Guide méthodologique pour la conception, l’installation et le diagnostic des équipements en zone sismique

1 Introduction et cadrage – Objectifs du guide

Les règles parasismiques applicables aux bâtiments relevant des ouvrages à risque normal s’intéressent essentiellement au comportement de la structure résistante de l’ouvrage considéré. L’objectif de comportement réglementaire minimum est d’assurer la protection des vies humaines par le non-effondrement de la structure.

Toutefois, une prévention parasismique efficace implique aussi de considérer les risques induits par les équipements intérieurs au bâtiment. En cas de séisme, ces éléments peuvent occasionner des blessures aux occupants ou gêner leur évacuation.

Ils peuvent également présenter un caractère aggravant du risque par leur nature même (gaz et liquides toxiques ou inflammables par exemple). Le comportement des équipements doit également être vérifié quand ceux-ci assurent une fonction importante dans la gestion d’une crise post sismique (cas des établissements de secours, hôpitaux par exemple) ou quand leur défaillance potentielle est susceptible d’affecter un grand nombre de personnes (cas des établissements recevant du public, des établissements scolaires par exemple).

Vis à vis du risque sismique, les équipements intérieurs peuvent être classés en trois catégories en fonction des objectifs ainsi définis :

• assurer la sécurité des personnes dans les bâtiments. Par exemple, il faut éviter que des équipements lourds blessent les occupants du bâtiment en devenant des projectiles (exigence de stabilité) et éviter le sur-accident (exemple : feu déclenché par une fuite de gaz, contamination par fuite de substance toxique),
• assurer la continuité du service fourni par l’établissement (les soins pour un hôpital par exemple), soit au cours de l’événement lui-même, soit après l’événement, pour permettre un retour aussi rapide que possible à une situation satisfaisante,
• assurer l’intégrité des biens dans les bâtiments (protection de l’investissement).

Le présent guide propose une démarche générale de protection parasismique des équipements applicable aux établissements dont le domaine d’application est défini ci-après.
Il s’adresse aux différents acteurs de la prévention du risque sismique (administration, maîtres d’ouvrage, concepteurs, entreprises) pour les aider, selon leurs rôles respectifs :

• à identifier les équipements qui doivent répondre aux objectifs précités,
• puis à leur attribuer des exigences compatibles avec ces objectifs,
• et enfin à suivre une méthodologie permettant de respecter ces exigences.

Ce guide n’a pas l’ambition de décrire dans le détail les dispositions techniques spécifiques à chaque type de projet. Il est amené à être décliné en guides spécifiques par types d’établissements par la suite.

Le présent document traite de l’analyse structurelle et fonctionnelle (le cas échéant) des équipements et de leur ancrage à la structure porteuse, incluant l’état d’endommagement probable de cette dernière sous sollicitations sismiques. Il ne couvre pas l’analyse de la structure porteuse elle-même ni l’interaction éventuelle de l’équipement avec celle-ci. Le guide constitue donc un maillon de la démarche de prévention sismique globale à mettre en œuvre.

2 Domaine d’application

2.1 Ouvrages concernés par le guide

Les établissements dont les équipements sont décrits par le guide méthodologique sont des ouvrages à risque normal (voir définition en 4.3). Le guide traite aussi bien le cas du dimensionnement des équipements des bâtiments à construire que celui du diagnostic / renforcement dans le bâti existant.

2.2 Les équipements concernés par le guide

Un bâtiment comprend des éléments structuraux (les murs, les planchers…) et des éléments non structuraux (cheminées, cloisons, éléments de façade, plafonds suspendus …) ainsi que des équipements permettant d’assurer les fonctions de confort ou d’exploitation du bâtiment : chauffage, éclairage, production …

Le comportement des éléments structuraux et non-structuraux sous séisme est défini par des règles de calcul (par exemple l’eurocode 8) dont les dispositions sont parfois complétées ou précisées dans des textes plus ou moins normatifs (DTU, règles professionnelles). Aussi, ce guide ne traitera pas ces éléments.

Eléments structuraux et éléments non-porteurs type (cf. FEMA 74, 1994 – source « Évaluation et atténuation des risques sismiques liés aux composants fonctionnels et opérationnels des bâtiments : une perspective canadienne » – BPIEPC) Version du 16 avril 2011 8/119
Ce guide se propose de définir les dispositions applicables aux équipements, parmi lesquels différentes catégories peuvent être rencontrées (voir détail en 6.1.1) :

• dispositifs d’éclairage, panneaux de signalisation…,
• canalisations, réseaux divers, climatiseurs,
• matériel électrique : tableaux de commande, transformateurs, groupes électrogènes,équipement informatique,
• mobilier, stockage.

3 Qu’est-ce qu’un séisme ?

3.1 Généralités

Les séismes font partie des risques naturels majeurs particulièrement meurtriers de par le monde, généralement associés à des dégâts considérables. Si le mécanisme du séisme est aujourd’hui mieux connu, il reste encore un phénomène imprévisible et il est donc important de mettre en place toute une procédure de prévention.

La théorie de la tectonique des plaques repose sur le fait que la lithosphère (croûte et manteau supérieur de la Terre) est morcelée en plusieurs fragments (plaques) qui se déplacent les unes par rapport aux autres. Des efforts tectoniques sont ainsi engendrés et peuvent conduire à une libération d’énergie brusque par le biais de la création de nouvelles failles ou le jeu d’anciennes failles. Ces failles peuvent ou non atteindre la surface.

Lors de cette rupture, la dissipation d’énergie se produit de deux manières :

1. dissipation d’énergie sous forme de chaleur, due aux frottements des parois de la faille,
2. dissipation d’énergie sous forme de vibrations : les ondes sismiques sont générées à partir du foyer dans toutes les directions.

Un séisme ou tremblement de terre se traduit en surface par des vibrations du sol qui proviennent du glissement des plaques tectoniques entre elles (tectonique des plaques). La grande majorité des séismes (près de 90%) est localisée aux voisinages des limites des plaques tectoniques.

La durée des secousses sismiques peut aller de quelques secondes à plusieurs dizaines de secondes, en fonction de la taille de la faille qui a rompu. Le choc principal (secousse la plus importante) est souvent accompagnée de précurseurs et de répliques dans les heures, jours, mois précédant et suivant respectivement l’évènement principal. Ces derniers peuvent eux aussi engendrer de graves dégâts.

3.2 Quantification d’un événement sismique

Les mouvements sismiques sont enregistrés par des accéléromètres qui mesurent l’accélération du sol en fonction du temps. Ces enregistrements sont appelés accélérogrammes. Les amplitudes au sol et la durée des signaux sismiques sont variables, en fonction de la force (~ magnitude) du séisme et de la distance à laquelle on enregistre / ressent le séisme :

• durée de quelques secondes à plusieurs dizaines de secondes,
• accélérations maximales – horizontales et verticale – de l’ordre de quelques dixièmes de g (accélération de la pesanteur g = 9.81 m/sec2), voire supérieure à 1g dans certaines zones à forte sismicité,
• vitesses maximales – horizontales et verticale – de l’ordre de quelques cm par secondes.
• déplacements maximaux – horizontaux et vertical – de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres (voir quelques mètres pour les séismes les plus ‘importants’ avec rupture des sols jusqu’à la surface).

Il est important de noter que chaque séisme est unique. Un séisme est généralement défini par l’un des deux critères suivants : l’intensité et la magnitude.

L’intensité d’un séisme est définie en un lieu précis par rapport aux effets produits par cet évènement, soit par une observation « humaine » (réveil, secousses, chutes d’objets), soit par une observation directe des dégâts causés aux constructions (fissuration, écroulement d’une partie du bâtiment ….).

Plusieurs échelles d’intensité existent. L’échelle EMS 98 (European Macroseismic Scale 1998) est utilisée en France depuis janvier 2000. D’autres échelles existent, telles que les échelles de Mercalli ou de MSK (Medvedev, Sponheuer, Karnik). Ces échelles comportent toutes douze degrés notés généralement en chiffre romain de I à XII, le degré I correspondant aux effets les plus faibles (détection par les seuls instruments de mesure) et le degré XII correspondant aux dégâts généralisés (destruction totale des bâtiments et modification de la topographie).
La magnitude d’un séisme, introduite en 1935 par l’Américain C.F. Richter est une valeur intrinsèque du séisme, indépendante du lieu d’observation et des témoignages de la population. Elle mesure l’énergie libérée par la rupture sur une échelle logarithmique (lorsqu’on passe d’un degré au degré supérieur suivant, l’énergie libérée est multipliée par 32). Il existe plusieurs échelles de magnitude, la plus connue étant la magnitude de Richter.

4 Risque sismique en France et réglementation applicable

4.1 Sismicité en France

La sismicité sur le territoire français présente un caractère assez variable allant d’un niveau plutôt très faible (bassins sédimentaires en métropole, Corse, Guyane, St Pierre et Miquelon) à un niveau potentiellement fort (Guadeloupe, Martinique, Marie-Galante, St-Martin, StBarth). Dans les zones les plus actives (Antilles), cette sismicité s’est caractérisée dans le passé par un certain nombre d’événements destructeurs.

La France métropolitaine est quant à elle une zone de sismicité faible à moyenne, avec des séismes essentiellement superficiels résultant du rapprochement lent de la plaque africaine et de la plaque eurasienne.

En moyenne, chaque année, une vingtaine de séismes de magnitude supérieure à 3.5 est dénombrée alors que des milliers sont ressentis dans l’ensemble du bassin méditerranéen.
Cette sismicité s’est traduite par quelques événements destructeurs sur le dernier millénaire.

Sismicité en France métropolitaine lors du dernier millénaire (sources Sis France) Cette sismicité est concentrée sur quelques régions :

• le sud-ouest pyrénéen,
• le sud-est (zone des plis alpins, le Briançonnais, l’arrière-pays niçois),
• la zone du socle hercynien de la Bretagne, de la Vendée, du détroit du Poitou, du Massif Central et du sud-ouest des Vosges,
• les fossés d’effondrement d’âge tertiaire (Fossé rhénan, Limagnes d’Allier et de Loire).

4.2 Définition du risque sismique

Selon sa définition internationale, le risque est la probabilité mathématique de pertes en vies humaines, blessés, dommages aux biens et atteinte à l’activité économique au cours d’une période de référence et dans une région donnée, pour un aléa particulier.

Le risque est donc le produit de l’aléa par la vulnérabilité des éléments qui y sont exposés.
L’aléa sismique régional est défini comme le niveau d’accélération horizontale au sol de référence (le rocher) pouvant être atteint pendant une période de référence.

Il peut être complété localement par des facteurs d’amplification de ces accélérations en fonction des sites, par les spectres de réponse des règles en vigueur ou par ceux des microzonages spécifiques.

Il faut retenir que les actions sismiques ne correspondent pas aux effets maximum du plus fort séisme probable mais à des valeurs fixées forfaitairement par la puissance publique, traduisant un arbitrage entre la connaissance de l’aléa sismique, le risque socialement acceptable et le coût économique engendré.

4.3 Risque normal ou risque spécial

La protection parasismique en France fait l’objet d’une réglementation établie par la puissance publique, qui définit le niveau de l’agression sismique à prendre en compte et les règles de conception et de dimensionnement applicables.

Cette réglementation dont les principes sont inscrits dans le Code de l’environnement et ensuite déclinés par des arrêtés d’application distingue deux catégories d’ouvrages :

• les ouvrages dits à risque normal, pour lesquels le risque est circonscrit à l’ouvrage luimême (ex : habitations, bureaux, établissements scolaires, hôpitaux…),
• les ouvrages dits à risque spécial, pour lesquels les conséquences du séisme ne sont pas limitées à l’ouvrage, mais peuvent toucher son environnement (ex : installations chimiques, raffineries, dépôts d’hydrocarbure, barrages…).

La finalité de la réglementation parasismique applicable en France est la protection des personnes.

4.4 Conception des bâtiments pour résister au séisme

Même si les règles à venir devraient introduire une notion nouvelle de maintien de la fonctionnalité pour les ouvrages à risque normal les plus sensibles (hôpitaux, casernes, centres de télécommunication …), on rappelle que l’objectif de la règlementation applicable en France pour la protection parasismique des bâtiments vise essentiellement la sécurité des personnes : l’objectif principal est que le bâtiment ne doit pas s’effondrer sur ses occupants.
Dans ces conditions, les bâtiments qui suivent ces règles sont conçus de manière à pouvoir encaisser toute l’énergie amenée par le séisme, en jouant sur 2 paramètres :

• la résistance des éléments de structure,
• la ductilité de ces mêmes éléments, qui représente leur capacité à conserver leur résistance tout en étant soumis à des déformations importantes.

On accepte donc un endommagement potentiellement important de la structure (fissures, déformations irréversibles) afin de limiter le coût de la protection parasismique.
Plus la volonté de maintenir en état les fonctions de l’ouvrage est forte, moins le niveau d’acceptation d’endommagement est élevé.

Dans le cas des bâtiments réalisés avant application des règles parasismiques, les dispositions assurant la ductilité de la structure ne sont pas présentes. Ceci ne signifie pas que le bâtiment s’effondrera en cas de séisme car il possède généralement au moins la résistance équivalente aux efforts du vent, qui dans certaines zones peuvent être supérieurs aux efforts de séisme. Cependant, aucune marge n’est disponible et le caractère dynamique alterné de la sollicitation pourra entraîner une forte probabilité d’endommagement.

4.5 Zonage sismique en France pour les ouvrages à risque normal

Le nouveau zonage sismique réglementaire de la France pour l’application des règles de construction parasismique applicables aux ouvrages à risque normal s’appuie sur la carte d’aléa sismique suivante.

4.6 Réglementation parasismique applicable aux équipements

A ce jour, en France, la protection parasismique des équipements tels que définis précédemment n’est pas encadrée réglementairement en dehors des ouvrages à risque spécial pour lesquels la protection des matières dangereuses est requise sans être techniquement définie.

Au sommaire

1 INTRODUCTION ET CADRAGE – OBJECTIFS DU GUIDE

2 DOMAINE D’APPLICATION

• 2.1 Ouvrages concernés par le guide
• 2.2 Les équipements concernés par le guid

3 QU’EST-CE QU’UN SEISME ?

• 3.1 Généralités
• 3.2 Quantification d’un événement sismique

4 RISQUE SISMIQUE EN FRANCE ET REGLEMENTATION APPLICABLE

• 4.1 Sismicité en France
• 4.2 Définition du risque sismique
• 4.3 Risque normal ou risque spécial
• 4.4 Conception des bâtiments pour résister au séisme
• 4.5 Zonage sismique en France pour les ouvrages à risque normal
• 4.6 Réglementation parasismique applicable aux équipements
• 4.7 Dispositions prises pour les éléments non structuraux et les équipements

5 L’ACTION SISMIQUE ET SES EFFETS SUR LES EQUIPEMENTS

• 5.1 Effet du séisme sur une structure
• 5.2 Réponses caractéristiques des équipements
• 5.3 Interaction structure-équipements : supports et fixations
• 5.4 Effets inertiels : fréquence propre et spectre de réponse d’oscillateurs
• 5.5 Identification des modes de comportement / ruine possibles sous séisme
• 5.6 Analyse du retour d’expérience post-sismique

6 CONCEPTION ET DIAGNOSTIC PARASISMIQUE DES EQUIPEMENTS

• 6.1 Les objectifs attribués aux équipements
• 6.1.1 Terminologie : équipements et systèmes
• 6.1.2 Objectifs parasismiques attribués aux systèmes
• 6.1.3 Exigences de comportement des équipements
• 6.2 Démarche générale proposée
• 6.3 Contexte de la procédure : bâtiment neuf ou existant
• 6.4 Procédure applicable aux bâtiments neufs
• 6.4.1 Expression des besoins
• 6.4.2 Etape de conception
• 6.4.3 Etape de réalisation
• 6.4.4 Etape de réception
• 6.5 Procédure applicable aux bâtiments existants
• 6.5.1 Expression des besoins
• 6.5.2 Étape de diagnostic
• 6.5.3 Etape de conception
• 6.5.4 Etape de réalisation
• 6.5.5 Etape de réception
• 6.6 Contrôle et maintenance
• 6.6.1 Contrôle
• 6.6.2 Maintenance

7 DIMENSIONNEMENT ET JUSTIFICATION DES EQUIPEMENTS

• 7.1 Donnée d’entrée : sollicitation sismique ressentie par l’équipement
• 7.1.1 Accélération
• 7.1.2 Déplacement
• 7.1.3 Effet inertiel
• 7.1.4 Effet de mouvement différentiel
• 7.2 Méthodes applicables pour la justification des équipements
• 7.2.1 Principes généraux
• 7.2.2 Justification par le calcul
• 7.2.3 Justification par des essais
• 7.2.4 Visite sur site et dispositions constructives
• 7.3 Justification des ancrages et fixations
• 7.3.1 Choix des systèmes d’ancrage et effort de calcul
• 7.3.2 Effet des équipements sur les éléments supports

8 REFERENCES
9 GLOSSAIRE