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LES CONTREVENTEMENTS DISSIPATIF
INTRODUCTION
L’utilisation des dispositifs amortisseurs représente une solution efficace pour la réhabilitation des bâtiments existants. La fonction d’un dispositif amortisseur dans un bâtiment est semblable à celle d’un amortisseur dans une automobile. De la même façon que l’amortisseur réduit les chocs causés par les routes cahoteuses, le dispositif amortisseur réduit l’incidence des mouvements du sol sur la structure du bâtiment et sur ses occupants.
LE CONTREVENTEMENT
Le contreventement est un système statique destiné à assurer la stabilité globale d’un bâtiment et le protéger des déformations vis à vis des effets horizontaux tel que le vent, les séismes, les chocs… Il peut également stabiliser les parties stratégiques d’une structure comme les poutres, les colonnes, les murs porteurs.
On distingue deux types de contreventement:
Les contreventements verticaux
Destinés à transmettre les effets horizontaux dans les fondations. Aussi appelés palées de stabilité, ils dirigent les ondes verticales fortes vers le bas de l’édifice. Plusieurs critères doivent être respectés afin que l’efficacité de ce système soit garantie. Dans le cas d’un immeuble, 3 palées, c’est à dire 3 rangées de pieux de soutien, doivent être disposées par étage non parallèlement et non concourants.
De plus, ces palées sont situées de façon symétrique vis à vis du centre de gravité des planchers. Pour que la propagation des ondes vers les fondations soit efficace, les palées doivent communiquer facilement donc être superposés sur les différents niveaux.
Ils sont généralement mis en oeuvre par un système de voiles disposées sur toutes les surfaces verticales des bâtiments avec des matériaux spécifiques.
Les contreventements horizontaux
Destinés à s’opposer aux effets de torsions dus à ces efforts. Ils assurent la transmission des ondes latérales vers les contreventements des plans verticaux. Ceux-ci s’appellent également des diaphragmes, lesquels doivent être ni trop flexibles, ni trop rigides.
A l’inverse, des contreventements verticaux, ce sont des plaques qui assurent le dispositif.
Elles peuvent être en béton armé, en acier, en maçonnerie, en bois ou en tôle ondulée, comme pour les contreventements précédents.
AMELIORATION DES CONTREVENTEMENTS A L’AIDE DE DISPOSITIFS AMORTISSEURS
Technique d’amélioration
Il existe quatre types de dispositifs amortisseurs : viscoélastique, à friction, visqueux et métallique. Ces dispositifs amortisseurs ont en commun de dissiper l’énergie induite l’or d’un séisme en une énergie thermique, généralement par un frottement entre divers matériaux. Les dispositifs amortisseurs transfèrent l’énergie cinétique produite par la masse mobile, ou la structure, en une énergie potentielle au moyen d’un transfert friction/chaleur.
Dans des amortisseurs visqueux et viscoélastiques, un piston se déplace le long d’un dispositif de friction (tampons ou chambres à liquide) pour dissiper l’énergie sous forme de friction et de chaleur. Les amortisseurs à friction utilisent la friction et la chaleur produites par des plaques d’acier protégé qui coulissent l’une contre l’autre pour diffuser l’énergie induite lors d’un séisme.
Les amortisseurs métalliques dissipent l’énergie au moyen d’une déformation inélastique des éléments métalliques. Afin d’améliorer la performance sismique de nombreux bâtiments, on les a récemment renforcés au moyen d’amortisseurs visqueux et d’amortisseurs à friction.
Types de dispositifs amortisseurs
Amortisseurs à friction
Parmi les différents types de dispositifs amortisseurs, généralement les amortisseurs à friction sont les plus utilisés (Frederichs, 1997; Elliot et coll. 1998). Le principe de ces amortisseurs repose sur le phénomène de dissipation de l’énergie par friction. Les amortisseurs à friction comprennent une série de plaques d’acier spécialement traitées pour produire un degré de friction maximal. Ces plaques sont fixées les unes aux autres par des boulons en acier à haute résistance (figure VII.3). Lors de phénomènes sismiques de forte magnitude, les amortisseurs à friction glissent selon une action optimale prédéterminée avant que des déplacements élastiques ne se produisent dans d’autres éléments structuraux.
Ces amortisseurs dissipent la majeure partie de l’énergie sismique. Pour protéger la structure des ruptures, il est évident que l’action prédéterminée et le nombre d’amortisseurs à friction visant à renforcer un bâtiment donné sont liés au système structural et au mouvement sismique.
Plusieurs types d’amortisseurs à friction sont disponibles, comme les amortisseurs pour contreventement transversal, contreventement en diagonale et contreventement en chevron (figureVII4). À titre d’illustration, la (figureVII.2) présente des amortisseurs à friction à contreventement transversal installés.
Amortisseurs visqueux
En termes simples, les amortisseurs visqueux sont des tiges qui se déplacent selon un mouvement de va-et-vient dans un cylindre de liquide visqueux et qui libèrent l’énergie induite lors d’un séisme au moyen d’une friction entre la tige, le cylindre et le liquide.
Les pièces communes d’un amortisseur visqueux sont une tige de piston solide en acier inoxydable imprégnée de Téflon®, un cylindre fermé et un liquide de travail, qui est généralement un liquide de silicone inerte placé en permanence dans une chambre étanche de l’amortisseur (Taylor et Constantinou, 2000). La (figure VII.5) présente une illustration d’un amortisseur visqueux.
On peut fixer les amortisseurs, comme les vérins à force, à une structure au moyen d’une chape de type montage sur goujons filetés ou d’un montage de plaque de base. La figure VII.5 présente un schéma d’un système de contreventement par amortisseur d’un bâtiment.
La force d’un amortisseur visqueux est fonction de la vitesse de course et peut être déphasée par des contraintes produites par le mouvement de la structure. La force de l’amortisseur diminue lorsque le déplacement de la structure est maximal (accélération nulle). On obtient le maximum de force de viscosité lorsque le déplacement de la structure est minimal ou que la structure reprend sa position initiale. La réponse en opposition de phase est une caractéristique très importante d’un amortisseur visqueux à liquide puisqu’elle aide à réduire simultanément les contraintes et la déformation d’u bâtiment.
Ce système présente une force de résistance F qui dépend de la vitesse du mouvement, de la viscosité du fluide et de la grosseur des orifices dans le piston. La valeur de F est donnée par :
Où V est la vitesse du piston, C est le coefficient d’amortissement, et 𝛼 est une constante qui dépend de la viscosité du fluide et des propriétés du piston. Une constante 𝛼 de valeur inférieure ou égale à 1 est propre au comportement d’un amortisseur visqueux. On parle d’un amortisseur visqueux linéaire lorsque 𝛼 = 1 et d’un amortisseur visqueux non-linéaire pour 𝛼 < 1. Une valeur de 𝛼>1 est propre à un comportement de transmetteur de chocs sismiques, tel que discuté dans la section suivante. Plus la valeur de 𝛼 est petite, plus la quantité d’énergie dissipée dans un cycle est grande. Les amortisseurs visqueux nonlinéaires ont une force qui devient presque constante pour des vitesses élevées, ce qui donne lieu à un système ayant une limite élastique effective et fait en sorte que la force de cisaillement transmise aux piles et culées est limitée. Ceci n’est pas le cas de l’amortisseur visqueux linéaire pour lequel la force augmente avec la vitesse, sans limite.
La dissipation d’énergie de l’amortisseur visqueux est due au mouvement du fluide qui circule à des vitesses élevées, ce qui donne lieu à de la friction entre les particules de fluide et le piston. La friction ainsi développée dissipe de l’énergie sous forme de chaleur, ce qui résulte en une augmentation de la température du fluide. Cette augmentation de température est d’autant plus élevée que l’amortisseur est sujet à des sollicitations de longue durée et à de grands déplacements du piston à l’intérieur du cylindre.
Comment les amortisseurs à fluide visqueux peuvent-ils réduire la déflexion du bâtiment et la contrainte en même temps? Si nous faisons appel à des amortisseurs pour limiter la flexion, cela ne fera-t-il pas augmenter la charge exercée sur les poteaux?
L’amortissement à fluide visqueux réduit la contrainte et la déflexion car la force issue des amortisseurs est entièrement déphasée par rapport à la contrainte en raison de la flexion des poteaux. Cela est uniquement vrai pour l’amortissement à fluide visqueux, puisque la force d’amortissement varie en fonction de la vitesse de course. L’efficacité d’autres types de produits d’amortissement, comme les éléments coulissants, les dispositifs d’amortissement à friction, les rotules plastiques et les élastomères visco élastiques, ne varie pas en fonction de la vitesse; par conséquent, ces produits peuvent accroître la contrainte au niveau du poteau, tout en réduisant la flexion, et c’est en général ce qu’ils font. Prenons l’exemple d’un immeuble qui tremble latéralement d’un côté et de l’autre au cours d’un séisme. La contrainte exercée sur les poteaux atteint son maximum lorsque le bâtiment a fléchi de façon maximale par rapport à sa position normale. C’est également le point auquel les poteaux fléchis changent de direction pour revenir en sens inverse. Si nous ajoutons un amortisseur à fluide visqueux au bâtiment, la force d’amortissement tombera à zéro à ce point de flexion maximale. Cela est attribuable au fait que la vitesse de course de l’amortisseur est ramenée à zéro lorsque les poteaux se déplacent en sens inverse. Lorsque le bâtiment fléchit pour revenir dans le sens opposé, la force d’amortissement maximale se produit à une vitesse maximale, phénomène observable lorsque le poteau fléchit pour enfin retrouver sa position normale, à la verticale. C’est aussi le point auquel la contrainte au niveau du poteau se situe à un minimum. C’est cette réponse déphasée qui constitue la caractéristique de conception la plus souhaitable de l’amortissement à fluide visqueux.
Nous ne sommes pas situés dans une zone d’activité sismique. Pourquoi devrions-nous nous intéresser aux amortisseurs?
Les amortisseurs à fluide visqueux sont également très efficaces pour ce qui est de réduire les flexions du bâtiment sous les charges dues au vent sans modifier la rigidité du bâtiment! Dans le cas des immeubles de grande hauteur, le mouvement attribuable au vent peut aussi être à l’origine de plaintes se rapportant au mal de mouvement et à un malaise général éprouvé par les occupants des étages supérieurs. Le mouvement est semblable à celui qui se produirait dans une automobile dont les amortisseurs sont usés. Les amortisseurs à fluide visqueux peuvent réduire la flexion causée par le vent suivant un facteur de 2 ou 3, ce qui réduit grandement la sensation de malaise éprouvée par les occupants, sans que cela ne donne lieu à une rigidité localisée dans certaines sections de l’ouvrage. Les nouveaux immeubles munis d’amortisseurs à fluide visqueux pour l’atténuation du mouvement attribuable au vent peuvent être construits avec une moins grande rigidité latérale, ce qui se traduit par un ouvrage moins coûteux dans l’ensemble.
Une comparaison entre les amortisseurs à fluide visqueux et les amortisseurs à friction
Il existe trois différences majeures entre nos amortisseurs à fluide visqueux et les dispositifs à friction.
La principale différence est que la force constante de l’amortisseur à friction augmente la contrainte maximale exercée sur le poteau ou le pilier en réponse à toute flexion de la structure. Les amortisseurs à fluide visqueux n’augmentent pas les contraintes exercées sur le poteau en raison de leur réponse déphasée inhérente.
La deuxième différence est que les amortisseurs à friction exercent une force essentiellement constante en cas de flexion, indépendamment de la vitesse. Cette réponse occasionne une contrainte continue sur la structure pendant toute dilatation et contraction thermique de la structure. Les amortisseurs à fluide visqueux donnent lieu à une force presque nulle aux basses vitesses associées au mouvement thermique..
La troisième différence est que les amortisseurs à friction empêchent une structure de revenir à sa position originale après un événement sismique. Les amortisseurs à fluide visqueux permettent à un ouvrage de se recentrer de lui-même de façon impeccable, coup sur coup.
Résumé
Au cours des 20 dernières années, des technologies innovatrices comme les dispositifs de dissipation d’énergie avec les contreventements dissipatives ont été développées, et elles ont servi à améliorer la performance sismique des bâtiments. Les dispositifs de dissipation d’énergie comme les amortisseurs visqueux et les amortisseurs à friction peuvent diminuer les dommages potentiels aux bâtiments en absorbant une quantité significative de l’énergie produite dans un bâtiment lors d’une secousse sismique.
CONCEPTION ET ANALYSE DE STRUCTURE
INTRODUCTION
La modélisation représente l’établissement d’un modèle à partir de la structure réelle, ce travail sera suivi de certaines modifications en vue d’approcher au maximum le comportement de la structure d’origine.
Plusieurs types d’approches sont possibles pour pouvoir apprécier le comportement du model :
• Modélisation par éléments finis.
• Modélisation à masses concentrées et raideurs équivalentes.
PRESENTATION DU LOGICIEL DE CALCUL SAP 2000 VERSION 14
On a fait appel pour la modélisation de notre bâtiment à un logiciel appelé SAP2000.
Ce dernier est un logiciel qui permet de modéliser et d’analyser les bâtiments.
Les caractéristiques principales du SAP2000 sont : SAP2000 est un logiciel de calcul conçu exclusivement pour le calcul des structures (bâtiments, pont,….).
Il permet de modéliser facilement et rapidement tous types de structures.
Il offre de nombreuses possibilités pour l’analyse statique et dynamique.
Ce logiciel permet la prise en compte des propriétés non-linéaires des matériaux, ainsi que le calcul et le dimensionnement des éléments structuraux suivant différentes réglementations en vigueur à travers le monde (Euro code), De plus de par sa spécificité pour le calcul des bâtiments.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERAL
CHAPITRE I : GENERALITES
I.1-INTRODUCTION
I.2-PRESENTATION DE L’OUVRAGE
I.2.1 Les données géométriques
I.3 REGLEMENTS UTILISE
I.4.MODE DE CONSTRUCTION
I.4.1 Acier de construction pour les éléments de structure
I.4.2 Les contreventements
I.4.3 Les planchers mixtes
CHAPITRE II : CONCEPTION DES CONTREVENTEMENTS METALLIQUE
II.1. LES QUALITES ET LES DEFAUTS DE L’ACIER
II.1.2 Une production industrielle et une normalisation fiable
II.1.3 chantiers que Qualités au regard des sollicitations sismiques
II.2 VULNERABILITE PROPRE AU MATERIAU
II.2.1 Corrosion
II.2.2 Feu
II.3 QU’EST-CE QU’UN TREMBLEMENT DE TERRE
II.3.1 Le phénomène physique
II.3.2 Action appliquée à une structure par un tremblement de terre
II.4. POURQUOI LES OSSATURES EN ACIER RESISTENT BIEN AUX TREMBLEMENTS DE TERRE
II.4.1 L’importance déterminante de la ductilité
II.4.2 Réponse des structures soumises aux tremblements de terre
II.5. QUELS SONT LES PROBLEMES EN CAS DE SEISME ?
II.5.1 Les type de dommages observés
II.5.2 Problématique de l’instabilité des barres
II.5.3 Dommages aux éléments non structuraux 10
II.6. QUELLES SONT LES BONNES STRATEGIES?
II.7. QUELS SONT LES DIFFERENTS TYPES DE STRUCTURE
II.7.1 Porteuses dissipatives en métal et leur définition réglementaire
II.8 ASSEMBLAGE DES ZONES CRITIQUES EN USINE (NOEUDS D’OSSATURE)
II.9 STRUCTURES CONTREVENTEES PAR CROIX DE SAINT-ANDRE
II.9.1 Fonctionnement de ces structures à contreventement centré
II.10 CONTREVENTEMENT EN V
II.10.1 Fonctionnement de ces structures à contreventement centré
II.11 CONTREVENTEMENT EN K
II.11.1 Fonctionnement de ce contreventement centré
II.12.CONTREVENTEMENT EXCENTRE
II.12.1 Fonctionnement des systèmes de contreventement excentré
CHAPITRE III : EVALUATION DES ACTIONS STRUCTURE
III.1. INTRODUCTION
III.2. CHARGE PERMANENTES
III.2.1. Plancher étage courant
III.2.2. Plancher terrasse (inaccessible)
III.2.3. Les façades
III.2.4. Acrotère
III.3. CHARGE VARIABLE
III.3.1. Charge d’exploitations
III.3.2. Charge climatique
III.3.2.1 Effet du vent
III.3.2.2 Effet de la neige
CHAPITRE IV : DIMENSIONNEMENT DES ELEMENTS
IV.1- INTRODUCTION
IV.2. DIMENSIONNEMENT DES SOLIVES SELON CCM97
IV.2.1. plancher courant
IV.2.1.1. A l’état limite de service (ELS)
IV.3. DIMENSIONNEMENT DES POUTRES
IV.3.1. Poutre principale de rive
IV.3.2. Poutres intermédiaires
IV.4 DIMENSIONNEMENT DES POTEAUX
IV.4.1. Détermination des charges
IV.4.1.1. Niveau terrasse
IV.4.1.2. Niveau étage courant
IV.5. VERIFICATION DU FLAMBEMENT
IV.6. VERIFICATION DU SYSTEME DE CONTREVENTEMENT
IV.6.1 Vérification à la résistance de traction
IV.5.2 Vérification de la stabilité
CHAPITRE V : ETUDE DES PLANCHERS
V.1 ETUDE DES PLANCHERS COURANTS
V.1.1 Vérification au stade de montage
V.1.1.1. détermination des sollicitations
V.1.1.2. vérification
V.1.2. Calcul de largeur participante du béton
V.1.3. la position de l’axe neutre
V.1.4. Le moment d’inertie
V.1.5. Le moment fléchissant max
V.1.6. Les contraintes de flexion
V.1.7. Contraintes additionnelles de retrait
V.1.8. cumul des contraintes
V.1.9. vérification
V.2. CALCUL DES CONNECTEURS
V.2.1. Introduction
V.2.2. Le nombre de goujons
V.2.3. L’espacement des goujons
CHAPITRE VI : ETUDE SISMIQUE
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 METHODE STATIQUE EQUIVALENTE
IV.2.1. Principe
IV.2.2. Calcul de la force sismique totale
IV.2.3. Calcul de la période
VI.3. CALCUL DE CENTRE DE MASSE
VI.4. CENTRE DE TORSION
VI.5. L’EXCENTRICITE
CHAPITRE VII : LES CONTREVENTEMENTS DISSIPATIVES
VII.1. INTRODUCTION
VII.2 LE CONTREVENTEMENT
VII.2.1. Les contreventements verticaux
VII.2.2. Les contreventements horizontaux
VII.3. AMELIORATION DES CONTREVENTEMENTS A L’AIDE DE DISPOSITIFS AMORTISSEURS
VII.3.1. Technique d’amélioration
VII.3.2. Types de dispositifs amortisseurs
VII.3.2.1. Amortisseurs à friction
VII.3.2.2. Amortisseurs visqueux
CHAPITRE VIII : CONCEPTION ET ANALYSE DE STRUCTURE
VIII.1 INTRODUCTION
VIII.2 PRESENTATION DU LOGICIEL DE CALCUL SAP 2000 VERSION 14
VIII.2.1 Etapes de la modélisation de la structure sous SAP 2000
VIII.3 Tableau des périodes et facteurs de participation modale
VIII.3.1 Etude de la meilleure variante
VIII.4 CONCEPTION PARASISMIQUE DES CONTREVENTEMENTS AMORTIS POUR LA VARIANTE N° 10
VIII.4.1 Au niveau du RDC
VIII.4.2 Au niveau du 7ème étage
VIII.4.3. Au niveau du dernier étage
VIII.4.4. Variation des moments fléchissant (M) par rapport aux coefficients d’amortissement
VIII.4.5.Variation du déplacement par rapport au temps
VIII.5. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
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