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calcul batiment avec robot structural analysis

dossier technique - S2AER

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batiment avec le logiciél robot structural analysis et dimensionnement des refends pour le contreventeme

Description

MÉMOIRE DE PFE Développement de la technologie BIM et dimensionnement au séisme

Yann TRÉGOAT Étudiant en 5ème année Spécialité Génie Civil Promotion 2016

Tuteur Pédagogique

Tuteur Entreprise

Vincent STEINER Enseignant à l’INSA de Strasbourg M

Xavier FREY Ingénieur Structure chez SBE Ingénierie

SOMMAIRE REMERCIEMENTS

PRÉSENTATION DU PFE

Présentation de l’entreprise

Présentation de l’étude

Présentation des projets pilote BIM Structure

Projet pilote pour l’étude sismique – L’ORIGINE DES SOURCES

Projet pilote pour l’étude structurelle générale et synthèse

- FISCHART

MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE PARASISMIQUE

Cadrage de l’étude et intérêt

Problématiques de modélisation

Analyse des prérequis de modélisation avant exportation

L’Origine des Sources: Hypothèses de modélisation pour l’analyse sismique

Modélisation finale pour étude parasismique

Calculs parasismiques

Hypothèses de calcul

Analyse modale spectrale sur ROBOT

Analyse sismique avec spectre horizontal de calcul

Conclusion de l’analyse

Exploitation des résultats

Points sensibles du projet

Dimensionnement des armatures réelles BA

Rédaction d’un mode opératoire BIM d’analyse sismique

MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE STATIQUE COMPLEXE

Cadrage de l’étude et intérêt

Paramètres des DDC manuelle et DDC ROBOT

Résultats

Résultats comparés en réactions d’appuis

Résultats comparés en dimensionnement

Conclusion de l’étude

MAQUETTE NUMÉRIQUE ET SYNTHÈSE INTERNE BIM

Intérêt de la synthèse interne BIM pour le département Structure

But et problématiques de développement

Solutions de collaboration avec REVIT

Solution 1 : Travail en Projets Partagés (PP)

Solution 2 : Travail en Fichiers Liés (FL)

Planning de modélisation

Besoins de chaque département en terme de modélisation

Planning indicatif sommaire de modélisation

Test de fonctionnement

Gabarits de projet

Objectifs des gabarits

Gabarits de Structure

Gabarit STR Logement Neuf BA

L’export de plans DWG pour la phase EXE

Problématiques de la mise en plan de la maquette numérique

Transition REVIT-AutoCAD chez SBE

Avantages BIM de la mise en plan AutoCAD

CONCLUSION

66 ANNEXES

Mittelhausbergen

Sous-sol Bât D,

Fischart en DDC Manuelle

REMERCIEMENTS Je tiens avant tout à remercier Mme

Michèle KANNENGIESER,

Directrice de SBE Ingénierie,

pour m’avoir offert l’opportunité de ce PFE complet,

formateur et innovant ainsi que pour son grand soutien tout au long de mes démarches de développement

Je remercie également mon tuteur entreprise M

Xavier FREY ainsi que M

Thomas OBER,

Richard RUNTZ,

Alain KANNENGIESER,

leur enseignement et leur implication qui ont toujours été une grande source de motivation et d’inspiration

Mes remerciements vont également à l’ensemble des ingénieurs et projeteurs d’SBE Ingénierie pour leur collaboration et leur enthousiasme durant mon PFE : M

Chakir LAMARTI,

Damien JEHL,

Xavier GRASSER,

Emanuel JUNG,

François SKRIPALLE,

Sébastien VAUDRY et M

Michael SILVA

Merci aussi à l’équipe d’administration pour leur collaboration et leur bonne humeur : Mme

Monique BOUÉ et M

Clément PAILLET,

mais aussi aux autres stagiaires avec qui j’ai pu partager cette expérience riche : Loïc,

Issam et Michael

Enfin je remercie M

Vincent STEINER,

pour son suivi avisé et toujours sympathique tout au long de mon PFE,

ainsi que l’ensemble de l’équipe pédagogique de la spécialité Génie Civil de l’INSA de Strasbourg

INTRODUCTION J’ai effectué mon Projet de Fin d’Études (PFE) au sein du groupe d’ingénieurs Structure du bureau d’études SBE Ingénierie basé à La Wantzenau

La ligne directrice de ce projet est la mise en place d’un environnement BIM couvrant trois niveaux d’intervention : premièrement,

pour le travail collaboratif sur une même maquette des départements Structure,

Fluides et Électricité du bureau d’études,

pour l’optimisation de la mise en plan nécessaire au travail de l’ensemble des collaborateurs de SBE

Pour mener à bien cette transition,

j’ai travaillé sur deux projets pilote qui étaient en cours d’étude

Partant d’une connaissance quasi-nulle du BIM en général et du fonctionnement d’un bureau de maîtrise d’œuvre tout corps d’état,

ce stage de PFE m’a apporté un enseignement aussi riche que formateur

Je me suis confronté à des problématiques de conception bien réelles tout en essayant de développer un système qui va radicalement changer les méthodes de travail et le fonctionnement

L’appui de l’ensemble des ingénieurs qui m’encadraient a donc été primordial et m’a permis de toujours conserver une certaine critique face aux avancées et résultats obtenus

Ce rapport synthétise la totalité des recherches et des études sur l’environnement BIM développé au cours de ces 20 semaines de PFE

Il se décompose en quatre parties

La première présente le bureau d’études,

les problématiques du sujet ainsi que les deux projets pilotes qui ont servi au développement des applications en Structure

Dans la deuxième est présentée l’étude parasismique complète du premier projet pilote,

de la modélisation au dimensionnement des armatures de béton armé ainsi que le développement du process BIM pour cette application structurelle

Dans un troisième temps,

une courte étude fait part de l’application pour l’analyse structurelle complexe sur le deuxième projet pilote,

des problématiques de calcul rencontrées et des conclusions obtenues

la quatrième partie présente l’ensemble du développement réalisé pour le travail collaboratif interne en BIM,

de la modélisation en phase APS à la mise en plan EXE à partir de la maquette numérique

PRÉSENTATION DU PFE 1

Présentation de l’entreprise

Solutions Bureau d’Études S

S est un bureau de maitrise d’œuvre créé en 1968 par M

Alain Kannengieser (ingénieur ENSAIS)

Durant près de 50 ans,

l’entreprise développe son activité sur le territoire de Strasbourg,

Metz et Mulhouse avec une politique d’adaptation continuelle aux exigences de performances structurelles,

Figure 1 Logo Les missions du bureau se déclinent sous tous les aspects de la maîtrise d’œuvre,

de la conception à l’exécution :

- Santé

Les récentes réalisations remarquables de SBE en Génie Civil sont,

l’église orthodoxe russe à Strasbourg,

le hangar de fret de l’aéroport international d’Entzheim,

la restructuration de la faculté de pharmacie de Strasbourg et la réhabilitation des anciennes archives départementales à Strasbourg rue Fischart

Figure 2 Siège de la Wantzenau

Figure 3 Projet Fischart (à droite) & Église orthodoxe (à gauche)

Présentation de l’étude

Le but principal de mon PFE est le développement de la technologie BIM,

au sein de la cellule Structure chez SBE Ingénierie,

dans un premier temps pour le calcul parasismique sur des bâtiments dits irréguliers au sens de l’Eurocode 8

Mes recherches sur le sujet ont consisté à tester et analyser les interactions de maquettes numériques REVIT avec le logiciel de calculs de structure Robot Structural Analysis Pro

Ces analyses m’ont permis de développer un mode opératoire de calcul parasismique et de dimensionnement

SBE intervenant en tant que MOE tout corps d’état de la plupart de ses projets,

la mise en place d’un processus de synthèse BIM a été la deuxième priorité de mon projet

J’ai donc parallèlement développé des modes opératoires permettant de réaliser des métrés,

des synthèses d’équipements et des estimatifs de coûts à partir de la maquette numérique

L’environnement BIM étant un concept relativement nouveau pour l’entreprise,

son développement ne s’est pas fait de façon linéaire

Les applications concernées par mon PFE avaient pour vocation essentielle la compréhension globale de la maquette numérique et de ses débouchés afin d’appréhender l’ampleur de l’optimisation possible

Au delà des études structurelles et techniques,

mon travail a surtout servi à dégager une base pour un changement radical de méthode de travail

L’objectif général était d’arriver à un environnement collaboratif BIM de niveau 2

J’ai réalisé l’ensemble de mes travaux d’analyse structurelle sur deux projets pilote :

projet de réhabilitation des anciennes archives départementales rue Fischart à Strasbourg

Le choix de ces projets se basait non seulement sur une raison de calendrier mais également de stratégie de développement

En effet,

commencer par un sujet très précis et complexe comme l’analyse sismique m’a permis de développer un outil pouvant répondre aux besoins fondamentaux en matière d’analyse structurelle

Avec les résultats obtenus,

j’ai pu étendre ma démarche à des applications plus généralistes,

de la synthèse ou de la mise en forme pour les rendus

Le développement de la synthèse BIM interne s’est effectué sur plusieurs autres opérations,

à chaque fois de manière ciblée sur une problématique du projet,

pour tester les outils mis en place

Les enjeux de cette première phase de développement ont donc été :

Afin de mener à terme mon projet dans le temps imparti du stage,

nous avons entrepris le schéma de développement suivant :

Figure 4 Schéma de développement de l'environnement BIM chez SBE Ingénierie

Présentation des projets pilote BIM Structure

Projet pilote pour l’étude sismique – L’ORIGINE DES SOURCES

Figure 5 Perspective extérieure côté rue de la Victoire

Le projet de L’Origine des Sources est un programme d’opération locative PLUS & PLAI de 13 logements sur la commune de Mittelhausbergen

Il est composé de deux blocs en R+2/R+3 + Sous-sol (nommés A et B pour l’étude) reliés entre eux par une cage d’escalier et des circulations extérieures en coursives

Il dispose d’une toiture végétalisée sur l’attique du bloc B en R+3 et d’un garage vélos attenant

Figure 6 Perspective des coursives

RDC R+1 R+2 R+3

6 logts T3

Tableau 1 Répartition de la surface des logements

Structure : Le bâtiment est composé de deux blocs structurellement indépendants (séparés par un joint de dilatation)

La cage d’ascenseur est reliée au bloc B et la cage d’escalier desservant les coursives est reliée au bloc A

Les deux blocs sont constitués de voiles et dalles en béton coulé sur place

Les coursives et balcons sont séparés des blocs par des rupteurs thermiques

Figure 7 Élévation façade Est

Ce projet a été choisi comme projet pilote essentiellement pour sa simplicité face aux problématiques de modélisation BIM et de calculs sismiques

Le planning des études a également joué sur ce choix car il était calé sur celui de mon PFE

Des ratios de temps ont pu être dégagés entre l’utilisation du BIM et le calcul traditionnel

ce type de projet est représentatif de la majeure partie des opérations du bureau d’étude,

il était donc judicieux de le choisir comme exemple de référence pour l’édition de modes opératoires sismiques et de tutoriels internes

Projet pilote pour l’étude structurelle générale et synthèse

- FISCHART

Figure 8 Perspective extérieure côté avenue de la Forêt Noire

Le projet de réhabilitation des anciennes archives départementales rue Fischart est une opération foncière de 55 logements clé en main

Il est composé des trois bâtiments existants A,

B et C de style Neustadt en R+5 ainsi que d’un nouveau bâtiment D'en R+3

Figure 9 Perspective aérienne du projet

RDC R+1 R+2 R+3 R+4 R+5 TOTAL 2 (m HAB)

4 logts T3

Tableau 2 Répartition de la surface des logements

- Fischart

Structure : La réalisation du projet comporte des travaux importants de restructuration :

Figure 10 Élévation façades Est

Contrairement au premier projet,

celui-ci présente une certaine complexité et donc des études conséquentes en structure

Le but de la modélisation BIM sur l’opération était de gagner un temps important sur les calculs de descente de charges sur la structure atypique du bâtiment D'ainsi que sur les métrés de voiles et de dalles

La modélisation a également servi d’outil de communication permettant au bureau d’étude de présenter ses nouvelles compétences BIM à ses interlocuteurs directs (architectes et MOA)

MAQUETTE NUMÉRIQUE ET ÉTUDE PARASISMIQUE

Cadrage de l’étude et intérêt

Ma première mission de développement BIM a été la rédaction d’un mode opératoire pour le calcul parasismique à partir d’une maquette numérique réalisée sur REVIT

Afin d’appréhender l’ensemble des problématiques de ce développement,

j’ai travaillé sur le projet de l’Origine des Sources et ai réalisé une étude sismique complète à l’Eurocode 8 sur les deux blocs A et B,

dont le rendu au stade PRO était programmé pour fin mars 2016

La cellule structure n’étant familiarisée ni avec l’analyse modale sur ROBOT,

ni avec l’environnement BIM,

cette étude a permis de développer simultanément le support de modélisation et une application structure qui manquait au panel d’outils des ingénieurs

Dans le cadre général de mon PFE,

le but de cette étude n’était donc pas de rédiger l’ensemble des notes de calculs sismiques mais bien de dégager un mode opératoire clair et exhaustif qui puisse servir de base documentaire pour la cellule structure

Le mode opératoire réalisé,

détaille ainsi (Voir Annexe 1) :

déplacements et ferraillage La mise en forme de l’étude a fait l’objet de la création d’un gabarit REVIT (Cf

d’un fichier Word pour la note sismique et d’une note de calcul Excel de vérification sismique

Problématiques de modélisation

Bien que facilitant considérablement le travail de modélisation pour l’étude structurelle,

REVIT contient un nombre important de paramètres dont il faut assurer la justesse afin d’obtenir un modèle juste sur ROBOT

Durant les premières semaines de mon PFE,

mon travail a essentiellement consisté à explorer et analyser l’impact de ces paramètres sur le calcul

Analyse des prérequis de modélisation avant exportation 2

Modèle physique / modèle analytique Toute modélisation d’un bâtiment sur REVIT apparaît en premier temps sous la forme d’un modèle physique,

c’est-à-dire un modèle 3D plus ou moins réaliste du projet

Ce modèle sert aux rendus visuels et de synthèse pour l’architecte et le MOA

Il prend en compte les épaisseurs de murs,

les éléments de second œuvre et même la topographie du site

Figure 11 Modèle physique REVIT de l'Origine des Sources (maquette architecte)

Les murs,

dalles et poutres peuvent être tracés selon des axes,

fenêtres positionnées sur ces murs

Lorsqu’elle est créée par l’architecte,

l’ingénieur ou le projeteur,

la maquette numérique produit automatiquement ce modèle physique et un modèle secondaire dit « analytique » Ce second modèle est un modèle théorique pour le calcul structurel et thermique,

créé simultanément avec le modèle physique (pour les éléments structuraux uniquement)

Il prend en compte toutes les caractéristiques physiques et thermiques des éléments de structure et les simplifie par des plaques et des barres (comme sur ROBOT)

Figure 12 Modèle analytique REVIT de l'Origine des Sources (maquette architecte)

Les caractéristiques du modèle analytique sont modifiables,

de manière globale ou localisée

L’ajustement automatique (justification des plans de murs,

jonctions mursdalles) fonctionne relativement bien pour les géométries simples

Pour des projets plus complexes,

notamment celui du bâtiment D'de Fischart,

il faut trouver une logique de modélisation physique pour obtenir le rendu analytique le plus précis possible puis ajuster manuellement les zones imprécises

Propriétés de matériaux Chaque élément (mur,

poutre) modélisé possède une batterie de propriétés géométriques,

Ces propriétés peuvent être modifiées par la création de nouvelles géométries et/ou la création de nouveaux matériaux

Dans le cadre de l’analyse sismique,

cette modularité des propriétés de matériaux a toute son importance car elle permet,

dès le stade de la modélisation 3D,

de prendre en compte les spécificités structurelles du béton des voiles de contreventement pour ce type d’analyse

Figure 13 Propriétés des matériaux sur REVIT

En effet,

pour prendre en compte l’état fissuré du béton lors d’un séisme,

Maillage ROBOT pour le calcul À partir du modèle analytique de la modélisation REVIT,

le logiciel de calcul de structure va générer un maillage d’éléments finis sur les plaques et les barres

Ce maillage est une étape clé de l’analyse car c’est lui qui va jouer un rôle déterminant sur la précision des résultats

Autrement dit,

une modélisation REVIT irréprochable ne pourra pas donner de résultats corrects d’analyse structurelle si le maillage généré sur ROBOT n’est pas adapté

De la même façon,

le maillage ROBOT nécessite une modélisation REVIT sans erreur sur le modèle analytique,

sans quoi le logiciel n’arrivera pas à calculer

Durant les premières semaines de mon PFE,

j’ai étudié l’influence du modèle analytique sur ce maillage

Je me suis d’abord servi de la maquette architecte,

dont le modèle analytique n’a pas été traité,

pour identifier le champ global des problèmes pouvant être rencontrés

Puis j’ai tenté de modifier le modèle analytique pour arriver à un rendu viable pour la génération du maillage

Malheureusement,

la maquette architecte était déjà trop détaillée et ajustée pour opérer efficacement sur le modèle analytique,

qui était parasité notamment par des éléments de secondœuvre

J’ai donc re-modélisé le projet pour partir d’une base saine

Figure 14 Exemple du non fonctionnement du maillage ROBOT à partir de la modélisation architecte

Quelques considérations simples m’ont permis de réaliser un modèle générant un maillage sans erreur :

L’Origine des Sources: Hypothèses de modélisation pour l’analyse sismique 2

Hypothèses de fonctionnement structurel

Le projet est composé de deux blocs structurellement indépendants,

séparés par un joint de dilatation

Dans l’analyse sismique suivante,

on calcule donc les déplacements de chaque bloc indépendamment (calculs du BLOC B en 2

calculs du BLOC A en Annexe 2) Pour des raisons de considération des rupteurs thermiques et acoustiques,

les dalles de balcon ne sont pas représentées dans le modèle analytique car elles ne s’apparentent pas à des éléments rigidifiant la structure

Pour le BLOC B,

seules les dalles basses et hautes du sous-sol faisant la jonction avec la cage d’ascenseur sont prises en compte car elles constituent une attache rigide de la base de la cage d’ascenseur au bâtiment

Points faibles de la modélisation Certaines propriétés géométriques entre le modèle physique et le modèle analytique sont à prendre en compte pour estimer la précision des résultats du calcul parasismique sur ROBOT,

qui se base donc sur le modèle analytique de la maquette REVIT

En effet,

le logiciel de calcul génère son maillage aux éléments finis aux dimensions de ce modèle qui,

diffère sensiblement du modèle physique réel

De manière générale,

le modèle analytique aura tendance à redistribuer la matière au niveau des jonctions dalle-voile au profit des voiles

Les plaques théoriques les représentant sont donc toutes augmentées en hauteur d’une épaisseur de dalle

Ceci s’explique par le fait que le modèle analytique d’une dalle est représenté par un plan sur la surface supérieure de la dalle

Bien que cette subtilité de représentation ne présente aucun problème au niveau des sommes d’efforts et de réactions d’appuis,

elle est à considérer au niveau des déplacements,

justement au niveau des jonctions dalle-voiles où l’erreur peut atteindre une amplitude de ±7%

Dans notre étude,

les résultats en déplacement étant relativement faibles,

nous avons considéré cette erreur négligeable

Modélisation finale pour étude parasismique Le modèle analytique final comportait les caractéristiques suivantes :

Figure 15 Modélisation REVIT finale pour analyse parasismique (modèle analytique)

Calculs parasismiques

Hypothèses de calcul 2

Eurocode 8 et PS 92 Sur la base de mes cours de conception parasismique de l’INSA et grâce aux deux ouvrages de conception parasismique à l’Eurocode 8 {1}{2},

j’ai pu extraire les hypothèses normatives les plus adaptées au calcul sismique du projet pilote

De manière générale,

là où l’Eurocode 8 ne donnait pas de précision suffisante,

notamment pour l’analyse modale,

j’ai utilisé les règles du PS 92

Pour l’analyse sismique de l’Origine des Sources,

j’ai principalement utilisé les articles suivants :

module d’Young divisé par 2 (EN 1998-1 Art

il convient de minorer la valeur de q0 de 20%

! Dans le cas où le nombre de modes est insuffisant pour conclure,

on peut redémarrer les calculs uniquement pour des modes supplémentaires (ce qui évite de tout recalculer)

Dans le menu ANALYSE : o REDÉMARRER LES CALCULS,

une boîte de dialogue s’ouvre : o Sélectionner ANALYSE MODALE

Dans la boîte de dialogue de l’analyse,

modifier le nombre total de modes Cocher la case REDÉMARRER LES CALCULS UNIQUEMENT AVEC LES MODES SUPPLÉMENTAIRES Valider en cliquant sur OK

De retour sur la première boîte de dialogue,

cliquer sur REDÉMARRER LES CALCULS

Modes prépondérant & Combinaison modale

! Une fois le nombre de modes atteint pour une fréquence > 33 Hz,

relever pour chaque direction le mode prépondérant et le noter dans le tableau de la feuille de calculs,

section Résultats de l’analyse modale sur ROBOT

! Ajouter la masse totale excité (en Tonnes) à l’emplacement m1 = … T

! Afin de vérifier le type de combinaison modale à utiliser pour la suite des calculs,

cliquer droit sur le tableau des résultats modaux dans ROBOT

Puis cliquer sur COLONNES

! Dans la boîte de dialogue apparaissant,

cocher la case PROPORTIONS DES PÉRIODES TI/TJ et valider sur OK

! Dans le tableau des modes apparaît pour chaque mode le rapport Ti/Tj ainsi que le type de combinaison modale utilisée par le logiciel : CQC ou SRSS

Vérification de l’analyse modale Dans la section qui suit,

on vérifie le bon fonctionnement de l’analyse modale ROBOT avec la feuille de calculs Excel

Paramètres de vérification des masses modales excitées Dans le tableau de charges sismiques de la feuille de calculs,

section Vérification de la masse modale totale,

entrer la valeur de charge sismique prise par ROBOT :

aller dans le menu RÉSULTATS,

RÉACTIONS pour afficher le tableau des réactions

! Choisir le cas de charge dans le menu déroulant : PERM,

EXPLOIT,

! Aller tout en bas du tableau de réactions et relever la valeur comme sur l’image suivante :

! Effectuer pour chaque cas de charge en changeant le cas dans le menu déroulant

Masse totale de la descente de charges sismique La somme totale de la descente de charges sismique et sa conversion en masse se fait automatiquement sur la feuille de calculs et donne un résultat m2 en tonnes

Dans la plupart des cas,

cette somme est différente de la masse totale excitée par l’analyse modale ROBOT

Le calcul de l’écart m2-m1 est fait automatiquement

Cet écart s’explique par la non prise en compte des masses des voiles et dalle en liaison direct avec les appuis,

La manipulation suivante consiste à estimer la quantité de masse non excitée et à la comparer à l’écart m2-m1

Linéaire de voiles lié aux appuis Pour calculer cette quantité,

il faut relever le linéaire de voile (= au linéaire de dalle) en lien direct avec les fondations

Cette valeur peut être facilement extraite avec une bonne précision de la nomenclature des murs dans REVIT

Sur la feuille de calculs,

à la section Vérification de la masse modale totale :

! Entrer le linéaire de voiles : L'= … m

! Entrer l’épaisseur des voiles en contact avec les appuis : ev = … m

! Entrer l’épaisseur de la dalle en contact avec les appuis : ed = … m

! Entrer la taille des éléments finis du maillage ROBOT

La masse non prise en compte dans l’analyse modale (m,npc) est calculée automatiquement en fonction de ces paramètres ainsi que l’erreur relative avec m2-m1

Si l’erreur relative est > 1%

alors on peut juger que le modèle est incohérent

Ceci peut être dû à une erreur de modélisation,

de justification du modèle analytique ou d’implémentation de charges

Analyse sismique Lorsque l’ensemble des vérifications de l’analyse modales est validé,

on peut alors éditer une analyse sismique à l’EN 1998-1

Paramètres de l’analyse sismique Le module d’analyse sismique ROBOT permet d’entrer les mêmes données que sur la feuille de calcul,

dans le but de calculer une accélération sismique d’après le spectre de référence

Avant de lancer cette analyse,

certains paramètres doivent être pris en compte :

Régularité du bâtiment Sur la feuille de calcul,

on a déjà renseigné la régularité du bâtiment,

il faut juste s’assurer que le choix opéré correspond bien aux critères de l’EC 8 car ce paramètre est déterminant pour le calcul du coefficient de comportement,

Dans le cas d’une irrégularité en élévation,

un coefficient réducteur de 20% s’applique automatiquement au résultat final du coefficient de comportement

Type de structure de contreventement Là aussi,

on a déjà renseigné ce paramètre sur la feuille de calcul

Il faut juste s’assurer que le choix effectué n’augmente pas trop le coefficient de comportement dans le cas d’une irrégularité

De manière générale,

plus le coefficient de comportement sera élevé,

moins les efforts sismiques dans la structure seront importants

Calcul du coefficient de comportement Le calcul du coefficient de comportement est assez fastidieux,

selon les types de contreventement

Une partie de son calcul est donc automatisé sur la feuille Excel

Son calcul consiste à prendre le maximum entre 1,50 et la valeur q0 x kw

Valeur de base q0 Le calcul de q0 peut mener soit à une valeur numérique,

soit à une formule impliquant un autre rapport en fonction de la classe de ductilité choisie (DCL,

DCM ou DCH)

Dans la feuille de calculs,

à la section Calcul du coefficient de comportement :

! Dans le cas où une formule s’affiche,

renseigner la valeur de αu/αi (menu déroulant,

se référer au tableau présent dans la feuille à l’onglet Tableaux de valeurs EC)

! Dans le cas où une valeur s’affiche,

cette valeur est celle de q0 (calculée automatiquement)

Cas d’un contreventement mixte,

le coefficient de mode de rupture kw est égal à 1

Cette valeur est comptabilisée automatiquement

Aucune autre manipulation n’est nécessaire et le résultat de q s’affiche

Cas d’un système de murs Dans ce cas,

une étape supplémentaire est nécessaire

Deux lignes s’affichent :

! Renseigner la somme des hauteurs tous niveaux confondus des voiles de contreventement : Σhwi = … m

! Renseigner la longueur cumulée des voiles de contreventement : ΣLwi = … m

Remarque : ces valeurs ne peuvent être automatisées car elles sont propres à chaque projet

La meilleure méthode de sommation est de regarder 1 à 1 les voiles de contreventement et d’additionner leur hauteur sur tout étage et leurs longueur

Exemple : 3 voiles Voile n° Longueur (m) Étages plombants Hauteurs d’étages (m) 1 5,00 2 + SS Sous-sol = 2,80 2 7,00 3 RDC = 3,00 3 12,00 3 + SS R+1 à R+3 = 3,00 On obtient par sommation : Σhwi = (2*3,00+ 1*2,80) + (3*3,00) + (3*3,00 + 1*2,80) = 29,60 m ΣLwi = 5,00 + 7,00 + 12,00 = 24 m Une fois ces valeurs rentrées,

on obtient automatiquement la valeur de q

Édition de l’analyse sismique ROBOT Une fois le coefficient de comportement final obtenu,

on peut définir l’analyse sismique sur ROBOT

Pour cela :

! Ouvrir la boîte de dialogue TYPES D’ANALYSES et cliquer sur NOUVEAU

! Une autre boîte de dialogue apparaît

Cocher SISMIQUE et choisir la norme EN 1998-1 dans le menu déroulant

! Les paramètres de l’analyse sismique à l’EC 8 s’affichent

Renseigner : o Le département (vérifier la zone de sismicité qui s’affiche

!) o La classe d’importance du bâtiment o La classe de sol o La valeur de coefficient de comportement calculé sur la feuille Excel

les modes de vibrations choisis et l’addition d’un mode résiduel si besoin : o Définir la direction o Filtres o Mode résiduel 7

Combinaisons de Newmark En cliquant dur le bouton DÉFINIR LA DIRECTION,

on ouvre la boîte de dialogue ci-dessous :

! Cocher les jeux 1,2 et 3 pour obtenir les 12 combinaisons sismiques de Newmark

Ces combinaisons permettent de prendre en compte le séisme dans sa globalité dans les trois directions de l’espace

Filtre des modes utiles

! De retour dans les paramètres de l’analyse sismique,

! Régler la plage de modes intéressants pour l’analyse sismique (exemple : 1A23 = les 23 premiers modes,

de préférence ceux dont la fréquence est < 33 Hz)

Dans le cas de l’ajout d’un mode résiduel,

ce filtre permet de ne pas prendre en compte dans le calcul sismique les modes inutiles

Mode résiduel

! De retour dans les paramètres de l’analyse sismique,

cocher la case à gauche du bouton grisé MODE RÉSIDUEL puis cliquer sur le bouton

! Afin de se limiter à une fréquence de coupure de 33 Hz,

cocher la case LIMITE DE FRÉQUENCE puis cliquer sur OK

! De retour dans les paramètres de l’analyse sismique,

cliquer sur OK pour valider les paramètres

L’ensemble des cas de charge sismiques est ainsi créé dans la boîte de dialogue TYPE D’ANALYSE

! Cliquer sur CALCUL pour lancer l’analyse

Les calculs peuvent prendre jusqu’à 5 minutes en fonction du nombre de modes

Vérification de l’analyse sismique Une fois les calculs achevés,

on peut vérifier le bon fonctionnement de l’analyse sismique en comparant les résultats ROBOT avec les calculs théoriques sur la feuille Excel

Édition des tableaux de torseurs sismiques ROBOT

! Dans le Tableau des RÉACTIONS,

choisir le cas de charge SISMIQUE X dans le menu déroulant puis le mode prépondérant selon X dans l’autre menu déroulant

Vérification des torseurs sismiques ROBOT avec la théorie

! En bas de tableau s’affiche alors la somme de l’effort tranchant sismique à la base du bâtiment

Reporter cette valeur sur la feuille de calculs à la section Spectre horizontal de calcul,

Direction X,

Effort ROBOT : … kN

La valeur théorique de cet effort tranchant sismique est calculée automatiquement sur la feuille de calcul en fonction des paramètres d’analyse sismiques rentrés précedemment

! L’erreur relative entre la valeur ROBOT et la valeur théorique est calculée automatiquement

Si elle est supérieure à 1%,

alors l’analyse contient certainement une erreur

! Opérer de la même manière pour la direction Y

Vérification en déplacement Sur ROBOT : Pour afficher les déplacements max dans les deux directions du séisme,

DÉPLACEMENTS

Le tableau des déplacements s’affiche

Cliquer sur l’onglet EXTRÊMES GLOBAUX pour obtenir les déplacements max et le cas de charge correspondant

Sur Excel : Dans la section Vérification en déplacement,

reporter les valeurs de déplacement max pour les deux directions X et Y

Puis définir la nature des éléments non structuraux du projet (qui influe sur l’amplitude des déplacements admissibles du critère de vérification) :

- Fragiles

- Ductiles

entrer la hauteur entre étages en cm

Le calcul des déplacements max réduits et admissibles se fait automatiquement,

le critère est validé ou non selon la véracité de l’inégalité

Exploitation de la modélisation pour dimensionnement 10

Méthode générale pour dimensionnement du ferraillage

L’analyse sismique et la vérification en déplacement sont terminées

On peut donc passer au dimensionnement des éléments de contreventement

Dans tous les cas,

le principe consiste à isoler un élément du modèle 3D sur ROBOT et à mener un calcul de ferraillage réel

! Sélectionner la dalle et l’isoler avec le bouton ISOLER UN ÉLÉMENT Après avoir cliqué sur le bouton FERRAILLAGE RÉEL DES ÉLÉMENTS BA dimensionnement apparaît comme ci-dessous :

Paramètres du ferraillage :

! Pour configurer un dimensionnement en treillis,

cliquer sur le bouton DISPOSITION DE FERRAILLAGE

Options de calcul

Disposition de ferraillage Note de calculs Plan d’armatures

définir le mode de ferraillage (barres,

treillis + barres ou treillis seuls)

indiquer dans Position des panneaux la direction de portée des treillis (selon X ou Y du repère local de la visualisation)

! Valider en les paramètre en cliquant sur OK

Calculs :

! De retour sur la visualisation,

cliquer sur le bouton CALCULER pour lancer le dimensionnement

De base ROBOT propose une liste de solutions classées de la moins consommatrice en acier à la plus consommatrice

Elles sont visualisables dans le menu déroulant LISTE DES SOLUTIONS POSSIBLES

Si la solution est convaincante,

on peut éditer la note de calculs et la plan de ferraillage à l’aide des deux boutons NOTE DE CALCULS et PLAN D’ARMATURES

! Même manipulation que pour les dalles,

! Une boîte de dialogue s’affiche pour valider la prise en compte des cas de charge

Conserver de préférence la configuration CAS SIMPLES et valider sur OK

! Le schéma du voile s’affiche

Pour extraire les efforts réduits en bas de voile,

cliquer sur l’onglet VOILE-SCHÉMA DE CHARGE

! Pour une solution en treillis soudés,

procéder de la même façon que pour les dalles

Ne pas oublier de sélectionner la plage de treillis désirés cliquant sur l’icône Options de calculs,

! Lancer les calculs en cliquant sur l’icône

! Le tableau et le schéma de ferraillage sont visualisables en cliquant sur l’onglet VOILEFERRAILLAGE

! Si la solution est convaincante,

on peut sortir la note de calculs

Poteaux & poutres

! Même démarche que pour les dalles et les voiles

Annexes

ANNEXE 1 : Organigramme de recherche des modes propres et mode résiduel ANNEXE 2 : Résumé de l’analyse sismique par la méthode d’analyse modale

Annexe 1 : Organigramme de choix des modes propres

Source : Autodesk

Annexe 2 : RÉSUMÉ ANALYSE SISMIQUE PAR LA MÉTHODE D’ANALYSE MODALE

Principe général L’analyse sismique par analyse modale spectrale est utilisée pour définir les effets d’un séisme sur une structure lorsque celle-ci ne peut pas faire l’objet d’une analyse simplifiée (modèle en brochette,

Le principe de cette analyse est de déterminer les modes de vibrations prépondérant de la structure afin que l’application du séisme soit le plus défavorable possible

Dans la pratique,

les modes de vibration prépondérant vont exciter un certain pourcentage de masse dans chaque direction de l’espace

L’analyse sismique qui découle de cette étude consiste à appliquer une accélération sismique selon un spectre de référence à ces mêmes pourcentages pour obtenir la réponse en efforts et vibrations la plus défavorable

Les grandes étapes de cette analyse sont :

Principe de fonctionnement de l’analyse modale L’analyse modale consiste à appliquer à une structure un ensemble de modes de vibrations et d’analyser la réponse du bâtiment en terme de pourcentage de masses modales excitées et de déplacements

Cette analyse se réalise en 4 étapes :

Y et Z)

Figure 1 Schéma de principe de l'analyse modale (source : IUT Toulouse)

L’avantage de cette analyse par rapport à une autre (modèle simplifié en brochette ou analyse par forces latérales,

par exemple) réside dans le fait que la recherche des modes prépondérant permet de s’approcher au plus près du comportement réel de la structure tout en limitant l’étude dynamique du système à plusieurs degrés de liberté

Cette limitation n’est pas défavorable car au

delà d’une certaine fréquence,

appelée fréquence de coupure (fixée à 33 Hz pour un ouvrage à risque normal),

les modes de vibration supplémentaires apportent une contribution négligeable à la réponse dynamique de la structure

Evolution de la masse modale effective cumulée en fonction des modes de vibration Masse modale effective cumulée (%)

Masse modale cumulée X (%)

Masse modale cumulée Y (%) Masse modale cumulée Z (%)

20 10 0

Fréquence (Hz)

Figure 2 Modes propres de l'analyse modale du BLOC B de l'Origine des Sources

La réponse globale approchée est déterminée par une combinaison d’un nombre limité de modes dits premiers et éventuellement d’un pseudo-mode

Ce dernier permet de prendre en compte les modes proches de la fréquence de coupure en un seul mode pour lequel est atteinte 100% de la masse modale effective cumulée

La recherche des modes propres consiste donc à appliquer un nombre de modes suffisant pour exciter un certain pourcentage de masses modales cumulées pour être certain de n’avoir oublié aucun mode prépondérant

L’application d’un pseudo-mode (ou mode résiduel) s’avère utile lorsque ce pourcentage n’est pas atteint au voisinage de la fréquence de coupure

La dépendance des périodes de vibration des modes propres trouvés permet de déterminer la formule de combinaison de modes prépondérant par direction pour la réponse globale dynamique du bâtiment

Critère de choix des modes propres L’EC 8 fixe l’arrêt de la recherche des modes lorsqu’au moins 90% de la masse modale effective cumulée a été atteinte dans les trois directions

Cependant cette condition est très rarement obtenue pour des fréquences inférieures à la fréquence de coupure et dans un bon nombre de projets,

il faut plus de 120 modes pour atteindre ce seuil

Seuls des bâtiments réguliers en plan et en élévation avec des proportions particulières peuvent y parvenir avec un nombre de modes restreint

Pour limiter la recherche,

l’application d’un pseudo-mode est souvent utile car il permet de condenser tous les modes supplémentaires en un seul mode qui totalise 100% de masse modale effective cumulée

L’EC8 ne spécifiant rien sur le pseudo-mode,

il se réfère au PS 92 pour son application :

Figure 2 Organigramme de choix des modes propres (source : Autodesk)

Combinaisons de réponse modale : CQC ou SRSS

? Une fois les modes propres trouvés,

il faut choisir la formule de combinaison de ces modes qui donnera la réponse dynamique globale du bâtiment

Deux types de combinaison existent pour deux situations différentes,

prenant en compte la dépendance des modes entre eux

Pour choisir la bonne combinaison,

l’EC 8 donne la condition suivante (EN 1998-1 Art

avec coefficient de corrélation βij)

Cette combinaison est préférable,

même si les modes sont indépendants car elle est plus précise

Analyse sismique : spectre de référence et accélération sismique Hypothèses sismiques L’ensemble des hypothèses sismiques permet de déterminer les périodes caractéristiques du spectre de référence du séisme :

donnant l’accélération sismique de base ag

donnant le coefficient d’importance γi

donnant le coefficient topographique S ainsi que les périodes de référence TB,

TC et TD Toutes ces valeurs se retrouvent dans les formules d’accélération sismique du spectre de calcul

Figure 4 Zones de sismicité en Alsace

Spectre de calcul Les formules de l’Eurocode 8 du spectre de calcul pour l’analyse élastique sont les suivantes : 0 <

Dans tous les cas,

l’accélération sismique dépend d’un coefficient q,

appelé coefficient de comportement qui prend en compte la forme du bâtiment,

son type de conreventement ainsi que la ductilité de ses matériaux :

régularité en plan et/ou en élévation

moyennes (DCM) et hautes (DCH) Son calcul peut s’avérer particulièrement complexe et fastidieu mais il confère une réelle importance dans la réponse globale au séisme (de part sa position au dénominateur dans les formules)

Efforts sismiques horizontaux à la base de la structure : Enfin,

le calcul des accélérations sismiques,

pour les périodes correspondantes,

permet de déterminer les efforts sismiques à la base du bâtiment pour les deux directions horizontales orthogonales X et Y

Schéma récapitulatif

Bibliographie {1} JALIL W

JALIL A

Conception et analyse sismiques du bâtiment,

guide d’application de l’Eurocode 8 à partir des règles PS 92/2004,

AFNOR et Groupe Eyrolles,

ISBN AFNOR : 978-2-12-465458-1,

ISBN Eyrolles : 978-2-212-13873-3,

352 pages

CORVEZ D

CAPRA A

Pratique du calcul sismique,

AFNOR et Groupe Eyrolles,

ISBN AFNOR : 978-2-12-465401-7,

ISBN Eyrolles : 978-2-212-13582-4,

244 pages

CHEMISE S

REVIT pour le BIM,

Initiation générale & Perfectionnement structure,

Groupe Eyrolles,

ISBN : 978-2-212-14334-8,

482 pages

NOTE DE CALCULS DE VERIFICATION ANALYSE SISMIQUE Affaire n° : 672565 Auteur : Y

Hypothèses générales

Nom : Date :

L'Origine des Sources

Bâtiment :

Nombre d'étages : 3 Type de structure : Murs non couplés contreventement mixte,

mursMurs couplés non couplés Noyau Pendule inversé Irrégularité : en plan & élévation régulier en plan en élévation en plan & élévation Altitude du projet : < 1000 m donc ψ2,

Hypothèses sismiques I

Catégorie d'importance :

II très faible modérée

Zone de sismicité :

A Classe de sol :

IV ϒi =

modérée agr = ag = agr*ϒi =

d'où le Spectre de référence :

Calcul du coefficient de comportement q :

TB (s) 0,06

Classe de ductilité

TC (s) 0,4

TD (s) 2

Valeur de base q0 : Mode de calcul : FORMULE / VALEUR : Rapport αu/αi : EC 8 Tab

Formule / Valeur 3 sans objet sans objet

Irrégularité en élévation donc réduction de 20%

Coefficient de mode de rupture kw : Formule : Hauteur des voiles Σhwi : Linéaire des voiles ΣLwi :

Résultats de l'analyse modale sur ROBOT Nombre de modes : Modes prépondérant :

Direction X Y Z

Masse modale totale excitée :

Mode 5 2 7

Fréquence (Hz) 11,11 8,74 14,63

Période (s) 0,09 0,11 0,07

Masse (%) 44,19 50,02 15,38

ψ2i 1 1 0 0,3 0,6 0,6 0,6 0,8 0,6 0

ϕ 1 1 1 0,8 1 0,5 1 1 1 1

ψEi = ψ2i*ϕ 1 1 0 0,24 0,6 0,3 0,6 0,8 0,6 0

1074,6 T

Vérification de la masse modale totale Descente de charges Analyse modale sur ROBOT:

Poids Propre PERM Toiture EXPLOIT toiture EXPLOIT étages corrélés EXPLOIT étage indé 1 EXPLOIT étage indé 2 EXPLOIT étage indé 3 EXPLOIT étage indé 4 EXPLOIT étage indé 5 Neige

Type d'action PERM PERM H A F C D'E F CLIM

Valeur (kN) 10224,18 0 65,03 873,25 591,19

1099,74 T

Ecart m2

25,14 T

Vérifictaion de l'écart avec les liasons rigides du modèle au niveau des appuis : Linéaire de voiles en contact avec les appuis : Epaisseur des voiles en contact avec les appuis : Epaisseur de la dalle en contact avec les appuis : Taille d'élément fini du maillage ROBOT : Masse non prise en compte : L*(ev+ed)*2,5(T)*t/2 = Total : Erreur relative :

L= ev = ed =

Spectre horizontal de calcul

DIRECTION X Période du mode prépondérant :

Mode 5 T= 0,09 s'donc TB < T < TC et

Sd(T) =

2,75 m/s2

Calcul de l'effort tranchant sismique à la base du bâtiment : E = m1*M%UX*Sd(T) =

1305,88 kN

Effort ROBOT :

1305,8 kN

Erreur relative :

DIRECTION Y Période du mode prépondérant :

Mode 2 T= 0,11 s'donc TB < T < TC et

Sd(T) =

2,75 m/s2

Calcul de l'effort tranchant sismique à la base du bâtiment : E = m1*M%UX*Sd(T) =

1478,17 kN

Effort ROBOT :

1478,21 kN

Erreur relative :

-0,003%

Vérification en déplacement fragiles Critère de déplacement entre étages (EN 1998-1 Art

(1a)) : Eléments non-structuraux: