État de l’art sur les composants non structuraux

Importance des composants non structuraux dans un bâtiment 

Économie et sécurité des occupants
Lors d’un séisme, les CS et CNS d’un bâtiment sont soumis à des déplacements et des forces qui s’appliquent dans toutes les directions. Il est donc fortement envisageable qu’une secousse sismique engendre une perte économique plus ou moins importante du bâtiment (Arnold, 1991). En effet, lorsqu’un bâtiment subit une perte de service après un séisme, la cause la plus probable de sa fermeture provient des dommages subis par les CNS, ce qui rend le bâtiment inutilisable.

Comme évoqué précédemment, la défaillance des CNS a un impact économique sur l’activité du bâtiment. De plus, cette perte de service des CNS lors d’un séisme  également un danger pour la sécurité des occupants. Ces composants sont susceptibles de blesser gravement les usagers (chocs, coups) présents lors du sinistre de telle sorte que ces éléments sont loin d’avoir une importance secondaire. Pour preuve, des chercheurs (Arnold, 1991 ; McKevitt et al., 1995) ont déclaré que la défaillance des CNS est la principale cause de blessures des occupants et de dommages matériels, particulièrement dans les régions où l’intensité du séisme était faible à modérée. D’après ces renseignements, il s’avère être plus que nécessaire d’étudier l’effet des CNS sur la structure afin d’éviter ce genre de préjudices.

Performance sismique des CNS
Depuis quelques années, une préoccupation croissante sur la performance sismique des CNS a vu le jour. On relate également une augmentation des enquêtes sur les dégâts subis par les CNS au cours des derniers tremblements de terre (Corbane et al., 2011 ; Dell’Acqua et al., 2011 ; Gentile et Saisi, 2007 ; Satake et al., 2012). La vulnérabilité de ces éléments dans les bâtiments n’a pas été exposée avant les tremblements de terre de l’Alaska en 1964 ou celui de San Fernando en 1971 (Lagorio, 1990). Aujourd’hui, une quantité exhaustive de recherches indique que l’interaction des CNS avec la structure peut conduire à une perte de service et à une rupture occasionnelle de ces éléments (Arnold, 1991 ; Hall et al., 1994 ; McDonnell, 2001 ; Melchers, 1990 ; Naeim et Lobo, 1998 ; Phan et Taylor, 1996). Ces recherches démontrent qu’il y a un transfert de charge entre la structure et les CNS. Ces composants participent tout de même à la performance sismique du bâtiment bien qu’ils ne soient pas conçus pour résister à de telles charges. Plusieurs études démontrent que la performance sismique des structures est améliorée grâce aux CNS, qui contribuent à la rigidité et limitent les déformations souvent responsables des dommages (Bertero et Brokken, 1983 ; Chaker et Cherifati, 1999 ; Lee et Woo, 2002 ; Li et al., 2011 ; Lu, 2002 ; Negro et Verzeletti, 1996 ; Shing et al., 1994).

Analyses dynamiques et modales
Le récent intérêt envers les CNS provient du fait que le transfert des forces de la structure à ces éléments est inévitable et vice-versa (Arnold, 1991 ; Freeman, 1977). Cependant, la plupart des ingénieurs en conception omettent la participation des CNS dans leurs approches théoriques des bâtiments. En effet, ils supposent l’absence de contribution des composants à la rigidité latérale de la structure alors qu’en réalité ces CNS y participent bel et bien. C’est pourquoi ils considèrent que ces composants sont communément attachés au système structural primaire à l’aide de connexions destinées à empêcher le transfert de charge vers ces composants. Généralement, il est établi que les CNS soient détachés du système structural primaire et n’affectent pas la rigidité et la réponse dynamique des structures, contrairement aux CS qui sont conçus pour reprendre et transmettre les charges. De plus, l’apport de rigidité d’un CNS est faible par rapport à celle de la structure ; cependant, lorsque l’on s’intéresse à l’apport total de rigidité des différents CNS dans un bâtiment, cette contribution devient importante (Li et al., 2011 ; Su et al., 2005). C’est pourquoi plusieurs recherches tentent d’inclure les CNS dans leur analyse structurale.

Gaiotti et Smith (1992) ont constaté qu’il existait bel et bien un transfert de charge de la structure vers les panneaux préfabriqués. Leurs résultats indiquent que si la structure est chargée latéralement, ces CNS sont soumis à des forces inattendues à cause de la conception des connexions entre la structure et le panneau. Ces CNS contreventent involontairement la structure, ce qui diminue la période naturelle du bâtiment. Falati (1999) a quant à lui montré qu’en incluant de faux planchers dans le modèle structural, on observe une augmentation de la période naturelle des dalles de béton préfabriquées en raison d’une augmentation de la masse. En outre, Su et al. (2005) ont observé que le modèle structural ne représente que 9 à 24 % de la rigidité latérale totale du bâtiment dans la direction X, et seulement 11 à 25 % dans la direction Y. De plus, Amanat et Hoque (2006) ont prouvé que la quantité de murs de remplissage a une influence significative sur la période fondamentale de la structure. Par la suite, Asgarian et McClure (2012) ont rapporté une réduction de la période fondamentale de près de 40 % pour un premier bâtiment et de près de 200% pour un deuxième, lorsque l’on ajoute des murs de maçonnerie dans leur modèle numérique. Enfin, Devin et Fanning (2012) ont démontré qu’en tenant compte des façades dans un bâtiment, on obtenait une augmentation de 6.5 à 8.9 % de la fréquence naturelle et en conséquence une augmentation de la rigidité. En définitive, on en déduit que la structure primaire n’est pas la seule à contribuer à la rigidité latérale du bâtiment.

En vue des recherches évoquées, il est clairement admis que les CNS jouent un rôle important dans le comportement dynamique d’un bâtiment.

Les composants non structuraux dans le CNB 

Actuellement, les codes de conception canadiens et internationaux négligent l’effet des CNS sur la rigidité du bâtiment et les traitent comme indépendants de la structure. Cela se produit, malgré les recherches effectuées sur l’effet des CNS sur la structure et leurs impacts significatifs sur la rigidité latérale du bâtiment (Chaker et Cherifati, 1999 ; Lee et Woo, 2002 ; Li et al., 2011 ; Middleton et Pavic, 2013 ; Negro et Verzeletti, 1996 ; Su et al., 2005). Cette limitation du code provient d’une insuffisance d’information sur l’interaction des CNS et de la structure, qui aboutit à l’absence de méthodes simplifiées permettant de représenter les CNS dans l’analyse sismique des bâtiments. L’édition du CNB 2015 évoque que les CNS doivent être conçus pour :
• résister aux déformations du bâtiment ;
• résister aux déformations des éléments ou des composants ;
• résister à une force sismique latérale Vp donnée par l’équation (1.1).
Vp = 0,3 Fa Sa(0.2) Ie Sp Wp          (1.1).

Où Fa est le coefficient d’accélération de l’emplacement, correspondant à la valeur F (0,2) qui varie de 0.69 à 1.64 en fonction du type de sol. Sa (0,2) est la valeur de l’accélération spectrale à 0,2 s. IE est le coefficient de risque parasismique du bâtiment variant de 0.8 à 1.5. Wp est le poids du CNS ou de l’équipement. Sp = CpArAx/Rp, est le coefficient de force horizontale d’une partie d’un bâtiment et de son ancrage variant de 0.7 à 4.0 ; Où Cp est le coefficient sismique de l’élément ou du composant, Ar est le coefficient d’amplification de force de l’élément ou du composant, Rp est le coefficient de modification de réponse de l’élément ou du composant et Ax est le coefficient de hauteur (1 + 2 hx/hn), avec hx la hauteur du niveau x du CNS ou de l’équipement et hn la hauteur du bâtiment.