CTN 785 / Cours 11
Conception parasismique principales dispositions
© Par: Lotfi GUIZANI, ing., Ph.D. Et Olivier Girard Ing.
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Règles de conception parasismique
•
La section 21 de la norme A23.3 concerne les exigences de conception
parasismique des structures en béton armé.
•
Elle traite de différents systèmes structuraux (SRFS) et pour chaque
niveau de ductilité, on associe un niveau d’exigences. Plus RdRo est
élevé, plus élevées sont les exigences sur la conception (détaillage) afin
d’assurer la ductilité requise.
•
La norme est basée sur le principe de dimensionnement à la capacité et la
ductilité fait partie intégrante du concept.
•
L’armature transversale joue un rôle essentiel dans la ductilité des sections
critiques (confine le béton, empêche sa dégradation rapide sous
chargement cyclique, empêche le flambement des armatures suite à
l’éclatement de la couverture de béton, empêche une rupture prématurée
et fragile par cisaillement)
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
3 niveaux de ductilité
Les éléments (pièces) d’une structure sont classées en 3 classes:
- Pièces ductiles dans un SRFS avec Rd = 3.5 à 4.0
- Pièces avec ductilité modérée dans un SRFS avec Rd=2.0 à 2.5
- Pièces de construction conventionnelle avec Rd = 1.5 ou Rd = 1.0
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Principes de dimensionnement
-
Le dimensionnement sismique se fait pour des forces sismiques réduites (Forces
élastiques / coefficient de réduction) selon le principe de dimensionnement par
capacité. La force sismique réelle est donc plafonnée à la capacité réelle de la
structure (et ne dépend pas du séisme). La structure doit compenser le manque de
sa résistance par une capacité de dissipation d’énergie par déformation plastique,
donc par comportement ductile.
Principe du dimensionnement par capacité:
- Choisir au préalable le mode contrôlant la rupture (et/ou mécanisme de dissipation
d’énergie / ruine ) approprié pour lequel on assure la ductilité nécessaire (flexion
selon mécanisme de poutres pour un cadre , flexion à la base pour un mur)
- Pour s’assurer d’avoir le mode de rupture ductile présélectionné, on doit s’assurer
que les autres modes de rupture fragiles soient écartées (rupture par cisaillement,
plastification prématurée des poteaux, flambement des armatures comprimées, … ).
On ’’écarte’’ la rupture de ses modes fragiles en leurs associant des résistances ( le
niveau de force causant ces modes de rupture) plus élevées que celui causant le
mode ductile présélectionné. == Hiérarchie des modes de ruptures / mécanismes
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Principes de dimensionnement
Exemple: Mur console soumis à charge concentrée au sommet causant la
flexion (mode désiré) et cisaillement (mode fragile à écarter)
Une conception ’’standard (usuelle hors séisme)’’ veut que Vr,calcul ≥ Vf et Mr,
calcul ≥ Mf. Cependant, cette façon de faire ne nous assure pas que la rupture se
produit par flexion en premier. Ceci notamment parce que la résistance réelle en flexion
peut être plus élevée que la résistance pondérée (par le fait que l’acier a une résistance
Fy soit plus élevée que la valeur spécifiée et prévue aux calculs (d’habitude la résistance
Fy réelle est de l’ordre de 25% plus élevée que celle spécifiée, l’écrouissage de l’acier, la
Mf=VfH résistance du béton). Admettons que nous avons conçu la structure de façon la plus
optimale, soit Mr,calcul =Mf et Vr,calcul = Vf. Admettons aussi, que la résistance réelle en
flexion, Mr, réel soit = 1.5 Mr, calcul =1.5 VfH et que la résistance réelle en cisaillement ,
Mur sous charge
Vr, réel = 1.1 Vr,calcul =1.1Vf. Évidemment, si on augmente graduellement V, la rupture
concentrée (flexion
se produira par cisaillement avant la flexion lorsque la force appliquée, V = Vr, réel= 1.1
et cisaillement)
Vf. Pendant ce temps, le moment à la base M=1.1Mf <Mr,réel=1.5 Mf. Donc dans cette
conception, la rupture se produit par cisaillement en premier et c’est une rupture
fragile qui ne permet pas à la structure de se comporter de manière ductile et dissiper
l’énergie du séisme comme prévu. Pour favoriser une rupture selon un mode de
flexion ductile en premier, il faut écarter la rupture en cisaillement en assurant une
résistance au cisaillement plus grande que la force probable causant la rupture par
flexion. Dans notre cas, la rupture par flexion est atteinte lorsque M= VH=Mr, réel.
Donc V= Mr, réel/H = 1.5 Vf H/H =1.5 Vf. Il faut donc , pour favoriser la rupture par
flexion, avoir une résistance en cisaillement Vr ≥ 1.5 Vf pour un dimensionnement par
capacité (vs Vr ≥ Vf).
V=Vf
H
Vf
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Quelques exigences réglementaires
- Béton: f’c  80 MPa (les béton plus résistants sont moins ductiles et il y a
manque de données expérimentales). Art. 21.2.6.1
- Acier d’armature:
- Pour Rd  2.5 alors acier soudable exigé (grade W: i.e. spécifier de
l’armature 400W et non 400R). Il n’est pas permis de remplacer l’acier prévu
sur les plans par un acier plus résistant (i.e. substituer un 500W à 400W). Art.
21.2.7.1
- Pour Fy > 400 MPa, tenir compte des effets de réduction de la ductilité dans
l’application des procédures de la section 21 pour un acier plus résistant. Art.
21.2.7.2
Ancrages /Chevauchements
- Longueur d’ancrage: la règle de réduction de la longueur d’ancrage par le
facteur: As requise / As prévue, n’est pas applicable pour les éléments
composant le SRFS . Art. 21.2.7.2
- Les jonctions mécaniques de type 1 et les jonctions par soudure ne peuvent
pas être utilisées à l’intérieur d’une distance de 2 fois la profondeur de la
poutre ou du poteau
du nu du poteau ou poutre ou de toute section située
Définitions:
dans une zone Jonction
ou unetype
rotule
plastique
développer.
Les
jonctions
1: développe
au peut
moins se
120%
de Fy spécifiée
et au
de Fy réel,
selon
art. 12.14.3.4.
mécaniques demoins
type110%
2 peuvent
être
utilisées
partout. La soudure de cadres,
étriers et épingles
aux armatures longitudinales n’est pas permise. Art.
Jonction type 2: développe le Fy spécifié
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Niveaux de résistance
1 - Résistance pondérée: Mr
Calculée avec des coefficients de tenue des matériaux 1.0: c = 0.65 et s=0.85. En
flexion , on doit avoir Mr ≥Mf
2 - Résistance nominale: Mn
Calculée avec c = s=1.0. En flexion des sections sous-armées: Mn  1/0.85 Mr 
1.2Mr
Exemple d’utilisation: dans un nœud d’ossature rigide ductile; la résistance nominale
des poteaux doit être supérieure à la résistance pondérée des poutres afin de s’assurer
que la résistance des poteaux est supérieure à celles des poutres et ainsi favoriser un
mécanisme de poutre
3- Résistance probable: Mp
Calculée avec des coefficients de tenue des matériaux =1.0: c = s=1.0 mais au lieu
de considérer fy dans les calculs de la résistance probable, on considère une valeur de
Fy plus probable (Fy, probable) = 1.25 Fy. Cette valeur tient compte du fait que de la
résistance réelle Fy est généralement plus élevée que la résistance fy spécifiée et de
l’écrouissage de l’acier. En flexion simple d’une section sous-armée: Mp  1.25/0.85 Mr
 1.47 Mr  1.5 Mr
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Principes généraux
1 - Ductile
Fusible : Choisir le mode de rupture et dimensionner le mode de rupture pour la charge
sismique réduite
Éléments autour du fusible/fusible : Tous les autres modes de rupture autre que celui du
fusible doivent être empêchés en assurant que la résistance pondérée des ruptures
non-souhaitées est supérieure à la résistance probable du fusible ou la force élastique
(RdRo = 1.3).
Rupture non-quantifiable : Certaines ruptures ne sont pas « quantifiables ». Des détails
particuliers sont effectués pour contrer ces ruptures selon le niveau de déformation
plastique demandée.
2- Modérément ductile
Similaire au principe ductile. On utilise la résistance nominale comme critère de
dimensionnement. Puisque la demande en déformation plastique est plus faible, les
détails particuliers sont moins sévères.
3- Non-ductile
Il n’y a pas de ductile à proprement parlé. On favorise un mode de rupture sans être
stricte. On utilise la résistance pondéré comme critère de dimensionnement. Par contre,
puisque la résistance pondérée est souvent proche de RdR0 = 1.3, on se retrouve
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Ossature à nœud rigide ductile – Rd = 4
Poutres ductiles:
Effort axial : N  0.1 Ag f’c pour être considérée comme poutre (sinon
colonne);
Portée ≥ 4 * hauteur
Largeur de la pièce support + 0.75 sa hauteur de chaque coté ≥ b ≥ max
(0.3 h, 250mm)
Armature longitudinale:
- au moins 2 barres en haut et 2 barres en bas
- As et A’s ≥ 1.4 bw d/fy et r=As/bd et r’ =As/bd  0.025
- Mr+ aux nu des appuis ≥ Mr-/2 aux nu des appuis
- Mr+ et Mr- à toute section le long de la poutre ≥ Mr/4 max fourni le long de
la poutre (normalement au nu des appuis)
Développement / recouvrement armatures longitudinales:
Art. 12 + exigences additionnelles :
Interdits dans les endroits critiques dans les nœuds, i.e.: à l’intérieur des
nœuds, sur une longueur de 2d du nœud, sur une longueur d à partir de la
rotule plastique
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Poutres ductiles
Armatures transversales:
Joue un rôle primordial: confinement du béton et anti
flambement de l’armature longitudinale de la zone de rotule
plastique.
Doit être prévue aux zones critiques :
-
Sous forme de cadres fermés sur 2d du nu du poteau
Dans toute zone de rotule plastique et sur une distance de 1d de
chaque coté de celle-ci.
Le premier cadre à 50mm et l’espacement ne doit pas dépasser le max
de (d/4; 8 db la plus petite barre long. ; 24 d étrier; 300mm)
Dans zones ou étriers non requis, prévoir étriers avec crochets
sismiques (à 135 degrés) à d/2
Résistance au cisaillement:
La résistance minimale au cisaillement doit être au moins égale au
cisaillement associé au développement de moments probables aux
extrémités de la poutre (pour assurer une formation
de– rotule
en
CTN 785
Analyse etplastique
conception de Structures
Poutres ductiles - cisaillement
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Poutres ductiles - Expérimentation
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Ossature à nœud rigide ductile – Rd = 4
Poteaux:
Définition d’un poteau: effort axial : N ≥ 0.1 Ag f’c ;
- La plus petite dimension passant par le CG ≥ 300mm
- Le rapport plus petite dim / plus grande dim ≥ 0.4
Préférable d’éviter la rotule dans la colonne (mécanisme de poutre), donc on conçoit
selon le principe poutre faible –colonne forte. Pour se faire, on doit satisfaire, pour
chaque direction:
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Ossature à nœud rigide ductile – Rd = 4
Autres exigences poteaux d’une ossature ductile
Armatures longitudinales
Armatures transversales : anti flambement / armature de cisaillement
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Ossature à nœud rigide ductile – Rd = 4
Nœuds poutre-poteau / joints:
Des règles de conception spécifiques détaillage aux joints :
- Résistance au cisaillement: doit pouvoir résister aux efforts correspondant à
la plastification des poutres sous M p + efforts correspondant dans colonnes
- Armature de confinement
- Disposition de l’armature longitudinale:
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Ossature à nœud rigide ductile – Rd = 2.5
Exigences similaires mais moins sévères pour
Poutres, poteaux et joints
De façon générale, les mêmes exigences s’appliquent sauf que le critère
générale de dimensionnement est :
Résistance nominal du « fusible » < Résistance pondéré des
éléments
De plus, certains éléments sont considérés moins endommagés donc leur
résistance est moins diminuée.
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Mur de refend
Les murs de refend sont les pièces essentielles du
SRFL/SRFS
Leur rôle est de contreventer le bâtiment et reprendre les
forces latérales.
Ils ont démontré une excellente
performance sismique dans le passé
(les très rares cas d’effondrement sont reliés aux problèmes
de fondation: rotation excessive, perte de capacité et
liquéfaction du sol, seulement qqes ruptures en
cisaillement)
Hypothèses de dimensionnement:
- Ils sont supportées par des fondations capables de
transférer les forces au sol
- Les forces sismiques leur sont transmises aux moyen de
CTN 785 – Analyse
de Structures
diaphragmes: les connexions diaphragmes
murset conception
doivent
Mur de refend - comportement
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Mur de refend - comportement
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Mur de refend - comportement
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Mur de refend - comportement
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Mur de refend – exigence générale
Ils doivent être conçues pour reprendre 100% des charges sismiques et
considérer les combinaisons suivantes pour le SRFS (pour le vent, W, considérer
également toutes les combinaisons avec W)
Catégories de MR:
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Mur de refend – exigence générale
Les murs ductiles et à ductilité moyenne doivent être conçus suivant
le principe de dimensionnement par capacité. Les murs avec faible ductilité,
n’ont pas d’exigences sismiques particulières
Les murs ductile et à ductilité moyenne sont conçus avec l’hypothèse qu’une rotule
plastique se développe à la base. Le reste des murs (au dessus de la zone de
rotule plastique) est conçu pour rester élastique.
Les étapes de conception sont les suivantes – clause 21.5 :
CTN 785 – Analyse et conception de Structures
Mur de refend – exigence générale
Les murs ductiles et à ductilité moyenne doivent être conçus suivant
le principe de dimensionnement par capacité. Les murs avec faible ductilité,
n’ont pas d’exigences sismiques particulières
Les murs ductile et à ductilité moyenne sont conçus avec l’hypothèse qu’une rotule
plastique se développe à la base. Le reste des murs (au dessus de la zone de
rotule plastique) est conçu pour rester élastique.
Les étapes de conception sont les suivantes – clause 21.5 :
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Mur de refend – exigence générale
Hauteur de rotule plastique:
Pour les murs ductiles et moyennement ductiles : Hauteur de la zone de
plastique ≥ 0.5 Lw + 0.1 Hw
Stabilité latérale dans la zone de rotule plastique:
Pour les murs de section rectangulaire, pour éviter le voilement local des
comprimées sous grandes déformations, on s’assurer que :
L’épaisseur de l’extrémité du mur ≥ 1/10 de la hauteur libre des étages
L’épaisseur de l’extrémité du mur ≥ 1/14 de la hauteur libre des étages
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Mur de refend – exigence générale
Dimensionnement en flexion et exigences sur l’armature longitudinale:
L’armature longitudinale est fournie sous forme de:
- Armatures concentrées aux extrémités
- Armatures distribuées verticales dans la partie centrale
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Mur de refend – exigence générale
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