Sol et construction

Problématique Comment la nature et la structure du sol déterminent les caractéristiques des constructions de bâtiments?

Sommaire Introduction Plan: 1.La structure du sol Conclusion 2.La nature du sol 3.La construction para sismique Conclusion Annexes / Sources / Remerciements

Un Séisme Un séisme résulte de la libération brusque d'énergie accumulée par les déplacements et les frictions des différentes plaques de la croûte terrestre (tectonique des plaques).Il se produit de très nombreux séismes tous les jours, mais la plupart ne sont pas ressentis par les humains (environ 100 000 sont enregistrés tous les ans). Un tremblement de terre peut avoir trois origines : - rupture d'une faille ou d'un segment de faille (séismes tectoniques)‏ - intrusion et dégazage d'un magma (séisme volcanique)‏ - explosion, effondrement d'une cavité (séismes d'origine naturelle ou dus à l'activité humaine)‏

Carte des zones a risque Les séismes sont dus à des phénomènes géologiques très lents... cela a permis, à partir de la mémoire « des hommes », d'élaborer des cartes faisant apparaître des zones à faible risque et les zones dans lesquelles il convient d'anticiper ces sinistres

On a compris que les séismes frappent des zones bien identifiées (cartes précédentes), mais on remarque aussi que l'importance des démolitions dus à un tremblement de terre peuvent être très irréguliers sur une petite zone (par exemple au sein d'un même quartier). On s’interroge donc sur le lien entre l’importance des dégâts, la nature et la structure du sol. Afin de mettre en évidence ces liens, nous réalisons des expériences. Après avoir confirmé les résultats obtenus à l’aide d’exemples concrets, nous étudierons selon la nature et la structure du sol, les différents moyens de construction, pour limiter les dégâts matériaux et les pertes humaines.

Partie I: LA STRUCTURE DU SOL

Plan de la première partie expérience explications résultats sur zones mouillées. exemples

Mise en avant de l’importance de la structure du sol par une expérience

Nous effectuons l'expérience suivante : Nous mettons du sable sec dans un récipient. Le sable représente le sol terrestre. On fait attention à ce que la surface du sable ne soit pas lisse.

Afin de stimuler un séisme, nous secouons le récipient Afin de stimuler un séisme, nous secouons le récipient. Nous observons que la surface du sable est devenue entièrement plane.

Explication de l’expérience Les molécules d’air qui se trouvent entre les grains de sable empêchent les grains de se frotter les uns aux autres. Lors des secousses cela entraîne une annulation des forces de frottement. Si cela se produit sur une zone habitée, il est courant d’observer un enfoncement des bâtiments dans le sol, ce que nous allons confirmer par une deuxième expérience

Nous reprenons le récipient rempli de sable Nous reprenons le récipient rempli de sable. Nous posons sur la surface une pierre qui représentera un bâtiment.

Nous stimulons à nouveau un séisme en agitant le récipient Nous stimulons à nouveau un séisme en agitant le récipient. On observe que la pierre s’enfonce dans le sol, comme le montrent les photos suivantes.

Aggravation sur sol mouillé

Lorsque le sol est mouillé, le tremblement de terre augmente la pression de l’eau qui se trouve dans le sol. Sous l’effet de la pression, l’eau sépare et met en suspension les grains de sable qui forment le sol. Les frottements entre les grains sont donc annulés. Cela entraîne donc une liquéfaction du sol, ce qui enfonce les bâtiments dans le sol.

Quelques exemples de séismes qui ont entraîné une liquéfaction du sol

Tremblement de terre de Taïwan le 21 septembre 1999

Tremblement de terre de Turquie le 17 août 1999

Tremblement de terre de Niijita en 1967

Tremblement de terre de Caracas en 1967

Partie 2: LA NATURE DU SOL

Plan de la deuxième partie Le cas de Mexico -introduction -expérience -résultat Un exemple concret: le Colisée à Rome Conclusion

Un violent tremblement de terre de magnitude 8,1 sur l'échelle de Richter, frappa cruellement Mexico City en 1985. Son épicentre était situé à quelque 350 km de là, dans la région de Michoacan. Paradoxalement, cette zone située plus proche de l’origine du séisme ne connut que des destructions beaucoup plus faibles.

Zone partiellement détruite Zone totalement détruite

Une expérience pour illustrer le séisme de Mexico

Le problème de Mexico: Comment expliquer cette différence de dégât selon les zones de la ville? Pourquoi cette amplification des dégâts si loin de l’épicentre? Une modélisation de la situation nous permettra peut-être de l’expliquer

La maquette Deux capteurs sont reliés à un ordinateur Ces deux capteurs vont enregistrer des ondes à l’aide du programme AUDACITY

Un témoin Pour vérifier la véracité de l’expérience les 2 capteurs ont été disposés de manière identique afin de vérifier qu'ils ont la même sensibilité.

Les résultats Les deux capteurs enregistrent sensiblement la même chose, l'expérience ne sera donc pas faussée.

L’expérience Le premier capteur est situé sur le bois, le second est situé sur de la gélose.

Les résultats

On constate que le capteur situé sur la gélose enregistre une amplitude plus forte que l’autre capteur situé sur le bois. De plus la vibration dure beaucoup plus longtemps Ce résultat s’explique par la différence de composition du sol

Dans le cas de Mexico Le sol de Mexico peut-être divisé en trois zones: -Foothill zone: sol granulaire, basalte (situé au sud-ouest de la ville)‏ -Lake zone: épais dépôts mous constitués de limons, argile, cendre (provenant des volcans situés aux alentours)‏ -Transition zone: située entre les deux zones précédente

Tableau du comportement des ondes dans ces différentes zones  2  10  0 Accélération des ondes sismiques Transition zone Lake zone Foothill zone Nous constatons que dans la Lake zone les ondes sont 10 fois plus rapides. La nature du sol à un rôle important dans la propagation des ondes

Pour illustrer ces données nous allons parler du Colisée situé à Rome

Le Colisée

Le Colisée est construit à cheval sur 2 sols différents Le Colisée est construit à cheval sur 2 sols différents. Une partie est construite sur un sol sédimentaire et l’autre sur un sol magmatique La partie construite sur le sol sédimentaire est complètement détruite

La colline d’Alban en Italie

Scénario de la propagation des ondes sismiques sur la colline d’Alban Cette colline est composée de pierre volcanique

On constate que les ondes sismiques sont amplifiées à cet endroit Cela s’explique par le seul paramètre variable qui est la nature du sol

Conclusion La nature et la structure du sol entraînent un phénomène appelé effet de site lors d'un séisme. L'effet de site est un phénomène capital dans la construction de bâtiments résistants aux tremblement de terre: chaque site doit être étudié méticuleusement.

Partie 3: LA CONSTRUCTION PARA-SISMIQUE

Introduction Nous ciblerons les moyens de construction para-sismique pour les petits bâtiments comme des maisons individuelles. Pour les grands bâtiments ou les immeubles, on retrouve les mêmes principes avec des contraintes d'autant plus fortes que le bâtiment est important et élevé.

Une expérience pour le montrer

On donne un léger coup de marteau dans le support pour simuler un séisme. Les poids sont placés à trois hauteurs différentes. Le paramètre variable est donc la hauteur des poids. La tige 1 n’oscille presque pas. La tige 2 oscille un peu. La tige 3 oscille beaucoup, et pendant plus longtemps que les deux autres. Lorsque le poids est plus haut, les mouvements de la tige sont plus amples. On conclut donc que, dans une construction, si la masse est concentrée dans le haut ou si la masse des étages supérieurs est trop élevée, le bâtiment subit de plus grandes déformations et encourt donc un risque plus important.

Plan de la troisième partie Avant d'entreprendre -les exigences -les moyens Construction et réhabilitation para-sismique -Construire -réhabiliter

Avant d'entreprendre

Les Exigences Aux normes de construction dans le cas de zones non-sismiques, viennent s’ajouter les normes de construction para-sismique dans les zones considérées à risques. Les règles de construction françaises actuellement en vigueur sont les règles PS 92. Elles définissent le niveau de protection selon la région et la construction ainsi que des modalités de calcul et de dimensionnement des bâtiments.

Les moyens La construction para-sismique nécessite de connaître les facteurs déterminant le niveau de risque de la zone et du bâtiment.

Pour cela, le projeteur doit : Faire des études géologiques du terrain et du sous-sol afin de déterminer leurs natures et leurs structures (l’effet de site). Étudier le risque sismique de la zone d’implantation, soit l’aléa et la vulnérabilité de la construction. Utiliser des calculs scientifiques permettant de déterminer la réponse de l’ouvrage aux mouvements telluriques. Ces calculs mettent en relation les forces mises en jeu, les spectres de réponses réglementaires (déplacement maximum d’un oscillateur par rapport à sa base), l’influence du site, la masse de la structure, les raideurs des appuis, les sollicitations… Modéliser l’ouvrage en tenant compte de la masse, de la raideur des éléments d’une structure, des caractéristiques du sol. Le but de la modélisation est de déterminer les sollicitations de la structures sous séisme, les accélérations des mouvements telluriques et l’action sol- structure-fondation.

Ces études permettent de déterminer le dimensionnement de la construction, ses points d’appuis, ses points faibles… Les résultats restent cependant relatifs car il faut tenir compte du caractère multiforme des réponses possibles, de la variation des réponses par rapport à la théorie, du caractère aléatoire du séisme. C’est pourquoi il convient d'envisager une marge d’erreur et la construction doit être réalisée, dans les régions très exposées, selon la supposition d’un séisme d’amplitude maximale.

Construction et rehabilitation para-sismique

Construire Les constructions para-sismiques rassemblent en général les caractéristiques principales suivantes : Une implantation bien choisie, Des formes simples et symétriques, Des éléments structuraux solidaires, Des matériaux résistants, élastiques.

Implantation Il faut donc avant tout choisir une bonne implantation. Il est préférable d’éviter de construire : au-dessus d’une cavité souterraine dont le plafond risquerait de s’écrouler, au pied et au sommet d’une falaise ou d’une forte pente susceptible de s’effondrer, de subir un glissement de terrain, dans une pente, sur un relief rocheux, amplifiant les secousses sismiques, sur un terrain saturé en eau, sujet à la liquéfaction. à cheval sur deux types de sols qui ne subissent pas les même secousses sismiques. Il faut choisir un sol stable et ancrer les fondations dans le substratum rocheux

Forme de la structure Les formes de bâtiment complexes, asymétriques engendrent une augmentation de la vulnérabilité de la construction sous séisme. Les formes en T, en U, en L sont déconseillées. Une construction doit être simple et symétrique. Il est cependant possible de diviser les formes complexes en blocs rectangulaires.

La structure

Réhabiliter

De limiter l’action sismique sur la construction, Lorsqu’un bâtiment est déjà construit, dans une zone à risque sismique et qu’il est considéré comme trop exposé, susceptible de mettre en danger la population est l’environnement, il est possible de le réaménager, de le solidifier selon les normes para-sismiques. Les deux principales approches de réhabilitation pour lutter contre les séismes sont : De limiter l’action sismique sur la construction, D’augmenter la résistance de la construction.

Limiter l'action sismique Pour limiter l’action sismique d’une construction existante, il faut diminuer sa masse et les accélérations qu’elle peut subir sous séisme par plusieurs moyens : Changer les éléments de la structure existants par des éléments en matériaux plus légers. La charpente, le plancher, la couverture notamment peuvent être en métal ou en bois. Augmenter la rigidité du bâtiment en ajoutant des éléments verticaux qui assurent sa stabilité. Réduire la torsion par une répartition homogène et symétrique des éléments assurant la rigidité du bâtiment telle que le centre de gravité et le centre de rigidité soit les mêmes. Éviter l’entrechoquement de deux blocs voisins (dans un bâtiment à forme complexe, ou dans le cas de maisons mitoyennes) en élargissant les joints para-sismiques ou en supprimant ces joints par injection de résine afin de « souder » les deux blocs.

Augmenter la résistance Pour augmenter la résistance mécanique du bâtiment il est conseiller de : Revoir les dimensions et la solidité de la structure, Obtenir un bâtiment plus solidaire, notamment en augmentant les chaînages ou en les solidifiant, Ajouter des contreventements, qui s’opposent aux forces horizontales Renforcer la liaison structure/fondation Les points faibles peuvent être supprimés ou diminués par une meilleure répartition.

Voici deux exemples de points faibles couramment rencontrés : Un rez-de-chaussée trop ouvert : dans ce cas, on renforcera les poteaux ou on allégera le niveau supérieur Des balcons en porte-à-faux : pour éviter l’effondrement, on soutiendra cet élément par des poutres ou par des éléments latéraux verticaux.

Conclusion Avant chaque construction, une étude géologique (nature et structure du sol) est obligatoire, ce qu'a compris le législateur: il faut déposer un rapport géologique pour obtenir un permis de construire.

Annexes

Lettre adressé à l'office du tourisme de Rome

Modèle de lettre adressé aux 6 géologues sur Aix en Provence et sa région

Sources www.wikipedia.com www.brgm.fr www.cetp.ipsl.fr www.mssmat.ecp.fr www.ac-nice.fr www.eost.u-strasbg.fr www.structureparasismic.com www.prevention2000.org

Remerciement Nous remercions Mr Strozza: il nous permis de profiter de son expérience sur ce sujet et nous a accordé son soutien tout au long de la réalisation de notre projet. Nous remercions également Mr Malzieu, géologue qui nous a accordé un entretien de plus d'une heure et nous a fourni des informations précieuses.

Le 28 Février 2008