FR2507657A1

FR2507657A1 -

Info

Publication number: FR2507657A1
Application number: FR8111866A
Authority: FR
Original assignee: Seisma AG
Current assignee: Seisma AG
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1981-06-16
Publication date: 1982-12-17
Also published as: DE3121045C2; MX152987A; CA1160650A; GR75710B; BR8104067A; JPS5740035A; CH625302A5; NZ197523A; DE3121045A1; FR2507657B1

Abstract

A. CORPS FLOTTANT DANS L'ESPACE PROTEGE DES DOMMAGES PROVOQUES PAR DES VIBRATIONS DU SOL, EN PARTICULIER A UNE CONSTRUCTION, UNE MACHINE OU UNE STATION D'ISOLATEURS. B. CORPS ET SYSTEME CARACTERISES EN CE QU'IL EXISTE UNE ZONE DE FREQUENCES, APPELEE TROU DE FREQUENCES, ENTRE LA PLUS ELEVEE 6 DES SIX FREQUENCES LES PLUS BASSES DU SYSTEME 1-6 ET LA PLUS BASSE 7 DES FREQUENCES DU SYSTEME 7, 8... DE L'ELEMENT OSCILLATOIRE, COMPOSE DU CORPS D ET DES ISOLATEURS C. C. SYSTEME APPLICABLE A UNE GRANDE PROTECTION DE BATIMENTS OU ANALOGUES AUX SEISMES DE TRES GRANDE AMPLITUDE.

Description

L'invention se réfère à un corps sur isolateurs mécaniques flottant, protégé des dégâts dus à des vibrations du sous-sol, en particulier à une construction, une machine ou une station d'isolateurs électriques. Sa base est solidaire avec le sous-sol.

Par les mesures techniques proposées, le corps résiste sans dégats aux seismes les plus forts jamais mesurés ou à prévoir à un site donné : Protection Sismique Intégrale. Cela signifie que la partie protégée du corps est apte à résister d'une manière répétée, à des vibrations sismiques extrêmes, sans subir des déformations élasto-plastiques (destructions) dans la structure portante.

Une des préoccupations de l'architecture moderne est de rendre les constructions sures dans les régions sismiques.

Malgré des années de recherche et de développement intensités, les résultats ne s'avèrent guère satisfaisants ; il n'a pas été possible jusqu'à présent de proteger les constructions contre les séismes extrêmes. Bien sflr, maintes propositions de système mes de protection sismique ont été présentés dans les vingt années passées. L'une de ces propositions concerne la destruction de l'énergie cinétique par des amortisseurs de vibration intégrés dans la toiture de la construction (Wirsching P.H.,
Campbell G.W. : "Minimal structural response under random excitation using the vibration absorber" ; International Journal of Earthquake engineering and Structural Dynamics, Vol. 2, 1974).Selon une autre proposition, la superstructure de la construction est posée sur des appuis à billes, mobiles horizontalement et des éléments élastiques complémentaires générant des forces de rappel (Matsushita K., IzumiN. : "Studies on mechanisms to decrease earthquake forces applied to buildings
Proceedings of the 3rd World Conference on Earthquake Engineering,
London, 1965). Enfin, il a aussi été proposé de suspendre la superstructure afin de la séparer de l'influence directe de l'excitation (Oto Lanios C. J. et al : "Study of the behavior of a hanging building under the effect of an earthquake" ;
Proceedings of the 4th World Conference on Earthquake Engineering,
Santiago de Chile, 1969).

Toutes ces idées et d'autres, semblables, n'ont pas beaucoup influencé la conception conventionnelle des constructions dites "adaptée aux séismes", telle qu'on l'utilise contre des séismes jusqu'à une intensité moyenne. Contre ces séismes, cette méthode de construction assure la protection de la vie humaine et une certaine résistance des constructions bien que ces dernières puissent subir des dégâts jusqu'au besoin de les démolir. Pour les intensités sismiques supérieures, par contre, la protection est insuffisante. Dans ces cas sont particulièrement problématiques, les constructions sensibles aux séismes, situées dans des régions à haute sismicité.Ces constructions sont sérieusement menacées lors de l'occurrence soudaine et inattendue de séismes, responsables de Vibrations semblables du sol. I1 s'agit là avant tout de constructions d'utilité publique et de fonction vitale (h8pitaux, centrales administratives et de commandement) ; de l'infrastructure de circulation (grands ponts, stations de chemins-de-fer, tunnels) ; de l'infrastructure d'énergie (barrages, usines électriques, entrep8ts de carburant) ; de l'infrastructure industrielle (usines chimiques, usines d'explosifs) ; de l'infrastructure militaire ; ainsi que des constructions à haute concentration humaine (bâtiments- tours, salles de congrès, cinémas, écoles, abris).L'existence de quelques-unes de ces constructions, situées dans des régions à haute sismicité, dépend en principe de la faisabilité technique de réaliser la protection sismique intégrale.

La méthode de construction conventionnelle et "adaptée aux séismes" sous-entend que les fréquences propres fondamentales se situent presque inévitablement dans la zone de résonance du spectre de réponse sismique. L'énergie cinétique, transmise à ces constructions pendant les mouvements du sol, est transformée en déformations de la structure. Aussi longtemps que ces déformations restent dans le domaine élastique des matériaux de construction, les constructions ne subissent pas de dégâts.

Pendant des séismes intenses, les mouvements du sol peuvent néanmoins devenir tellement forts que les déformations dans la structure dépassent la limite élastique, provoquant des ruptures dans les éléments porteurs de la structure, ce qui peut amener à l'éffondrement de celle-ci.

En ce qui concerne les constructions à conception conventionnelle, les déformations destructrices se manifestent principalement dans la superstructure. C'est pourquoi un progrès important a été réalisé dans l'art de la protection sismique lorsqu'il devenait possible d'enlever les déformations inadmis sibles de cette partie sensible à la rupture des constructions.

A cette fin, le brevet suisse nO 450. 675 se propose d'utiliser des isolateurs hautement élastiques pour créer des zones flexibles. I1 sont placés entre la superstructure et la fondation destinés à transformer la construction en un système sur appuis flottant tri-dimensionnellement.

Ce procédé est bien connu des assises de machines son application à des constructions a également été décrite dans une revue spécialisée (Hubacher C., Staudacher E., Seigenthaler
R. : "Erdbebensicherung im Bauen" ; Neue Zlirchér Zeitung,
Technikbeilage, 9-.2.1970). I1 s'agit là d'un système sur appuis flottantsvéritable,-à distinguer du système sur appuis flottants dans le plan horizontal seulement. Le.premier admet des mouvements dans toutes les directions, c'est-à-dire également verticalement, tandis que les isolateurs du dernier sont élastiques dans le plan horizontal seulement (Delfosse G. C. : e tîThe GAPEC
System - A new highly effective aseismic system" ; Proceeding of the 6th World Conference on Earthquake Engineering, New Delhi, 1977).

Quoique les avantages de ce système de protection sismique aient été bien connus, on n'était pas conscient du fait que les constructions sur appuis flottants possédaient le potentiel à la protection contre les séismes les plus forts connus à ce jour, moyennant des mesures techniques appropriées et additionnelles.

APPRECIATION DES METHODES HABITUELLES POUR VERIFIER LA SECURITE
AUX SEISMES.

Pour l'analyse numérique d'une construction, il est indispensable de connaître les propriétés mécaniques de tous les quatre éléments du système, c'est-à-dire superstructure, isolateurs eventuels, fondation et sol. Les distributions de la masse, de l'amortissement et de la rigidité dans la superstructure, les isolateurs, la fondation et le sol entrent dans le modèle mathématique du système afin de déterminer sa réponse dynamique à une charge sismique donnée.

Les méthodes d'analyse numériques qui sont couramment appliquées dans la pratique et proposées par les normes de construction en vigueur, utilisent des modèles aux éléments finis fortement simplifiés. Pour cette raison, elles ne permettent pas de satisfaire les exigences posées par la protection sismique intégrale. L'analyse spectrale, par exemple, se sert de spectres de réponse sismiques à valeurs moyennes, produisant des résultats avec une marge d'erreur possible de plusieurs centaines de pourcents, tandis que les coatis d'une analyse modale ou incrémentale linéaire sont comparables aux coats de la construction brute.Ce dernier problème se présente parce que dans le cas de la protection sismique intégrale, on cherche à retrouver réellement des éléments les plus exposés de la structure portante dont la défaillance peut être la cause de l'effondrement du système. - Comment peut-on alors vérifier dans la pratique, si la protection sismique intégrale est réellement atteinte ?
Aussi, il existe une lacune importante dans la méthode de définition du cas de charge. Il n'y a pas de relation mathématique directe entre les grandeurs sismologiques et empiriques, qui indiquent la force d'un séisme moyennant des intensités estimées ou des magnitudes mesurées, et les grandeurs utiles à l'ingénieur, basées sur la fonction d'accélération d'un signal.

- Comment, le rapport indispensable entre les cartes du risque sismique et les prescriptions légales, peut-il alors être établi pour définir le cas de charge ?
La critique se base sur le fait que - dans la protection sismique des constructions, on opère avec
un cas de charge mal défini et avec des méthodes d'analyse
numériques qui simplifient la situation réelle dans une
mesure inadmissible - les modèles aux éléments finis tels qu'on les utilise cou
ramment ne sont pas assez détaillés pour la vérification
exacte des constructions, par exemple ils sont trop coûteux
à l'application pratique puisqu'ils nécessitent une grande
résolution interne (modèles peu économiques contre résultats
peu exactes) ; - les connaissances des lois constitutives des matériaux de
construction (par exemple béton armé) sous l'excitation sis
mique sont toujours insuffisantes.

C'est pourquoi, les forces sismiques dans les constructions, calculées par convention et en accord avec les normes, doivent être considérées comme de simples estimations. Dans la pratique, les forces réelles peuvent les dépasser de plusieurs centaines de pourcents.

L'on constate alors que ces observations se trouvent confirmées par la manière de formuler la mission de protection sismique dans les normes para-sismiques modernes. On peut l'appeler mission restreinte, puisque elle exige que - les con,structions résistent aux séismes faibles, à occurrence
régulière au site de construction, avec aussi peu de dégâts
que possible et que - lors de séismes intenses ou extrêmes, la protection de la
vie humaine prévaut sur la protection des constructions elles-memes.

La raison, pourquoi, jusqu a présent, la mission de protection avait été restreinte de cette façon, n'était pas seulement parce qu'il était peu économique d'exiger pour toute construction, située dans une région à haute sismicité, une protection plus conséquente. Avant tout, il n'était pas possible dans la pratique et jusqu'à présent, de réaliser techniquement, par exemple de vérifier numériquement, la protection sismique intégrale. Pour la vérification, les éléments les plus exposés de la structure portante dont la rupture pourrait être la cause de l'effondrement du système, devraient effectivement être retrouvés. Enfin, il règne une insécurité juridique concernant la définition du cas de charge - et la science n'a pas de remède, puisqu'elle n!a pas encore fourni de bases établies pour sa définition.

Le but de la présente invention est de surmonter les défaillances mentionnées et de rendre praticable la protection sismique intégrale de constructions ou de corps semblables. Par les mesures techniques qui suivent, ces constructions ou corps semblables résisteront d'une manière répétée et sans dégâts aux plus fortes excitations mesurées jusqu'à présent au site de construction, par exemple qui pourraient survenir par des causes préalablement définies ou connues. Les mesures techniques seront telles qu'elles permettront de vérifier numériquement ou expérimentalement, d'une manière simple, store et économique, si la protection sismique intégrale est atteinte.

Dans un contexte plus élargi de l'objectif de cette invention, on vise la protection de corps contre des excitations de nature plus générale. A partles séismes naturels, peuvent être inclus dans l'invention, des séismes artificiels résultant d'explosions nucléaires ou de bombes conventionnelles, ainsi que des explosions d'explosifs, des chutes d'avions, l'impact de projectiles et d'autres effets saccadés. A part des corps comme'des'constructions, des abris ou des installations militaires, on envisage de protéger également de grandes machines et des stations d'isolateurs. Peuvent prendre le rale du milieu excité, non seulement le sol proprement dit d'une construction isolée, mais également la roche d'une caverne, le chassis d'une machine ou bien une part de la construction, elle-même porteur d'instruments menacés.Il va de soi que l'énumération susmentionnée ne prétend pas être exhaustive. Une chute d'avion, par exemple sur un bâtiment de réacteur, dans lequel se trouve une grande machine, est également à considérer comme un évènement menaçant du type visé.

Considérons un corps de la nature susmentionnée, isolé mécaniquement dans toutes les directions. L'objectif posé selon l'invention est alors atteint de telle manière qu'une zone de fréquences, appelée trou de fréquences propres, est créée. Le trou se trouve entre la plus élevée des six fréquences propres les plus basses du système (appelées fréquences propres fondamentales), et la plus basse des fréquences propres supérieures du système de l'élément oscillatoire, composé de la superstruc ture.D et des isolateurs C. Dans cette zone, l'élément oscillatoire ne possède pas de fréquences propres. Aussi, le trou de fréquences propres sera ajusté de façon à ce qu'il se trouve dans la zone de résonance du spectre de réponse représentatif de l'excitation contre laquelle le système de protection est utilisé.

Si le corps est une construction, sa conception sur appuis flottants est réalisé moyennant des éléments amortisseurs (isolateurs mécaniques) horizontalement et verticalement hautement élastiques, qui sont insérés entre la superstructure et la fondation, après avoir séparé ces deux parties de la construction.

Par des distributions appropriées de la masse de la superstructure et de la rigidité des isolateurs, les six fréquences propres fondamentales de l'élément oscillatoire peuvent être placées dans une zone se trouvant en-dessous de la zone de résonance du spectre de réponse de l'excitation et toutes les fréquences propres supérieures dans une zone se trouvant en-dessous de la zone de résonance.

La superstructure est de conception rigide. A cette fin, sa géométrie extérieure ressemblera à une botte (ou un rayon de miel) avec des murs extérieurs continus et portants, capables de reprendre les forces dynamiques agissant dans tous les sens possibles. Ainsi, une conception "adaptée aux séismes" est atteinte pour les constructions, telle qu'elle est également exigée par les normes para-sismiques pour des constructions non isolées. Par cette mesure, les fréquences propres supérieures montent au-delà de la valeur limite supérieure de la zone de rsonance spectrale, si la construction repose sur des isolateurs hautement élastiques.

La fondation est reliée au sol afin de former avec celui-ci une entité rigide. Pour cela, la fondation peut êtres conçue en forme d'une dalle continue, d'une auge ou d'un étage intermédiaire : La rigidité verticale du sol devra être au moins six à neuf fois supérieure à la rigidité verticale des isolateurs afin de pouvoir négliger l'influence de la flexibilité du sol sur le modèle numérique lors de la vérification du degré de protection atteint.

La conséquence de cette conception de la construction et des isolateurs, est de former le trou de fréquences propres que possède une construction ainsi conçue, dans la zone de résonance du spectre de réponse de séismes forts typiques.

Par une conception appropriée des divers composantes en accord avec les mesures susmentionnées de la présente invention, les constructions pourront résister, sans dégâts, aux séismes les plus forts mesurés ou à prévoir au site de construction
Elles seront protégées intégralement contre les séismes. Cette notion veut dire que la partie protégée de la construction est capable de résister aux excitations sismiques extrêmes d'une manière répétée et sans déformations élasto-plastiques (destruc tionsgdans sa structure portante.

Dans le paragraphe suivant, des exemples pratiques de la présente invention seront expliqués en plus grand détail et à l'aide des figures suivantes
- la figure 1 est un schéma d'une construction dont le site est menacé de séismes forts.

- la figure 2 est un spectre d'amplitudes de Fourier d'une excitation sismique.

- la figure 3 est un schéma d'un isolateur mécanique.

- la figure 4 est une section à travers un abri isolé placé dans une caverne.

- la figure 5 est une vue explosée en perspective du modèle d'une construction standard servant à la vérificationnumérique et expérimentale de la protection sismique intégrale.

EXCITATION DANS LE MILIEU A.

La construction menacée D, qui est représentée en figure 1, est reliée à la fondation B et le milieu environnant
A, par exemple le sol, par la zone de supports élastiques C.

P(1) et P(2) sont les points de référence d'une onde d'excitation E, par exemple un séisme, exprimé dans le domaine du temps
T, en tant que fonction d'accélération spaciale tri-dimensionnelle en translation et rotation tDE|T)0.

Sont entendus par vibrations, les mouvements dynamiques spaciaux tri-dimensionnels et dans le milieu A environnant, qui se transmettent à la zone de supports C de la construction D.

Les mouvements peuvent être en forme de chocs, de signaux périodiques, ou pseudo-périodiques.

Sont appelés des "vibrations intenses et extrêmes", des mouvements dynamiques des supports C qui menacent l'intégrité mécanique du corps D, ou qui entravent dans une mesure inadmissible par exemple empêchent complètement, son exploitation normale, tant que des mesures spécifiques de protection ne sont pas prises.

Les vibrations peuvent être définies d'une manière déterministe en fonction de la fréquence ou du temps, ou bien d'une manière probable comme formes spectrales de réponse. Le caractère typique des vibrations est spécifié sous la forme des spectres d'amplitudes et de phases selon Fourier, ou comme forme spectrale de réponse. Les grandeurs déterminantes sont le contenu en fréquences du signal, c'est-à-dire la distribution spectrale des amplitudes en fonction de la fréquence, ainsi que l'accélération maximale du signal pour le calibrer.

-Le spectre de réponse sismique, représenté dans la figure 2, est considéré comme une forme typique d'un spectre de calcul sismique. Y sont également dessinées, des fréquences propres fondamentales possibles et des fréquences propres supérieures de l'élément oscillatoire, composé du corps D et des isolateurs C. Un tel spectre de réponse est calculé avec une ou plusieurs fonctions d'excitation appropriées et standardisées.

Par une procédure numérique bien connue, on établit la réponse maximale du mouvement d'un oscillateur simple (non amorti à une excitation donnée et représentée graphiquement en fonction de la fréquence propre de l'oscillateur. I1 en résulte une bande centrale de fréquences avec des amplitudes élevées pour des vibrations sismiques typiques. Cette bande est appelée la zone de résonance d'un spectre de réponse.

En figure 2, F représente la fréquence et Sa le spectre de réponse de la vibration dans le domaine de l'accélération
Sa(max) est la valeur du sommet ou maximale de l'accélération spectrale dans la zone de résonance, et Sa(R) est sa valeur de référence ou sa valeur limite, F(1) et F(2) étant les fréquences limites respectives de la zone de résonance.

Les délimitations supérieures et inférieures de toute la zone des fréquences spectrales F, résultent du caractère spécifique de l'excitation, à l'encontre desquelles sont prises les mesures techniques proposées. La zone de résonance recouvre les fréquences propres de la structure menacée de résonance.

Cette zone est déterminée comme zone centrale II du spectre d'amplitudes dont l'accélération spectrale excède la valeur limite Sa(R). Sa(R) peut être exprimé en fonction de la valeur maximale Sa(max), par exemple Sa(R) = 0,8 x Sa(max). En-dessous de la zone de résonance II se trouve la zone I des fréquences basses non dangereuses et en-dessus se trouve la zone III des fréquences élevées.

Les fréquences propres fondamentales de la plupart des constructions tombent dans la zone II du spectre d'amplitudes de Fourier schématique. Les valeurs typiques délimitant la zone de résonance, valables pour des sols fermes se situent entre 1,6 Hz et 6,0 Hz (valeurs probables variant avec la qualité du sol). I1 en résulte la largeur suivante pour les zones respectives
Zone I : C 1.6 Hz
Zone II : entre 1,6 Hz et 6,0 Hz Zone III : < 6,0 Hz.

Il est à considérer que tout ce qui a été dit sur les fréquences propres de la structure est valable pour l'élément oscillatoire global (corps D avec isolateurs C, figure 1) et non pas pour des parts du corps D seulement.

DELIMITATION DES DAN Hz ru RESULTANT DE L'EXCITATION.

Le genre de dangers résultant des vibrations et affectant les constructions non protégées, qui sont à protéger par les mesures techniques proposées, est délimité de la manière suivante a) Danger d'effondrement, pour constructions à conception conven
tionnelle avec fréquences propres menacées de tomber en
résonance en zone I. L'excitation de la fondation B peut
causer des déformations, qui sont inadmissiblement grandes,
dans la structure portante de la construction D. I1 en résulte
la destruction des éléments de la structure portante les plus
exposés : Menace à l'intégrité mécanique (effondrement,
dégâts c'est-à-dire inaptitude au service) d'une partie ou
de la construction entière.

b) Danger de résonance, pour constructions à conception conven
tionnelle avec fréquences propres menacées de tomber en
résonance en zone II, par exemple pour instruments placés &
l'intérieur de la construction D. Les effets de résonance
produits dans la construction résultent dans la surcharge
des éléments de la structure portante concernés : Destruction
dans une partie ou dans la construction entière.

c) Danger de rupture fragile, pour constructions à conception
conventionnelle avec fréquences propres menacées de tomber
en résonance en zone III. Les vibrations du sol possèdent
un contenu de fréquences résultant des états de charge pro
ches de chocs : Destructions par rupture fragile. Les des
tructions par rupture fragile supposent un comportement fra
gile des réactions des matériaux de construction sollicités
dans la bande de fréquences de la zone III.

d) Danger de surcharge par des mouvements différentiels entre
les points d'appui de la fondation. Le passage d'une onde
de vibration E de P(1) à P(2) (figure 1) peut conduire à de
grands déplacements différentiels, entre les points d'appui
inadmissibles, pour les constructions D de dimensions impor
tantes : Dégâts résultant de la tendance des constructions
de se détacher localement des points d'appui de la fondation.

Y compris sont des dégâts résultant de combinaison de charges dues aux cas de charge a) à d) susmentionnés ;beaucoup de constructions non protégées possèdent des fréquences propres non typiquement excitables dans les zones II et III.

Les mesures techniques proposées pour atteindre la protection sismique intégrale, ainsi que la possibilité d'une vérifi cation numérique simple degré élevé de protection, seront
illustrées à l'aide de l'exemple d'une construction exposée à
des séismes extrêmes. Ces mesures peuvent être transposées
directement sur d'autres applications.

La superstructure D à protéger s'appuie sur la fonda
tion B moyennant les isolateurs C, la fondation étant reliée
fermement au sol A (figure 1). Le mouvement schématisé du sol
est appelé E.

La superstructure protégée D comprend normalement
toutes les parties structurelles qui ne sont pas reliées ferme
ment au sol. La superstructure D peut s'appuyer sur la fondation
ou reposer sur les étages du sous-sol, qui sont reliés fermement
au sol ; les derniers ayant dans ce cas la fonction d'une fonda
tion intermédiaire.

Les isolateurs mécaniques C ont une double fonction
Ils contralent le comportement oscillatoire du système élastique, d'une part et exercent un effet amortisseur, d'autre part.

En conséquence, l'isolateur illustré schématiquement en figure 3 possède un élément ressort C.1 et un élément amortisseur C.2.

Une conception technique possible d'un isolateur consiste à coller une plaque de tête et une plaque de base à des plaques intermédiaires en caoutchouc naturel. Ces plaques permettent de relier l'isolateur fermement à la superstructure, ctest-à- dire à la fondation. Les plaques en caoutchouc naturel elles mêmes, seront collées entre elles suivant un procédé de fabrication spécial, afin qu'elles puissent absorber des déformations en tension/compression et en cisaillement simultanément. La conception des isolateurs est conçue de telle sorte qu'ils sont hautement élastiques dans toutes les directions.

Des isolateurs en caoutchouc naturel sont préférés aux ressorts en acier, dû à leur-coefficient d'amortissement sensiblement supérieur et parceqw'ils correspondent normalement - avec la durabilité requise - aux exigences d'élasticité posée.

Les ressorts en acier agissant dans le sens vertical ne sont pas à ferme, dans l'état actuel de la technique, de remplir la mission donnée de protéger contre les séismes extrêmes.

Dans la position de repos du système oscillatoire, les isolateurs doivent transmettré les forces statiques de la superstructure à la fondation. Leurs positions géométriques et rigidités individuelles sont donc en principe déterminées par la distribution de la masse dans la superstructure, et ne peuvent pas être influencées sans des mesures techniques considérables.

Les charges verticales au niveau de la fondation sont donc normalement reprises là, où elles apparatssent, les types de conception suivants étant possibles : Un tapis dtisolateurs-composé d'éléments identiques ; un tapis d'isolateurs composé d'éléments individuellement adaptés ; une disposition terrassée ; le positionnement libre.

Les variantes suivantes sont possibles pour la fondation : Une fondation classique avec des dispositifs additionnels pour y intégrer le système de protection sismique (fondation reliée directement au sol) ; un étage intermédiaire séparant le sous-sol des étages supérieurs et abritant les dispositifs additionnels du système de protection sismique.

Indépendamment de la variante choisie, la conception de la fondation doit satisfaire-aux exigences suivantes : Zone d'appui conçue très rigide dans toutes les directions afin d'empêcher des déplacements relatifs entre les points d'appui protection des isolateurs des influences ambiantes nuisibles accès facile pour le contr81e, le maintien et le remplacement des isolateurs ; reprise sans faille des cas de charge classiques (poids propre, charges de service, vent et neigez
Une autre forme d'exécution de l'invention est montrée en figure 4, par un abri D appuyé à travers les isolateurs C sur les murs d'une caverne A.

I1 a été démontré numériquement que la protection sismique intégrale peut être réalisée réellement dans la pratique, si une construction sur appuis flottants dans l'espace satisfait aux trois mesures techniques suivantes
- Les six fréquences propres fondamentales (1 - 6) du système doivent être transférées en zone I (figure 2). Cela se fait moyennent des isolateurs mécaniques hautement élastiques dans toutes les directions (c'est-à-dire horizontalement et verticalement). Les deux fréquences propres les plus basses t1, 2) ne doivent pas s'élever à plus de 40 %, environ, de la fre- quence limite F(1) de la zone de résonance afin d'isoler suffisamment le système. La -fréquence propre fondamentale la plus élevée (6) peut monter tout juste au-dessous de la fréquence limite F(1) afin dfassurer la transmission adéquate des forces statiques la fondation
- La superstructure doit etre conçue assez rigidement pour que toutes les fréquences propres supérieures (7, 8 du système isolé se trouvent en zone III. A cet effet, on choisit pour la superstructure une conception semblable à une bolte ou à un rayon de miel. Les murs extérieurs de la construction sont portants, continus, massifs et ne contiennent que le minimum d'ouvertures. La continuité entre eux et des dalles, murs intérieurs et piliers est à garantir par des mesures constructives bien connues.Par une conception appropriée, on exclue des mouvements relatifs aux intersections et aux bornes des éléments aussi bien qu'aux sections de construction. I1 en résulte une conception semblable à un rayon de miel si lton se sert des dalles et des murs intérieurs portants comme renforcements naturels de la botte
- La fondation doit former une entité rigide avec le sol de construction. Pour cela, il faut choisir un sol ferme, par exemple un rocher ou des sédiments consolidés appropriés, dont la rigidité verticale est au moins six à neuf fois supérieure à la rigidité des isolateurs. La fondation-meme sera généralement conçue comme une dalle ou comme une auge.Ainsi, les mouvements relatifs entre les points de support peuvent être réduits à des grandeurs négligeables et l'influence de la flexibilité du sol peut être négligée pour le calcul.

Les mesures techniques proposées résultent dans les effets suivants - Dans la zone de résonance du spectre de calcul (zone 11,
figure 2) se forme une zone sans fréquences propres du sys
tème : Trou de fréquences propres dans la zone de résonance
du spectre d'excitation.

- Puisque les fréquences propres fondamentales du système sont
situées très bas, seules des parts considérablement réduites
du contenu en fréquences supérieures de l'excitation E sont
transmises à la superstructure. Le danger de rupture fragile
de la superstructure est ainsi écarté.

- Grâce à la conception rigide et au degré d'isolation élevé,
il n'y a plus de danger d'effondrement de la superstructure.

- Les déplacements différentiels possibles entre les points
d'appui lors du passage du déplacement des ondes, sont saisis a à la source" (mouvements relatifs entre les isolateurs
hautement élastiques), ainsi réduisant considérablement le - danger d'une surcharge locale de la superstructure.

En plus, il en résulte des simplifications importantes additionnelles pour le modèle mathématique du calcul - Pour les besoins de l'analyse numérique, la superstructure
peut être traitée comme un corps rigide, et cela mUme pendant
l'étape principale de l'analyse sismique numérique. Ainsi, le
corps rigide ne possède plus que les six degrés de liberté du
corps rigide dans l'espace. Comparé aux "solutions exactes",
la qualité des résultats ne se trouve guère influencée.

- L'influence de la flexibilité du sol peut être négligée dans
le modèle mathématique, si les fréquences propres dites
"free-field", dans l'état non chargé du sol, sont au moins
deux et demi à trois fois supérieures à la fréquence propre
fondamentale la plus élevée de la construction isolée. Dans
ce cas, l'interaction construction/sol peut titre négligée.

- L'influence des fréquences propres supérieures (dès la 7ème
fréquence du système) sur les forces agissant sur la partie
protégée de 1 construction peut être négligée dans le modèle
mathématique.

- Les problèmes de résonance dans la partie protégée des cons
tructions peuvent être traités localement, due à sa conception
rigide. I1 n'y a pratiquement plus d'interaction possible
entre les éléments menacés de résonance au niveau local et la
partie protégée de la construction, dûe à sa conception rigide.

L'outil permettant de réaliser la vérification de la sécurité aux séismes extrêmes dans la pratique, est un élément clé, vu l'objectif fixé de la protection sismique intégrale. Le procédé suivant est considéré adéquat pour fournir cette vérification, et cela jusqu'à une excitation correspondant aux séismes extrêmes. Ce procédé est basé sur le fait qu'une définition appropriée du cas de charge permet de distinguer les séismes extrêmes de par leur intensité et caractère, des séismes standard, à occurrence periodique dans les régions à haute sismicité.

(Une définition analogue au cas de charge est possible pour les autres cas de charge dynamique précités). La vérification numérique de la sécurité aux séismes sera alors effectuée selon le schéma suivant
Etape 1 : Définir les cas de charge "séismes extrêmes" et
"séismes standard" valables pour le site de cons
truction.

Etape 2 : Vérifier la sécurité aux "séismes standard" des
constructions sans système de protection sismique
selon les règles des normes para-sismiques de la
région concernée en supposant une limitation aux
déformations élastiques selon les normes.

Etape 3 : Chercher les directions d'incidence les plus défavo
rables moyennant des séismes de calcul tri-dimen
sionnels en les tournant autour de la fondation afin
de trouver les valeurs extrêmes de la réponse
calcul spectral ou modal répétitif avec "séismes
extrêmes ".

Etape 4 : Analyser le comportement des valeurs de réponse
extrêmes (mouvements et forces) en variant systéma
tiquement les distributions de la masse, de l'amor
tissement et de la rigidité des constructions avec
système d protection sismique - Analyse paramétri
que moyennant une analyse spectrale répétitive pour
les directions d'incidence les plus défavorables.

Etape 5 : Déterminer les valeurs extrêmes de la réponse (mou
vements et forces) du système entier, et de ses par
ties, des constructions avec système de protection
sismique - estimation modale ou incrémentale avec
"séismes extrêmes" pour les directions d'incidence
les plus défavorables.

Etape-6 : Intégrer les valeurs extrêmes de la réponse dans
l'analyse statique et le dimensionnement de la struc
ture portante - Vérification de la sécurité propre
ment dite.

Etape 7 : Evaluer le danger de résonances locales dans des
parties distinctes de la construction moyennant des
modèles aux éléments finis et en utilisant la répon
se cinématique (obtenue dans l'étape 5) comme fonc
tions de charge.

Pour les étapes 4 à 6, la structure portante doit introdute comme modèle spacial mathématique tri-dimensionnel.

La résolution interne de la structure portante sera détaillée jusqu'à ce que l'analyse permette de trouver effectivement les éléments les plus exposés qui subiront en premiers des déformations élasto-plastiques (destructions).

Un modèle d'une construction standard a été choisi pour confirmer expérimentalement les résultats obtenus numériquement.

A cet effet, il a été soumis à des vibrations correspondant aux séismes les plus forts connus à ce jour afin de confirmer les résultats de la vérification numérique.

La construction standard est représentée en vue éclatée en figure 5. Cette figure montre sa conception statique et dynamique concise et simple. La vue en plan possède une symétrie ponctuelle, la conception est monolithique, compacte et elle s'approche d'une boute, c'est-à-dire d'un rayon de miel. Cela garantit une construction solide et rigide. La superstructure est à nouveau désignée D, les isolateurs C et a fondation B.

Les dalles des étages D.1, le toit D.2, le noyau avec la cage d'escaliers D.3, les murs intérieurs et extérieurs D.4 et les piliers D.5 contribuent tous à la rigidité de la construction.

Cette construction standard est représentative pour des bâtiments-tours.

La faisabilité pratique de la Protection Sismique
Intégrale a ainsi pu eAtre prouvéenumériquement et expérimentalement à l'aide de cette construction. Dans la zone de résonance du spectre de calcul sismique se forme - selon l'invention - le trou de fréquences propres.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S 10) Corps, protégé intégralement des dégâts provoqués par des vibrations du sous-sol flottant sur des isolateurs mécaniques, hautement élastiques dans toutes les directions, le reliant à une base, cette base est elle-même reliée fermement au sous-sol, ce système est caractérisé par l'existence d'une zone de fréquences, appelée trou de fréquences propres, entre la plus élevée (6) des six fréquences propres les plus basses du système (1 - 6), appelées fréquences propres fondamentales, et la plus basse (7) des fréquences propres supérieures du système (7, 8 ...) de l'élément oscillatoire, composé du corps (D) et des isolateurs (C), dans le trou de fréquences propres, couvrant la zone de résonance du spectre de réponse représentatif pour la vibration dynamique (E), l'élément oscillatoire ne possède pas de fréquences propres.

20) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux fréquences propres fondamentales les plus basses (1, 2) ne s'élèvent pas à plus de 40 % de la fréquence propre fondamentale la plus élevée (6).
30) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fréquence propre fondamentale la plus élevée (6) n'excède pas sensiblement 1,6 Hz et la plus basse des fréquences propres supérieures (7) ne tombe pas sensiblement-en-dessous de 6,0 Hz.
40) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est conçu semblable à une botte ou à un rayon de miel, avec des murs extérieurs continus et portants.
50) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments porteurs intérieurs participent au renforcement intérieur du corps
60) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fondation (B) est conçue en tant que dalle continue ou qu'auge.
70) Corps selon la revendication 1, caractérisé par l'existence d'un sous-sol ferme.
80) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la rigidité verticale des isolateurs est au moins six fois inférieure la rigidité verticale du sous-sol et à la rigidité verticale du corps-meme.
90) Corps selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps peut être une construction, une machine ou une station 'isolateurs.