Comment se définit la vulnérabilité sismique des bétons ?

La résistance sismique des bétons devient essentielle face à l’augmentation des catastrophes naturelles, en lien avec le dérèglement climatique. Le GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat) prévoit que ces événements se multiplieront. Aujourd’hui, réduire la vulnérabilité sismique des structures en béton est une priorité. Les bâtiments en béton doivent pouvoir se déformer lors de séismes tout en protégeant les vies humaines.

La vulnérabilité sismique correspond aux risques de dommages qu’un élément en béton peut subir lors d’un séisme. Selon sa classe d’exploitation (zone sensible ou non) et l’usage du bâtiment (résidentiel, tertiaire ou commercial), le niveau de « dommage acceptable » n’est pas le même.

Par exemple, pour un logement situé en zone sismique, sa construction devra mettre en œuvre une structure suffisamment résistante pour préserver la vie de ses occupants. Toutefois, le bâtiment ne sera pas nécessairement conçu pour être réutilisable à la suite de cette catastrophe naturelle. Ce n’est en revanche pas le cas pour un hôpital qui devra demeurer exploitable immédiatement après le séisme.

La vulnérabilité sismique se détermine donc par le biais de 3 études :

1. L’analyse des conditions du site.
2. L’analyse de la Matrice de probabilité de dommage (MPD).
3. L’évaluation de la vulnérabilité.

Étape 1 : l’analyse des conditions du site

L’analyse des conditions du site est une pré-étude visant à adapter la construction d’un ouvrage selon sa zone sismique. Chaque type de construction (bétons portiques, bétons voiles, maçonnerie traditionnelle, etc.) est étudié en se référant à un zonage géographique préétabli qui recense l’activité sismique connue à ce jour. L’intensité de la sollicitation sismique est également prise en compte. Elle caractérise la nocivité d’un séisme en fonction de sa puissance et les effets qu’elle provoque sur une certaine typologie de bâtiments et d’ouvrages en béton.

Bon à savoir : les règles de conception et de dimensionnement des structures pour leur résistance aux séismes sont définies par la réglementation européenne Eurocode 8.

Étape 2 : l’analyse de la Matrice de probabilité de dommage

La Matrice de la probabilité de dommage (MPD) est issue du retour d’expériences d’anciennes observations post-sismiques sur des structures identiques ou similaires de celles que l’on souhaite observer. Cette matrice renseigne donc sur le niveau de risque en fonction de l’intensité des séismes et évalue sa probabilité d’occurrence (rare, modéré, fréquent ou très fréquent).

Étape 3 : l’évaluation de la vulnérabilité

L’évaluation de la vulnérabilité reprend toutes les informations précédentes liées au type de construction, à ses spécificités structurelles (contreventements, types constructifs, etc.) et à l’intensité sismique. À partir de ces données, un niveau de dommage prévisible sera modélisé selon différents schémas de prédiction.

Étude de la résistance sismique des bétons : La méthode EMS-98

L’échelle macrosismique EMS-98 base ses prédictions de dommages sur :

• L’établissement d’une classe de vulnérabilité sismique par type de structure et de matériaux (cf. fig 1) ;
• Une classification des dégâts prévisibles selon le type de bâtiments avec la définition d’une échelle de dommage (cf. fig 2) ;
• Une description phénoménologique et structurelle selon l’intensité sismique (cf. fig 3).

Étude de la résistance sismique des bétons : La méthode RISK-UE

La méthode RISK-UE est assez semblable à celle de l’EMS-98. Elle propose également un indice de vulnérabilité. Toutefois, elle se distingue par son plus grand niveau de précision au regard des méthodes constructives.

D’autre part, la prédiction des dommages RISK-UE permet d’établir des :

• Courbes de vulnérabilité (cf. fig 4), qui définissent le niveau de dommage qu’un type de structure peut atteindre, selon l’intensité sismique subie ;

• Courbes de fragilité (cf. fig 5), qui évaluent le niveau des dommages causés par le séisme, selon l’intensité de la sollicitation.

Cet exemple de courbe de fragilité reprend les données de l’échelle EMS98 (cf. fig 2), avec :

• En ordonnée le « Dommage moyen » ;
• En abscisse, l’intensité de la sollicitation reçue ;
• Les courbes de D1 à D5, correspondent au niveau des dommages subis (1 pour faible, 5 pour ruine).

Les méthodes numériques

De plus en plus, les ingénieurs des « bureaux d’études structure » du génie civil ont recours à des modélisations numériques. L’ouvrage en béton est donc totalement reproduit informatiquement, en reprenant chacune de ses spécificités et selon sa zone sismique. Les outils numériques actuels permettent d’effectuer aussi bien des analyses statiques que dynamiques. L’impact d’un tremblement de terre est ainsi évalué au plus proche de la réalité.

Les modélisations en 3D permettent de simuler les déformations que va subir un bâtiment au cours d’un séisme et de visualiser l’effet des corrections appliquées (chaînage renforcé, fractionnement du bâtiment, joints de dilatation ou de tassement, etc.).

Les facteurs à risque de vulnérabilité sismique

Certains modes constructifs, ou plutôt certaines erreurs constructives, peuvent générer un risque plus élevé de dommages (et d’effondrement) en cas de séismes :

• Les poteaux courts. Dans une construction de type « poteau-poutre » où toute la charge du bâtiment est portée par des piliers de faible largeur, certains pieds sont souvent plus courts
• que d’autres. Ils constituent alors des points faibles où l’effort sismique va se concentrer et peuvent ainsi se briser.
• Le manque de chaînage des ouvertures (fenêtres, portes et baies vitrées). Si le chaînage du béton armé n’est pas présent ou mal réalisé à cet endroit, le bâtiment sera soumis à une contrainte de cisaillement plus forte. Ceci accentue le risque de fissuration du béton.
• L’absence de joints de déformations. Ces joints entre blocs de bâtiment évitent les déformations structurelles et les chocs des éléments entre eux.
• Le non-respect des « Règles de l’art ». La construction d’ouvrage en béton exige le respect des normes parasismiques et une bonne qualité de mise en œuvre.