Structure et séisme : l'influence des matériaux

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Interview de Gérald Hivin, professeur à l'IUT de Génie Civil, Université Grenoble Alpes.

« Décrivez moi votre immeuble et je vous dirais sa réaction face à un séisme» c’est en condensé la méthode suivie par les spécialistes pour comprendre le comportement des structures lors d’une secousse sismique.

Petits, grands, larges, en béton, en brique, en bois, l’ensemble de ces critères vont déterminer la fréquence à laquelle votre bâtiment se met à osciller quand la terre tremble. Par exemple, une structure élancée oscille lentement alors qu’une maison basse vibre plus rapidement. Ce nombre d’oscillations par seconde, appelé fréquence de résonance, est un élément déterminant dans la résistance d’une structure qu’il convient de prendre en compte dans sa conception en suivant notamment ces quelques principes.

Premièrement, il faut faire en sorte que la structure ait une fréquence de résonance unique. Pourquoi ? Lorsque vous mettez en mouvement un objet, il vibre à son propre rythme. Imaginez maintenant que chaque partie de l’immeuble oscille comme bon lui semble : les éléments se désolidarisent, s’entrechoquent ou provoquent d’importantes déformations. Cette cacophonie générale conduit à de gros dégâts voire la destruction complète du bâtiment. A l’inverse si vous vous débrouillez pour que l’ensemble de votre structure vibre à l’unisson, le risque de dommages diminue. Pour cela il convient, entre autre, de bien répartir la masse : il faut éviter qu’un niveau souple (typiquement avec de grandes façades vitrées) ne soit surmonté d’un niveau rigide. En effet, les mouvements du niveau plus souple sont différents de ceux des autres étages, du coup la structure n’a pas un déplacement régulier et le niveau le plus souple finit par céder.

Deuxièmement, il faut éviter que la structure ait la même fréquence que le sol. En effet, quand deux fréquences voisines se rencontrent, l’amplitude des mouvements augmentent. Si votre immeuble vibre de la même façon que le sol, il entre en résonance : le mouvement est amplifié et la structure est fragilisée. L’idéal est donc de construire des bâtiments souples sur un sol rigide et des bâtiments rigides sur un sol mou. C’est une des raisons pour lesquelles on sonde le sous-sol avant de construire.

Connaître la fréquence de résonance d’un bâtiment, c’est très pratique mais aussi très complexe. Pour la déterminer, il faudrait installer dans chaque bâtiment des capteurs sismiques et traiter ensuite les données. Cela a été réalisé pour quelques structures à Grenoble (Hôtel de Ville, tour Vercors, et une des tours Arpej) mais il est évident qu’on ne peut pas réaliser ces mesures sur tous les bâtiments, maisons individuelles comprises. On a donc recours à des méthodes simplifiées qui permettent de connaître la gamme de fréquences dans laquelle les mouvements seraient amplifiés. Ces méthodes peuvent par exemple se baser sur le nombre d’étages : un bâtiment souple a, grosso modo, une fréquence de résonance égale à 10 divisé par le nombre d’étage (f = 10/N) alors qu’une structure rigide a une fréquence donnée par 20 divisé par le nombre d’étages (f = 20/N).

Malgré son caractère fondamental, la fréquence de résonance ne régit pas entièrement la résistance d’une structure. Les constructions doivent aussi faire face aux forces d’inertie et à la durée du séisme. Les forces d’inertie désignent les forces qui s’opposent au mouvement et retiennent la structure à sa position d’origine. Les matériaux doivent donc pouvoir se déformer suffisamment pour absorber le retard du haut de la structure par rapport au bas qui suit le mouvement du sol. Par ailleurs, à partir du moment où les matériaux se déforment de façon irréversible, la durée des vibrations va aggraver la situation.

Production et réalisation : Institut des Risques Majeurs

Avec les soutiens de :
La Région Auvergne-Rhône-Alpes
La DREAL Auvergne-Rhône-Alpes
Le Conseil Départemental de l'Isère

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