5. Le Seisme Et Les Constructions en Metal Et en Bois

Direction Dpartementale de lEquipement de la Guadeloupe

Document dinformation lusage du constructeur - VOLUME 5 Conu par Mme Patricia BALANDIER

LE SEISME ET LES CONSTRUCTIONS EN METAL ET EN BOISPRINCIPES DE MISE EN UVRE(OUVRAGES RISQUE NORMAL)

Comment optimiser les qualits de ces matriaux par des structures appropries.

Mode de ruine dune construction en bois (Sisme du Chili, 1960) (Document Rodolfo Schild) Sil ny a pas darrachement des liaisons entre les lments, mme suite des dformations trs importantes, lendommagement du btiment est progressif.

POURQUOI ETUDIER LES MODES DE RUINE DES BATIMENTS? Les tudes ralises sur les diffrentes mises en uvre des matriaux utiliss permettent non seulement den connatre la rsistance lapparition de dommages, mais surtout de savoir quelles sont les dispositions qui permettent dobtenir un endommagement progressif sans perte de rsistance significative, plutt que la rupture brutale.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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POURQUOI ETUDIER LA FACON DONT LES MATERIAUX SE DEGRADENT?Les scientifiques nous expliquent comment le matriau et les assemblages se dforment, puis se dgradent, et enfin se rompent sous leffet des secousses alternes. Les architectes et ingnieurs se forment pour en tenir compte dans leurs projets en zone sismique. Sur le chantier, nous avons lultime responsabilit, celle de raliser correctement les travaux. Mais dabord, essayons de comprendre la varit des phnomnes propres aux matriaux et leurs assemblages qui peuvent amener leur rupture fragile . Tous les dommages qui surviennent pendant un sisme ne sont pas signe de danger au contraire, mais il faut les contrler !

Dans ltat actuel des choses, il nest pas question dempcher tout dommage sous sisme majeur (ce qui coterait trop cher pour les chantiers ordinaires), mais de contrler le mode de dgradation des matriaux afin dempcher que celle-ci se traduise par leffondrement du btiment sur ses occupants... quitte rparer ou reconstruire aprs la catastrophe.Ce 5 volume du cours de construction parasismique porte sur les principes de mise en uvre des structures de mtal et de bois qui sont des matriaux trs intressants en zone sismique, sous rserve doptimiser leurs qualits propres, en les faisant travailler correctement, et de soigner les assemblages dont la rupture est le principal facteur de ruine pour ces systmes constructifs. La comprhension des dispositions constructives parasismiques ncessite des connaissances de base en sismologie applique la construction et en conception des structures. Ainsi il est recommand de prendre connaissance des brochures 1 et 2 du prsent programme dinformation sur la construction parasismique avant daborder celle-ci. Les rgles de construction parasismique se substituent ou compltent les rgles gnrales qui ne seront pas rappeles ici. PREVOIR EN SAPPUYANT SUR LES CONNAISSANCES SCIENTIFIQUES Cest possible aujourdhui. Ca ne ltait pas il y a cinquante ans : -

Connatre lavance le comportement dune construction neuve sous leffet des secousses dorigine sismique. Etablir des rgles de construction efficaces partir de ces connaissances.

Ce Fascicule nous donne, sous la forme de 21 questions rponses , des explications sur les phnomnes et nous permettra de comprendre que la rglementation sappuie sur des connaissances objectives. LES REGLES SONT LA POUR NOUS PROTEGER. ELLES EVOLUENT AVEC LAVANCEMENT DES CONNAISSANCES. COMPRENONS-LES. RESPECTONS-LES.

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Quels sont les qualits et les dfauts de lacier?

Une production industrielle et une normalisation fiable : Lacier est rglementairement dfini par ses nuances (critres de rigidit et rsistance) Sa production industrielle se fait selon des procdures en gnral bien contrles (Normalisation des nuances et fabrication des profils fiable et respecte dans la plupart des pays) = Fiabilit du comportement projet et calcul pour les sections.

Tests dynamiques dlments de structure en acier (Document USGS - USA). Lacier est certainement le matriau de construction dont le comportement rel peut tre le plus fiable par rfrence au comportement projet (moins dincertitude sur la production et la mise en uvre, sauf peut-tre sur les petits chantiers qui font lobjet de moins de vrifications)

Qualits au regard des sollicitations sismiques : Trs bon comportement sous sisme d ses qualits: Trs bonne rsistance en traction et en compression Bonne rsistance au cisaillement Rapport rsistance / masse volumique lev (pour la rsistance ncessaire, faible masse, donc forces dinertie rduites) Rsilience leve (absorption dnergie cintique, bon comportement sous sollicitations alternes) Ductilit trs leve (sauf certains aciers spciaux et types de sections viter) Restent matriser le comportement global de la structure (conception) et la rsistance mcanique des assemblages (ralisation). En outre, le fait de pouvoir rparer la structure aprs sisme par remplacement des lments endommags est un avantage complmentaire non ngligeable. Vulnrabilit propre au matriau : Corrosion:

Traitement par galvanisation, ou mieux par mtallisation (cher mais permettant les interventions a posteriori avec des rsultats durables) Dispositions constructives contre les remontes deau Protection ncessaire, notamment en raison des incendies post-sismiquesLe sisme et les constructions en bois et en mtal

Feu:

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Quels sont les problmes en cas de sisme ?

Les types de dommages observs : Mme non conues pour tre parasismiques, les structures dacier ralises dans le respect des rgles de lart arrivent peu leffondrement en raison de la ductilit des lments. Les dommages observs sont les suivants: Plastification des barres: flambage, cloquage, dversement. Ruptures fragiles (notamment des assemblages): des tirants en croix, dchirement des goussets, clatement des soudures, ancrages insuffisants dans les fondations

A droite Flambement dune tte de poteau de section en I (Sisme danchorage, 1960) (Document EQIIS USA) A gauche, cloquage dun pied de poteau acier tubulaire (Sisme de Kob, 1995) (Document EQIIS USA)

Problmatique de linstabilit des barres : La stabilit latrale des lments en I doit tre assure par des entretoises, plus particulirement dans les zones critiques (les plus sollicites). Les poteaux tubulaires ou en caisson sont prfrables, car ils ont une meilleur rsistance au flambement et la torsion. Les poutres me pleine se comportent mieux que les poutres ajoures (qui doivent tre pleines proximit des zones critiques).Exemple de raidissage par entretoises des zones les plus sollicites des sections pour viter leur instabilit latrale. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Dommages aux lments non structuraux : La conception des ossatures mtalliques est souvent flexible , ce qui entrane des dommages levs aux lments non structuraux qui saccommodent mal des dformations sous sisme. Il est souhaitable de dcoupler les lments rigides de manire ce quils ne soient pas contraints par les dformations de la structure mtallique.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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Quelles sont les bonnes stratgies ?

Elles concernent le matriau et la structure : Les structures doivent tre dimensionnes de manire ce que la localisation et lefficacit dissipative des dformations plastiques (comportement ductile) soient parfaitement contrles. Les exigences garantissant la bonne efficacit des zones dissipatives sont relatives : au matriau acier, qui doit pouvoir plastifier correctement (choix de la nuance) la stabilit de forme des lments, qui doivent se dformer en flexion, pas en torsion (choix des sections et des raidissages), la stabilit densemble de la structure, dont les zones dissipatives doivent tre matrises (matrise des raideurs, dimensionnement en capacit), au degr de sollicitation des lments, par lviction des concentrations de contraintes mal localises (rgularit des raideurs de la sructure). Flambement dun poteau dacier enrob de BA (Sisme dAnchorage, 1964) (Document Karl V.

Steinbrugge) Une bonne conception des structures mtalliques doit assurer la matrise de lemplacement des zones dissipatives hors des poteaux et des zones critiques.

Chantier du palais de Justice de Grenoble (Document P. Balandier) Une zone faible a t

organise lextrmit de chaque barre de contreventement de manire matriser lemplacement dune ventuelle rotule plastique, zone dissipative des PS-92.


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4. Quels sont les diffrents types de structures porteuses dissipatives en mtal et leur dfinition rglementaire ?Classement des structures mtalliques selon les rgles PS-92 en fonction de : Leur rigidit Leur rsistance aprs endommagement Ce classement se traduit dans les valeurs affectes au coefficient q qui peut tre utilis.N-B: Les structures comportement non dissipatif (q=1) ne relvent pas de la classification suivante en termes de conception PS.

Les trois conceptions du contreventement des ossatures acier. (Figure extraite de construire para sismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Structures cadres : Les rgles PS-92 dnomment structures cadres les ossatures nuds constituant des encastrements: ce sont des structures autostables. Structures contreventes : Le systme de contreventement des ossatures articules peut tre centr ou excentr . Ces structures sont plus rigides que les structures cadres autostables. Moins dformables, elles imposent moins de dommages aux lments non structuraux. Contreventement centr : Ossatures pour lesquelles les barres du systme de contreventement ont leurs intersections sur les axes des poteaux et des poutres. La dissipation de lnergie sismique se fait essentiellement par plastification en traction de ces barres (et accessoirement en compression sous condition de rigidit des nuds et de matrise des consquences du flambement) Contreventement excentr : Dans ce systme de contreventement, les intersections des diagonales ne passent pas par les intersections des lignes moyennes des poutres et poteaux. Dans ce cas, le dissipation dnergie peut se faire par formation dune rotule plastique travaillant en cisaillement, ce qui dissipe plus dnergie quen flexion. Structures tubulaires : Mode de construction spcifique des tours qui ne sera pas trait ici.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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Structures cadres ?

Fonctionnement de ces structures autostables : Leur rsistance aux sismes est assure : Par la rsistance en flexion des poteaux et poutres Et la rsistance la dformation des assemblages dits rigides : des encastrements. Dans ces structures, les zones dissipatives sont situes au voisinage des nuds dassemblage, de prfrence dans les poutres. Les rotules plastiques fonctionnent en flexion alterne. Si celles-ci sont bien localises, en raison de leur nombre potentiel lev, ces structures trs dissipatives ont en gnral un niveau lev dhyperstaticit.Exemple de mise en uvre de nuds dossature rigides. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Assemblage des zones critiques en usine (Nuds dossature) : Les soudures en usine sont plus fiables que les assemblages (souds ou boulonns) sur chantier. Ainsi il est prfrable que les zones critiques soient traites en usine, et les assemblages sur chantier raliss hors des zones critiques.

Chantiers aux Etats-Unis. (Documents USGS) Les poteaux et nuds dossature, dont on souhaite quils soient plus rsistants que les poutres sont produits en usine sur deux ou trois niveaux avec les moignons de poutres (zones critiques). Ainsi les assemblages sur chantier se font, pour les poteaux par soudure entre deux zones critiques, et pour les poutres par boulonnage au del de chaque zone critique.

Problmatique de la flexibilit des structures cadres : Le comportement flexible des structures cadre peut poser problme sur des sols meubles dont le signal est potentiellement riche en basses frquences (longues priodes) susceptibles de les mettre en rsonance. Dans ce cas, il est souhaitable de les raidir par ajout de contreventement pour rduire leur priode propre doscillation (si ncessaire) pour exclure une mise en rsonance sur sol meuble) et rduire lamplitude des dformations.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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Structures contreventes par croix de Saint-Andr ?

Fonctionnement de ces structures contreventement centr : Dans ce cas les diagonales de contreventement sont assembles sur les noeuds dintersection des barres qui ne doivent pas tre sollicits en compression par les diagonales. Les barres de contreventement ont donc des sections rduites et elles ninterviennent efficacement dans la rsistance dissipative de la structure que sous sollicitation en traction. Elles flambent rapidement en compression. Ce systme est assez peu dissipatif (dgradation rapide des tirants).Ce qui caractrise la localisation des barres des croix de Saint-Andr est quelles sont fixes aux angles de la trave. Les diagonales dans les deux directions ne sont pas forcment sur la mme trave : la croix napparat pas forcment. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Exemple de contreventement hyperstatique sur les traves de faade. La rupture ou le flambement des diagonales de quelques traves na pas provoqu la ruine : le report de charges horizontales sest fait sur les autres traves. (Document X)

Assemblage des zones critiques en usine (Nuds dossature) :

Palais de justice de Grenoble. Contreventement dun noyau central du btiment par croix de Saint-Andr. Les zones critiques des poteaux, poutres et demi-croix de St-Andr ont t soudes en usine. Les demi-traves ont ensuite t boulonnes sur le chantier (Document P. Balandier)


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Contreventement en V ?

Fonctionnement de ces structures contreventement centr : Dans ce cas, le point dintersection des diagonales de contreventement se trouve sur une poutre. Ces assemblages sont gnralement articuls, mais les encastrements sont prfrables. La rsistance laction sismique horizontale rsulte de laction conjointe des diagonales tendues et comprimes. Les sections des barres sont donc plus importantes que pour les croix de St Andr.Exemples de configurations de contreventements en V. La disposition de gauche qui permet des pousses ascendantes dans le nud dossature nest pas recommande en zone de sismicit leve si les assemblages, hors des poteaux, ne sont pas conus pour plastifier rapidement. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses) Assemblages de contreventements en V favorisant la formation rapide des rotules plastiques hors des poteaux et des poutres. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Matrise de lendommagement sur les barres de contreventement :A gauche : Plastification dune barre de contreventement en V suite un sisme. Sa faible section au regard des autres barres a permis son endommagement prioritaire (Document X).A droite : Chantier du palais de justice de

Grenoble. Exemple de contreventement en V avec localisation des zones dissipatrices par affaiblissement de la section des barres en V aux extrmits. (Document D. Grzes) N-B : Ces poteaux reposent sur des appuis glissants.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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Contreventement en K ? ATTENTION !

Fonctionnement de ce contreventement centr : Dans ce cas, le point dintersection des diagonales de contreventement se trouve sur laxe des poteaux. Ce type de contreventement cre des poteaux brids donc des concentrations de contraintes ponctuelles sur des lments ncessaires la stabilit densemble. Q=1 car on ne peut pas accepter la plastification sur les poteaux. Extrait des rgles PS-92 :PS-92 - 13.2221 : Contreventement centr (Extrait relatif au contreventement en K) Dans ce systme de contreventement, le point dintersection des lignes dpure des diagonales de contreventement se trouvent sur laxe des poteaux. Un tel systme ne doit pas tre considr comme dissipatif.

Commentaire de larticle :

Un contreventement en K ne peut tre considr comme dissipatif parce quil exigerait la coopration du poteau au mcanisme plastique ; en effet, ce mcanisme tend former une rotule plastique dans le poteau ds que la rsistance en compression de la diagonale du contreventement est dpasse.

Exemples de contreventements en K. ce type de contreventement qui est acceptable en zone non sismique est accept en zone sismique, mais on ne tolre aucune incursion dans le domaine post-lastique. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

A EVITER EN ZONE DE SISMICITE ELEVEELe sisme et les constructions en bois et en mtal

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Contreventement excentr ?

Fonctionnement des systmes de contreventement excentr : Les excentrements produisent des tronons courts (dans les poutres ou, de prfrence, dans les barres de contreventement) ; Les tronons courts crs par lexcentrement des barres de contreventement crent des rotules plastiques qui travaillent en cisaillement (et non en flexion), ce qui leur assure un rendement beaucoup plus lev. Il est important que lemplacement de ces rotules soit bien matris. Moyennant quoi, ce type de structure justifie dun coefficient q trs lev. Le tronon court doit tre raidi (et non affaibli par un percement).

Exemples de systme de contreventement excentr. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Contreventement excentr dtails dassemblages avec raidissage des barres de structures sollicites pour viter leur perte de stabilit latrale. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Exemples :Les pales de stabilit disposes aux extrmits de cette construction ont des barres de contreventement excentres crant des tronons courts aux extrmits des poutres. (Documents X pour USGS)

Test en laboratoire (Document X) Exemple de contreventement excentr sur barres de contreventement en V. Ce systme est prfrable au prcdent car la plastification se fait sur le tronon court qui relie les barres de contreventement la poutre, hors de la structure porteuse et la rparation peut se faire plus aisment et pour un moindre cot.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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10. Structures diaphragmes ?Fonctionnement : Ces structures rsistent laction du sisme par effet de diaphragme des parois verticales pleines et des planchers. Le niveau de ductilit de ces structures dpend de la dformation plastique au cisaillement des parois dont la liaison au cadre de lossature mtallique doit tre rigide. Bien quils soient autoriss, il faudrait viter les remplissages en maonnerie, et prfrer des plaques mtalliques nervures. Problmatique des remplissages maonns : Un peu moins dramatiques pour la stabilit densemble que pour les ossatures de bton arm, en raison de la plus grande rsistance post-lastique (ductilit) de lacier, ils doivent nanmoins tre vites en raison du niveau dendommagement quils peuvent amener. Sils sont utiliss, il faut les armer et souder les armatures sur les poteaux et soigner les remplissages pour parfaire la cohsion entre les matriaux et le raidissage de la structure.

A gauche : Armature des maonneries de remplissage (Figure extraite de construire para sismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

A droite Remplissages de maonnerie arme dtruits par les dformations trop importantes de lossature dacier (Sisme dAnchorage, 1964) (Document Karl V. Steinbrugge)

Remplissage en maonnerie des structures mtalliques. (Document P. Balandier). Les remplissages de maonnerie sous leffet de leurs propres forces dinertie entraneront lossature et risquent de provoquer sa ruine. Noter que ces remplissages partiels ne constituent pas des panneaux de contreventement (outre leur mauvaise mise en uvre).Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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11. Diaphragmes horizontaux ?Pas de mise en oeuvre spcifique, mais une rsistance justifier : Les rgles de mise en uvre sont celles de lEurocode 3 (DAN). On portera une attention particulire la qualit des liaisons des diaphragmes rigides contribuant la distribution des efforts horizontaux. Planchers collaborants : La qualit des liaisons mcaniques doit assurer la solidarisation effective du plancher avec lossature pour quil puisse jouer son rle de diaphragme rigide.

Plancher collaborant dsolidaris de lossature par les secousses (Sisme dAnchorage, 1964) (Document Karl V. Steinbrugge) ce plancher na pas pu jouer un rle de diaphragme rigide.

Toitures lgres : Pour bien des structures mtalliques on a des toitures lgres, ce qui est plus favorable au regard des forces dinertie. Pour jouer leur rle de diaphragme rigide elles doivent tre plus rigides que les pales verticales. En tout tat de cause, elles doivent tre contreventes.

Poutre au vent : contreventement par triangulation (Document P. Balandier)


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12. Quelles stratgies pour les assemblages entre lments ?Rsistance larrachement : Bien ralises, les liaisons entre lments (soudure ou boulonnage) doivent assurer la continuit mcanique des lments assembls. Les rgles dfinissent les conditions de mise en uvre. Eviter toute rupture fragile (protocoles de mise en uvre respecter). Les zones ductiles dans les barres doivent fonctionner (formation de la rotule plastique) avant que le niveau de contraintes soit trop lev dans les assemblages. Encastrement ou articulation ? Les rgles sont formelles, lassemblage doit tre conu et dimensionn pour tre soit : rigide (plastification hors de la zone critique), il contribue directement la stabilit densemble. articul (vraie articulation ou rotule plastique sur la liaison entre les lments) Pas dassemblage semi-rigide pouvant changer le mcanisme projet pendant le sisme : par manque de rsistance, lassemblage semi-rigide devient une articulation.A gauche : Chantier du palais de justice de Grenoble (Document P. Balandier) Liaisons rigides sur lossature principale et articules, par faiblesse de la plaque dassemblage qui peut plastifier rapidement, entre les barres des croix de Saint-Andr et la structure principale.

A droite : Articulations vraies , ne ncessitant pas la plastification, pour la liaison de tirants de contreventement (Document P. Balandier)

Les assemblages souds : Les assemblages entirement souds, raliss par cordon de soudure, prsentent une meilleure continuit mcanique et un comportement plus ductile. En cas de dfaut de ralisation, le risque dclatement fragile existe (les discontinuits crent un effet dentaille). Aussi il est recommand de souder en usine les assemblages de pices sensibles et dpaisseur importante. Les rgles PS-92 ( 13.6) prcisent leurs conditions de rsistance.Ossature acier enrobe de BA. Rupture par cisaillement sur soudure mal ralise entre le poteau et la poutre. (Sisme dAnchorage, 1964) (Document Karl-V. Steinbrugge)

Les assemblages boulonns : Les rgles PS-92 ( 13.6) prcisent leurs conditions de rsistance pour les barres principales et de contreventement.


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Cas des ancrages au soubassement : En zone sismique, les liaisons entre la superstructure et les fondations ne devraient pas compter sur la simple adhrence des boulons dans le bton, mme avec crochets, mais se faire par des butes (plaques darrt ou barres), plus mme de mobiliser le massif. Les tiges filetes doivent tre ductiles afin dviter la rupture fragile sous les efforts larrachement.

Ancrage des ossatures acier dans les fondations (Document Milan Zacek)

Plastification des tiges filetes dancrage aux fondations dune ossature acier (Sisme du Chili, 1960) (Document Karl V. Steinbrugge)

13. Palmars des structures mtal dissipatives ?Le coefficient q rglementaire constate la dissipativit par endommagement matris : Pour les structures rgulires et dirrgularit moyenne (critres dfinis au 6 des PS-92), le coefficient q des est donn sous rserve que les exigences relatives aux classes de section des poteaux et des poutres sont satisfaites. Il sagit bien entendu dun maximum autoris (*). Pus q est lev, plus la structure est apte sendommager sans seffondrer : Coefficient q entre 5 et 8 - Structures cadres. - Structures contreventement excentr. - Structures cadres et contreventes. Coefficient q = 4 - Structures contreventes par croix de St Andr. Coefficient q = 2 ou plus - Structures contreventes en V. - Structures contreventes par diaphragmes. Coefficient q = 1 - Structures contreventement en K.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

(*) Sous rserve de satisfaire dautres critres prciss par les rgles : o Nuance et certification du matriau acier, o la stabilit de forme des lments, (sections) o la stabilit densemble de la structure, o au degr de sollicitation des lments.

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14. Quelles sont les caractristiques du matriau bois pouvant influencer sa rsistance sous sisme ?Caractristiques physico-chimiques du matriau : Les caractristiques dterminantes du comportement mcanique du bois sont : - Dtre compos de fibres capillaires (tubes creux) sensiblement parallles entre elles. - De contenir de leau: o Libre dans les capillaires et les interstices et les interstices entre les capillaires ; o Dimprgnation dans le tissu de cellulose des capillaires proprement dit. Outre les qualits mcaniques exposes plus loin, le bois prsente les avantages suivants : - Bonne rsistance de la cellulose aux atmosphres corrosives. - Rparation possible avec rsines poxydiques des lments porteurs. - Bon conducteur de leau (sensible limmersion). o Avantage pour les traitements par bains ; o Inconvnient pour leau non matrise . Classement des bois : Les bois sont classs selon leurs qualits mcaniques qui dpendent notamment des dfauts (nuds prjudiciables en traction) qui abaissent leur rsistance et leur rigidit. Il convient de nutiliser que des bois de qualit pour les pices susceptibles dtre trs sollicites. Les classes de I III sont de moins en moins rsistantes (abaissement des modules lastique et de rupture).Les bois comportant des nuds ne peuvent pas travailler correctement en traction en raison des dviations des fibres. Or pour rpondre aux sollicitations en flexion la rsistance en traction est ncessaire.

Vulnrabilit aux attaques extrieures : Il est ncessaire de protger les bois contre : - Les altrations biologiques : o Insectes, o Champignons. - Le feu (progression dun cm par quart dheure (calcul de la tenue au feu), que lon peut rduire par traitement. - Lhumidit (Capillarit, intempries, humidit ambiante), que lon peut rduire par traitement et conception architecturale. Lensemble de ces protections fait lobjet de rglementations et normes de mise en oeuvre qui ne doivent pas faire oublier la ncessaire maintenance.


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Fluage : Le fluage est une dformation lente et irrversible en flexion acquise avec le temps sous charges statiques (glissement des fibres les unes par rapport aux autres). La flche due au fluage augmente, puis se stabilise. Le fluage est fonction de lhumidit du milieu et des charges permanentes (ou prolonges). Le fluage rduit la rsistance des pices concernes. Une faon de rsoudre le problme du fluage est de fabriquer des pices avec une contre-flche (lamellcoll). Protection contre les remontes deau : En raison de la sensibilit du matriau leau, il est ncessaire que le projet architectural prenne en compte la protection des bois, notamment : - Remonte hors eau du soubassement de bton arm. o Feuille tanche entre fondations et structure bois. o Sabots mtalliques surlevs sous les poteaux. - Protection contre les intempries o Dbords de toiture. o Etanchit des lments couvrants Rsistance mcanique : Les contraintes admissibles retenues pour le calcul dune structure en bois sont affectes dun coefficient thorique de scurit de 2,75 pour les pices en dimension demploi. Si lon se rfre des essais sur chantillons de bois sans dfaut, le coefficient varie en fait de 5 11. Ainsi la marge de scurit sur les lments de bois est-elle importante.Valeurs des contraintes admissibles pour les bois de charpente

Mode de sollicitation Compression axiale Traction axiale Flexion statique Cisaillement longitudinal Traction transversale sans cisaillement Compression transversale

Contraintes de base forfaitaires pour bois sans dfaut Rsineux Chne 190 bars 180 bars 435 bars 363 bars 212 bars 202 bars 27 bars 22 bars 16 bars 54 bars 12 bars 30 bars

On constate que la conception des structures doit viter les ventuelles sollicitations des barres en cisaillement et en traction ou compression transversales.

On considre 3 directions de travail: Axiale (sens des fibres): bonne rsistance en traction et compression, donc la flexion. Radiale (perpendiculaire aux fibres): trs faible rsistance en traction et en compression. Tangentielle (aux anneaux de croissance): idem. Rapport rsistance/masse volumique excellent dans le sens des fibres En gnral faible rsistance au cisaillement (axial ou non)N-B: En outre la rsistance dpend de lessence, de la vitesse de croissance et de la position dans le tronc de la pice. Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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15. Quel comportement pour les structures de bois ?Principes gnraux : En rsum, les qualits exploiter par la conception de la structure sont : Masse rduite = forces dinertie rduites Amortissement lev dans les assemblages bien conus Bois = matriau rsilient (supporte bien les chocs et les vibrations) Dans le sens des fibres: bonne rsistance en traction et compression Rapport rsistance/masse volumique excellent (sens des fibres) Rigidit et rsistance des pices de bois peu affectes par les charges cycliques de dure faible, quelques secondes (25% suprieure charge statique). Les pices de bois elles-mmes et les assemblages :La ductilit du bois est faible sauf en compression perpendiculaire aux fibres (dans ce cas, les fibres scrasent sans rompre de faon fragile. La ductilit des structures bois est obtenue par la nature des assemblages qui doivent pouvoir se dformer sans rompre.Sisme du Chili (Document Karl-V. Steinbrugge). Les structures en bois acceptent des dformations importantes de leurs assemblages sils ne mnent pas leffondrement pour rupture fragile.

Erreurs de conception viter :Lancrage insuffisant de la structure aux fondations, la prsence dlments de maonnerie au comportement trop diffrent et la rupture dlments structuraux dgrads sont des facteurs de ruine notables. Attention lamplification des dformations en cas de toiture lourde et aux rsonances sur sol meuble !Ce que l'on veut viter: la dislocation totale par faiblesse des assemblages non ductiles. Sisme de Kob 1995. (document EERI)

Ce que lon recherche :Cest le seul matriau pour lequel on recherche la dformation ductile des assemblages et non celle des lments.Les dformations acquises de cette construction, dont les assemblages nont pas lch, nont pas entran son effondrement. Sisme de Kob, 1995 (Document EERI)Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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16. Produits drivs ?Le contreplaqu : Le croisement des plis successifs et les caractristiques de la colle permettent des performances nouvelles par rapport la structure initiale du bois. Les caractristiques transversales sont nettement amliores. Ces proprits mcaniques trouvent une application intressante dans la ralisation de diaphragmes et pales de stabilit (assez bonne rsistance au cisaillement).

Le panneau de particules : Ses fibres, orientes au hasard dans des plans parallles aux faces, sont agglomres sous pression chaud avec des rsines de synthse. Les caractristiques mcaniques sont intermdiaires entre celles des fibres et copeaux utiliss et celles des rsines. Perpendiculairement au panneau la contrainte admissible en compression est trs grande.

Le lamell coll : Matriau de structure trs utilis en raison de ses qualits de rsistance qui permettent des portes importantes en matrisant le problme du fluage. Ceci en raison de: o Labsence de dfaut des bois utiliss o Lalternance du sens de fibres o Leffet des films de colle plus rsistants que le bois Trs bon rapport rsistance / masse volumique

Traitement des bois selon la classe dexposition en service pour les Antilles :CLASSES (*) DEXPOSITION ENVIRONNEMENT Intrieur sec ou humide Intrieur humide protg Extrieur humide expos Extrieur, contact au sol ou enterr mouill Milieu marin ou saumtre USAGE Mobilier, menuiseries intrieures Structure protge Structure expose bardage, menuiseries extrieures Lisses basses, soubassements, piquets de cltures Pontons, quais, soubassements RISQUES BIOLOGIQUES Insectes, termites, colorations Insectes, termites, colorations, pourritures Termites, colorations, pourritures Termites, colorations, pourritures, pourriture molle Insectes, pourritures, mollusques et crustacs

2B 3-1 3-2 4-2 5

(*) Classes de traitement pour la zone Antilles


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17. Quels assemblages retenir en zone sismique ?Les assemblages accepts par les rgles PS-92 : Les assemblages traditionnels sont bannir : ils affaiblissent la section de la pice de bois et ont un mode de rupture fragile. Les mortaises nont aucune rsistance au cisaillement.PS-92 - 14.12 : dformabilit des assemblages Selon leur composition, les assemblages des structures bois peuvent tre rigides ou semi-rigides. Les assemblages colls, bois sur bois, ou bois sur mtal, sont considrs comme des assemblages rigides. Les assemblages mcaniques raliss par des lments de liaison mtallique non colls sont considrs comme des assemblages semi-rigides. La dformation de ces assemblages sous charge monotone croissante peut comporter Une dformation initiale de mise en place, Une dformation lastique, Une dformation plastique. Selon leur capacit de dformation post-lastique, les assemblages sont classs comme : Non ductiles ou fragiles, Semi-ductiles, Ductiles

On scarte ici du principe de rigidit des assemblages retenu en gnie parasismique pour les constructions en bton et en acier.Les PS-92 autorisent de nombreux modes dassemblages :PS-92 - 14.2 : Les assemblages Les assemblages mcaniques utilisables dans les constructions parasismiques sont ncessairement des assemblages dfinis par les rgles en vigueur... 14.2 : Typologie des assemblages Sont concerns, conforment aux rgles CB.71, les assemblages comportant : Des pointes, Des connecteurs dents, Des boulons, Des broches, Des crampons associs des boulons, Des anneaux associs des boulons. Les assemblages ainsi raliss transmettent les efforts directement dun bois lautre, ou indirectement au moyen dclisses, de plaques ou de goussets dfinis par les rgles en vigueur.

Commentaires sur les modes dassemblages : Ils doivent tre conus de manire rsister aux soulvements et aux dplacements horizontaux gnrs par le mouvement sismique. Leur forme de doit pas favoriser les concentrations de contrainte dans le bois. Il convient dviter les entailles dans les fibres tendues ou flchies, et plus particulirement dans les diagonales de contreventement La rsistance ultime du bois doit tre suprieure celle des assemblages.

Lutilisation de vis en acier tremp pour les assemblages peut savrer ncessaire pour prvenir larrachement des toitures en zone cyclonique. Il doit tre vit pour les autres cas de figure en raison de leur manque de ductilit : les secousses provoquent lcrasement des fibres de bois, puis la rupture fragile de la vis.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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Assemblages clous (clous longs pour viter larrachement) : Hors cas particulier du lamell-coll, le meilleur comportement observ sous sisme est celui des assemblages clous: les clous pntrent entre les fibres sans affecter la section utile de la pice. Le clouage multiple sur une surface importante permet une rpartition des efforts sur les multiples points de liaison de cette surface. La ductilit des clous de grande longueur est un facteur important de dissipation dnergie. Ces assemblages doivent videmment tre conus pour ne jamais travailler en traction. Le clouage peut se faire directement, mais de prfrence par lintermdiaire de plaques mtalliques perfores, ainsi la dissipation par ductilit des clous sajoute la dissipation dnergie par frottement des plaques. Les cornires doivent tre ductiles (acier doux).Exemple de clouage avec plaque mtallique (ici en U) prservant les fibres du bois. La dissipativit se fait pas les dformations des clous et le frottement de la plaque sur le bois, mais les fibres sont protges.

Connecteurs dents : La faible longueur des dents favorise larrachement des connecteurs pass un certain niveau de sollicitation. On vitera lutilisation de ce type de connecteur en zone de sismicit leve, bien quil soit autoris par les PS-92. Boulonnage : Il est ncessaire au dpart quil ny ait aucun jeu entre le boulon et le percement. La longueur du filetage ne doit tre en contact avec le bois, mais doit tre suffisante pour permettre un resserrage ultrieur de lassemblage (travail fastidieux!). En outre, tout assemblage actif devrait comporter au moins deux boulons avec crampons afin daccrotre la zone de transmission defforts. La recherche de la ductilit de lassemblage interdit lusage de boulons de diamtre lev. A ce titre lEC8 prconise que les boulons de diamtre suprieur 16mm ne soient utiliss que pour les lments secondaires. Les assemblages boulons et anneaux sont considrs comme peu ductiles et ceux boulons et crampons comme semi-ductiles.Exemple de percement trop large : le jeu entre le boulon et le percement autorise des chocs rduisant la ductilit de lassemblage.

Assemblages pour le lamell coll : Larc articul en lamell-coll a un bon comportement lastique mais nest pas dissipatif. Le portique assembl est plus intressant en zone sismique car la dissipation dnergie est possible par dformation des liaisons. Dans ce cas les assemblages se font par une couronne de boulons.


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18. Quels types de structures bois et quels comportements sous sisme ?Principes gnraux : Certaines dispositions communes doivent tre respectes pour la conception des structures : Poteaux-poutres Panneaux porteurs Arcs et portiques en lamell coll Le prsent document traitera plus particulirement des deux premiers systmes constructifs qui sont les plus vulnrables car trop souvent raliss de faon empirique et traditionnelle , et manquant dune approche dingnierie, ce qui nest pas le cas du lamell-coll. Les panneaux de remplissage peuvent avoir un effet positif ou ngatif qui doit tre matris par des choix appropris: Par leur masse, augmenter la priode de la structure Par leur raideur, rduire celle de la structure et provoquer des chocs Par leur ductilit ventuelle (ou celle de leurs liaisons) contribuer laccroissement de lamortissement de la structure. Problmatique particulire du manque de rigidit densemble : En dehors des joints colls, les assemblages ont un comportement semi-rigide. En dehors des structures en lamell-coll, il est ncessaire de sen tenir de faibles dimensions de btiments en raison du comportement des assemblages et du problme de conception adquate des liaisons entre les niveaux Il convient dviter les structures non dissipatives (hors lamell-coll qui peut ventuellement tre conu et dimensionn pour rester dans le domaine lastique) Par consquent on recherchera: Des zones de plastification des assemblages nombreuses Lhyperstaticit (requise) En effet, sous secousses violentes, la redondance de la structure permet une redistribution des efforts des lments les plus sollicits vers les lments voisins grce aux glissements des assemblages. Contreventement : Les planchers, pans de toiture et plan des entraits de charpente doivent former des diaphragmes rigides. Les pales de stabilit doivent tre places de faon symtrique, en nomettant aucune faade et de prfrence proximit des angles. Si le plan est allong il est ncessaire de disposer des pales intermdiaires intrieures. Les tages ne doivent pas tre plus rigides que le rez-de-chausse. Les pales de stabilit doivent tre superposes pour que les descentes de charges sismiques soient directes. Page 22


19. Structures panneaux porteurs ?Origines : Les prcurseurs des constructions en murs porteurs ossature bois sont les maisons colombage remplissages divers. La conception actuelle sans remplissages lourds requiert des assemblages adquats. Bien assises sur des sols fermes, ces constructions peuvent rsister aux sismes les plus violents. Conception de lossature des panneaux : Les montants sont espacs au plus de 60 cm (40 cm sils reoivent un voile en panneaux de fibres) et fixs une traverse basse et une traverse haute. Lpaisseur des montants et des traverses ne doit pas tre infrieure 50mm. Le contreventement (pales de 120 cm minimum), pour 30% minimum de la longueur du panneau, et dans un rapport H/l maximum de 2/1 peut tre obtenu par : Voile travaillant Triangulation Les panneaux doivent tre orthogonaux et relis par un chanage horizontal (lisse continue) qui rpartit les charges horizontales et verticales. Les joints du chanage ne doivent pas se trouver proximit des joints des traverses.(Figures extraites de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)


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Contreventement par voile de contreplaqu ou dagglomr : Le voile rigide, dit travaillant est obtenu par clouage sur tous les montants et traverses de lossature, dun contreplaqu de 10 mm dpaisseur au moins tous les 15 cm maximum (10 cm en priphrie). Ceci sur une face au moins de lossature (mmes rgles de mise en uvre que pour les diaphragmes de bois). Les plaques sont en gnral poses verticalement et ne doivent pas avoir de raccords sur la hauteur du panneau de la lisse basse la sablire. En cas de pose horizontale, les bords doivent tre fixs sur des entretoises ayant la mme section que les montants. N-B: les voiles de panneaux de particules ou de fibres sont moins efficaces, nayant pas la mme rsistance en traction et en compression. Si on les utilise, une paisseur minimale de 13 mm et une masse volumique de 650 kg/m3 est requise. Voiles travaillants de planches cloues en diagonale : Il est galement possible de raliser un voile travaillant en utilisant des planches. La pose de ces planches se fait 45 par rapport aux montants pour trianguler la structure, limiter les dformations et constituer un voile rigide. Si les planches ont moins de 15 cm de large on doit utiliser 2 clous par montant, sinon 3. Contreventement par triangulation : La pose dcharpes amliore la rsistance des panneaux porteurs et limite les dformations. Elle est recommande notamment en cas dutilisation de panneaux de particules ou de fibres dont la rigidit est plus faible. Il est recommand de poser les charpes prs des ouvertures avec une pente comprise entre 45 et 60. Ceci implique que les charpes croisent plusieurs montants. Les rsultats des essais montrent quil est prfrable dutiliser des charpes embreves plutt que dinterrompre les montants. Il est prfrable dviter les charpes courtes (dont les extrmits ne sont pas en haut et en bas du panneau) qui brident les montants et les soumettent des efforts de cisaillement. Mise en uvre des linteaux : Les linteaux brident les montants et les soumettent des efforts de cisaillement. Aussi il convient de les poser en appui sur des faces externes et internes des montants qui encadrent les ouvertures. Le cadre ainsi constitu doit tre assez rigide pour ne pas solliciter les menuiseries. Ancrage des panneaux dans les soubassements : Lancrage des lisses basses et des pales de contreventement doit pouvoir rsister aux charges horizontales. Pour les lisses on peut utiliser des boulons dancrage de 12 mm de diamtre dune longueur de 25 cm minimum et espacs au maximum de 1,20 m. Les lisses doivent tre continues dans la mesure du possible. En cas de raccord, un boulon dancrage 15 cm de part et dautre du raccord est ncessaire.

Cette cornire-gabarit, fixer sur le coffrage avant de couler le bton du soubassement dans lequel lancrage se fera, permet de positionner les tiges filetes avec prcision (Document Simpson)


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Trous oblongs dans les traverses infrieures permettant le rglage de la position du panneau avant serrage. Aprs mise en place du panneau noter le boulon court dancrage de la traverse infrieure et le boulon plus long prs du montant dextrmit de la pale pour ancrage de celui-ci par lintermdiaire dun sabot spcifique (voir plus loin). (Doc. Simpson)

Pales de stabilit industrielles :

Ci-dessus - Exemple de voile travaillant commercialis aux Etats-Unis (Strong wall Simpson) La partie pale de stabilit du panneau est fabrique en usine, puis intgre sur chantier lossature. Test de rsistance aux dformations cycliques de pales de stabilit industrielles (Document Simpson) A droite Chantier dune construction en bois contrevente par voiles travaillant Kob. (Document EERI.)

Liaisons du voile travaillant aux lisses suprieures. La liaison par multiclouage au travers dun fer plat perfor est beaucoup plus ductile que la liaison par vis. (Document Simpson)


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Continuit des descentes de charge : Les traverses basses des pales de stabilit doivent reposer sur une solive ou une entretoise de mme section (sens d la porte) selon la direction qui est la leur, afin davoir une transmission directe des charges sismiques dun tage lautre sur toute la largeur de la pale.En haut gauche, sens des solives : la pale repose sur la solive qui assure la transmission des efforts vers la pale infrieure, sinon la pose dune entretoise dans le sens perpendiculaire remplit cette fonction (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Ancrage des pales aux fondations ou entre niveaux : Leurs fixations doivent rsister larrachement. De ce point de vue il est souhaitable de doubler les montants dextrmit des pales qui sont particulirement sollicits. Lancrage par plats clous est satisfaisant pour les zones sismicit modre. En cas de sollicitation attendue leve lancrage par sabot boulonn est prfrable.

Ancrage par sabots boulonns et ancrage par plats multiclous. Ces derniers ne devraient pas tre utiliss dans les rgions de sismicit leve. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)


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Type de sollicitations affectant les sabots dancrage boulonns. Ces sabots sont raidis par des joues triangulaires. (Document Simpson)

Ancrages de la traverse infrieure Ancrage du montant dextrmitA gauche- Mise en place dfinitive de la pale avec ancrages de la traverse et ancrage des montants dextrmits. (Document Simpson) A droite Sabot dancrage de montant avec petits boulons nombreux : leffort est mieux rparti, la ductilit de lassemblage plus leve. (Document Simpson)


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20. Ossatures traditionnelles ?Il sagit des ossatures poteaux et poutres de porte courante (et non des structures en lamell-coll de grande porte). On distingue, selon la nature des liaisons (encastrements ou articulations): Les ossatures en portique croiss (autostables) Les ossatures contreventes : Portiques longitudinaux ou transversaux et contreventement dans lautre direction, Ossatures entirement articules. Rgles gnrales pour un bon comportement en zone sismique : Ne pas dpasser deux niveaux Prfrer les poteaux pleine hauteur (liaison poteau N0 / poteau N1 difficile raliser pour rsister aux charges horizontales). Problme de formation de rotules plastiques dans les nuds de portiques compromettant la stabilit densemble (prfrer un systme de murs porteurs ou dossature contrevente une structure en portiques croiss) Poutres devant rsister aux instabilits latrales H/b < 4. Encadrement en bois des baies en faade, li lossature. Portiques croiss, rgles de mise en uvre : Planchers et toiture doivent constituer des diaphragmes rigides (voir plus loin). Si les nuds sont rigides (non dissipatifs) ils doivent tre calculs pour des charges sismiques levs. Lemploi de nuds semi-rigides est priori prfrable mais leur dimensionnement est dlicat car lossature doit rester indformable sous charges permanentes ou variables (tolrance pour petites dformations lastiques) et nentrer dans les dformations post-lastiques que sous charges sismiques importantes. Assemblages semi-rigides des portiques : Ils sont raliss au moyen de plaques mtalliques cloues dont lemprise est lensemble de la largeur de la pice de bois (afin dviter le fendage du bois). La dissipation dnergie est ralise par le comportement ductile des clous, et la rigidit densemble par la plaque qui peut tre affaiblie localement pour tre elle-mme ductile.

Assemblages par plaques multicloue, droite, la ductilit est amliore par une pice dassemblage prvue cet effet. (Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)


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Ossatures contreventes : Les liaisons tant articules, elles ncessitent des pales de stabilit contreventes. Il est prfrable dviter le contreventement par remplissage en maonnerie: ils bloquent la dformation et la structure subit des charges leves et des chocs. Il convient dviter de solliciter au cisaillement les poteaux, que lon opte pour une triangulation en bois ou en acier. Les pales contreventes sont moins efficaces que les murs porteurs en raison de la localisation des charges transmises (ponctuelles au lieu de rparties) et le nombre de liaisons dissipatives moins nombreux. Les concentrations de contraintes limitent la capacit de la structure stocker et dissiper lnergie

(Figure extraite de construire parasismique , Milan Zacek, Editions Parenthses)

Dformations maximales : Selon larticle 14.53 des rgles PS-92, il convient de justifier les dformations maximales en fonction de lintgrit requise pour les lments non structuraux, ou a dfaut de limiter ceux-ci 1/125 de la hauteur dtage considr sans excder 25 mm. Contrle de qualit : LEC8 demande un contrle spcial pendant la construction des lments suivants, essentiels pour la rsistance de lossature aux sismes: Ancrages sur linfrastructure (fondations, sous-sol) Diagonales de contreventement Liaisons diaphragmes pales de stabilit Fixation des voiles de contreventement. Ossatures lamell coll (gnralits) : Le lamell coll permet un changement de direction progressif (arcs plutt que portiques) et ainsi la conservation dun effort normal (axial) sur les pices de bois. La plus grande rsistance des pices et le contrle dingnierie qui y est associ en fait un systme constructif qui se comporte bien sous sisme. Les encastrements des portiques doivent tre raliss avec des couronnes de boulons ductiles pour les rendre semi-rigides.Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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21. Diaphragmes rigides ?Toitures :Principes respecter: Ancrage efficace de la charpente au reste de la structure Contreventement des diffrents plans (diaphragmes) Hors de ces plans, pour les pices travaillant en compression dispositifs anti-flambage (symtriques), viter les masses leves.

Contreventement par plaques de contreplaqu ou de bois (figures extraites de Construire parasismique de Milan Zacek, ditions parenthses)

Planchers :Pour obtenir des diaphragmes rigides on utilise les mmes rgles de mise en uvre que pour les voiles travaillant (plaques ou planches 45) sur toute la surface du plancher. Les raccords de plaques doivent tre alterns et se trouver sur une solive ou une entretoise. Les solives et entretoises doivent tre doubles la priphrie des trmies pour les raidir. On peut coller et clouer les plaques ou planches pour rendre les diaphragmes plus rigides que les pales.

Contreventement par plaques de contreplaqu ou de bois (figures extraites de Construire parasismique de Milan Zacek, ditions parenthses)Le sisme et les constructions en bois et en mtal

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