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7.3.3 : Isolement de base - Géosciences

7.3.3 : Isolement de base - Géosciences


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L'approche normale pour fournir une résistance sismique consiste à attacher fermement la structure au sol. Tous les mouvements du sol sont transférés à la structure, qui est conçue pour survivre aux forces d'inertie du mouvement du sol. C'est la raison pour laquelle votre maison est boulonnée à ses fondations et votre mur infirme est renforcé.

Dans les grands bâtiments, ces forces d'inertie peuvent dépasser la résistance de toute structure renforcée dans des limites économiques raisonnables. L'ingénieur conçoit le bâtiment pour qu'il soit très ductile afin qu'il se déforme considérablement et absorbe ces forces d'inertie sans s'effondrer. Les structures à ossature en acier résistantes aux moments sont bonnes à cet effet, tout comme les structures en béton spéciales avec une grande quantité d'armature en acier.

Ces bâtiments ne s'effondrent pas, mais, comme indiqué ci-dessus, ils présentent un inconvénient majeur. En se déformant, ils peuvent endommager considérablement les plafonds, les cloisons et le contenu des bâtiments (Figure 12-7) tels que les classeurs et les ordinateurs. L'équipement, y compris les services publics, cessera de fonctionner. Les immeubles de grande hauteur oscilleront et pourraient provoquer le mal des transports et la panique chez les occupants. De plus, les escaliers peuvent tomber en panne, ce qui gêne l'évacuation du bâtiment après un tremblement de terre.

Le problème avec la fixation solide du bâtiment au sol est que les ondes sismiques sont absorbées par le bâtiment et son contenu, souvent de manière destructive. Existe-t-il un moyen de dissiper l'énergie dans la fondation avant qu'elle n'atteigne les étages principaux du bâtiment ?

Dans isolation de base, l'ingénieur adopte l'approche inverse : l'objectif est d'empêcher le mouvement du sol d'être transféré dans le bâtiment. C'est le même objectif que dans la conception automobile : empêcher les passagers de ressentir toutes les bosses de la route. Pour ce faire, l'automobile est conçue avec des pneus gonflés à l'air, des ressorts et des amortisseurs pour assurer le confort de ses passagers.

Une façon de procéder consiste à placer le bâtiment sur des roulements à rouleaux de sorte que lorsque le sol se déplace horizontalement, le bâtiment reste immobile (Figure 12-8). Un problème avec cette solution est que les roulements à rouleaux transmettent toujours la force dans le bâtiment par friction. De plus, une fois que le bâtiment a commencé à rouler, son inertie aurait tendance à le maintenir en mouvement. Nous avons besoin d'une structure qui permette un mouvement horizontal par rapport au sol, mais qui retient ou atténue ce mouvement de sorte que, lorsque le sol vibre rapidement, le bâtiment vibre beaucoup plus lentement avec des vitesses et des accélérations plus lentes.

La solution est de séparer l'exigence de portance (charges verticales) de celle de mouvement (charges horizontales). Une façon de le faire implique un roulement en plomb-caoutchouc (Figure 12-9). Ce roulement se compose de lamelles alternées de caoutchouc et d'acier, qui permettent jusqu'à six pouces de mouvement horizontal sans se fracturer, mais sont suffisamment solides pour supporter le bâtiment. Un bouchon cylindrique en plomb est placé au centre de ce roulement pour amortir les oscillations du sol produites par un séisme, tout comme les amortisseurs d'une voiture. L'énergie des ondes sismiques est absorbée par la prise de plomb plutôt que par le bâtiment lui-même. Les bouchons en plomb ne se déforment pas lors de petits tremblements de terre ou de vents violents ; à cet égard, ils servent de « fusibles sismiques ».

Le plomb récupère la quasi-totalité de ses propriétés mécaniques après chaque déformation due à un tremblement de terre. Ceci est analogue à la déformation ductile à l'état solide des roches de la croûte inférieure sans produire de tremblements de terre. Les appuis en plomb-caoutchouc permettent au sol sous un bâtiment de se déplacer rapidement, mais le bâtiment lui-même se déplace beaucoup plus lentement, réduisant ainsi les accélérations et les forces de cisaillement maximales appliquées au bâtiment. Le bâtiment est autorisé à se déplacer d'environ six pouces horizontalement. Une fente de six pouces autour du bâtiment est construite à cet effet et recouverte d'une grille métallique remplaçable. Les dommages aux composants architecturaux et mécaniques du bâtiment et les réparations coûteuses qui en découlent sont considérablement réduits et, dans certains cas, presque éliminés.

Il existe de nouveaux systèmes, qui vont au-delà de l'isolateur de base au plomb. Des exemples sont les systèmes de paliers pendulaires simples et triples. Le système à pendule unique maintient une friction, une rigidité latérale et une période dynamique constantes pour tous les niveaux de mouvement et de déplacements du tremblement de terre. Le système à triple pendule comprend trois mécanismes de pendule qui sont activés séquentiellement à mesure que les mouvements du tremblement de terre deviennent plus intenses.

Bien que l'isolation de la base augmente le coût de construction, certaines économies sont possibles à l'intérieur du bâtiment lui-même, car une grande partie de la force sismique est absorbée à la base du bâtiment plutôt que transmise dans la structure.

Le palais de justice des pionniers de Portland, construit en 1875, est le plus ancien bâtiment fédéral encore existant dans le nord-ouest du Pacifique, et il a été désigné monument historique national. Il abrite la Cour d'appel du neuvième district. Le défi de la modernisation parasismique de ce bâtiment en maçonnerie non armée était de renforcer le bâtiment sans perturber totalement son caractère, y compris ses murs en blocs de grès. La solution était l'isolation de la base, installée sous les fondations existantes du bâtiment, ce qui a minimisé la construction dans les sections historiques de la structure. La rénovation a été achevée en 2005.

Des recherches sont en cours au Japon, en Nouvelle-Zélande et aux États-Unis pour concevoir d'autres méthodes d'isolation de la base et d'autres moyens de dissiper l'énergie sismique dans un bâtiment. Après le tremblement de terre de Loma Prieta en 1989, la législature de l'État de Californie a adopté le projet de loi 920 du Sénat, obligeant l'architecte de l'État à sélectionner un nouveau bâtiment et deux bâtiments existants pour démontrer les nouvelles technologies d'ingénierie, y compris l'isolation de la base. Le nouveau terminal de l'aéroport international d'Istanbul, en Turquie, est le plus grand bâtiment d'isolation de base sur Terre.


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