les périodes de contrôle TB, TC, TD et le paramètre du sol S défini pour le spectre de calcul sont également des valeurs propres à chaque site et sont basées sur la classe du sol et la classe de sous-sol géologique du site de construction [1].

Conditions de solSTB en sTC en sTD en s
A-R1,000,010,202,0
B-R1,250,010,252,0
C-R1,500,010,302,0
B-T1,000,010,302,0
C-T1,250,010,402,0
C-S0,750,010,502,0

Le sol est divisé en classes A, B et C, selon la vitesse des ondes de cisaillement [1] :

  • Classe de sol A
    • Roches non-altérées à résistance élevée
    • Les vitesses des ondes de cisaillement dominantes sont supérieures à environ 800 m/s
  • Classe de sol B
    • Roches moyennement altérées ou roches à faible résistance
    • Sol non consolidé à grains grossiers (granuleux) ou mixtes, avec des propriétés de frottement élevées de consistance dense ou solide (roches meubles glaciaires, par exemple)
    • Les vitesses des ondes de cisaillement dominantes sont comprises entre 350 m/s et 800 m/s environ
  • Classe de sol C
    • Roches solides fortement ou complètement altérées
    • Sol non consolidé à grains grossiers (granuleux) ou mixtes de consistance dense ou a minima rigide
    • Sol à grains fins (cohésif) de consistance a minima rigide
    • Les vitesses des ondes de cisaillement dominantes sont comprises entre 150 m/s et 350 m/s environ

La couche intermédiaire entre la roche et les sédiments est divisée classes de sous-sol R, T et S [1] :

  • Classe de sous-sol R
    • Zones majoritairement composées de roches
  • Classe de sous-sol T
    • Zones de transition entre la classe R et S, ainsi que les zones des bassins sédimentaires relativement peu profonds
  • Classe de sous-sol S
    • Zones présentant des bassins profonds avec un remplissage sédimentaire épais

Figure 03 - Carte des classes de sous-sol géologique

Détermination de la valeur d’accélération maximale de référence au niveau d’un sol et de la classe du sous-sol

L'outil de géolocalisation consultable sur la page des zones de neige, de vent et de sismicité de notre site Web combine les exigences des normes disponibles aux solutions qu'Internet peut fournir. Cet outil affiche les informations recherchées en fonction du type de charge sélectionné (neige, vent, sismicité) et de la norme du pays en se basant sur les données de Google Maps. Il suffit de saisir un lieu, ses coordonnées ou les conditions locales dans la barre de recherche afin d'obtenir les informations recherchées. L'outil de géolocalisation détermine ensuite la charge ou la vitesse propre à ce lieu à l'aide de la hauteur exacte au-dessus du niveau de la mer et des données relatives à la zone indiquée. Si le lieu ne peut pas être renseigné à l'aide d'une adresse, l'utilisateur peut également zoomer sur la carte et sélectionner le lieu voulu. Une fois le lieu sélectionné sur la carte, le calcul est ajusté en fonction de la nouvelle altitude et les charges mises à jour sont affichées.

Ce service est disponible sur le site Web de Dlubal Software à l'emplacement Solutions → Service en ligne.

Les paramètres doivent être définis comme suit :

1. Type de charge = sismicité
2. Norme = EN 1998-1
3. Type de carte = zone sismique ou classe de sous-sol géologique
4. Annexe = Allemagne | DIN EN 1998-1
5. Adresse = Domkloster 4, Cologne

On obtient alors les résultats suivants :

6. Zone sismique
7. Classe de sous-sol géologique
8. Informations complémentaires (le cas échéant)
9. Valeur d’accélération maximale de référence au niveau d’un sol agR

Mots-Clés

Tremblement de terre Charge sismique Accélération du sol Coefficient du sous-sol géologique Classe du sous-sol Sol et classe de sol Zone sismique Classe d'importance Coefficient de comportement Ductilité Coefficient d'importance

Littérature

[1]   Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance - Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings; EN 1998‑1:2004/A1:2013
[2]   Albert, A.: Schneider - Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen, 23. Auflage. Köln: Bundesanzeiger, 2018

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