Etude structurelle de l’impact des règles PS 92 et ...eprints2.insa-strasbourg.fr/599/1/TOUZELLIER_PFE_Rapport.pdf · Comparer deux types de structure pour un bâtiment hospitalier

Institut National des Sciences Appliquées de Strasbourg

Mémoire de soutenance de Diplôme d’Ingénieur INSA Spécialité Génie Civil

Etude structurelle de l’impact des règles PS 92 et Eurocode 8 sur des trames de bâtiments hospitaliers courants.

Centre Hospitalier de Belfort - Montbéliard

Auteur du rapport Fabien TOUZELLIER INSA Strasbourg, Génie Civil, 5ème année

Tuteur Entreprise : Fabien ZAGO SIRR Ingénierie, Responsable département structure

Tuteur INSA : Claude SCHAEFFER INSA Strasbourg, Professeur Génie Civil

Président du jury : M. BRUN

M.

M.

Janvier 2010 – Juin 2010

Étude structurelle de l’impact des règles PS 92 et Eurocode 8 sur des trames de bâtiments hospitaliers courants.

Mémoire de Projet de Fin d’Etudes 2/44

Centre Hospitalier de Belfort Montbéliard.




Remerciements

Mes remerciements vont à l’ensemble du personnel de l’entreprise SIRR Ingénierie pour son

accueil et son soutien. Grâce à eux, j’ai pu réaliser mon PFE dans d’excellentes conditions.

Je tiens plus particulièrement à remercier MM. Marc SAVARY et Cyril MASSE pour m’avoir

accueilli dans leur agence.

Quant à mon tuteur M. Fabien ZAGO, je le remercie pour la confiance qu’il m’a accordé en

me permettant d’intégrer le département structure dont il est le responsable. Durant ces vingt

semaines, sa disponibilité, le temps qu’il a pris pour répondre à mes questions et sa

pédagogie ont contribué au bon déroulement du projet.

Je remercie également Claude SCHAEFFER pour son soutien et ses conseils lors de nos

entretiens intermédiaires.

Je continue en remerciant M. Arnaud SCHMITT pour m’avoir fourni les informations

nécessaires tout au long du projet.

Pour finir c’est l’ensemble de mes collègues, Sébastien ARNOLD, Maurice CANTY, Claude

JACQUES, Norbert SYLLAS, Florent VINCENT et Blandine VOGEL que je souhaite

remercier car tous ont pris le temps de répondre à mes questions et ont contribué à la bonne

humeur du bureau pendant tout le projet.




Sommaire

Remerciements ....................................................................................................................................... 3

Table des figures ..................................................................................................................................... 5

Table des tableaux .................................................................................................................................. 6

Présentation de l’entreprise ..................................................................................................................... 7

Introduction .............................................................................................................................................. 9

Contexte de l’étude .............................................................................................................................. 9

Présentation du centre hospitalier de Belfort Ŕ Montbéliard ............................................................. 10

1 Hypothèses et charges .................................................................................................................. 12

1.1 Hypothèses ............................................................................................................................ 12

1.1.1 Descriptif de la situation ................................................................................................ 12

1.1.2 Descriptif du bloc étudié ................................................................................................ 12

1.2 Détermination des charges .................................................................................................... 15

1.2.1 Charges permanentes et charges d’exploitation ........................................................... 15

1.2.2 Charges dues à la neige ................................................................................................ 16

1.2.3 Charges dues au vent ................................................................................................... 17

1.2.4 Charges dues aux actions sismiques ............................................................................ 18

1.2.5 Calcul des charges dues aux terres .............................................................................. 18

1.2.6 Calcul des charges dues aux escaliers ......................................................................... 19

1.3 Modélisation du bloc Nord Ouest .......................................................................................... 20

1.4 Application des charges ........................................................................................................ 21

1.4.1 Application des charges permanentes et d’exploitation ................................................ 21

1.4.2 Application des charges de neige.................................................................................. 21

1.4.3 Application des charges de vent.................................................................................... 22

1.4.4 Application de la poussée des terres............................................................................. 22

2 Dimensionnement de la structure .................................................................................................. 24

2.1 Dimensionnement de la structure non parasismique ............................................................ 24

2.1.1 Les dalles ....................................................................................................................... 24

2.1.2 Les poutres .................................................................................................................... 24

2.1.3 Les poteaux ................................................................................................................... 24

2.1.4 Les voiles ....................................................................................................................... 25

2.1.5 Les fondations ............................................................................................................... 25

2.2 Dimensionnement sismique .................................................................................................. 26

2.2.1 Dimensionnement sismique selon la norme NF P 06-013 (PS 92) ............................... 26

2.2.2 Dimensionnement sismique selon la norme NF EN 1998-1 (EC 8) .............................. 31

3 Etude de l’impact du changement de trames ................................................................................ 34

3.1 Etude sur le bâtiment non parasismique ............................................................................... 34

3.2 Etude sur le bâtiment parasismique ...................................................................................... 35

4 Etude de l’impact des règlements parasismiques ......................................................................... 36

4.1 Comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique .......................................... 36

4.1.1 Non parasismique et NF P 06-013 (PS 92) ................................................................... 36

4.1.2 Non parasismique et NF EN 1998-1 (EC 8) .................................................................. 37

4.1.3 NF P 06-013 (PS 92) et NF EN 1998-1 (EC 8) ............................................................. 38

4.1.4 Comparaison financière des trois dimensionnements................................................... 40

5 Étude comparative des deux systèmes constructifs ..................................................................... 41

Conclusion ............................................................................................................................................. 43

Bibliographie .......................................................................................................................................... 44




Table des figures Figure 1 : vue en plan du projet du Nouvel Hôpital ............................................................................... 10

Figure 2 : perspective du Nouvel Hôpital .............................................................................................. 10

Figure 3 : vue en plan du bâtiment ........................................................................................................ 12

Figure 4 : vue en élévation du bâtiment ................................................................................................ 13

Figure 5 : évolution du retrait εcs(t) pour une dalle de 25 cm ................................................................ 14

Figure 6 : représentation de l'accumulation de la neige contre un obstacle ......................................... 17

Figure 7 : représentation des charges dues aux escaliers .................................................................... 19

Figure 8 : résultat de la modélisation du bloc Nord Ouest .................................................................... 20

Figure 9 : représentation des charges de terre dans le patio ................................................................ 21

Figure 10 : représentation des charges de neige .................................................................................. 21

Figure 11 : représentation des charges de vent .................................................................................... 22

Figure 12 : représentation de la poussée des terres au repos .............................................................. 22

Figure 13 : représentation de la poussée active dynamique des terres ............................................... 23

Figure 14 : dispositions constructives minimales dans un voile intérieur non armé ............................. 25

Figure 15 : dispositions constructives minimales dans un voile extérieur non armé ............................ 25

Figure 16 : déplacements de la structure non parasismique dus à l'excitation sismique suivant X .... 28

Figure 17 : déplacements de la structure non parasismique dus à l'excitation sismique suivant Y .... 29

Figure 18 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant X ............ 30

Figure 19 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant Y ............ 31

Figure 20 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant X ............ 32

Figure 21 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant Y ............ 33

Figure 22 : comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique selon le PS 92 ................ 36

Figure 23 : comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique selon l’EC 8 .................... 37

Figure 24 : comparaison du volume des fondations suivant le règlement parasismique ..................... 38

Figure 25 : comparaison de la quantité d'acier suivant le règlement parasismique ............................. 39




Table des tableaux Tableau 1 : chiffres d'affaires des trois dernières années ....................................................................... 7

Tableau 2 : effectifs des trois dernières années...................................................................................... 7

Tableau 3 : récapitulatif des intervenants .............................................................................................. 11

Tableau 4 : budget des travaux ............................................................................................................. 11

Tableau 5 : descriptif de la situation ...................................................................................................... 12

Tableau 6 : récapitulatif des charges permanentes .............................................................................. 15

Tableau 7 : récapitulatif des charges d'exploitation ............................................................................. 16

Tableau 8 : récapitulatif des charges de neiges en toiture .................................................................... 16

Tableau 9 : récapitulatif des différentes longueurs d'accumulation ...................................................... 17

Tableau 10 : récapitulatif des charges dues au vent ............................................................................. 17

Tableau 11 : hypothèses de calcul géotechnique ................................................................................. 18

Tableau 12 : récapitulatif du dimensionnement des dalles ................................................................... 24

Tableau 13 : récapitulatif du dimensionnement des poutres ................................................................. 24

Tableau 14 : récapitulatif du dimensionnement des poteaux ................................................................ 24

Tableau 15 : récapitulatif du dimensionnement des fondations ............................................................ 25

Tableau 16 : récapitulatif de l'analyse modale ...................................................................................... 27

Tableau 17 : récapitulatif des paramètres sismiques du bâtiment selon le PS 92................................ 27

Tableau 18 : récapitulatif des paramètres sismiques du bâtiment selon l'EC 8 .................................... 32

Tableau 19 : comparaison des deux trames 7,50 m et 7,20 m sans disposition parasismique ............ 34

Tableau 20 : comparaison des trames 7,50 m et 7,20 m avec dispositions parasismiques ................. 35

Tableau 21 : comparaison des deux règlements parasismiques .......................................................... 39

Tableau 22 : récapitulatif des prix unitaires utilisés ............................................................................... 40

Tableau 23 : comparaison des ratios €/m2 suivant le règlement parasismique utilisé ......................... 40

Tableau 24 : comparaison des ratios €/m² des deux types de structure .............................................. 41

Tableau 25 : comparaison des ratios €/m² avec la même hauteur libre ............................................... 41




Présentation de l’entreprise

Créée en 1977, SIRR INGENIERIE est une société du bâtiment tous corps d’état implantée

sur les sites suivants :

ILLKIRCH

LYON

METZ

Son potentiel est important car elle peut disposer à tout moment :

De spécialistes et d’ingénieurs à même de prendre en compte les différents domaines du

bâtiment et des VRD et en particulier :

Coordination générale des études ;

Structures Ŕ Etanchéité ;

Chauffage Ŕ Ventilation Ŕ Climatisation ;

Electricité Ŕ Courants forts ;

Courants faibles : téléphone Ŕ détection incendie Ŕ informatique ;

Télégestion Ŕ Domotique ;

Voiries et Réseaux divers ;

Sécurité incendie (ERP) ;

Economie, tous corps d’état.

De spécialistes de la coordination, pilotage des chantiers

De spécialistes qualifiés pour des missions de coordination en matière de sécurité Ŕ

santé (CSPS) et de coordination des systèmes de sécurité incendie (CSSI).

Les missions traitées concernent aussi bien le domaine public que le domaine privé que ce

soit sur des bâtiments neufs ou à réhabiliter.

La volonté de l’entreprise est de se positionner en tant que partenaire prestataire de service

auprès du Maître d’Ouvrage afin de globaliser son intervention de façon à lui proposer des

arbitrages et des compromis adéquats.

Depuis le 28 octobre 2005, le capital de la société est détenu à 100% par le groupe SNC

LAVALIN, un des leaders mondiaux de l’ingénierie générale, ce qui apporte une expérience

de qualité dans le management de projets complexes.

Chiffres d’affaires des trois dernières années :

Exercice 2007 Exercice 2008 Exercice 2009

9 093 584 € 13 681 101 € 11 325 945 €

Tableau 1 : chiffres d'affaires des trois dernières années

Les effectifs des trois dernières années :

Effectifs

SIRR

INGENIERIE

2007 2008 2009

Cadres Non-cadres Cadres Non-cadres Cadres Non-cadres

53 29 60 33 60 33

82 93 93

Tableau 2 : effectifs des trois dernières années

Marc SAVARY

Président

STRUCTURE

TRAVAUX

Fabien ZAGO

Responsable département

Claude JACQUES

Projeteur

Sébastien ARNOLD

Projeteur

FLUIDES ECONOMIE ELECTRICITE

Fabien TOUZELLIER

Stagiaire

Francis BRAUN


Maurice CANTY

Projeteur

Norbert SYLLAS

Calculateur

Daniel BRUNI


CHEFS DE

PROJETS

STRASBOURG

ILLKIRCH

David FITOUSSI Cyril MASSE Yves PERNET Patrick HATTON

Direction

Administrative et

Financière Gérard HERTER

Laëtitia CAPECCI

EXPERTISES

Direction des

Ressources

Humaines Valérie MARX

André GABEL François TRICART

Direction

Développement

POLE INDUSTRIE

Direction

Développement

SNC LAVALIN SANTE

Bâtiments Publics et

Santé

Bâtiments Industriels

et Logistiques

BATIMENT

LYON METZ STRASBOURG

ILLKIRCH

ADMINISTRATION

Christine KLEIN

Responsable

Florent VINCENT

Projeteur

Blandine VOGEL

Projeteur




Introduction

Contexte de l’étude

L’étude de l’impact des règlements parasismiques sur les trames hospitalières a été

effectuée lors de l’Avant Projet Sommaire (APS) du projet du nouveau Centre Hospitalier de

Belfort Montbéliard. Cette étude a pour but de mettre en évidence les changements que les

nouveaux règlements Eurocodes entrainent sur la structure par rapport aux règlements

récemment remplacés. Les trames qui ont fait l’objet de l’étude mesurent 7,20 m, trames

actuellement mises en place dans la plupart des hôpitaux, et 7,50 m, trames permettant de

satisfaire aux normes de circulation en fauteuil roulant dans les chambres et salles de bain.

Le but de cette étude est de :

Connaître la proportion de matériaux supplémentaires nécessaires pour satisfaire

aux règlements parasismiques ;

o Comparaison sans règlement parasismique / PS 92 ;

o Comparaison sans règlement parasismique / EC 8 ;

o Comparaison PS 92 / EC 8.

Connaître le surplus financier qu’entrainent ces dispositions parasismiques.

o Au niveau ferraillage ;

o Au niveau béton.

Comparer deux types de structure pour un bâtiment hospitalier en zone sismique :

o Structure plancher-dalle

o Structure poteaux-poutres

Lors d’une première étude, qui a été réalisée par SIRR Ingénierie, il a été défini dans l’APS

une structure type plancher-dalle. Ce choix permet d’augmenter la taille des blocs et de

supprimer les retombées de poutres et donc les obstacles au passage des réseaux. Pour

réaliser l’étude expliquée ci-dessus, contrairement au choix du plancher-dalle fait dans

l’APS, je me suis concentré sur une structure courante poteau-poutre. Ce choix permettra

d’exploiter les résultats de l’étude pour un maximum de bâtiments hospitaliers, car les

structures plancher-dalle ne représentent pas une majorité suffisante et sont même parfois

exclues des marchés. Enfin j’ai comparé les deux types de structures pour faire l’inventaire

des avantages et des inconvénients de chaque solution.




Présentation du centre hospitalier de Belfort – Montbéliard

Le nouveau centre hospitalier de Belfort Ŕ Montbéliard verra le jour proche de la commune

de Trévenans (90). Ce nouvel établissement réunira l’ensemble des activités de médecine,

de chirurgie et d’obstétrique.

Ce projet est remarquable par son architecture. Le bâtiment doit s’intégrer de la meilleure

des façons dans son site. Conçu par le cabinet d’architecture Brunet Saunier, il sera revêtu

de façades en bois verre qui lui procureront l’aspect d’une gigantesque poutre de bois

reposant sur deux socles Nord et Sud pour symboliser l’union entre Belfort et Montbéliard.

Pour l’éclairage de l’intérieur du bâtiment, des puits de lumière seront disposés de manière

judicieuse pour amener de la lumière naturelle.

Figure 1 : vue en plan du projet du Nouvel Hôpital

Conçu de façon à être le plus fonctionnel possible, le bâtiment sera au plus près du terrain

naturel. De ce fait, il offre de nombreux accès plain-pied. Sa structure vise à optimiser le

transport. En effet, une véritable artère s’étend du Nord au Sud à chaque niveau créant ainsi

une colonne vertébrale.

Pour améliorer l’implantation du bâtiment de ce Nouvel Hôpital, il a été conçu pour minimiser

son impact sur l’environnement. Pour commencer les espaces verts seront réalisés

uniquement avec des espèces locales mais l’effort le plus important est bien entendu la

certification Haute Qualité Environnementale (HQE) qui est visée tant au niveau de la

construction qu’à celui de l’exploitation. Le but est d’optimiser la consommation d’énergie, de

réduire la consommation d’eau. Pour cela plusieurs dispositifs sont mis en place :

Une isolation extérieure de qualité ;

Un système de « free cooling » couplé à une ventilation double flux ;

Des dispositifs brise soleil ; et

Une gestion des eaux poussée.

Figure 2 : perspective du Nouvel Hôpital




Le calendrier prévisionnel :

Décembre 2004 :

Vote du Projet d’établissement du Centre Hospitalier de Belfort-Montbéliard

Janvier 2005 :

Choix du terrain pour implanter le nouveau site

Septembre 2005 à juin 2006 :

Définition des besoins par la réalisation d’un programme technique détaillé

Juin 2006 à janvier 2007 :

Choix de l’équipe architecte/bureau d’étude

Février 2007 à septembre 2011 :

Études et choix des entreprises de construction

Décembre 2011 à décembre 2014 :

Travaux

1er semestre 2015 :

Équipement et déménagement

Fin 2015 :

Ouverture au public

Les intervenants :

Tableau récapitulatif des différents intervenants

Maître d’ouvrage Centre Hospitalier de Belfort-Montbéliard

Maîtrise d’œuvre

Architecte mandataire Agence BRUNET SAUNIER Architecture

Architecte associé Serge GAUSSIN et associés

Bureau d’étude / Economiste SIRR Ingénierie

Bureau d’étude HQE TRIBU

Acousticien CIAL LECOCQ

Paysagiste PENA ET PENA

Architecte urbaniste Philippe VILLIEN

Mission de contrôle

Contrôle technique Bureau VERITAS

Autres intervenants

Programmiste Icade G3A

Coordination SPS Bureau VERITAS

Tableau 3 : récapitulatif des intervenants

Budget global de l’opération1 : Budget global

157 000 000 € 2

Lots

Fondation Ŕ Gros Œuvre 41 000 000 € (soit 26%)

Tableau 4 : budget des travaux

1 Pour des raisons de confidentialité seul le budget du lot Fondation – Gros Œuvre est donné.

2 Estimation APS (oct 2008)




1 Hypothèses et charges

1.1 Hypothèses

1.1.1 Descriptif de la situation

Pour réaliser cette étude comparative, j’ai pris pour support le futur centre hospitalier de

Belfort Ŕ Montbéliard. Voici les caractéristiques principales du site où le bâtiment sera

construit :

Département Territoire de Belfort (90)

Commune Trévenans

Altitude 370,00 NGF

Pente du terrain 10%

Nature du sol Marnes calcaires compactes

Tableau 5 : descriptif de la situation

1.1.2 Descriptif du bloc étudié

Le bâtiment complet est composé de six blocs dynamiquement indépendants. Les

dimensions en plan du bâtiment sont 248,9m x 96,4m.

Figure 3 : vue en plan du bâtiment

En élévation celui-ci est du type R+4 avec un sous-sol mais tous les blocs ne sont pas

forcément de ce type là.

JD

Nord Sud

Est

Ouest




Figure 4 : vue en élévation du bâtiment

Pour mon étude, je me suis concentré sur un seul bloc, le bloc Nord Ouest. Ce choix a été

dicté par les critères suivants :

Bloc d’angle ;

Blocs de type R+4 ; et

Bloc avec sous-sol.

Ses dimensions sont les suivantes :

En plan : 11 travées x 6,75 travées (deux études ont été menées avec des travées de

7,50m puis de 7,20m) ;

En élévation : 1 sous-sol (hauteur 3,52 m) et 5 niveaux en superstructure (hauteur de

chaque étage 4,16 m).

La structure du bâtiment étudié, et donc du bloc, est de type poteau-poutre. Étant donné que

l’EC 2 impose un joint de dilatation tous les 30 à 35 m dans l’Est de la France et que le bloc

étudié a des dimensions supérieures, j’ai choisi de concevoir le bloc en y incorporant des

bandes de clavetage qui seront fermées une fois le bâtiment clos.

Est Ouest

JD




Pour assurer la faisabilité de cette construction, je me suis intéressé à l’évolution du retrait

dans le temps et voici mes résultats :

Paramètres de calcul :

Béton C30/37 fck = 30 MPa et fcm = 38 MPa

Ciment classe S, N et R

Humidité Relative HR = 50%

Dimension de la dalle épaisseur 25 cm

Figure 5 : évolution du retrait εcs(t) pour une dalle de 25 cm

Je constate qu’en attendant au minimum 3 mois, soit environ 100 jours, avant de fermer

ces bandes de clavetage, le béton aura effectué au minimum 45% de son retrait total et

ceci quel que soit la classe de ciment utilisé. De plus, le bâtiment sera isolé par l’extérieur et

chauffé constamment, donc le béton ne sera pas soumis à des gradients de température

importants ce qui n’entrainera pas de dilatation thermique excessive du béton. Cette

disposition constructive permet de construire un bloc de 82,50 m sans joint de dilatation3.

3 Longueur du bloc obtenue avec des trames de 7,50 m de long.

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0 200 400 600 800 1000

ε cs(

t)[‰

]

t [jours]

Retrait total εcs(t)

classe ciment S

classe ciment N

classe ciment R

0

20

40

60

80

100

0 200 400 600 800 1000

Re

trai

t ε c

s(t)

eff

ect

ué

[%

]

t [jours]

Retrait εcs(t) effectué

classe ciment S

classe ciment N

classe ciment R100

≈ 45 %




1.2 Détermination des charges

1.2.1 Charges permanentes et charges d’exploitation

Dans l’optique de comparer ma solution avec celle obtenue lors de la première étude, j’ai

choisi de prendre les mêmes hypothèses de chargement.

1.2.1.1 Charges permanentes

Chaque charge permanente est représentée par une charge surfacique, il convient de

l’appliquer à la totalité de la surface du plancher. Les charges permanentes prises en compte

sont regroupées dans le tableau suivant :

Charge permanente causée par : Valeur de la charge permanente [daN/m²]

Cloisons légères 80

Faux plafonds 20

Revêtements de sol 20

Fluides & électricité 30

Complexe de couverture 100

Tableau 6 : récapitulatif des charges permanentes

Calcul des charges permanentes à appliquer :

Sur plancher : cloisons légères 80 daN/m²

faux plafonds 20 daN/m²

revêtements de sol 20 daN/m²

fluides & électricité 30 daN/m²

TOTAL 150 daN/m²

Sur toiture : faux plafonds 20 daN/m²

fluides & électricité 30 daN/m²

complexe de couverture 100 daN/m²

TOTAL 150 daN/m²

Au final, j’ai appliqué une charge répartie de 150 daN/m² sur les planchers et la toiture.




1.2.1.2 Charges d’exploitation

Dans une première approche plus basique, et toujours dans un souci de comparaison, j’ai

appliqué une charge surfacique uniforme de 400 daN/m² sur les planchers et la toiture. Par

la suite, lors d’une étude plus approfondie, les valeurs suivantes spécifiques à une zone

précise pourront être appliquées.

Tableau 7 : récapitulatif des charges d'exploitation4

1.2.2 Charges dues à la neige

Le calcul des charges dues à la neige a été mené selon l’EC 1-1-3.

Le détail du calcul est donné dans l’annexe. Les résultats principaux sont regroupés dans le

tableau suivant :

Charges dues à la neige selon l’EC 1-1-3

Charge sur toiture sans

accumulation

Charge sur toiture avec accumulation

Au droit des

acrotères

Au droit de la façade du 4ème

étage

s1 = 66 daN/m² soit 33 cm de neige5 s2 = 230 daN/m² soit 115 cm de neige5

Tableau 8 : récapitulatif des charges de neiges en toiture

4 Valeurs issues de la norme NF P 06-001

5 La masse volumique de la neige retenue pour le calcul est égale à 200 kg/m

3

Charge d’exploitation considérée dans : Valeur de la charge d’exploitation [daN/m²]

Chambres 150

Circulations 250

Salles d’opérations, de plâtre, de travail 350

Hall d’entrée 400

Services divers 250

Locaux techniques 500

Stockage & archives 500

Toitures terrasses inaccessibles 100

Toitures terrasses accessibles 350




La forme de la charge de neige à appliquer est définie par la figure suivante :

Figure 6 : représentation de l'accumulation de la neige contre un obstacle

La longueur ℓs dépendant de la hauteur de l’obstacle, les valeurs sont :

Longueur d’accumulation ℓs au droit de l’obstacle :

Acrotères 5 m

Façade du 4ème étage 10,86 m

Tableau 9 : récapitulatif des différentes longueurs d'accumulation

1.2.3 Charges dues au vent

Le calcul des charges dues au vent a été mené selon l’EC 1-1-4.

Le détail du calcul est donné dans l’annexe. Les résultats principaux sont regroupés dans le

tableau suivant :

Charges dues au vent selon l’EC 1-1-4

Sur les façades [Pa] -1 329,96 797,97

Sur la toiture [Pa] -1 480,69 354,66

Tableau 10 : récapitulatif des charges dues au vent

Pour chaque élément du bloc (façade ou toiture) deux valeurs sont à considérer. L’une est

positive, elle simule une compression de la surface et l’autre est négative, elle simule une

dépression de la surface. Il convient d’appliquer la valeur la plus défavorable pour la

combinaison souhaitée.

Calcul des charges de vent :

Sur les façades, le calcul doit être mené avec la charge de plus grande

intensité. Donc la charge de vent sur les façades est de -1,33 kPa.

La hauteur d’un étage est de 4,16 m donc pour modéliser cette charge j’ai

appliqué à chaque dalle une charge linéaire uniforme de :

-1,33 kPa x 4,16 m = -5,53 kN/ml

Sur la toiture, le calcul sera mené avec la charge la plus pénalisante pour la structure.

Bilan des charges en toiture :

permanentes : 1,50 kPa

exploitation : 4,00 kPa

vent -1,48 kPa ou 0,36 kPa

TOTAL 4,02 kPa 5,86 kPa

La charge de vent retenue en toiture est la charge en compression de 0,36 kPa.

s1 s2




1.2.4 Charges dues aux actions sismiques

1.2.4.1 Calcul des charges sismiques selon NF P 06-013 (PS92)

Le calcul des charges dues aux actions sismiques ne peut pas être mené « à la main ». En

effet, le PS 92 désigne le bloc Nord Ouest comme irrégulier. Par conséquent ce calcul devra

être assisté par ordinateur.

1.2.4.2 Calcul des charges sismiques selon NF EN 1998-1 (EC 8)

L’EC 8 et son annexe nationale ont été publiés par l’AFNOR ce qui les rendent

théoriquement applicables. Cependant les décrets et arrêtés fixant par exemple les zones

sismiques, les classes de bâtiments et les valeurs d’accélérations n’ont pas encore été

publiés par l’administration. J’ai utilisé les projets de décrets que j’ai pu me procurer pour

pouvoir appliquer ce règlement.

1.2.5 Calcul des charges dues aux terres

1.2.5.1 Calcul de la charge de terre dans le patio

Le plancher du rez-de-chaussée supporte une couche de terre végétale de 50 cm destinée

aux plantations qui seront dans le patio. J’ai considéré un poids volumique de 20 kN/m3 pour

la terre végétale par conséquent j’ai appliqué sur la dalle une charge surfacique égale à

0,5 x 20 = 10 kN/m².

1.2.5.2 Calcul de la poussée des terres au repos sur les murs du sous-sol

Les voiles du sous-sol soutiennent une hauteur de terre de 3,52 m dont la surface libre est

horizontale (β = 0°). Le poids volumique γ de la marne calcaire environnante est pris égal à

22 kN/m3 et l’angle de frottement interne φ est pris égal à 30°. J’ai négligé le frottement de

la marne sur la paroi du sous-sol car le parement du voile sera lisse (δ = 0°).

Pour le dimensionnement, je considère les voiles en appuis sur la dalle et sur la semelle

filante. Par conséquent, j’ai modélisé ces voiles articulés en tête et en pied.

Le dimensionnement des voiles a été fait à partir de celui d’une poutre de section 100 x 20 à

laquelle est appliquée une charge triangulaire. Celle-ci est définie par :

𝑃 𝑧 = 𝐾𝑎γ × γ × 𝑧 avec 𝐾𝑎γ = tan 𝜋

4−

φ

2

2= 1/3 si φ = 30°

Et γ = 22 kN/m3

En tête (z = 0,00 m) : P(z = 0,00 m) = 0 kN/m²

En pied (z = 3,52 m) : P(z = 3,52 m) = 1/3 x 3,52 x 22 = 25,82 kN/m².

1.2.5.3 Calcul de la poussée active dynamique des terres sur les murs du sous-sol

Cette charge a été uniquement utilisée lors du dimensionnement de la structure

parasismique. Le calcul de la poussée active dynamique des terres reprend les mêmes

hypothèses que celles du calcul de la poussée des terres au repos :

Hauteur des terres H = 3,52 m

Poids volumique des terres γ = 22 kN/m3

Angle de frottement interne φ = 30°

Inclinaison de la surface libre β = 0°

Frottement paroi / terre δ = 0°

Tableau 11 : hypothèses de calcul géotechnique




La valeur de la poussée active dynamique des terres est donnée par la formule suivante :

𝑃𝑎𝑑 =1

2× 𝛾 × 𝐻2 × 1 ± 𝜎𝑉 × 𝐾𝑎𝑑 avec 𝐾𝑎𝑑 =

cos 𝜑−𝜃 2

cos 𝜃 2 × 1 + sin 𝜑 ×sin 𝜑−𝛽−𝜃

cos 𝜃 ×cos 𝛽

−2

𝜃 = tan−1 𝜎ℎ

1±𝜎𝑣

𝜎ℎ = 𝐾 × 𝜏 ×𝑎𝑁

𝑔 et 𝜎𝑣 = 0,3 × 𝜎ℎ

1,0 ≤ 𝐾 ≤ 1,2 et 𝜏 = 1,0

J’ai mené deux calculs en parallèle avec deux valeurs de K égales à 1,0 et 1,2. Au final je

n’ai retenu que la poussée la plus défavorable qui a été obtenue pour K = 1,2.

La poussée active dynamique est égale à 𝑷𝒂𝒅 = 𝟗𝟏,𝟎𝟕 𝒌𝑵/𝒎𝟐, je l’ai appliquée

uniformément sur la hauteur du mur de soutènement.

1.2.6 Calcul des charges dues aux escaliers

Les escaliers ne sont pas modélisés, par conséquent j’ai appliqué aux voiles porteurs les

charges que les escaliers apportent.

Figure 7 : représentation des charges dues aux escaliers

Chaque voile de la cage d’escalier reprend les charges appliquées aux escaliers sur une

surface de : ²50,450,150,150,150,12

12 m

Les escaliers sont en béton armé (ρ = 25 kN/m3) et une épaisseur moyenne de 15 cm.

Les charges apportées par les escaliers aux voiles sont de deux types :

Charges permanente (poids propre) : 0,15 x 25 = 3,75 kN/m²

Charges d’exploitation (circulation) : 4,00 kN/m²

Calcul des charges linéaires appliquées aux voiles :

Permanentes : (3,75 kN/m² x 4,50 m²) / 4,50 ml = 3,75 kN/ml

Exploitation : (4,00 kN/m² x 4,50 m²) / 4,50 ml = 4,00 kN/ml

1

2

3

4,00 kN/ml

3,75 kN/ml 1

2

3




1.3 Modélisation du bloc Nord Ouest À l’aide du logiciel Robot Concrete Building Structure (CBS) je suis parvenu à modéliser le

bloc Nord Ouest pour mon étude. Voici le résultat de la modélisation.

Figure 8 : résultat de la modélisation du bloc Nord Ouest

Le repérage des différents éléments de la structure se trouve en annexe.




1.4 Application des charges En appliquant toutes les charges de calcul obtenues précédemment, cette modélisation me

permettra de connaitre rapidement la descente des charges dans les différents éléments de

la structure (voiles, poutres, poteaux et fondations).

De plus, comme le bloc Nord Ouest est irrégulier, il est impératif de le modéliser pour obtenir

la réponse de celui-ci suite à une sollicitation sismique.

1.4.1 Application des charges permanentes et d’exploitation

Ces deux types de charges sont constants sur quasiment tout le bâtiment. Elles sont

appliquées en toiture et sur les planchers sauf dans le patio du rez-de-chaussée où

s’applique la charge de la terre seule comme charge permanente.

Figure 9 : représentation des charges de terre dans le patio

1.4.2 Application des charges de neige

Les charges de neige ne sont appliquées que sur les toitures de la manière suivante :

Figure 10 : représentation des charges de neige

10,00 kN/ml

Fosses

d’enracinement

pour les arbres

Zone

d’accumulation

de la neige

Zone de neige

normale :

0,66 kN/m²

Charge

permanente

due à la terre




1.4.3 Application des charges de vent

Les charges dues au vent seront appliquées de deux façons différentes :

En toiture la charge sera uniformément répartie, et

En façade la charge sera appliquée au niveau des dalles par l’intermédiaire

d’une charge uniforme linéaire équivalente.

Figure 11 : représentation des charges de vent

1.4.4 Application de la poussée des terres

1.4.4.1 Application de la poussée des terres au repos

La poussée des terres au repos est appliquée comme indiquée sur le schéma suivant :

Figure 12 : représentation de la poussée des terres au repos

Charge de vent :

0,36 kN/m²

Dalle

-5,53 kN/ml

25,82 kN/ml

25,82 kN/m²




1.4.4.2 Application de la poussée active dynamique des terres

La poussée des terres au repos est appliquée comme indiquée sur le schéma suivant :

Figure 13 : représentation de la poussée active dynamique des terres

Dalle




2 Dimensionnement de la structure Quel que soit le type de structure, parasismique ou non, le dimensionnement des différents

éléments en béton armé a été réalisé à l’aide du logiciel Robot.

2.1 Dimensionnement de la structure non parasismique Le dimensionnement de la structure non parasismique a été mené en prenant en compte les

hypothèses précédentes.

2.1.1 Les dalles

Pour dimensionner les dalles, j’ai modélisé une poutre de largeur 1,00 mètre et de hauteur

égale à l’épaisseur de la dalle à laquelle j’ai appliqué les charges surfaciques appropriées.

La continuité des dalles est prise en compte dès que cela est possible.

Type de dalles Epaisseur de la dalle

Dalles continues sauf dalles D007 & D011 25 cm

Dalles continues D007 & D011 28 cm

Dalles isostatiques 28 cm

Toutes les dalles sont ferraillées avec les treillis soudés suivants :

ST10 / ST20 / ST25 / ST30 / ST35 / ST50 / ST60 (selon désignation ADETS)

Toutes les dalles sont en béton C30/37

Tableau 12 : récapitulatif du dimensionnement des dalles

2.1.2 Les poutres

Comme pour les dalles, j’ai modélisé les poutres avec les charges qui s’y appliquent et j’ai

pris en compte la continuité de celles-ci dès que possible. Sauf pour les poutres consoles où

l’encastrement est impératif, j’ai modélisé uniquement des appuis simples et des rotules.

Hauteur h = 25 à 65 cm 6

Largeur b = 30 cm

Béton C30/37

Acier Fe 500 classe C

Tableau 13 : récapitulatif du dimensionnement des poutres

2.1.3 Les poteaux

Tous les poteaux ont été modélisés et sont considérés comme bi-articulés et chargés dans

leur axe.

Section 30x30 à 50x50

Béton C30/37 à C40/50

Acier HA 500 classe C

Tableau 14 : récapitulatif du dimensionnement des poteaux

6 Sauf au R+3 poutres POU4 25 et POU4 26 où h = 115 ou 110 cm (selon la trame) car leur portée est de deux

trames.




2.1.4 Les voiles

Le dimensionnement des voiles de la structure non parasismique conduit à réaliser

l’ensemble des voiles de la même façon. En effet, j’ai vérifié, en annexe, qu’un voile non

armé d’épaisseur 20 cm en béton C30/37 supporte les efforts du voile le plus sollicité du

bâtiment. Par conséquent, le ferraillage des voiles sera réduit au minimum. Pour cela, j’ai

traité les voiles intérieurs différemment des voiles extérieurs qui ont une face exposée aux

intempéries.

Voiles intérieurs :

Figure 14 : dispositions constructives minimales dans un voile intérieur non armé

Voiles extérieurs :

Figure 15 : dispositions constructives minimales dans un voile extérieur non armé

2.1.5 Les fondations

Les différents éléments de fondation, radiers, semelles isolées et semelles filantes sont

modélisés comme des appuis articulés et dimensionnés à l’aide du logiciel Robot.

Béton C25/30

Acier Treillis Soudé

Barres HA classe C

Tableau 15 : récapitulatif du dimensionnement des fondations

Armatures de peau :

AV & AH PAF V

ou ST10

Chainage Vertical

et Horizontal :

CV 2 HA10

CH 2 HA10

Renfort Vertical

et Horizontal :

RV 2 HA8

RH 2 HA8

Renfort Horizontal :

RH1 2 HA12

ou 3 HA10




2.2 Dimensionnement sismique La suite de l’étude passe par le dimensionnement du bâtiment sous une excitation sismique

suivant les directions X et Y. Ce dimensionnement a été effectué à l’aide du logiciel Robot

selon les règlements PS 92 et EC 8. Quel que soit le règlement utilisé j’ai dû dans un

premier temps mener une analyse modale afin de sélectionner les modes nécessaires au

calcul. Les critères de sélection de ces modes sont légèrement différents selon le règlement

utilisé.

2.2.1 Dimensionnement sismique selon la norme NF P 06-013 (PS 92)

Pour le dimensionnement sismique selon le PS 92, les modes seront sélectionnés par les

critères suivants :

La fréquence de vibration doit être inférieure à 33 Hz ;

Le cumul des masses excitées dans la direction considérée doit atteindre 90% de la

masse totale vibrante.

Le nombre minimum de modes est égal à 3.

Il se peut que le calcul ne satisfasse pas l’une des deux premières conditions, dans ce cas il

faudra utiliser un mode résiduel.

Processus d’analyse modale spectrale

Fréquence du mode

de vibration < 33 Hz

Analyse terminée

Cumul des masses

excitées ≥ 90 % de la

masse totale vibrante

Création d’un

mode résiduel

NON

OUI

Cumul des masses



Cumul des masses



Analyse

terminée

Majoration

OUI

OUI

OUI

NON

NON

NON

Analyse

terminée




Maintenant que l’analyse modale spectrale est faite, voici les résultats obtenus en fonctions

de la longueur de la trame :

N° du dernier

mode propre

Fréquence du dernier

mode propre

Masses

cumulées selon

X

Masses

cumulées selon

Y

Trame de

7,20 m 144 28,15 Hz 90,38% 91,12%

Trame de

7,50 m 142 27,94 Hz 91,41% 90,34%

Tableau 16 : récapitulatif de l'analyse modale

Je lance le calcul sismique selon le PS 92 sur le logiciel Robot en précisant les

caractéristiques du site suivantes:

Zone sismique Ib

Classe de l’ouvrage D

Site S1

Coefficient de comportement q 1,4

Coefficient topographique τ 1,0

Tableau 17 : récapitulatif des paramètres sismiques du bâtiment selon le PS 92

Dans un premier temps, pour mettre en évidence la nécessité d’une construction

parasismique, je vais étudier le comportement du bâtiment dans sa configuration non

parasismique lorsqu’il est soumis à une excitation sismique suivant les axes X et Y. Grâce

au logiciel Robot j’obtiens les cartographies des déplacements suivantes :




Figure 16 : déplacements de la structure non parasismique dus à l'excitation sismique

suivant X

8,9

10,0

10,2

14,6

3,5 2,7

3,6 2,9

Disposition non

parasismique trame 7,20 m

Disposition non


Disposition non


Disposition non


Séisme suivant X

Séisme suivant X

Séisme suivant X

Séisme suivant X




Figure 17 : déplacements de la structure non parasismique dus à l'excitation sismique

suivant Y

Les déplacements obtenus, de l’ordre de la dizaine de centimètres, sont trop importants pour

un bâtiment hospitalier. En effet, ces déplacements nécessitent la pose de joints de dilatation

importants alors que le but est de limiter leur taille pour :

Minimiser les secousses pour les malades lors des transports en brancard ; et

Réduire leur usure suite aux passages successifs des brancards.

Pour résoudre ce problème j’ai implanté des voiles afin de contreventer la structure.

Ce contreventement sera bidirectionnel afin de limiter les déplacements suivant les deux

directions.

En plus de créer des déplacements au niveau des joints de dilatation l’excitation sismique

provoque des soulèvements au niveau de certaines fondations (semelles isolées et filantes).

Le soulèvement de la fondation a lieu lorsque le voile « bascule » sous l’action des efforts

sismiques horizontaux. Pour limiter ces soulèvements, j’ai modifié la poutraison du bâtiment

en :

Modifiant le sens de portée de certaines dalles ;

Plaçant des voiles sous le deuxième appui des poutres continues ; et

Augmentant le nombre de voiles pour répartir les efforts sismiques horizontaux.

14,8

12,2

8,8

9,8

6,8

8,8

9,3

14,8

Disposition non


Disposition non


Disposition non


Disposition non


Séisme suivant Y

Séisme suivant Y Séisme suivant Y

Séisme suivant Y




Malheureusement ces modifications ne peuvent pas prétendre supprimer les soulèvements.

Les soulèvements restants seront repris par le poids propre et les dimensions des fondations

car il a été choisi de faire exclusivement des fondations superficielles à ce stade du projet.

Dans la suite de l’étude une alternative avec des micro-pieux travaillant à l’arrachement peut

être envisagée pour reprendre les soulèvements.

Lors du dimensionnement parasismique de la structure il faut bien différencier deux types

d’éléments dans la structure parasismique :

Eléments sismiques primaires : participent activement à « l’acheminement » des

efforts sismiques des étages aux fondations. Ces éléments sont :

o Des voiles ;

o Des poutres ;

o Des poteaux.

Eléments sismiques secondaires : considérés comme inactifs vis-à-vis de

l’acheminement des efforts sismiques. Ils reprennent seulement des efforts statiques

dus aux différentes charges appliquées au bâtiment. Le dimensionnement

parasismique de ces éléments n’est pas différent du dimensionnement statique.

La structure parasismique est à présent conçue, je lance le calcul sismique à l’aide du

logiciel Robot pour voir les modifications que cela engendre.

Figure 18 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant X

Disposition parasismique

trame 7,20 m


trame 7,20 m


trame 7,50 m


trame 7,50 m

Séisme suivant X Séisme suivant X


2,2

1,5 1,4

1,9

0,8

0,9

0,8

0,8




Figure 19 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant Y

L’étude des cartographies ci-dessus confirme l’amélioration du comportement de la structure

sous une excitation sismique et cela quelle que soit la direction de l’excitation.

2.2.2 Dimensionnement sismique selon la norme NF EN 1998-1 (EC 8)

Le dernier dimensionnement du bâtiment a été réalisé sous une excitation sismique

bidirectionnelle selon l’EC 8. Pour ce dimensionnement les modes sont sélectionnés par les

critères suivants :

La somme des masses modales effectives pour les modes considérés atteint au

moins 90% de la masse totale de la structure ;

Tous les modes dont la masse modale effective est supérieure à 5% de la masse

totale.

Le premier point de l’EC 8 pose les mêmes conditions que le deuxième du PS 92. Ce qui

permet d’avoir la même analyse spectrale pour calcul sismique quel que soit le règlement

utilisé.


trame 7,20 m


trame 7,20 m


trame 7,50 m


trame 7,50 m

Séisme suivant Y

Séisme suivant Y

Séisme suivant Y

Séisme suivant Y

0,7

1,3

0,9

1,6

1,3

2,8

2,1 2,5

2,7

1,5




J’ai effectué les calculs sismiques selon l’EC 8 sur le logiciel Robot en précisant les

caractéristiques du site suivantes :

Accélération de calcul 1,54 m/s²

Classe de sol B

Paramètre de sol 1,35

TB 0,05 s

TC 0,25 s

TD 2,50 s

Tableau 18 : récapitulatif des paramètres sismiques du bâtiment selon l'EC 8

Afin de pouvoir comparer les deux types d’excitations sismiques j’ai gardé le même schéma

de contreventement que celui utilisé au paragraphe précédent. Voici les résultats obtenus

avec l’EC 8.

Figure 20 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant X




trame 7,20 m


trame 7,20 m


trame 7,50 m


trame 7,50 m

1,1

0,8

0,8

0,8

0,5

0,5 0,6

0,5

1,4 1,0




Figure 21 : déplacements de la structure parasismique dus à l'excitation sismique suivant Y

Les cartographies ci-dessus obtenues à l’aide du logiciel Robot permettent de mettre en

évidence une diminution des déplacements lors du passage du PS 92 à l’EC 8.

Séisme suivant Y

Séisme suivant Y

Séisme suivant Y

Séisme suivant Y


trame 7,50 m


trame 7,50 m


trame 7,20 m


trame 7,20 m

0,6

0,9

0,6

0,9

1,2

1,5

0,9

1,4

1,6

0,9




3 Etude de l’impact du changement de trames

3.1 Etude sur le bâtiment non parasismique Comme je le disais précédemment, la taille des trames des bâtiments hospitaliers courants

tend à augmenter. En effet, pour faciliter la circulation des malades en fauteuil roulant dans

les chambres et les salles de bain, les trames vont passer de 7,20 m à 7,50. Cette évolution

correspond à une augmentation de 4%. Pour quantifier l’impact de cette évolution, j’ai

comparé les résultats du dimensionnement des deux bâtiments avec des trames de 7,20 m

pour l’un et de 7,50 m pour l’autre.

Trame 7,50 m

Trame 7,20 m

DALLES volume C30/37 [m3] 4 336 4 005

8%

masse d'acier [kg] 190 381 163 349

17%

POUTRES volume C30/37 [m3] 546 525

4%

masse d'acier [kg] 111 411 92 931

20%

VOILES volume C25/30 + C30/37 [m3] 143 138

1%

masse d'acier [kg] 17 894 17 660 1%

POTEAUX volume C30/37 + C40/50 [m3] 23 23

5%

masse d'acier [kg] 29 550 27 715 7%

FONDATIONS volume C25/30 [m3] 576 503 15%

masse d’acier [kg] 23 386 21 038

11%

Tableau 19 : comparaison des deux trames 7,50 m et 7,20 m sans disposition parasismique

Les résultats obtenus sont expliqués en annexe. En effet, j’ai montré que ces résultats sont

cohérents et qu’ils pouvaient être anticipés pour la plupart.




3.2 Etude sur le bâtiment parasismique Dans le paragraphe précédent, j’ai quantifié l’impact du changement de trames de 7,20 m à

7,50 m sur le bâtiment non parasismique. Pour savoir si les règlements parasismiques

modifient cet impact, voici la même étude mais sur le bâtiment parasismique.

PS 92 EC 8

Trame 7,50 m

Trame 7,20 m

Trame 7,50 m

Trame 7,20 m

DALLES

volume C30/37 [m3] 4 313 3 983 4 313 3 983

8%

8%

masse d'acier [kg] 195 917 165 884 195 917 165 884

18%

18%

POUTRES

volume C30/37 [m3] 412 395 412 395

4%

4%

masse d'acier [kg] 83 847 69 629 83 847 69 629

20%

20%

VOILES

volume C30/37 [m3] 785 764 785 764

3%

3%

masse d'acier [kg] 142 656 131 844 131 297 120 082

8%

9%

POTEAUX

volume C30/37 + C40/50 [m3] 94 92 94 92

3%

4%

masse d'acier [kg] 22 197 20 954 21 822 20 757

6%

5%

FONDATIONS

volume C25/30 [m3] 3 858 3 760 3 542 3 461

3%

2%

masse d'acier [kg] 274 431 269 953 271 396 264 217

2%

3%

Tableau 20 : comparaison des trames 7,50 m et 7,20 m avec dispositions parasismiques

La comparaison précédente a mis en évidence les points suivants :

Le règlement parasismique utilisé n’influe pas sur l’augmentation des quantités de

matériaux lors du passage des trames de 7,20 m à 7,50 m. De ce fait, j’en ai conclue

que la zone de sismicité dans laquelle se trouve le bâtiment n’influe pas sur cette

augmentation.

L’augmentation des quantités de matériaux est la même pour les dalles, les poutres

et les poteaux lors du passage des trames de 7,20 m à 7,50 m que le bâtiment soit

parasismique ou non.

L’augmentation des quantités de matériaux pour les fondations lors du passage des

trames de 7,20 m à 7,50 m dépend du bâtiment étudié. En effet, l’esprit de

dimensionnement des fondations change complètement lorsque le bâtiment est

parasismique ou non.




4 Etude de l’impact des règlements parasismiques Après avoir étudié l’impact du changement de trames, j’ai étudié l’impact des règlements

parasismiques sur le bâtiment.

4.1 Comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique

4.1.1 Non parasismique et NF P 06-013 (PS 92)

Dans ce paragraphe, j’ai étudié l’impact du règlement PS 92. Voici les résultats obtenus :

Figure 22 : comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique selon le PS 92

Les deux histogrammes m’ont permis de mettre en évidence les éléments contribuant à la

stabilité sismique du bâtiment. En effet j’ai pu constater :

Une augmentation considérable des quantités de béton et d’acier constituant les

voiles et les fondations ; et

Une stabilité des quantités de béton et d’acier constituant les dalles, poutres et

poteaux.

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

Vo

lum

e d

e b

éto

n [

m3

]

Comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique selon le PS 92

Non parasismique Trame 7,50 m

PS 92 Trame 7,50 m


PS 92 Trame 7,20 m

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

Mas

se d

'aci

er

[kg]


PS 92 Trame 7,50 m


PS 92 Trame 7,20 m




4.1.2 Non parasismique et NF EN 1998-1 (EC 8)

Dans ce paragraphe, j’ai étudié l’impact du règlement EC 8. Voici les résultats obtenus :

Figure 23 : comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique selon l’EC 8

Comme précédemment les deux histogrammes ci-dessus mettent en évidence :

Une augmentation considérable des quantités de béton et d’acier constituant les

voiles et les fondations ; et

Une stabilité des quantités de béton et d’acier constituant les dalles, poutres et

poteaux.

L’évolution subie par la structure pour que le bâtiment satisfasse aux normes

parasismiques implique des modifications considérables au niveau de la quantité des

voiles et des dimensions des fondations. Ces modifications se retrouvent que se soit

pour le PS 92 ou pour l’EC 8.

0

1 000

2 000

3 000

4 000

5 000

Vo

lum

e d

e b

éto

n [

m3

]

Comparaison des bâtiments non parasismique et parasismique selon l'EC 8


EC 8 Trame 7,50 m


EC 8 Trame 7,20 m

0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

300 000

Mas

se d

'aci

er

[kg]


EC 8 Trame 7,50 m


EC 8 Trame 7,20 m




4.1.3 NF P 06-013 (PS 92) et NF EN 1998-1 (EC 8)

Après avoir comparé l’impact des règlements parasismiques sur le bâtiment, je me suis

intéressé aux différences qu’entrainent les deux règlements PS 92 et EC 8 sur le bâtiment.

Pour cela j’ai gardé strictement les mêmes dimensions des éléments de structure hormis

celles des fondations qui évolue de la façon suivante :

Figure 24 : comparaison du volume des fondations suivant le règlement parasismique

Par conséquent, seule la quantité d’acier varie dans le dimensionnement des éléments. Pour

mieux apprécier l’impact du changement de règlement parasismique, j’ai séparé la

comparaison des éléments. Les résultats obtenus sont les suivants :

3 200

3 300

3 400

3 500

3 600

3 700

3 800

3 900

Fondations

Vo

lum

e d

e b

éto

n [

m3

]

Comparaison du volume de béton dans les éléments selon le PS 92 et l'EC 8

PS 92 Trame 7,50 m

EC 8 Trame 7,50 m

PS 92 Trame 7,20 m

EC 8 Trame 7,20 m

20 000

20 500

21 000

21 500

22 000

22 500

Poteaux

Mas

se d

'aci

er

[kg]

100 000

110 000

120 000

130 000

140 000

150 000

Voiles

Mas

se d

'aci

er

[kg]

Comparaison de la quantité d’acier dans les éléments selon le PS 92 et l’EC 8




Figure 25 : comparaison de la quantité d'acier suivant le règlement parasismique

Grâce à cette comparaison, j’ai pu constater que l’impact de l’EC 8 est moins important que

celui du PS 92. En effet, cette tendance se retrouve sur les quatre histogrammes ci-dessus.

Pour quantifier cette tendance j’ai dressé le tableau suivant :

PS 92 EC 8

Trame 7,50 m Trame 7,20 m Trame 7,50 m Trame 7,20 m

Béton Fondations [m3] 3 858 3 760 3 542 3 461

-8% -8%

Acier

Voiles [kg] 142 656 131 844 131 297 120 082

-8% -9%

Poteaux [kg] 22 197 20 954 21 822 20 757

-2% -1%

Fondations [kg] 274 431 269 953 271 396 264 217

-1% -2% Tableau 21 : comparaison des deux règlements parasismiques

Lorsque l’EC 8 est appliqué, j’ai pu constater de nombreuses diminutions par rapport aux

quantités de matériaux nécessaires avec le PS 92. Dans les points suivants, j’ai expliqué

certaines causes de ces évolutions :

Les diminutions du volume des fondations et de la masse d’acier dans les voiles

s’expliquent par une réduction des efforts sismiques.

La quasi-stabilité de la quantité d’acier dans les fondations s’explique par le fait que

la plupart des fondations sont dimensionnées de façon à empêcher le soulèvement

ou le basculement. Par conséquent, j’ai joué sur le poids propre de la semelle en

modifiant son épaisseur sans modifier le panier d’armatures noyé dans celle-ci.

Le changement de règlement parasismique a entrainé les diminutions du volume

des fondations et de la quantité d’acier dans les voiles qui sont dues à la réduction

des efforts sismiques.

255 000

260 000

265 000

270 000

275 000

Fondations

Mas

se d

'aci

er

[kg]




4.1.4 Comparaison financière des trois dimensionnements

Dans les paragraphes précédents, j’ai mis en évidence les fluctuations de quantités de béton

et d’acier suivant le règlement utilisé pour le dimensionnement. Après avoir fait une

estimation financière j’ai comparé le ratio €/m² de chaque bâtiment. Pour cela, j’ai appliqué

les prix suivants qui sont toujours les mêmes jusqu’à la fin de l’étude7 :

Désignation Unité Prix Unitaires

[€ HT]

Volume de béton pour dalles, voiles et fondations [m3] 190 €

Volume de béton pour poutres et poteaux [m3] 200 €

Masse d’acier [kg] 2,35 €

Surface de coffrage des dalles [m2] 55 €

Surface de coffrage des poutres [m2] 50 €

Surface de coffrage des voiles [m2] 40 €

Surface de coffrage des poteaux [m2] 45 €

Surface de coffrage des joues de longrine [m2] 41 €

Tableau 22 : récapitulatif des prix unitaires utilisés

Avec les prix ci-dessus j’ai obtenu les ratios suivants :

Récapitulatif

Non Parasismique Prix total [€ HT] Surface dalles [m2] RATIO [€/m2]

trame 7,50 m 3 539 932 € 16 790 211 €

trame 7,20 m 3 257 345 € 15 509 210 €

PS 92 Prix total [€ HT] Surface dalles [m2]

trame 7,50 m 5 233 469 € 16 716 313 € 50%

trame 7,20 m 4 908 445 € 15 439 318 € 51%

EC 8 Prix total [€ HT] Surface dalles [m2]

trame 7,50 m 5 138 280 € 16 716 307 € 45%

trame 7,20 m 4 807 622 € 15 439 311 € 48%

Tableau 23 : comparaison des ratios €/m2 suivant le règlement parasismique utilisé

Voici les conclusions que j’ai pu tirer du tableau ci-dessus :

L’application de l’EC 8 est légèrement moins pénalisante que celle du PS 92 ;

Le ratio €/m2 du bâtiment dimensionné avec un règlement parasismique est plus

faible pour des trames de 7,50 m. Ceci s’explique par le fait que son élancement est

plus faible. En effet, la hauteur des bâtiments est identique par contre la longueur et

la largeur varie suivant les trames.

7 Les différents prix unitaires ne reflètent pas forcement les prix actuel du marché car ils datent de 2008. Pour

que la comparaison soit possible avec la première étude j’ai dû garder ces prix.

Référence pour la

comparaison des

trames de 7,50 m

Idem pour celles

de 7,20 m




5 Étude comparative des deux systèmes constructifs Cette partie est consacrée à la comparaison des systèmes constructifs poteau-poutre et

plancher-dalle. Pour que la comparaison soit possible, il faut étudier le bâtiment avec la

même longueur de trames et le même règlement parasismique. Ici l’étude a été faite avec :

Des trames de 7,20 m ;

Le règlement PS 92.

Cependant, comme les deux structures sont différentes j’ai dû les comparé en faisant des

ratios €/m2.Voici les résultats obtenus :

Récapitulatif

PS 92 Poteau-poutre

Prix total [€ HT] Surface dalles [m2] RATIO [€/m2]

trame 7,20 m 4 908 445 € 15 439 318 € -4%

Estim. n°1 Plancher-dalle

Prix total [€ HT] Surface dalles [m2]

trame 7,20 m 27 252 229 € 82 450 331 €

Tableau 24 : comparaison des ratios €/m² des deux types de structure

A première vue la solution de la structure poteau-poutre est 4% moins chère. Cependant,

il faut modérer ce résultat. En effet, à cause des retombées de poutre, la hauteur libre sous

poutre est inférieure de 30 cm à la hauteur libre sous dalle. Pour garder la même hauteur

libre pour les deux solutions, il faut augmenter la hauteur des étages de 30 cm soit 7%.

Pour avoir une première idée de l’impact de cette augmentation, je l’ai répercuté sur les

voiles et les poteaux, par une règle de proportionnalité ce qui a entrainé une plus value de

1,9%. Voici les nouveaux ratios :

Récapitulatif

PS 92 Poteau-poutre

Prix total [€ HT] Surface dalles + dallage [m2] RATIO [€/m2]

trame 7,20 m 4 998 016 € 15 439 324 € -2%

Estim. n°1 Plancher-dalle

Prix total [€ HT] Surface dalles [m2]

trame 7,20 m 27 252 229 € 82 450 331 €

Tableau 25 : comparaison des ratios €/m² avec la même hauteur libre

Cette modification ne prend en compte que l’augmentation des quantités de matériaux dans

les voiles et les poteaux alors que le bâtiment subi d’autres changement :

Augmentation de la hauteur des planchers et donc des masses excitées ;

Augmentation de l’élancement du bâtiment ;

Augmentation des efforts sismiques horizontaux ;

Augmentation des quantités de matériaux dans les éléments sismiques primaires et

les fondations ;




Pour bien estimer ce changement, il faudrait relancer une modélisation ainsi que les calculs

sismiques sur le nouveau bâtiment pour prendre en compte les points ci-dessus.

En plus de cette modification structurelle s’ajoute aux changements précédents ceux des

autres corps d’états. En effet, cette augmentation va s’accompagner :

D’une augmentation de 1,50 m, soit 7,5%, sur toutes les réseaux verticaux ;

D’une augmentation de la surface de façade.

Au final, la solution poteau-poutre qui semblait légèrement avantageuse au niveau

structurel, doit être à nouveau étudiée avec cette augmentation de hauteur et avec

l’augmentation des quantités des autres lots avant d’affirmer quoique ce soit. Il est fort

probable que les deux solutions soient équivalentes sur le plan financier. A présent voyons

les avantages et les inconvénients de la structure plancher-dalle par rapport à la structure

poteau-poutre :

Avantages :

o Pas de retombées de poutres donc facilité de mise en place des réseaux ;

o Bâtiment plus compact pour une même hauteur libre, donc les masses

excitées sont plus basses, donc les efforts sismiques plus faible ;

o Meilleure gestion du retrait car la dalle est ferraillée dans les deux sens ;

o L’épaisseur de la dalle améliore l’effet diaphragme ;

o L’épaisseur de la dalle améliore l’acoustique ;

o Bâtiment coulé en place donc pas de transport d’éléments préfabriqués, mais

consommation importante de béton qui nécessite une centrale sur chantier.

Inconvénients :

o Difficile de réaliser des réservations à proximité des poteaux pour les gaines

techniques, les colonnes de désenfumage et les canalisations qui ne peuvent

pas descendre facilement le long des poteaux ;

o L’épaisseur de la dalle augmente les masses donc les efforts sismiques ;

o Difficulté de réalisation sur place des nœuds poteau-dalle ;

o Technique de construction moins répandue donc moins maitrisée et par

conséquent qui risque d’être surévaluée par les entreprises si elles ne sont

pas spécialisées.




Conclusion

Ce Projet de Fin d’Etudes de vingt semaines au sein de l’entreprise SIRR Ingénierie a été

ma première expérience avec le monde de l’ingénierie. L’étude que j’ai menée dans le cadre

de ce projet avait pour support le nouveau Centre Hospitalier de Belfort-Montbéliard. Pour

mener à bien cette étude de long terme, il m’a fallu organiser et gérer le projet de façon

autonome. Cette étude m’a également permis de découvrir les nouveaux règlements

Eurocodes pour le calcul de dimensionnement des structures ainsi que d’approfondir ma

connaissance des logiciels de calculs comme Robot. Toutes ces nouveautés m’ont permis

de mettre en exergue mes capacités d’adaptation au contact d’un nouvel environnement de

travail. Cette adaptation a ensuite contribué au bon déroulement du PFE.

L’objectif principal de mon étude était de mettre en évidence et de quantifier l’impact des

règlements parasismiques PS 92 et EC 8 sur des bâtiments hospitaliers courants de trame

7,20 m et 7,50 m.

Ma première approche a été de comparer le dimensionnement du bâtiment en fonction des

dimensions de sa trame. Cette étude a mis en évidence une augmentation des quantités de

matériaux qui concorde avec l’augmentation de la longueur de la trame. Pour compléter

cette approche, je me suis intéressé à la même comparaison mais cette fois-ci sur les

bâtiments parasismiques. Le but de ce complément est de savoir si le calcul parasismique

influait sur l’augmentation des quantités de matériaux. Les résultats obtenus m’ont permis de

conclure que l’augmentation de la longueur de la trame a le même impact avec ou sans

calculs parasismiques.

Ma deuxième approche a été de quantifier les différences qui existent entre un bâtiment

dimensionné avec le PS 92 et le même bâtiment dimensionné avec l’EC 8. Pour cela j’ai

comparé les bâtiments possédant des trames de même longueur mais dimensionnés sans

règlement parasismique puis avec chacun des deux règlements parasismiques. Bien

évidemment, les différences entre un bâtiment non parasismique et parasismique sont

importantes. En effet, la différence qui existe sur la quantité des voiles et les dimensions des

fondations est importante. En revanche celle-ci s’estompe entre le PS 92 et l’EC 8. Le

passage de la première à la seconde entraine une diminution légèrement inférieure à 10%

sur la quantité de matériaux dans les voiles et les fondations.

Pour finir j’ai appliqué mes résultats pour comparer une structure poteau-poutre et plancher-

dalle. Le résultat de cette comparaison montre que les deux structures sont équivalentes sur

le plan financier, reste donc à considérer les avantages et les inconvénients de chacune

pour faire son choix.

Sur un plan personnel, ce stage a conforté mon projet professionnel qui est de travailler dans

le domaine de la structure. Il m’a permis de faire évoluer mes compétences dans plusieurs

domaines techniques mais aussi organisationnels et m’a donner envie d’en approfondir

d’autres qui me seront utiles pour mes futures expériences professionnelles.




Bibliographie

PAILLE, Jean-Marie. EUROCODE – Calcul des structures en béton, Eyrolles, 2009, 620p.

ROUX, Jean. EUROCODE Ŕ Pratique de l’Eurocode 2, Eyrolles, 2009, 667p.

Les normes utilisées :

- NF EN 1990 Ŕ Eurocodes structuraux : bases de calcul des structures

- NF P 06-100-2 Ŕ Eurocodes structuraux : bases de calcul des structures Ŕ annexe

nationale de la NF EN 1990.

- NF EN 1991-1-1 Ŕ Eurocode 1 : actions sur les structures Ŕ actions générales Ŕ poids

volumiques, poids propres, charges d’exploitation des bâtiments.

- NF P 06-111-2 Ŕ Eurocode 1 : actions sur les structures Ŕ actions générales Ŕ poids

volumiques, poids propres, charges d’exploitation des bâtiments Ŕ annexe nationale

de la NF EN 1991-1-1.

- NF EN 1991-1-3 Ŕ Eurocode 1 : actions sur les structures Ŕ actions générales Ŕ

charges de neiges.

- NF EN 1991-1-3/NA Ŕ Eurocode 1 : actions sur les structures Ŕ actions générales Ŕ

charges de neiges Ŕ annexe nationale.

- NF EN 1991-1-4 Ŕ Eurocode 1 : actions sur les structures Ŕ actions générales Ŕ

charges du vent.

- NF EN 1991-1-4/NA Ŕ Eurocode 1 : actions sur les structures Ŕ actions générales Ŕ

charges vent Ŕ annexe nationale.

- NF EN 1992-1-1 Ŕ Eurocode 2 : calcul des structures en béton Ŕ règles générales et

règles pour les bâtiments.

- NF EN 1992-1-1/NA Ŕ Eurocode 2 : calcul des structures en béton Ŕ règles générales

et règles pour les bâtiments Ŕ annexe nationale.

- NF EN 1998-1 Ŕ Eurocode 8 : calcul des structures pour leur résistance aux séismes

Ŕ règles générales, actions sismiques et règles pour bâtiments.

- NF EN 1998-1/NA Ŕ Eurocode 8 : calcul des structures pour leur résistance aux

séismes Ŕ règles générales, actions sismiques et règles pour bâtiments Ŕ annexe

nationale.

- NF P 06-013 Ŕ Règles de construction parasismique applicables aux bâtiments.

Documents

Etude structurelle de l’impact des règles PS 92 et ...eprints2.insa-strasbourg.fr/599/1/TOUZELLIER_PFE_Rapport.pdf · Comparer deux types de structure pour un bâtiment hospitalier