Etude sismique de la zone Est du PMTL à Hautepierre Document_de_synthèse_-_Julien_BIHL.pdf

8/17/2019 Etude sismique de la zone Est du PMTL à Hautepierre Document_de_synthèse_-_Julien_BIHL.pdf

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PFE soutenu en juin 2013 BIHL-Julien 1/4

P R O J E T D E F I N D ’ E T U D E S - D O C U M E N T D E S Y N T H E S E

E T U D E S I S M I Q U E D E L A Z O N E E S T D U P M T L A H A U T E P I E R R E

Société d’accueil : Ingérop Conseil & IngénieriePFE présenté par : BIHL Julien

Tuteur industriel : HECKMANN Eric

Enseignant superviseur : MOUHOUBI Saïda

Résumé

Mon projet de fin d’études s’est déroulé au sein de l’agence Ingérop de Strasbourg, sous la tutelle de

M. Heckmann, responsable du service structure bâtiment.

Le projet de l’extension de l’hôpital d’Hautepierre consiste à créer deux nouveaux bâtiments, lePlateau Médico-Technique et Locomoteur (PMTL) et l’Institut Régional du Cancer (IRC), reliés par une

galerie souterraine arquée. Ce projet de fin d’études, qui a eu lieu pendant la phase PRO, concerne la

zone Est du PMTL, bâtiment en béton armé de neuf étages (un dépose-minute en sous-sol, cinq

niveaux à caractère hospitalier puis trois niveaux d’hébergements) situé en zone sismique modérée.

L’objectif a été de réaliser l’étude sismique de la zone Est du PMTL. Après quelques études

préliminaires, la structure a été modélisée sur un logiciel de calcul aux éléments finis (Robot Structural

Analysis) dans le but d’obtenir les sollicitations sismiques à partir d’une analyse modale. Pour prendre

en compte l’interaction sol-structure, les pieux ont été incorporés dans le modèle par le biais d’appuis

élastiques. Leurs raideurs ont été calculées à partir des paramètres des couches de sol définis par

l’étude géotechnique. Puis, à partir des résultats du logiciel, les pieux ont été dimensionnés et les

épaisseurs de voiles ont été vérifiées. Tous les calculs et les vérifications ont été effectués en utilisantles règlements suivants : PS 92 , BAEL 91 révisé 99, DTU 23.1, Fascicule 62 Titre V .

Mo ts -c lés : modélisation - éléments finis - analyse sismique - raideur - béton armé

Summary

My final project took place within the agency Ingérop of Strasbourg, under the supervision of Mr.

Heckmann, who is in charge of the building’s structure department.

The project of the extension of the Hautepierre hospital consists of the creation of two new buildings,

the Medical Technical and Locomotive Platform (PMTL) and the Regional Cancer Institute (IRC),

connected by an arched underground gallery. This final project, which took place during the phasePRO, concerns the eastern zone of the PMTL, which is a reinforced concrete building composed by

nine floors (an underground kiss and ride, five hospitable levels then three level of housing) located in

moderate seismic zone.

The aim was to realize the seismic study of the eastern zone of the PMTL. After some preliminary

studies, the structure was modelled on finite elements software (Robot Structural Analysis) in order to

obtain the seismic stresses from a modal analysis. To take into account the ground-structure

interaction, the piles were incorporated into the model through elastic supports. The pile’s stiffnesses

were calculated from the parameters of the ground layers, which were defined by the geotechnical

study. Then, from the software’s results, the piles were sized and the thicknesses of the walls were

verified. All the calculations and the verifications were done using the following rules : PS 92 , BAEL 91

revised 99, DTU 23.1, Fascicule 62 Titre V .

Keywords : modeling - finite elements - seismic analysis - stiffness - reinforced concrete


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1. Présentation du projet

Le projet de l’extension de l’hôpital d’Hautepierre s’inscrit dans le cadre du plan Cancer 1 du

gouvernement (2003-2007), dont l’une des mesures visait à rendre autonome chaque région vis-à-vis

de la lutte contre le cancer. Pour un budget de plus de 200 M€, deux bâtiments hospitaliers vont donc

voir le jour :

Un Plateau Médico-Technique et

Locomoteur (PMTL), d’une surface

d’environ 39000m² répartis sur 10

niveaux (N0 à N9),

Un Institut Régional du Cancer

(IRC), d’une surface d’environ

28000m² répartis sur 8 niveaux

(N0 à N7).

Le PMTL et l’IRC sont reliés par une

galerie technique au niveau N0. Les trois

bâtiments, visibles sur la figure ci-contre,sont séparés par des joints de dilatation.

Le PMTL, dont les dimensions maximales

sont de 120m de longueur et 50m de

largeur pour une hauteur de 32m, est

scindé en deux blocs (Est et Ouest)

d’environ 60m de longueur par un joint de

dilatation (voir figure 2, ci-dessous). Chaque zone peut donc être étudiée de manière indépendante,

en s’assurant néanmoins que sous l’effet d’un séisme, les deux sous-structures ne s’entrechoquent

pas.

L’étude, qui s’est déroulée pendant la phase PRO, concerne uniquement la zone Est du PMTL,

composée :

D’un dépose-minute en sous-sol (N0),

D’un rez-de-chaussée où se trouvent un amphithéâtre et des vestiaires (N1),

De quatre niveaux hospitaliers incluant un service d’imagerie médicale (IRM), des salles de

consultation, des blocs opératoires et des salles de réunion (N2 à N5),

De trois niveaux composés exclusivement d’hébergements (N6 à N8),

D’un dernier niveau en charpente métallique composé essentiellement de locaux techniques

(N9).

Figure 1 : Vue d’ensemble du site hospitalier d’Hautepierre

Figure 2 : Zonage du PMTL


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Même si la phase d’Avant-Projet Définitif a été réalisée en utilisant les Eurocodes, il a été décidé, en

accord avec le ma ître d’ouvrage, de revenir aux anciens règlements pour la phase PRO. Pourquoi

cela ? Tout simplement, car il n’est pas possible, sans changer la conception du bâtiment, de se

placer dans l’une des classes de ductilité définies par l’Eurocode 8. En effet, l a classe de ductilité

limitée (DCL) n’est applicable que dans le cas de faible sismicité et les classes de ductilité moyenne

(DCM) et haute (DCH), sont, quant à elles, formellement interdites lorsque les murs structuraux sont

supportés en partie ou en totalité par des poutres ou des dalles (phénomène de couplage, autorisé

ponctuellement par le PS 92 ). Pour se prémunir des éventuelles réclamations des entreprises de

travaux en phase EXE, vis-à-vis du non-respect du règlement sismique, il a donc été choisi de revenir

aux anciens règlements que sont le PS 92 , le BAEL 91 révisé 99 et le Fascicule 62 Titre V .

2. Objectifs

L’objectif majeur a été d’étudier le comportement de la structure vis-à-vis des actions sismiques. Le

site de l’hôpital d’Hautepierre se trouve en zone de sismicité modérée (zone 3). Il convient donc de

réaliser une analyse sismique pour s’assurer que la structure, de type ERP et de catégorie

d’importance IV, puisse, s’il a lieu, résister à l’effet d’un séisme. Cela passe, pour un bâtiment de cet te

envergure, par une modélisation sur un logiciel de calcul aux éléments finis (Robot Structural Analysis). Une analyse modale (puis sismique) a alors pu être réalisée dans le but de déterminer les

sollicitations sismiques. A partir du modèle de calcul, plusieurs travaux ont été menés :

L’étude du comportement dynamique de la structure au travers des modes vibratoires,

Les vérifications des déplacements et du joint de dilatation,

Le dimensionnement des fondations :

- Section et longueur des pieux,

- Calcul des aciers longitudinaux et transversaux,

- Ferraillage des têtes de pieux,

L’étude des voiles sous sollicitations sismiques :

- Vérification de l’épaisseur,

- Ferraillage (aciers verticaux, horizontaux, de flexion et de glissement).

En parallèle, les ratios d’armatures des pieux et des voiles ont été calculés afin de d’estimer la

quantité d’acier nécessaire pour ferrailler les éléments en béton armé. L’objectif recherché étant

d’évaluer finement le coût des travaux.

3. Démarche de l’étude

Pour parvenir à réaliser ces objectifs, la démarche adoptée a été la suivante. Pour commencer, des

études préliminaires ont été menées sur des modèles simples, comme une ouverture dans un voile,

dans le but de déterminer la découpe de panneaux permettant une exploitation optimale des résultats

fournis par le logiciel. La finesse du maillage, a elle aussi été étudiée. Faute de résultats convaincants,

un maillage composé d’éléments quadratiques d’un mètre a été choisi , ce qui semble être un bon

compromis entre précision des résultats et temps de calcul.

La structure a ensuite été modélisée sur le logiciel de calcul aux éléments finis Robot Structural

Analysis, en adoptant la découpe de panneaux préconisée par les études préliminaires. Cela revient à

modéliser le linteau de l’étage i et l’allège de l’étage i+1 en un seul panneau et à prendre comme

hauteur du meneau celle de l’ouverture considérée. En parallèle, les charges à appliquer ont été

déterminées à partir des indications du programme puis complétées avec la norme NF P 06-001.

L’interaction sol-structure a été prise en compte dans le modèle par le biais d’appuis d’élastiques. En

étudiant des modèles des pieux sur Robot, les raideurs horizontales ont pu être calculées à partir des

paramètres des couches de sol fournis par l’étude géotechnique, en tenant compte de la loi dedéformation bilinéaire du sol (annexe C.5 du Fascicule 62 Titre V ). Les raideurs verticales ont été

déterminées avec l’annexe G.4 de ce même règlement.


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Pour procéder à l’étude sismique, une analyse modale avec excentrement des masses a été réalisée

afin de tenir compte de l’effet engendré par la torsion accidentelle sur la structure. Cette analyse a

permis notamment d’étudier le comportement de la structure dans son ensemble au travers des

modes vibratoires. Pour cela, de nombreux paramètres ont dû être déterminés afin d’être intégr és

dans le modèle, comme la zone de sismicité (modérée), la catégorie d’importance (IV), le type de site

(S1) ou encore le coefficient de comportement (q = 1.7).

Une fois le modèle de calcul opérationnel (après correction des problèmes de maillage), les sections

et longueurs des pieux ont été déterminées en suivant une procédure de calcul itérative. En effet, les

raideurs n’étant pas les mêmes suivant les diamètres des pieux, lorsque les appuis (type de pieu) sont

changés, la répartition des efforts, après calcul, le devient également. La vérification à partir des

nouvelles réactions d’appuis peut modifier, ou non, les sections des pieux. Cette procédure itérative

permet donc d’optimiser le système de fondations. La structure ayant changé depuis le rendu APD, la

répartition des pieux a été modifiée (133 pieux au lieu de 125) en cherchant toujours à garder un

espacement de trois diamètres entre les éléments de fondation. Après une dizaine d ’itérations, les

sections et longueurs des pieux ont été considérées comme définitives. Suite à cela, plusieurs

vérifications définies par le PS 92 ont pu être réalisées comme le déplacement maximal de la

structure, le déplacement différentiel entre deux niveaux consécutifs ou encore la largeur prévue du joint de dilatation aux niveaux N0 et N8. En parallèle, les aciers longitudinaux (calcul en flexion

composée sur section circulaire) et transversaux des pieux ont été calculés. Cela a permis de

déterminer un ratio d’armatures pour chaque diamètre de pieu. Le ferraillage des têtes de pieux

(aciers de liaison, de surface et d’éclatement) a ensuite été étudié de façon à obtenir, là aussi, un ratio

d’armatures par tête de pieu.

La dernière partie de l’étude a été consacrée à la vérification des voiles. Pour cela, une fiche de calcul

Excel existante a été utilisée. Quelques modifications ont été réalisées, notamment concernant la

prise en compte du flambement, influençant la résistance du béton à la compression. Même si cette

opération nécessite une décomposition fine des voiles suivant plusieurs critères (blocage en tête et en

pied, possibilité d’être raidi par un ou deux murs en retour), les résultats obtenus n’en deviennent que

plus précis. L’utilisation de cet outil de calcul a ainsi permis de calculer les sections minimales d’aciersà mettre en place (aciers verticaux, horizontaux, de flexion et de glissement) et de vérifier la contrainte

de cisaillement dans tous les voiles du bâtiment. A partir de ce ferraillage théorique, un ratio

d’armatures de l’ensemble des voiles a pu être déterminé par classe de béton.

4. Conclusion

L’étude menée a permis de mettre en évidence le bon comportement de la structure vis -à-vis d’un

séisme. En effet, lors de l’analyse modale, les modes prépondérants se sont révélés être des modes

de flexion pure, les modes de torsion ou de « coup de fouet » restant eux des modes secondaires. Le

système de fondations a ensuite été vérifié sous sollicitations sismiques puis optimisé par itérations

successives. Suite à cela, les pieux et têtes de pieux ont été ferraillés de façon à obtenir une

estimation du ratio des fondations. Pour finir, la faisabilité du ferraillage et l’étude des contraintes decisaillement ont permis de valider l’épaisseur des voiles vis-à-vis des actions sismiques.

D’un point de vue personnel, ce projet de fin d’études aura été pour moi l’occasion de mieux

comprendre le mode de fonctionnement d’un bureau d’études au travers d’un projet réel de très

grande ampleur, pendant lequel, la liberté d’action laissée par mon tuteur m’aura rendu plus

autonome. Ces 20 semaines au sein de l’agence Ingérop de Strasbourg m’auront également permis

d’approfondir mes connaissances en mettant en application plusieurs notions théoriques enseignées à

l’INSA, comme la dynamique des structures (analyses modale et sismique), le béton armé (ferraillage

des pieux et des voiles) ou la mécanique des sols (répartition, section et longueur de pieux).

Documents

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