CONSTRUCTIONS DE MACONNERIE - Le Plan Séisme

CONSTRUCTIONS DE MACONNERIE1. Problématique2. Caractéristiques des blocs à maçonner3. Observations post-sismiques4. Notions générales5. La maçonnerie chaînée6. La maçonnerie armée7. La maçonnerie de remplissage des ossatures8. Dalles et diaphragmes9. Coefficients de comportement10. Eléments secondairesPatricia BALANDIER pour DDE de la Martinique -SECQUIP

1. PROBLEMATIQUE• La dissipation d’énergie dans le domaine postélastiquedoit pouvoir se faire sans rupturefragile de la plupart des liaisons mécaniques,de manière à ce que la capacité portante deséléments de la construction soit préservée.• Or la maçonnerie est par nature un mode deconstruction qui comporte un grand nombre deliaisons à mode de rupture fragile (entre lesblocs et le mortier de liaison).

PROBLEMATIQUE• La dissipation d’énergie en phase postélastiquedoit pouvoir se faire sans rupturefragile de la plupart des liaisons mécaniques,de manière à ce que la capacité portante deséléments de la construction soit préservée.• Le respect de certaines règles constructivespour les constructions de maçonnerie leurconfère un bon comportement sous séismesi les dimensions du bâtiment restentmodestes.

2. Les blocs à maçonner• PS-92 - § 12.112:Les matériaux constitutifs concernés sont :• - Les moellons de pierre• - Les pierres de taille ou prétaillées• - Les briques et blocs de terre cuite• - Les blocs en béton• - Les blocs de béton cellulaire

Les blocs manufacturés• Leurs normes respectives fixent lescatégories de briques et de blocs et lesrésistances réglementairescorrespondantes à la compression.• En zone sismique, les élémentsstructuraux principaux en blocs creuxdoivent comporter au moins une paroiintermédiaire longitudinale.

Blocs admis perforés pour lesmurs de contreventement

Les blocs à maçonnerpleins (et assimilés) sont:• La pierre• Les briques pleines de terre cuite• Les blocs pleins de béton• Les blocs de béton cellulaire• Les briques et blocs perforés de terrecuite et de béton mis en œuvre avecleurs perforations perpendiculaires auplan de pose

Blocs perforés assimilésà des blocs pleinsFc >120 Bars

Les blocs à maçonner creux sont:• Les briques creuses de terre cuite et lesblocs creux de béton. Sont assimilés à desblocs creux (résistance en compressioninférieure à celle du mortier de pose) lesblocs qui ont leurs perforations parallèlesau plan de pose

Incidence du choix des blocs• Les règles PS-92 autorisent des dimensionsmaximales des panneaux entre deuxchaînages.• Plus les blocs sont résistants, plus lesdimensions autorisées sont importantes(moins de chaînages nécessaires)• Les paramètres conditionnant les dimensionsautorisées des panneaux de maçonnerie sont:– La nature des blocs (pleins ou creux)– L’épaisseur des blocs

3. OBSERVATIONS POST-SISMIQUES SURLES CONSTRUCTIONS EN MACONNERIE• Dislocation des blocs à maçonner non «confinés»:– Eclatement des angles, des ouvertures…– Dislocations en chaîne.• Rupture fragile entre les éléments de la structurepour liaisons insuffisantes– Déversement des façades– Chute de toiture– Chute de planchers• Rupture de points faibles– Ruine de niveaux sur pilotis– Ruine de poteaux mal situés, mal conçus, maldimensionnés

MAQUETTE DEMACONNERIE SURTABLE VIBRANTECet essai a été réalisé pourmettre en évidence lemode de ruine desconstructions demaçonnerie traditionnelles,c’est à dire n’étant pasconçues et réalisées enrespectant les règles deconstruction parasismiqueen maçonnerie avecpanneaux decontreventement confinéspar des chaînages de bétonarmé dans les troisdirections.

Eclatementdes angles

Dislocation àpartir desouverturesnonconfinées

Dislocationsen chaîne• Séismeligure de1887

Déversement des façades

Déversement des façades

Problématique des maçonneries courbes

4. NOTIONS COMMUNES• Mise en œuvre• Murs porteurs ou maçonnerie de remplissage?

Généralités, mise en oeuvre• Les dispositions des PS-92 viennent encomplément des dispositions générales ou s’ysubstituent• Les joints verticaux doivent toujours être remplis• Les murs à double parois doivent faire l’objet dejustifications des attaches sous action sismique• Les maçonneries de pierre doivent être réaliséesavec des assises horizontales

Mur porteur ou maçonnerie de• Attention :remplissage?Il faut bien distinguer• les murs porteurs de maçonneriechaînée par du béton armé• les ossatures de béton armé rempliesensuite par de la maçonnerie.

Maçonnerie de remplissagedes ossatures•o Avant le séisme, les descentes decharges statiques sont acheminées parl’ossature porteuse,•o pendant le séisme, les panneaux deremplissage pleins empêchent l’ossature dese déformer librement. Le jeu qui existetoujours un peu entre l’ossature flexible et lamaçonnerie rigide les fait s’entrechoquer.• Bien que les règles PS-92 autorisent ce typede construction, il est potentiellementdangereux

5. LA MACONNERIE CHAINEE• Structures porteuses comportant deschaînages de béton armé mis en oeuvreaprès l’exécution de la maçonnerie.Aucune maçonnerie avec bord libre.

PS-92 - § 12.232 : Maçonnerie chaînée• Le principe de calcul de résistance consiste àassimiler l’ensemble formé par les panneauxde maçonnerie et par les chaînages en bétonarmé qui les encadrent à un systèmetriangulé dont les éléments diagonaux sontconstitués par les bielles actives susceptiblesde se former dans la maçonnerie.• Si les bielles ont une pente comprise entre ½et 2, il n’est pas nécessaire de justifier lenon-glissement au droit des joints.

Définition des bielles• La largeur w de ces bielles est prise, dans lescalculs, égale à la plus petite des deux valeursd/6 et 4e, soit :• w = min (d/6 ; 4 e) avec :• d= longueur de la bielle (diagonale du panneau)• e = épaisseur brute de la maçonnerie.• La contrainte de compression dans la maçonneriedoit être inférieure à la résistance caractéristiquedivisée par γ m, les armatures des chaînages sontcalculées suivant les règles de béton armé.

Bielle activeSi la résistance de la bielle n’estpas assurée il y a fissuration• Ces bielles ne doivent pas être trop horizontales pourque la composante verticale compression évite lecisaillement des lits de mortiers, ni trop verticales pourque le panneau ne soit pas sollicité en flexion.

Localisation des chaînages• PS-92 - § 12. 2221: Principes• chaînages horizontaux :• au niveau des fondations (éventuellement),• au niveau de chaque plancher,• au niveau haut ;• chaînages verticaux, au moins :• à tous les angles saillants et rentrants de laconstruction,• aux jonctions de murs,• encadrant les ouvertures de hauteur supérieure ouégale à 1,80m ;• Aucun élément de mur ne doit présenter de bord libreen maçonnerie.

GEOMETRIE DES MURS DECONTREVENTEMENT• Afin de conférer à l’ensemble maçonnerie –chaînages une bonne résistance aux déformations,il convient de limiter la surface des panneaux quiconstituent les murs et de leur donner uneépaisseur suffisante.– En ce qui concerne la surface des panneaux, des règlessont définies par les différents codes.– Pour les épaisseurs, le standard de 15 cm est déjàprohibé par de nombreuses règles, ne serait-ce que parcequ’il ne permet pas l’enrobage correct des aciers dans leschaînages. L’utilisation de blocs à maçonner de 20 cmminimum est recommandé, même dans les cas où cen’est pas obligatoire.

CONTREVENTEMENT VERTICAL• Les panneaux de contreventementvertical, ou « trumeaux », résistentaux efforts horizontaux dans leur planet assurent la descente des chargesdynamiques vers les fondations.

DISPOSITION DES MURS DECONTREVENTEMENT• Ces murs doivent être disposés régulièrement dans les deuxplans orthogonaux.• Les différents « trumeaux » de contreventement doiventavoir des largeurs comparables (1,10m minimum en zone IIet 1,50m en zone III) et être superposés pour favoriser uncomportement homogène de la structure.• Les règles forfaitaires (comme les PS-MI) exigent que lecontreventement soit assuré par des trumeaux de façadesdont impérativement les angles.• La distance entre refends de devrait pas excéder 7m,certaines règles fixent des portées inférieures (Algérie: 5m).

Trumeaux• E> ou = 15 cm(20 cm pour les élémentscreux)• L et H < ou = 5m• S < ou = 20 m 2• D blocs creux< ou = 25 E• D blocs pleins< ou = 40 E

Autres murs structuraux• E> ou = 15 cm (20 cm pour les éléments creux)• H et L < ou = 5m• Encadrement des ouvertures selon lesrègles en fonction de la taille des baies– Petites baies (catégorie P) aucune dimensionsupérieure à 1, 5m– Moyenne baie (catégorie M) une dimension aumoins supérieure à 1,5m– Grande baie (catégorie G) une dimensionsupérieure à 2,5m

Panneaux de faibles dimensionspour blocs de faible épaisseur

Manque d’inertie transversaledes blocs de faible épaisseur

Nombreux chaînages, mais pas de trumeau

Des vrais trumeaux, mais desfourreaux dans les chaînages

Chaînages horizontaux• Dimensions– E: Sur toute l’épaisseur du mur (totale si doubleparoi) ou 2/3 minimum pour éviter les pontsthermiques.– H: 15 cm minimum• Armatures longitudinales: 4 barres, une danschaque angle, espacées de 20 cm maximum• Résistance en traction minimum 80 kN• Armatures transversales: espacement < ou= à H ou 25 cm.

Section des chaînages

Chaînages verticaux• Dimensions– Idem chaînages horizontaux avec sectionsmaximum aux angles• Armatures longitudinales: Idem chaînageshorizontaux avec possibilités de minorer lesdimensions– si a N < 0, 25g, et si H < 3m.

Nœuds des chaînages• La continuité etle recouvrementdes armaturesdes diverschaînagesconcourantsdoivent êtreassurés dans lestrois directions.

Problématique des blocs à chaîner

Règles d’encadrement des baiesaN< 0,25g - -< 0, 35g -P M GEncadrementsauf sidimensionsdu panneau< 3.20mEncadrement etliaison auxchaînages sauf sidimensions dupanneau < 3.20mEncadrementet liaison auxchaînages>ou =0,35gEncadrementEncadrement etliaison auxchaînages

Encadrement des baies

Types de cadres admis pour les baiesdes structures en maçonnerie• Métal ou béton armé résistance en traction définie.• Pour le béton armé (par deux barres longitudinales):• - dimension minimale de 7 cm et implantation sur toutel’épaisseur du mur (sauf règles des 2/3 applicables auxchaînages)• - résistance en traction minimale (domaine élastique)requise :• o 40 kN en zone Ia• o 60 kN en zone Ib• o 85 kN en zone II• o 120 kN en zone III• - espacement des deux barres 20 cm maximum (si murépais rajouter une troisième barre)

Types de cadres admis pour lesbaies des structures enmaçonnerie• Métal ou béton armé résistance en traction définie

6. LA MACONNERIE ARMEE• Les maçonneries armées sont chaînéesselon les dispositions exposéesprécédemment.• Leurs armatures peuvent être:– Horizontales uniquement– Horizontales et verticales

Maçonneries armées horizontalement(tous types de blocs)• Lits d’armatures continues allant de chaînagevertical à chaînage vertical (ancrages corrects)• Au moins deux barres par lit à proximité desparements• Enrobage vertical et horizontal 2cm minimum• Résistance en traction (élastique) 13 kN• Espacement maximal des barres 20 cm• Barres rectilignes et posées sans flèche supérieure à1cm/2m• Ecartement maximal entre les lits 50 cm

Maçonneries arméeshorizontalement et verticalement(blocs prévus à cet effet)• Lits d’armatures continues allant de chaînageà chaînage (vertical et horizontal). Ancragescorrects.• Sections minimales entre deux chaînages:0,5/1000 de la section correspondante despanneaux (1/20), diamètre mini 5mm.• Ecartement maximal entre les lits (verticaux ethorizontaux): 60 cm

Maçonnerie armée et chaînée

Avantages et inconvénients• L’avantage des maçonneries armées estun gain en coefficient q et dedimensionnement des bielles actives etcelui des maçonneries armées dans lesdeux directions est de pouvoir êtreassimilées à des voiles de BA,• Mais les obligations de qualité surchantier et le coût de la main d’œuvrerendent alors la mise en œuvre devoiles beaucoup plus intéressante.

PS-92 - § 12.233 :Maçonneries armées§ 12.2331 : Maçonnerie armée horizontalement• Pour les éléments structuraux principaux, le principede calcul est celui indiqué au paragraphe 12.232 de lamaçonnerie chaînée.§ 12.2331 : Maçonnerie armée horizontalementet verticalement• Deux possibilités sont offertes pour le calcul deséléments structuraux principaux :- modélisation analogue à celle des maçonnerieschaînées, en prenant pour le calcul de la contrainte dans lamaçonnerie une largeur w = min (d/5 ; 5 e),- calcul en section type béton armé , les armaturesverticales des chaînages et des parties courantes devantéquilibrer les tractions des zones tendues.

7. Maçonnerie de remplissagedes ossatures• Il s’agit du problème de compatibilité decomportement entre une ossature de béton armé etdes parois de maçonnerie (ou charpentes métal etmaçonnerie).• Or il s’agit bien d’un point de vue constructif d’uneseule et même structure qui présente les défauts deslimites de compatibilité de comportement entreles blocs hourdés qui supportent peu dedéformation et les ossatures qui par définitiondoivent pouvoir se déformer librement (dans leslimites recherchées par le BET).

§ 12.2241 : Principe• Cet article traite des maçonneries réalisées dans lesossatures de béton armé ou précontraint et quin’ont pas été mécaniquement liées à celles-ci.• Sont considérées comme remplissages lespanneaux de maçonnerie sans fonction porteusecaractérisée vis-à-vis des charges verticales. Cespanneaux peuvent être « complets », c’est-à-direremplir complètement l’espace délimité par deuxpoteaux et deux poutres, ou être « partiels ».• Pour la vérification sous action sismique, lespanneaux pris en compte dans la modélisation (voir12.2341) constituent des éléments structurauxprincipaux, il s’agit en général de panneauxcomplets sans ouverture.

§ 12.2242 : Dispositions constructives• Les maçonneries doivent satisfaire aux conditionsgéométriques définies en 12.222 et les élémentsd’ossature en béton armé doivent satisfaire aux règlesdu chapitre 11 du présent document, relatif au bétonarmé.• Les baies et ouvertures doivent recevoir au minimumun encadrement suivant les règles du § 12.2227 . Demême les bords libres des panneaux partiels doiventrecevoir au minimum un encadrement suivant lesdispositions du § 12.2227 pour les ouvertures de lacatégorie G.• Lorsque les panneaux complets avec ouverture et lespanneaux partiels sont pris en compte dans lamodélisation (12.2341) ces encadrements doivent êtredimensionnés pour les sollicitations résultantes.

Limites de sécurité des règles…• Rappelons que le commentaire del’article 12.2241 précise que le« comportement des constructionsconcernées apparaît comme assezaléatoire ». Ceci en raison de ladifficulté à établir des protocoles demise en œuvre fiables pour uneréponse homogène maçonnerieossatureen cas de séisme.

Maçonnerie de remplissage arméedécouplée de la structure

Séisme de Bhuj2001

8. CONDITIONS DE RIGIDITE DES PLANCHERSLes différents types de planchers et toitures « plaques »ne constituent un « diaphragme rigide » que dans lerespect de certaines dispositions constructives qui assurentun comportement dynamique satisfaisant.– Solidarisation impérative avec les chaînages périphériques etpoutres qui assurent la liaison avec les palées de stabilité.– Renforcement des bords des trémies dont les dimensions doiventêtre limitées (sinon, dispositions compensatrices).– Si la « plaque » est constituée de plusieurs couches, liaisons entreles couches de façon à assurer un comportement dynamiquehomogène.En cas de béton armé éviter les reprises de coulage dubéton entre la dalle et les chaînages, poutres, chapiteaux…

CAS DES PLANCHERS A POUTRELLES ET ENTREVOUSLes entrevous participent « peu » à la résistance dynamiquedu plancher, et les poutrelles ont un rôle de « nervures » pourla dalle de compression. Il est capital que les liaisons entre lesnervures et la dalle soient effectives pour un comportementdynamique cohérent. La dalle elle même doit être calculéeavec un minimum de 4cm (5 cm pour les entrevous depolystyrène, néanmoins préférables aux réhausses isolantessur entrevous).• Ces « planchers nervurés ont l’avantage d’avoir une masseréduite.• Les liaisons entre les poutrelles et la dalle de compression etcelle du plancher avec les chaînages horizontaux doivent êtresoignées.

9. Calculs et vérifications• Les règles de calcul et de vérification sont donnéespar les PS-92 pour:– Les maçonneries chaînées assimilées à un systèmetriangulé par les bielles actives susceptibles de se former(si leur pente est comprise entre ½ et 2, le nonglissement des joints est réputé justifié)– Les maçonneries armées horizontalement assimilées auxmaçonneries chaînées– Les maçonneries armées horizontalement etverticalement qui peuvent être considérées au choixcomme:• Les maçonneries chaînées• Le béton armé

Coefficients q• On trouve les coefficients q forfaitaires desmaçonneries au chapitre béton armé des PS-92(voir tableau § PS-92, § 11.7 au chapitre bétonarmé du présent document). Soit :• - maçonnerie porteuse chaînée : 2,5• - maçonnerie porteuse chaînée et armée : 3• - ossature avec remplissage a posteriori : 1,5• avec coefficients minorants en cas de bâtiments derégularité moyenne ou irréguliers.

10. Cloisons de distributione > ou = 10 cm• Pas de bord libre• Jonction impérative à d’autres murs, cloisons oupotelets de pleine hauteur• Si cloison de pleine hauteur, solidaires desplanchers pour éviter leur déversement• Si hauteur partielle cadres liés au gros-œuvre• Harpage des cloisons perpendiculaires• S

Les cloisons de distributiond’épaisseur supérieure à 10 cm• Elles doivent respecter les dispositions suivantes :Idem cloisons précédentes etChaînages en béton armé en métal ou en bois despanneauxS < 20 m 2 , H et L < 5m, d < 50 eEncadrement des baies (BA, métal, bois) relié àl’ossature ou aux chaînages si type G.• Vérification de leur participation au comportementdynamique de la structure (raideurs)

Quelques photos dedispositions PS hors règlementà commenter

Notion de chaînage desmaçonneries

Chaînage à posteriori

Chaînage à posteriori

• Gemonaavant

Gemona après le choc principal

Gemona après un 2° choc en réplique