La Zone Sismique – Avantage Acier Issue No. 50
Un système mis au point pour la résistance parasismique
Les systèmes résistant aux forces horizontales ordinaires, comme les cadres rigides, les cadres à contreventements concentriques et les murs à effet de cisaillement sont généralement utilisés pour résister aux effets dus au vent et assurer la stabilité des édifices. Depuis que la tendance vers des normes de plus en plus rigoureuses en matière de conception parasismique s’est amorcée il y a quelques décennies, ces systèmes ont été adoptés pour résister aux effets sismiques à différents niveaux de ductilité, par le biais de modifications et d’améliorations continues. Le CCE est le seul système générique spécialement conçu pour résister efficacement aux forces sismiques.
Dans les cadres à contreventements concentriques, les poutres se croisent entre elles ou avec des poteaux à un point commun, évitant l’excentricité de l’assemblage. À l’inverse, dans les CCE, ces éléments se croisent de façon excentrique pour créer un lien excentrique à chaque emplacement stratégiquement choisi (voir la Figure 1). Ces liens, généralement assez courts, attirent d’importantes forces de cisaillement lorsqu’ils sont soumis à des mouvements du sol; les liens longs subissent aussi des moments de flexion considérables. Les études de recherche réalisées depuis les années 1970 ont mis en évidence l’excellent comportement des CCE correctement proportionnés. Le concept a d’abord été adopté par les ingénieurs américains, puis au Japon, au Canada, en Nouvelle-Zélande, et dans d’autres pays. Le premier projet incorporant des CCE au Canada remonte aux années 1980 et les dispositions relatives au calcul des CCE ont été introduites pour la première fois dans la norme CSA S16.1-89 (Annexe D). À ce jour, de nombreux ouvrages dans le monde entier intègrent les CCE.
Dimensionnement en capacité
Le professeur Igor Popov a été l’origine du premier projet de recherche sur les CCE dans les années 1970, à une époque où la méthode des contraintes admissibles était utilisée pour la conception des charpentes en acier aux États-Unis. Par sa vision, il a encouragé son équipe à chercher non seulement une méthode de calcul inélastique, mais également un principe en avance sur son temps : le dimensionnement en capacité. Dans les CCE, les éléments sujets à la plastification, en l’occurrence les liens, sont définis et cloisonnés avec précision, tandis que le reste du système peut être proportionné de manière à rester élastique (capacité protégée). Le système s’est avéré un parfait exemple pour le dimensionnement en capacité, terme qui n’existait pas dans la construction en acier, et qui n’a fait son apparition dans les manuels que bien des années plus tard.
Dimensionnement basé sur les déplacements
Le dimensionnement basé sur les déplacements ne cesse de gagner en popularité, une tendance qui se traduit par la multiplication des documents de recherche et des manuels rédigés sur le sujet. Le trouvera-t-on bientôt un jour dans les codes de conception? Cela dépend des pays où nous exerçons et du type de structures que nous construisons. On estime généralement que le dimensionnement basé sur les déplacements est trop complexe pour être utilisé dans la charpente métallique d’un bâtiment multi-étagé. Cela étant dit, il fait partie des dispositions de dimensionnement fondé sur la performance proposées pour la norme CSA S6-14 du Code canadien sur le calcul des ponts routiers.
Les limites du déplacement (pour le niveau de prévention de l’effondrement), sous la forme de rotations maximales à la jonction des liens, sont déjà une exigence de calcul fondamentale pour les CCE. Les liens étant définis et cloisonnés avec précision tandis que le reste du système conserve son élasticité, le dimensionnement fondé sur les déplacements met l’accent sur les liens. Cette procédure s’applique également aux structures à étages multiples.
Dimensionnement fondé sur la performance à plusieurs niveaux
Comme cela a été mentionné précédemment, des dispositions relatives au dimensionnement fondé sur la performance ont été proposées pour la norme CSA S6-14. Pour satisfaire aux exigences de performance à plusieurs niveaux, les « Autres ponts » (normal), par exemple, peuvent présenter des « dommages réparables » après un séisme ayant une récurrence de 475 ans, des « dommages importants » après un séisme ayant une récurrence de 975 ans et « devoir être remplacés » après un séisme ayant une récurrence de 2 475 ans. Les « Ponts de secours » peuvent présenter « aucun dommage », des « dommages minimes » et des « dommages réparables » après un séisme ayant, respectivement, une récurrence de 475, 975 et 2 475 ans. Dans tous les cas, l’ingénieur en structures doit fournir une démonstration explicite de conformité. Il est évident que ce type de dimensionnement peut être beaucoup plus onéreux.
Les dispositions sismiques dans le CNB 2010 se concentrent sur un seul objectif de dimensionnement – la prévention de l’effondrement après un séisme ayant une récurrence de 2 475 ans. Les futures versions du code pourront inclure des exigences d’utilisation pour des événements plus fréquents.
Lien CCE modulaire
Le CCE est-il la solution idéale pour le dimensionnement fondé sur la performance à plusieurs niveaux?
Le professeur C. Christopoulos et ses collaborateurs de l’Université de Toronto, en collaboration avec le professeur R. Tremblay, de l’École Polytechnique sont des pionniers de la recherche sur les liens modulaires au Canada. Dans les CCE classiques, les liens font partie d’une section de la poutre qui s’étend d’un poteau à un autre. Ce concept de lien modulaire consiste à fabriquer un segment de lien et le reste de la poutre à partir de sections distinctes qui sont ensuite raccordés au moyen d’assemblages boulonnés. Les liens modulaires déformés ou endommagés sont facilement remplaçables. Les dispositions relatives aux poutres à lien modulaire ont été incorporées à la norme S16-14.
Les recherches menées au Canada se sont avérées une solution opportune pour réparer et reconstruire les immeubles endommagés ou détruits dans la ville de Christchurch, Nouvelle-Zélande, après le séisme de 2012. La Figure 2 illustre une partie d’un CCE à lien modulaire dans un récent projet à Christchurch.
