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Méthodes d’évaluation de la vulnérabilité sismique du bâti existant

Philippe GUEGUEN

Laboratoire de Geophysique Interne et Tectonophysique Grenoble

En collaboration avec R. Perruzzi, C. Martin, S. Podesta

Atelier sismo - Sion 9 et 10 juin 2010

Plan de l’exposé

1. Pourquoi évaluer la vulnérabilité du bâti existant et pourquoi est-ce difficile?

2. Comment évaluer la vulnérabilité du bâti existant et comment la représenter?

3. Quelles sont les pratiques en Suisse/Italie/France ?


Risque sismique

Kant: première origine physique des tremblements de terre

Voltaire: la fatalité des catastrophes naturelles

Rousseau: première réflexion sur la responsabilité de l’Homme face aux risques naturels

Séisme de Lisbonne 1er novembre 1755


Aléa sismique et milieu urbain


Risque sismique en milieu urbain

Spence and Coburn, 2002

“ Extreme catastophes have been rare only because the exposure of modern megacities to earthquake hazard has been relatively short (#50 years): an increase in the number of such catastrophes now seems to be inevitable.”

Jackson, Philosophical Transactions of the Royal Society, 2006.

1. Peu de mégalopoles dans leur configuration actuelle ont déjà subi des tremblements de terre majeurs

2. La qualité du bâti existant ne s’est pas améliorée depuis 50 ans


Prédire les dommages sismiques

Mexico City 1985

Turquie 1999Kobe 1995


Pourquoi évaluer la vulnérabilité du bâti existant ?

1. Représenter et sensibiliser

- les dommages probables dans une ville - sensibiliser les pouvoirs publics- simuler les crises sismiques

Premières pratiques dans des pays exposés à des niveaux d’aléa élevés et ayant d’importantes agglomérations (USA, Italie, Japon, Turquie...)

Dans les pays à sismicité modérée, pouvoir comparer les risques entre eux (naturels, sanitaires, industriels, domestiques...)


Pourquoi évaluer la vulnérabilité du bâti existant?

2. Identifier, évaluer et renforcer

- Identifier les bâtiments les plus vulnérables aux séismes (inventaire sismique) - organiser la stratégie de renforcement - planifier et évaluer (coût, durée) les actions de renforcement

Méthodes de l’ingénierie, encouragées aussi par les équipements et installations arrivant en fin de vie


Pourquoi est-ce si difficile?

- Quantité des bâtiments existants concernés (échelle d’un parc immobilier, d’un quartier, d’une ville...)

- Grande variété des types de bâtiments (réponse variable)

- Difficulté de décrire la structure dans sa totalité (manque de plans, de note de calcul, de description des fondations ...)

- Bien appréhender le comportement sismique d'une structure existante est bien plus difficile que de la dimensionner.



LE BATI ANCIEN

faible renouvellement

parcs vasteset étendus

parcs très hétérogènes

dispositions constructivesvariables

aucune prescription

parasismique

un minimum d’informations

disponibles




Incertitude importanteIncertitude

faible

Probabilité conditionnelle d’atteindre un niveau de dommage (P(LS|D=d)

Demande sismique D (alea)

Incertitude nulle (modèle déterministe)

σ = σmod + σSeuil + σaleaσmod : modèle de comportementσSeuil : paramètre dʼendommagementσalea : indicateur de nocivité


moyens mis en œuvre +-

Echelle d’analyse

Méthodes

Plusieurs centaines de bâtiments

Vulnérabilité EMS98

Applicabilité Ville–Commune–Quartier – Parcs immobiliers – Bâtiments StratégiquesGrenoble Centre Ville HLM-Ecoles Centrales Nucléaires

Quelques bâtiments Bâtiments individuels

Indice de Vulnérabilité

Avis desexperts

Calculs analytiques simples

Analyse numérique – modélisation –

Moyens humains

Etudiants-Techniciens-Architectes-Ingénieurs-Ingénieurs confirmés-Chercheurs

Mesures et essais


Comment évaluer la vulnérabilité du bâti existant ?


Vulnérabilité collective:

- Basée sur des retours d’expérience

- Approche empirique

- Approche statistique: recherche des données de basereprésentation des résultats

- Trois méthodes originelles (USA/Italie/EMS98) et des émanations à d’autres pays.

- Objectifs: scénario sismique, sensibilisation, information

Les méthodes collectives


Source : EMS98

Définition d’une typologie

Définition d’une fonction d’endommagement par type

Définition d’une échelle de dommage

Intensité VI : de nombreux bâtiments des classes A et B subissent des dégâts de degré 1. Quelques uns de classes A et B subissent des dégâtsde degré 2. Quelques uns de classe C subissent des dégâts de degré 1.



Source : GNDT

Vertical Horizontal

1 Pierre brutes Voûte

2 Pierre taillée Bois

3 Maçonnerie Acier

4 Béton armé Béton armé

Exemple de matrice de probabilité d’endommagement pour un type de construction

Niveau de dommage Description

1 Aucun

2 Insignifiant

3 Léger

4 Considérable

5 Sérieux

6 Très sérieux

7 Destruction partielle

8 Destruction totale


Vulnérabilité individuelle:

- Basée sur l’analyse mécanique des structures

- Approche mécanique

- Collecte de donnéesplans indispensablesessais et calculs

- Méthodes par typologie (famille de construction) ou par bâtiment seul.

- Objectifs: Evaluation des dommages, en fonction d’un niveau de performance à atteindre, pour du confortement.



Méthodes et modèles de calcul:-Calculs statiques équivalents (Push-Over adaptatif) ou calculs dynamiques temporels

-Modèles simplifiés de béton armé et de remplissage

Modèle simplifié de bâtimentHypothèse de calcul pour les poteaux b.a.

Points de performance

Les méthodes individuelles


Les méthodes individuelles

0 20 40 600

5

10

15

20

25

Displacement Ux (cm)

Forc

e M

N

0 20 40 600

5

10

15

20

25

Displacement Uy (cm)

Push Over Hotel de Ville Grenoble

Team 1Team 2

Team 1Team 2

Bâtiment bien documentéInformations communesM é t h o d e m é c a n i q u e s (Push-Over)

Incertitudes importantes

Hôtel de Ville de Grenoble - Projet ANR ARVISE



Vulnérabilité individuelle pour une évaluation collective:

- Basée sur des retours d’expérience

- Approche empirique

- Approche statistique: recherche des données de basereprésentation des résultatsutilisation d’informations déterministes pour une représentation collective

- Objectifs: scénario sismique, sensibilisation, information et inventaire sismique pour identifier les priorités



12

Approche statistique: recherche des données de base par bâtimentsreprésentation des résultats par secteursGrenoble

Lourdes

Les méthodes individuelles pour une représentation collective


Source : ATC21

Les méthodes individuelles pour une représentation collective


Source : ATC21

Classement de la structure suivant son type.

Recherche visuelle de critèresFragilisant la structure

Calcul de l’indice de vulnérabilitéde base puis de la vulnérabilitémodifiée

Identification vis-à-vis d’un niveaude performance à atteindre SVH ou FI en fonction de la classe du bâtiment(A, B, C, D).

Si conforme: OK

Si non-conforme : niveau d’analyse supérieur (calcul)

Identifier les priorités

Quelles sont les pratiques en Suisse/Italie/France ?


- En fonction des classes de bâtiments: fonction, importance, type de construction

- En général, approches gigognes:

- Niveau inférieur : quelques informations, peu de compétences nécessaires, 1 journée pour un quartier

- Niveau intermédiaire: précisions des informations, compétences requises, 1 journée pour un bâtiment

- Niveau supérieur: données précises, plans, ingénieur spécialisé, 1 semaine ou plus par bâtiment

Pratique Suisse


Directives de l’OFEG (OFEN depuis 2006)

- Procédures communes, établies et reconnues - Pas de caractère obligatoire: recommandations et fil conducteur- Appliquées sur les bâtiments de la confédération et de plusieurs cantons (bâtiments publics)

- 3 étapes: - Etape 1: identifier les priorités pour un grand nombre de bâtiments (vulnérabilité individuelle pour une représentation collective)- Etape 2: introduire des calculs d’ingénieur pour définir des priorités pour une étude détaillées (défauts et le niveau de conformité). - Etape 3: réponse définitive, en établissant un niveau de risque acceptable pour les personnes, selon la valeur de l’ouvrage et les mesures à apporter (renforcement).

Pratique Suisse


Directive de l’OFEG


Directive de l’OFEG

Etape 1: Importance de l’ouvrage

Niveau de sismicité

Critères visuels structuraux (analyse sur plan)

Indicateurs pour la définition des priorités

C’est une analyse du risque

Pratique Suisse


Critères de décisionindicateur WZ signale les bâtiments qui s'effondreront le plus probablement lors d'un tremblement de terre et ceux où l'assainissement de la structure porteuse permettrait de réduire les risques.

indicateur AZPS met en évidence l'ampleur prévisible des dommages. Elle signale notamment les cas où les risques dépendent surtout de la valeur du bâtiment et de son usage.

Pratique Suisse


Exemple: Parc immobilier de l’EPFL - 69 bâtiments

Etape 1: 11 bâtiments ont les critères pour une analyse plus détaillée (16%)Coût: 20 jours (200 h d’enquêtes) ingénieurs + 90 h pour analyse et rapport ====> 440 euros/bâtiment

Etape 2: inutile devant le petit nombre de bâtiments (11)

Etape 3: 0 bâtiment en situation la plus défavorable (< αmin = 0.25)7 bâtiments en situation intermédiaire (0.25 < αmin < 0.80), 1 nécessitant un renforcement4 bâtiments conformes (αmin > 0.80)

Coût: 150 h ingénieurs / bâtiment ====> 16 700 euros/bâtiment

Pratique Suisse

Pratique Française


Pas de référentiels réglementaires, uniquement des initiatives par projetPas de pratiques communes.

Méthode RisKUE et VULNERALP:Pas de décisions finalesUniquement une représentation de la vulnérabilité

Projet SISMO-DTExpression des besoins d’une collectivité locale (la ville de Grenoble)

Méthode AFPSVulnérabilité individuelle, dire d’expert, pour évaluation de la vulnérabilité (~diagnostic)

Etudes actuelles GEOTER/LGIT:La simplicité de VULNERALP/RiskUE niveau 1 semble suffisante pour une évaluation des priorités

Pratique Française


Une initiative du ministère de l’environnement

Proposition de Recommandation CEPPRS

Objectifs: introduire la vulnérabilité dans les Plans de Prévention du Risque Sismique

1. Méthode gigogne: inventaire sismique gigogne, depuis une étape collective (RiskUE/VULNERALP...) identique à l’étape 1 de l’OFEG puis passer à un niveau supérieur pour les bâtiments C et D

2. Méthode mécanique pour les bâtiments de classe C et D

3. Avis sur la sécurité de l’ouvrage

Pratique Française


Proposition de Recommandation CEPPRSC

ON

FI

DE

NT

IE

L


Pratique française : exemple des écoles des Antilles

•Parc immobilier des écoles publiques – 310 établissements, 1700 bâtiments, plus de 500 000 m², plus de 56000 élèves.

•Etape 1 : Coûts des études (aléa/vulnérabilité/risque/pertinence des renforcements) en premier niveau d’analyse : 2,7 M€ 8700 €/établissement en moyenne 1800 €/bâtiment

•Etape 2 : les bâtiments identifiés en priorité P1 (risque humain le plus élevé) passent progressivement en étude de programmation (diagnostics et études d’ingénierie complémentaires), préalablement à la réalisation. Coût variable selon la complexité : de 12000 à 20000 Euros/bâtiment.

NB : pour des bâtiments plus compliqués (cas des lycées, les coûts précédents sont en moyenne augmentés de 25 %).

Pratique Italienne


Pas de méthode “standard” mais des recommandations pour l’utilisation de méthodes scientifiquement validées (Guides méthodologiques)

Méthode de vulnérabilité et risque en prévision de renforcement.

Le code de construction Italien (DM 14 janvier 2008) distingue:

- les bâtiments historiques (cultural heritage): sous la responsabilité du ministère des monuments historiques

- les bâtiments ordinaires: sous la responsabilité des Services Techniques de la Province

Pratique Italienne


Les bâtiments historiques (cultural heritage): sous la responsabilité du ministère des monuments historiques

Guide méthodologique: Guidelines for valuation and decrease of seismic Hazard of cultural heritage, Directive P.C.M 12 Octobre 2007 3 niveaux :

LV1 : planification des interventions de renforcement - analyse de risque

LV2 et LV3: définition des interventions et des travaux

Pratique Italienne


Les bâtiments historiques (cultural heritage)

2 approches différentes:

- macrosismiques - basées sur des retours d’expérience (méthodes empiriques)

- mécaniques - basées sur des relations force-déplacement (courbe de capacité) pour décrire la réponse globale (déterministe)

3 méthodologies différentes en fonction de la fonction de la structure (la fonction fait le type):

- Méthode déterministe pour les Palaces et les Tours (mécanique) - Méthode statistique pour les églises (retours d’expériences).

Pratique Italienne


Les bâtiments historiques (cultural heritage):

La méthode LV1 propose des méthodes simplifiées (mécaniques) pour évaluer le dommage probable pour un niveau d’accélération, en fonction du type de construction et de sa fonction (~ son type).

Enquêtes de paramètres décrivant la structure: entretien, irrégularités, positionnement.

Pratique Italienne



Niveau 1 - LV1: 2-3 jours par bâtimentDonnées de base: inspections, détails constructifs, qualité de la maçonnerie.Données complémentaires: information historique, documentsRésultats: analyse du risque, probabilité de ruine, de dommage, pour chaque niveau de dommage, décision à prendre...

Seismic safety Index Is:

aSLU : capacité de la structure exprimée en vitesse ultime du sol correspondant à la limite de dommage considéré ag :accélération réglementaire du sol ag ϒ : importance de la structure S: coefficient de site

Pratique Italienne



Niveau 2 - LV2-LV3: 15 jours par bâtiment

Données de base: inspections, détails constructifs, qualité de la maçonnerie in-situ.

Données complémentaires: information historique, documents, plans

Résultats: Evaluation de la vulnérabilité sismique et définition du renforcement...

Analyse pour un seul bâtiment

Pratique Italienne


Les bâtiments ordinaires : sous la responsabilité du service technique de chaque province.

Pas de méthode unique mais un ensemble de méthodes disponibles dans la littérature italienne.

Par exemple: Lagomarsino and Giovinazzi (2006) et Bernardini et al. (2007)

Essentiellement des études de vulnérabilité et de risque pour un aléa en intensité macro-sismique: à l’échelle d’une municipalité.

Méthode empirique (retours d’expérience): GNDT, RISK-UEEnquêtes visuelles: dispositions constructives, irrégularité, contreventement, état d’entretien etc....

Pratique Italienne


Exemple d’application suite au séisme de Molise dans la région de Molise.

Nombre de bâtiments: 250 (démarrage 31/12/2007) (écoles)Ressources: 6 mois - 50 techniciens

Méthodologies: VC pour le béton et VM pour la maçonnerie (méthodes empiriques, disponible dans la liste des méthodes validées)

Résultats: haut niveau de risque = 29%moyen niveau de risque = 36%faible niveau de risque = 35%

Conclusions (préliminaires): 50 bâtiments sans actions de renforcement 75 bâtiments à renforcer 5 bâtiments à détruire

Conclusions


Le bâti existant n’est pas toujours vulnérable

Faire preuve de pragmatisme : niveau de risque acceptable (le besoin des propriétaires) et comparaison avec d’autres risques

Evaluation pour proposer du renforcement (ne se substitue pas aux décisions politiques)

Pas d’évaluation parfaite (incertitude)

Conclusions


Etape indispensable: méthode sommaire, qui doit conduire à des indicateurs de décision pour des grands parcs immobiliers

Ne pas s’arrêter à l’étape préliminaire

Distinguer les méthodes empiriques des méthodes mécaniques: complémentaires mais pas en opposition.

Préciser les compétences nécessaires (Evaluation = technicien - Renforcement = ingénieurs)

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