Appuis SIP®-A : la première protection sismique à deux niveaux au monde

Les premiers appuis SIP-A® au monde ont été installés dans un institut de recherche à Mexico afin de le protéger contre les tremblements de terre. En cas de séisme, les appuis réagissent en deux temps et protègent ainsi non seulement la structure, mais aussi l'intérieur sensible de ce bâtiment haut et étroit. De plus, ces isolateurs innovants ont permis d'économiser des coûts de construction considérables, car les fondations ont pu être plus petites et la structure porteuse plus mince.

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Construction de l'INCMNSZ : L'Institut national des sciences médicales et alimentaires (INCMNSZ), situé au sud de la ville de Mexico, se détache, étroit et haut, des constructions environnantes. État de la construction en mai 2023 — crédit image (ID:423503)

Première installation des appuis SIP®-A dans le monde en août 2021 — crédit image (ID:423504)

Quatre des 34 appuis SIP®-A installés en haut des colonnes de soutien. En bas, visible, la descente vers le parking souterrain — crédit image (ID:423505)

Fonctionnement d'un appuis SIP®-A : Un appuis SIP®-A fonctionne en deux étapes : Depuis la position neutre (en haut), c'est d'abord la surface de glissement inférieure qui réagit et se déplace avec un faible frottement (graphique du milieu), à l'étape 2, la surface de glissement inférieure se déplace jusqu'à une butée, puis, en cas de séisme plus fort, la surface de glissement supérieure se déplace également (graphique du bas). — crédit image (ID:423506)

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Mexico : les isolateurs adaptatifs protègent les patients et les appareils

L'Institut national des sciences médicales et nutritionnelles Salvador Zubirán (INCMNSZ), situé au sud de la ville de Mexico, est un centre d'enseignement et de recherche médicale qui accueille également des patients.

L'INCMNSZ a été conçu en 2018/19 par le bureau d'architectes Arquinteg (Mexico) : avec 13 étages en surface et un parking souterrain à quatre niveaux. La ville de Mexico se trouve dans une zone sismique et, compte tenu de la hauteur et de l'étroitesse du bâtiment, il en résultait des moments de basculement relativement importants. "C'est pourquoi les ingénieurs des fondations ont fait appel à nous dès la phase de planification en tant qu'experts en protection parasismique", rapporte le Dr Luís Pinto, directeur régional de MAURER pour le Mexique.

Il était évident qu'en cas de tremblement de terre, les charges de compression et de traction seraient si élevées que des fondations normales ne suffiraient pas. Des fondations de taille équivalente auraient été trop coûteuses. En outre, le site était trop étroit pour permettre les travaux de dragage plus importants qui seraient alors nécessaires.

Au lieu de cela, des isolateurs de bâtiment ont été installés. Lorsqu'un séisme agit horizontalement sur le bâtiment, ils découplent la partie visible du bâtiment de la partie souterraine, ce qui provoque des déplacements horizontaux dans les isolateurs. Il en résulte des moments de basculement beaucoup plus faibles, qui peuvent être transmis de manière simple et économique.

L'implication précoce de MAURER dans le processus de planification a permis de trouver une solution innovante : "Normalement, dans un tel cas, nous utilisons un appuis SIP®-D", rapporte le Dr Pinto.

Isoler, dissiper, recentrer, stabiliser

En principe, les appuis SIP® assument quatre fonctions en cas de séisme :

Ils isolent le bâtiment de ses fondations et permettent des mouvements horizontaux dans toutes les directions.
Ils limitent les mouvements par frottement interne en transformant l'énergie cinétique en chaleur (dissipation).
Ils recentrent le bâtiment dans sa position initiale après un tremblement de terre, car ils possèdent des surfaces de glissement concaves.
Ils transmettent des charges verticales.

Mais selon le Dr Pinto, la particularité de l'INCMNSZ était "qu'en raison des patients et des appareils sensibles, les accélérations devaient être maintenues aussi basses que possible". Même en cas de tremblement de terre, l'institut devait en tout cas rester opérationnel, aucun patient ne devait être blessé par la chute de pièces des faux plafonds, ni aucun appareil endommagé. Les directives de la FEMA (Federal Emergency Management Agency, agence fédérale américaine pour la gestion des catastrophes) prescrivent une accélération maximale de 0,3 g à chaque étage. Compte tenu du nombre d'étages, il est impossible d'atteindre cet objectif avec des appuis SIP® traditionnels.

A cette époque, MAURER avait déjà dans ses tiroirs les nouveaux appuis SIP® A (MAURER Adaptive Sliding Isolation Pendulum) qu'il venait de développer : l'INCMNSZ de Mexico était le cas d'application optimal. A signifie "adaptive", c'est-à-dire un appuis qui s'adapte aux exigences sismiques.

Fonction innovante par appuis

La base du SIP®-A est le appuis à double glissement MAURER SIP®-D, utilisé depuis 2004. Il possède deux (D pour double) surfaces de glissement principales concaves et un palet et est équipé du matériau de glissement MSM® (= MAURER Sliding Material).

Ce qui est nouveau, c'est que les deux surfaces de glissement réagissent différemment. La partie inférieure du appuis a une surface de glissement à faible frottement. Lorsqu'un tremblement de terre commence ou lorsqu'il reste un tremblement de terre normal et que les forces horizontales sont donc assez faibles, seul le plan inférieur du appuis isole ou déplace.

Toutefois, si les forces sismiques augmentent, cela nécessite également un déplacement plus important dans les isolateurs. C'est alors que la deuxième surface de glissement supérieure entre en jeu. Celle-ci a un frottement plus élevé et permet donc d'obtenir une dissipation d'énergie ou un effet de freinage plus important. Le mouvement du bâtiment est ainsi plus réduit et mieux contrôlé.

La surface de glissement supérieure n'est activée que par des séismes relativement importants. L'effet de gradin est surtout pertinent pour les structures plus hautes, car le frottement initial, c'est-à-dire la résistance, est assez élevé pour les appuis traditionnels, qui peuvent aussi dissiper de grandes énergies sismiques. Il y a donc une poussée initiale au moment où le frottement est surmonté. Cette secousse entraîne vers le haut du bâtiment des accélérations de plus en plus importantes et inacceptables, avec des dommages au contenu et à la structure.

SIP®-A réagit déjà très doucement, sans à-coups, lorsque la force exercée est faible. La deuxième étape est alors activée pendant le mouvement. Cela a pour effet que le bâtiment ne se déplace justement pas par à-coups, mais oscille en douceur, ce qui réduit l'accélération en dessous des valeurs limites autorisées, même dans les étages supérieurs.

Les doubles appuis lisses pendulaires adaptatifs SIP®-A de l'INCMNSZ ont un rayon d'oscillation effectif de 600 mm. Celui-ci contrôle la période d'isolation de manière à ce que, dans le cadre d'un mouvement horizontal allant jusqu'à ±300 mm dans toutes les directions, l'accélération horizontale tombe à moins de 0,3 g, même aux étages supérieurs. Au total, 34 appuis ont été installés, qui ont une durée de vie d'au moins 50 ans. Ils transmettent des charges verticales jusqu'à une surcharge maximale de 10.900 kN.

Réduction des coûts grâce aux isolateurs

Les appuis SIP®-A ont permis d'économiser des coûts de construction considérables, car seules des fondations normales étaient nécessaires. De plus, la structure porteuse a été optimisée une fois qu'il a été clair quelles forces les appuis parasismiques pouvaient supporter. Au départ, il était prévu de construire une structure en acier avec de grands poteaux mixtes. En raison de la réduction des charges sismiques, il n'était pas nécessaire d'utiliser du béton pour les poteaux, une structure en acier suffisait.

Les premiers entrepôts SIP®-A au monde ont été construits à Munich en 2020 et testés à EUCENTRE à Pavie (Italie). L'installation s'est déroulée d'avril à novembre 2021 et l'INCMNSZ devrait être inauguré au cours du second semestre 2024.