Les systèmes d'installation modulaire peuvent être l'un des maillons les plus faibles d'un bâtiment en cas de tremblement de terre. S'ils ne sont pas conçus correctement, des concepts de fixation entiers peuvent échouer et mettre en danger des vies humaines. Hilti propose des solutions produits et logicielles basées sur les dernières normes et conformes aux exigences de l'Eurocode 8. L'Eurocode 8 permet de comprendre comment concevoir des systèmes d'installation modulaires.

IDENTIFICATION DE LA ZONE DE SÉISME 

Grâce à l'outil web de geo.be, il est possible de déterminer à quelle zone sismique appartient un lieu spécifique en Belgique.
 

CONCEPTION SISMIQUE DES SYSTÈMES DE SUPPORT MODULAIRES 

Selon l'Eurocode 8, les systèmes de support des éléments non structuraux doivent être conçus pour éviter les effets de résonance entre les fixations et les systèmes de support. Dans le cas des systèmes suspendus, ils doivent être suffisamment contreventés dans la direction horizontale pour éviter le balancement et l'oscillation. 
 
D'une part, la formule pour la détermination simplifiée de la force sismique horizontale se trouve dans l'annexe nationale allemande DIN EN 1998-1/NA à la page 29. Les forces internes peuvent être déterminées de manière simplifiée en partant de la force sismique horizontale qui se produit dans la direction la plus défavorable. Les forces sismiques verticales peuvent être omises. 

Fa       force sismique horizontale agissant au centre de masse de l'élément non structurel dans la direction la plus défavorable
S         paramètres du sol selon le tableau NA.4
agR     valeur de crête de référence de l'accélération du sol selon le tableau NA.3
ma      la masse du composant 
γa       importantiefactor van het niet-constructieve onderdeel 
γa       = 1,5 pour les ancrages des machines et des composants nécessaires aux systèmes de sécurité des personnes. Dans tous les autres cas, γa = 1,0 peut être identifié.
 
D'autre part, la formule permettant de déterminer la force sismique horizontale Fa peut également être reprise des directives allemandes du VCI (Verband der Chemischen Industrie e.V.) au chapitre 6.4 "Composants non structurels et tuyauteries" [4]. La directive VCI, qui traite plus en détail des effets des "tremblements de terre dans la construction d'installations", peut être consultée ici comme une très bonne source d'information.

Figure 2 : Détermination de la force sismique horizontale Fa selon les directives VCI 

 
Ci-après, la détermination de la force sismique horizontale selon l'Eurocode 8 est discutée.
 
La section 4.3.5.2 de l'Eurocode 8-1 donne la procédure de vérification plus détaillée pour les éléments non structuraux. Les valeurs des contraintes dues au séisme peuvent être déterminées en appliquant la formule suivante pour la détermination de la charge horizontale équivalente Fa agissant sur la partie non structurale : 

Fa       charge horizontale équivalente 
Sa       coefficient sismique pour les éléments non structuraux 
Wa      Poids vertical du système de support modulaire 
γa       facteur d'importance de l'élément non structurel 
qa       Facteur de comportement sismique de l'élément 
 
Détermination du coefficient sismique Sa
Le coefficient sismique Sa est déterminé par la formule suivante (voir Eurocode 8, chapitre 4.3.5.2) : 

Sa       coefficient sismique 
α         rapport entre l'accélération du sol calculée pour la classe de sol A, agR, et l'accélération de la gravité g 
S         paramètres du sol 
Ta       période fondamentale de vibration du système de support modulaire 
T1       la période de vibration fondamentale de la structure porteuse du bâtiment dans la direction concernée 
z         Hauteur d'installation du système de support modulaire au-dessus du niveau de fixation (niveau du sol) 
h         hauteur du bâtiment à partir des fondations ou du bord supérieur d'un sous-sol rigide 
A         facteur de grossissement dynamique 
La valeur du coefficient de séisme Sa ne doit pas être inférieure à α*S 
 
Détermination du facteur d'élargissement dynamique A 
Le facteur d'augmentation dynamique A tient compte de l'augmentation dynamique du comportement d'accélération des parties internes non porteuses par rapport à l'accélération du sol. Elle dépend du rapport entre la période de vibration fondamentale du système de support modulaire (Ta) et la structure porteuse du bâtiment (T1), ainsi que de la hauteur d'installation du système de support modulaire (z) par rapport à la hauteur du bâtiment (H). 

Pour la détermination du facteur d'élargissement A selon l'Eurocode 8, il faut d'abord mentionner que les directives de calcul de l'Eurocode 8 sont principalement destinées à la conception sismique des bâtiments en général, et moins explicitement aux structures secondaires en acier. 
 
En particulier pour les constructeurs de tuyauteries, l'EC8 ne constitue pas une base optimale pour la conception de systèmes de supportage modulaires. Le VCI décrit la conception de ces systèmes de fixation de manière beaucoup plus détaillée au chapitre 6.4. L'équation 6.5 (voir la figure 2), qui est considérée dans l'IVC comme équivalente à la formule de la section NA.D.7 de la norme DIN EN 1998-1/NA, donne les paramètres du facteur d'augmentation Aa et du facteur de comportement sismique qa pour les types d'installation à charge dynamique. 
 

Figure 3 : Extrait du tableau 6.2 de la directive VCI 

En bref, le facteur de grossissement A peut varier considérablement. Alors que pour les structures rigides au niveau des fondations du bâtiment (Z/H ≅ 0), aucune charge dynamique croissante n'est généralement attendue, pour les systèmes de support modulaires résonnant avec le bâtiment (Ta/T1 =1) et montés, par exemple, sur le toit du bâtiment (Z/H ≅ 1), un facteur croissant de A = 5,5 peut être supposé.  
 
Détermination du coefficient de comportement sismique 
Le facteur de comportement sismique tient compte de la capacité du système de support modulaire à dissiper l'énergie (dissipation). Afin d'utiliser un facteur de comportement de qa > 1,0 pour les structures à l'état limite ultime, la capacité de dissipation de l'énergie doit être vérifiée et quantifiée. Cela nécessite un effort d'analyse ou de test important. Pour certains groupes de systèmes de support non structuraux, des valeurs maximales pour qa sont spécifiées dans l'EC8 (tableau 4.4). Bien que les systèmes structurels modulaires ne soient pas explicitement mentionnés dans ce chapitre, on peut affirmer de manière générale que pour une solution de fixation complète (rail, pince, etc.) qui présente un comportement ductile, le facteur de comportement peut être défini comme qa= 2,0.  

La fixation du facteur de comportement à 2,0 est étayée par le tableau C.2 de la norme EN 1992-4:2018, qui donne les valeurs qa pour les fixations non structurelles. Par exemple, les catégories suivantes peuvent être considérées comme une référence : 

• Sols informatiques, équipements électriques et de communication (ligne 9)
• les canalisations à haute pression, les canalisations de lutte contre l'incendie (ligne 13) ; et
• Canalisations de liquides pour substances non dangereuses (règle 14).  

Pour toutes ces catégories mentionnées, le facteur de comportement est fixé à qa = 2,0. En général, il est recommandé de définir un facteur de comportement de qa = 2,0 pour la conception sismique des systèmes d'installation Hilti. On ne doit utiliser qa = 1,0 que pour le stockage de matières dangereuses et les canalisations contenant des matières dangereuses. 

En plus de l'Eurocode 8 et du PSCI (tableaux 6.2 et 6.3), des informations plus détaillées sur la détermination des facteurs d'élargissement Aa et des facteurs de comportement qa peuvent être tirées du TR045 dans le tableau 5.2.
 
Détermination de la force de poids verticale (Wa) du système de support modulaire 
Le poids du système de support modulaire Wa peut être calculé soit de manière analogue en additionnant manuellement les poids des différents composants de la solution de fixation respective, soit de manière entièrement automatique à l'aide du logiciel d'installation Hilti PROFIS. En plus de la possibilité de concevoir sismiquement et de dimensionner statiquement chaque système de support modulaire construit individuellement, le rapport montre également le poids mort Wa requis ici.  

LES SOLUTIONS PRODUITS DE HILTI 

Depuis des années, Hilti investit dans la recherche et le développement de produits afin d'améliorer les solutions sismiques pour les systèmes de support modulaires destinés à la construction d'usines. Le "Hilti Seismic Bracing System" développé est adapté à la conception sismique des solutions de fixation pour les applications légères à lourdes de tuyauterie, de ventilation et d'électricité (chemins de câbles). Il se compose spécifiquement de trois méthodes de raidissement différentes : un système de contreventement par filetage, un système de contreventement par tige filetée et un système de contreventement par rail d'installation (voir la figure 2).

Figure 4 : Illustration des options de raidissement à l'aide de contreventements en fil de fer (à gauche), de contreventements en tige filetée (au centre) et de contreventements en rail d'assemblage (à droite). 

En utilisant l'exemple des contreventements à tige filetée, une solution innovante et économique pour le renforcement (en rattrapage) des systèmes porteurs modulaires de la vaste gamme de systèmes de contreventement sismique Hilti est présentée ci-dessous : 

Figure 5 : Entretoises d'un système de support modulaire avec charnière MQS-AB et angle MQS-W

Caractéristiques du produit charnière MQS-AB 
La charnière MQS-AB permet une augmentation moyenne de la productivité de 50%. Le facteur décisif à cet égard est, d'une part, l'amélioration de l'accessibilité, qui facilite le montage et le démontage des écrous nécessaires et le réglage libre de la tige filetée à travers la charnière. D'autre part, la fixation en un seul point de la charnière contribue à une augmentation significative de la productivité. La charnière MQS-AB peut être fixée soit sur la face inférieure du plancher (comme indiqué sur la figure 3), soit sur le système de support modulaire.  

Figure 6 : Données techniques de la charnière MQS-AB 

Caractéristiques du produit Coin MQS-W 
Le support MQS-W est utilisé à la fois pour connecter les rails d'installation horizontaux et verticaux des systèmes de support modulaires respectifs et pour connecter d'autres connecteurs sismiques, tels que la charnière MQS-W (voir Figure 3). 

Figure 7 : Données techniques de l'angle MQS-W 

SYSTÈMES D'ANCRAGE REQUIS POUR LA FIXATION DES SYSTÈMES DE SUPPORT MODULAIRES 

Selon les exigences de la construction, il faut également utiliser des systèmes d'ancrage approuvés sur le plan sismique (classe C1 ou C2) pour fixer les systèmes de support modulaires. À cette fin, Hilti propose une large gamme de systèmes d'ancrage homologués ainsi que "PROFIS Engineering", un logiciel de conception permettant de calculer facilement les systèmes d'ancrage appropriés.  
 

CONCLUSION 

Afin de consolider les systèmes de support modulaires en cas de tremblement de terre conformément aux spécifications de l'Eurocode 8, la charge horizontale équivalente (Fa) agissant sur le système doit être déterminée. Ceci peut être fait en utilisant la détermination de la charge statique équivalente selon l'annexe nationale allemande DIN EN 1998-1/NA et selon la directive VCI chapitre 6.4. Il est clair que la charge équivalente horizontale à déterminer dépend d'un certain nombre de facteurs, qui doivent être évalués pour chaque projet individuel. Hilti offre une assistance en matière de conception sismique sous la forme de son propre portefeuille de produits et de logiciels, ce qui garantit une plus grande productivité, une sécurité accrue et une meilleure rentabilité.  
 


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[1] Meskouris, K., Brüstle, W., Schüter, F.-H.: Herziening van de DIN 4149-norm, Civil Engineer, Vol. 79, S3-S8, 2004. 
[2] DIN EN 1998-1/NA "Nationale bijlage bij Eurocode 8: Ontwerp van constructies tegen aardbevingen, Deel 1: Basisprincipes, seismische acties en regels voor gebouwen", Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN, 2010. 
[3] https://www.gfz-potsdam.de/DIN4149_Erdbebenzonenabfrage/ 
[4] Butenweg, C., Dargel, H.-J., Höchst, T., Holtschppen, B., Schwarz, R., Sippel, M.: "VCI-Leitfaden 'Der Lastfall Erdbeben im Anlagenbau'", 2e druk, Frankfurt: Verband der Chemischen Industrie, 71 blz., 2012.