Les bâtiments aux États-Unis sont généralement conçus pour résister aux aléas habituels : la pluie, le vent, la neige et parfois les tremblements de terre. Des événements atypiques comme des explosions de gaz, des impacts de véhicules ou des incendies de bâtiments non maîtrisés ne sont généralement pas pris en compte. Si des structures vulnérables sont confrontées à de tels imprévus, les conséquences peuvent être dramatiques. Cependant, une nouvelle norme de construction pourrait aider les ingénieurs à prévenir le pire.
L’American Society of Civil Engineers (ASCE) a publié la norme ASCE/SEI 76-23 pour la Mitigation du Risque de Collapse Disproportionné dans les Bâtiments et Autres Structures.
C’est la première norme nationale de ce genre. Élaborée sur une décennie et éclairée par les recherches menées par le National Institute of Standards and Technology (NIST), la norme fournit des exigences de conception et des directives pour éviter qu’une petite défaillance isolée dans une structure ne se propage et n’entraîne l’effondrement total du bâtiment, ou d’une partie majeure de celui-ci, un phénomène que la norme définit comme un effondrement disproportionné.
« De nombreuses charges différentes sont prises en compte dans la conception d’un bâtiment, mais si une charge imprévue que vous n’avez pas explicitement prévue se présente, cela ne devrait pas provoquer l’effondrement de tout le bâtiment« , a déclaré Joseph Main, ingénieur de recherche au NIST et membre du comité de l’ASCE qui a élaboré la norme.
L’effondrement disproportionné a toujours été un risque pour les grands bâtiments, mais ces événements sont rares. Pendant des années, la nécessité d’une norme aux États-Unis visant spécifiquement à l’effondrement disproportionné a fait l’objet de débats parmi les experts.
Après plusieurs échecs de bâtiments notables dans les années 90 et au début des années 2000, un consensus a commencé à se former.
Sur la base d’une proposition faite par le NIST à l’ASCE, la société d’ingénierie a formé un nouveau comité de normalisation composé de dizaines d’experts en bâtiment issus de l’industrie, du milieu universitaire et du gouvernement fédéral.
Plutôt que de prescrire les spécifications de chaque composant de la structure d’un bâtiment, comme le font de nombreuses normes, le comité a décidé de fixer des objectifs de performance pour les structures, laissant aux ingénieurs la liberté de trouver leurs propres solutions de conception.
« La norme oriente vers des solutions mais ne les prescrit pas« , a déclaré Donald O. Dusenberry, ingénieur consultant et président du comité de l’ASCE. « Elle offre des méthodes éprouvées pour analyser et concevoir des structures pour l’effondrement disproportionné, tout en permettant une rentabilité et une créativité.«
La performance requise et le niveau de risque (par exemple, l’étendue des dommages initiaux que la structure devrait supporter) varient en fonction de la taille, de l’occupation et de l’utilité d’un bâtiment.
« Ceux qui conçoivent des bâtiments gouvernementaux ou tout bâtiment essentiel pour les communautés, je pense, seraient les premiers groupes à examiner attentivement cette norme« , a déclaré Fahim Sadek, ingénieur de recherche en structures au NIST et membre du même comité de l’ASCE sur l’effondrement disproportionné.
Pour éclairer les exigences de la norme, les chercheurs du NIST ont dirigé un effort pour élucider la mécanique de ce qui se passe lorsque des sections d’une structure sont retirées – un domaine jusqu’alors inexploré.
« Le scénario de chargement pour les connexions est assez différent de ce que vous obtiendriez généralement sous le vent, le tremblement de terre ou les charges de gravité pour lesquelles les gens sont habitués à concevoir« , a déclaré Main. « C’est une condition beaucoup plus complexe.«
Au cours d’une décennie, les chercheurs ont réalisé de nombreuses simulations informatiques de composants de bâtiments défaillants. Dans l’une de ces simulations, ils ont retiré la colonne du milieu de trois d’un cadre structurel et ont appliqué des forces au-dessus de la colonne manquante jusqu’à ce que les connexions se fracturent.
En raison de la complexité et du manque de données existantes pour ces types d’événements, les chercheurs ont reproduit beaucoup de ces scénarios dans le monde réel. L’équipe a construit et détruit soit des fractions, soit des structures de bâtiments entières pour produire des données permettant de garantir que leurs simulations étaient réalistes.
Les expériences ont été utiles pour identifier le degré de rotation et de flexion que les poutres et les connexions peuvent supporter avant qu’une structure ne soit submergée et ne s’effondre.
Mais l’utilité des données est allée au-delà de l’information sur les exigences de la norme. Les chercheurs ont également utilisé les résultats pour élaborer des approches de modélisation simplifiées pour évaluer la susceptibilité des bâtiments à l’effondrement disproportionné.
Les ingénieurs utilisent couramment des modèles informatiques pour confirmer que leurs conceptions résisteront aux charges et forces traditionnellement considérées. Un comité technique distinct de l’ASCE, que Main a récemment dirigé, travaille à la publication de directives aidant les concepteurs à utiliser les outils de modélisation informatique pour atténuer l’effondrement disproportionné.
Différentes approches de modélisation sont déjà disponibles, allant de modèles puissants adaptés à l’analyse détaillée de composants de bâtiments individuels à des modèles simplifiés destinés à l’évaluation de bâtiments entiers. Les ingénieurs pourraient utiliser ces types de ressources pour tester l’intégrité de leurs conceptions sous divers scénarios de risques décrits dans la norme.
Pour l’instant, la norme est une ressource précieuse qui peut être utilisée volontairement ; cependant, à terme, la norme entière, ou une partie de celle-ci, pourrait être incorporée dans le code modèle de construction et adoptée par les juridictions étatiques et locales.
Photo (en haut) et simulation informatique (en bas) d’un élément structurel subissant des forces similaires à celles d’un scénario d’effondrement de bâtiment. Sur la photo, une éprouvette en béton armé (représentant une partie de la structure d’un bâtiment) subit des déformations mécaniques comparables à celles que l’on pourrait observer à la suite de la perte d’une colonne porteuse d’un bâtiment. L’image du bas montre les dommages calculés sur le béton à partir d’un modèle haute-fidélité de l’échantillon d’essai (le rouge indique les zones les plus endommagées, et le bleu le béton non endommagé). Credit: photo: NIST
