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Risque sismique
Il existe plusieurs définitions plus spécifiques du risque sismique selon les pensées philosophiques des écoles (sociales, économiques ou techniques). Dans le cadre de ce travail la définition du risque de l’agence des Nations unies pour les secours en cas de désastre a été adoptée (UNDRO, 1979). Pour cette instance mondiale, le risque est défini par : Risque sismique = Aléa * Vulnérabilité * Exposition (1.1) où l’opérateur (*) est une fonction décrivant la combinaison entre l’aléa, la vulnérabilité et l’exposition. Les études dans le domaine du génie considèrent l’exposition en mettant l’emphase sur les impacts d’un évènement en particulier sur la vie humaine ou la perte économique en danger, i.e. les conséquences. Dans les études de risque sismique où l’objectif est d’estimer les dommages sur un secteur géographique, la vulnérabilité d’un groupe de bâtiments est estimée de façon quantitative. Le risque sismique est alors donné par la probabilité qu’une perte soit atteinte (ou non), suite à un tremblement de terre pendant une période de temps future. L’aléa est défini comme la probabilité d’occurrence d’un tremblement de terre causant un séisme de magnitude ou d’intensité donnée. La vulnérabilité est définie par la probabilité d’atteindre un niveau de dommages pour un évènement sismique donné.
Enfin l’exposition représente l’enjeu socioéconomique du site en danger. Ainsi, le risque sismique spécifique à un élément (UNDRO, 1979) est représenté par la convolution suivante : Avec le degré de dommage, la fonction de densité de probabilité, et ∅ la probabilité de dépassement. Les deux premiers termes sont en rapport avec la structure (vulnérabilité) et le dernier avec le phénomène naturel (aléa). Dans les applications où l’objectif est de prioriser les interventions de mitigation ou identifier les bâtiments les plus vulnérables parmi un groupe d’immeubles à un site spécifique, le risque sismique est défini de façon plus qualitative. La vulnérabilité sismique des installations étudiées est alors définie sur une échelle relative et on a recourt à des méthodes d’évaluation par sélection ou méthodes dites «rapides». Ces méthodes permettent, de façon sommaire et sans même la réalisation de calculs structuraux, l’identification des bâtiments présentant une vulnérabilité sismique plus élevée relativement aux groupes de bâtiments considérés. Cette approche permet à la fois d’identifier les bâtiments qui ne représentent pas de risque en termes de sécurité des usagers ou en termes de dégâts et d’identifier les bâtiments devant faire l’objet d’évaluations détaillées dans un deuxième temps.
Sismicité au Canada et au Québec Activité sismique :
L’activité sismique au Canada est concentrée dans deux grandes régions, l’une à l’ouest et l’autre, située à l’est du pays. Cette situation est illustrée par la carte de sismicité historique du Canada mettant en évidence les deux régions les plus actives séparées par une région centrale stable du point de vue sismique (Halchuk, 2009). Or, puisque les pertes humaines sont liées étroitement à la population exposée, le risque sismique associé à des villes comme Vancouver, Montréal et Québec est respectivement le plus élevé au Canada. Par ailleurs, les séismes de l’est se produisent à une profondeur allant de 5 à 15 km dans l’écorce terrestre et les ondes sismiques s’atténuent lentement à cause de la composition géologique du sol (roches cristallines du Bouclier canadien). Ces particularités font que les vibrations sont ressenties à des distances de plusieurs centaines de kilomètres de l’épicentre, ce qui contrebalance l’aléa sismique connu pour être plus faible à l’est qu’à l’ouest du Canada (Filiatrault, 1996).
Aléa : Les codes de construction ainsi que les données d’aléa sismique sont mis à jour régulièrement au Canada. La version ayant servi de référence à ce travail est le Code national du bâtiment du Canada 2010 (NRC/IRC, 2010b) et les données d’accélération spectrales qui y sont publiées. Ces données permettent de définir le spectre de conception pour plusieurs villes du Canada pour une période de retour de 2% en 50 ans. Le site de Ressources Naturelles Canada publie des données d’aléa plus précises en fonction de coordonnées géographiques1. Les accélérations spectrales sont données pour les périodes de 0,2s, 0,5s, 1,0s et 2,0s et pour l’accélération maximale au sol (AMS). Au Québec, on peut clairement distinguer la concentration des activités sismiques dans la région de Charlevoix et de façon plus modérée, dans la région du Bas Saint Laurent (voir Figure 2.6).
Spectre de réponse et accélérations spectrales : La réponse maximale en accélération d’un système linéaire à un degré de liberté (SDOF), de période et d’amortissement connus, est obtenue par l’application d’un accélérogramme. Cette étape, répétée pour une période et un amortissement différents à chaque fois, permet de construire un spectre de réponse. Le spectre de conception est établi à partir des valeurs maximales des spectres de réponse pour une série d’accélérogrammes compatibles avec un emplacement géographique (ville). Ainsi, l’accélération spectrale à 0,2s du spectre de conception sert à calculer la demande sismique pour une structure pouvant être assimilée à un système à 1DDL et dont la période naturelle est de 0,2s. Les données d’aléa sismique sont basées sur une approche probabiliste. Ces données (spectre d’accélération) servent de base pour le calcul de la force sismique définie dans les codes de construction depuis 1970. Les valeurs d’aléa pour une probabilité de 2% en 50 ans ou de 10% en 50 ans sont données pour deux intervalles de confiance, le 50e (médiane) et le 84e centile (dû aux incertitudes épistémiques). L’utilisation de la médiane correspondant à la plus basse probabilité (2% en 50 ans) est recommandée comme le meilleur choix par les sismologues actuellement (Adams et Atkinson, 2003). Les codes de construction utilisent actuellement des spectres d’aléa uniforme, c’est-à-dire pour une probabilité uniforme.
Effet d’amplification dynamique des sites : L’effet de la géologie locale et des conditions de sol est connu depuis presque deux cent ans; mais il n’a été pris en compte réellement dans le génie parasismique qu’à partir des années soixante-dix (70). Durant le séisme de 1819 à Cutch en Inde, MacMurdo a remarqué que les bâtiments ayant été construits sur des sols durs tels que les roches, avaient subi beaucoup moins de dommages par rapport aux bâtiments dont les fondations n’atteignaient pas le sol dur (MacMurdo, 1820). Lawson et al. (1906) ont montré que l’intensité du séisme de 1906 à San Francisco dépendait des conditions locales du sol ainsi que des conditions géologiques. La carte de microzonage de l’époque est reproduite à la Figure 1.1 (Lawson et al., 1906). Gutenberg a introduit en 1927 l’utilisation de facteurs d’amplification issus d’enregistrements de microséismes (NRC/IRC, 2010b). Depuis, le rôle que joue l’effet d’amplification dynamique n’a cessé d’être pris en compte dans la réponse spectrale.
Type de structure
La typologie structurale est un paramètre clé dans l’étude de vulnérabilité. Le type de structure prend en compte le matériau de construction, et conséquemment le poids relatif du bâtiment, le système de résistance aux charges latérales et la rigidité ou ductilité relative du bâtiment. À partir des statistiques d’observations post-sismiques, la Commission européenne de sismologie (ESC) définit, dans l’échelle macrosismique européenne (EMS98), quatre (4) grandes familles génériques de structures. Dix-sept (17) structures sont utilisées auxquelles correspondent 5 classes de vulnérabilités. En Amérique du nord les méthodes d’évaluation de la vulnérabilité sismique, comme le FEMA 154 ou le Manuel de sélection au Canada (NRC/IRC, 1992) s’appuient sur un comportement distinct pour chaque structure face à une excitation sismique quelconque. Au total, quatre (4) grandes familles génériques de structures sont définies, donnant lieu à quinze (15) structures utilisées dans ces deux méthodes de priorisation, qui seront décrites plus loin. Comme la typologie structurale est un paramètre clé dans toute étude sismique, nombreuses sont celles qui ont été réalisées sur la variabilité des réponses sismiques en fonction du système structural, des matériaux et ainsi que de la ductilité; on citera une étude phare dans ce domaine et relativement récente, le FEMA P-749 (BSSC, 2010). Cette dernière est une version plus explicite d’une version antérieure (BSSC, 2009), qui donne des dispositions constructives parasismiques des nouvelles structures comme anciennes. Le tableau 1.2 suivant résume la typologie structurale adoptée en Amérique du nord.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Risque sismique
1.3 Paramètres influençant la réponse sismique des bâtiments
1.4 Sismicité au Canada et au Québec
1.4.1 Activité sismique
1.4.2 Aléa
1.4.3 Spectre de réponse et accélérations spectrales
1.4.4 Effet d’amplification dynamique des sites
1.5 Paramètres influençant la vulnérabilité sismique des bâtiments
1.5.1 Type de structure
1.5.2 Irrégularités
1.6 Composants fonctionnels et opérationnels
1.7 Processus d’évaluation de la vulnérabilité des bâtiments
1.7.1 Introduction
1.7.2 Sélection
1.8 Études de la vulnérabilité des écoles
1.9 Mesure de vibrations ambiantes et caractéristiques dynamiques
1.10 Conclusion
CHAPITRE 2 CARACTÉRISATION DES ÉCOLES PRIMAIRES DU QUÉBEC
2.1 Introduction
2.2 Données générales
2.3 Situation géographique du bâti scolaire dans la province
2.4 Vulnérabilité sismique et risques associés aux écoles primaires à l’est du Canada
2.4.1 Le niveau de conception sismique et l’année de construction
2.4.2 Les codes de construction et la typologie structurale
2.4.3 Le profil architectural
CHAPITRE 3 CONCEPT GÉNÉRAL DE LA PROCÉDURE À 3 NIVEAUX
3.1 Introduction
3.2 Principes généraux et concept de la procédure à 3-niveaux
CHAPITRE 4 ÉVALUATION PRÉLIMINAIRE DE NIVEAU-N1
4.1 Introduction
4.2 Critères pour le paramètre d’aléa sismique relatif (RG) :
4.2.1 Accélérations spectrales (AS)
4.2.2 Définition des niveaux d’aléa relatif
4.3 Critères pour le paramètre de vulnérabilité relative du bâtiment (RB):
4.4 Critères pour le paramètre conséquences (RC)
4.5 Représentation par logigramme de l’évaluation N1
4.6 Résultats de l’application de l’évaluation N1
4.7 Cartographie du risque sismique des écoles primaires
CHAPITRE 5 ÉVALUATION INTERMÉDIAIRE DE NIVEAU-N2
5.1 Introduction
5.2 Principes généraux
5.3 Critères d’évaluation utilisés
5.3.1 Critères pour le paramètre d’aléa sismique (RG) :
5.3.2 Critères pour le paramètre de vulnérabilité du bâtiment (RB) :
5.4 Matrice logique et définition des groupes de priorité pour l’évaluation N2
5.5 Application de l’évaluation de niveau-N2
CHAPITRE 6 VALIDATION DE L’ÉVALUATION N2 PAR L’APPLICATION DE MÉTHODES DE POINTAGE DE NIVEAU N3
6.1 Introduction
6.2 Évaluation de niveau-N3 selon 3 méthodes de pointage
6.2.1 Résultats
6.2.2 Analyse des classifications
6.2.3 Analyse des méthodes
CHAPITRE 7 MESURES DE VIBRATIONS AMBIANTES
7.1 Introduction
7.2 Origine des vibrations ambiantes
7.3 Bruit de fond sismique
7.4 Contexte théorique de l’analyse modale opérationnelle (AMO)
7.4.1 Approche classique de la DDF
7.4.2 La méthode de décomposition dans le domaine des fréquences
7.4.3 Variation de la fréquence dans le temps (spectrogramme)
7.5 Matériel et mesures
7.5.1 Fréquences propres issues de vibrations ambiantes versus
fréquences du code
7.5.2 Premières fréquences naturelles
CHAPITRE 8 VALIDATION DE LA PROCÉDURE PAR L’ANALYSE DES RÉSULTATS DE MVA : MODÈLE MODAL
8.1 Introduction
8.2 Analyse modale sous vibrations ambiantes
8.2.1 Position du problème : modèle mécanique
8.2.2 Courbes de fragilité
8.2.3 Modèle modal
8.2.4 Déplacement inter-étages
8.2.5 Correction d’amortissement
8.2.6 Probabilité d’endommagement par bâtiment
8.2.7 Risque sismique en tenant compte des caractéristiques structurales
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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