Comment et pourquoi les bâtiments réagissent aux secousses
Par : Paul Steneker, ing., Ph. D.
Lorsque l’on soupçonne des dommages causés par des vibrations dans un bâtiment, on examine souvent les fondations. Intuitivement, ce lien semble logique ; cependant, les dommages à la fondation ne sont pas le seul signe de problèmes. Il est d’ailleurs préférable de porter d’abord de son attention sur le plafond plutôt que sur la fondation.
La manière dont les gens perçoivent les vibrations dans un bâtiment peut être trop prudente lorsqu’il s’agit d’évaluer l’ampleur des dommages, puisque ces signes précurseurs ou indicateurs de vibrations dommageables peuvent paraître plus graves qu’ils ne le sont réellement.
Cet article vous donnera quelques notions de base sur le mouvement des structures, expliquera pourquoi les humains ne sont pas bien outillés pour évaluer la sévérité des vibrations dans un bâtiment, et précisera quelles informations observer dès les premiers signes dans le cadre d’une réclamation liée aux vibrations.
Une idée fausse courante
Nous avons tendance à considérer les bâtiments comme des structures stables et immobiles, mais c’est une simplification. En réalité, tous les bâtiments oscillent et vibrent constamment. Une maison bouge bel et bien lorsque le vent souffle, mais ces mouvements sont généralement imperceptibles. Le sol sous les fondations peut se déplacer lui aussi, ce qui fait osciller le bâtiment d’avant en arrière.
Les vibrations des structures provoquent à la fois une accélération et un déplacement des objets. Alors que nous avons tendance à penser que l’accélération est la cause des dommages, c’est en réalité le déplacement qui constitue le véritable danger. Certains matériaux de construction, tels que la brique et le plâtre, sont plus susceptibles de se fissurer en raison des déplacements et des déformations, et certains endroits d’un bâtiment sont plus vulnérables à ces déplacements que d’autres.
Plus important encore, le déplacement relatif, qui correspond à la variation de distance entre deux objets en mouvement, peut aider à identifier la nature de la défaillance. Si un bâtiment entier se déplace comme un bloc parfaitement rigide, les risques de dommages à l’intérieur du bloc sont faibles. Comme rien n’est vraiment rigide, nous surveillons en permanence le point à partir duquel la flexibilité d’un matériau est poussée trop loin, entraînant l’apparition de fissures. Par conséquent, connaître la manière dont chaque élément du bâtiment et la structure elle-même réagissent est essentiel afin de déterminer leur sensibilité aux vibrations.
Le « rythme » d’un bâtiment
L’amplitude et le rythme (ou la fréquence) des secousses d’un bâtiment sont relativement prévisibles. À l’instar d’une guitare, on peut imaginer que les mouvements d’un bâtiment sont comparables à ceux d’une corde de guitare.Un bâtiment a tendance à osciller à une fréquence spécifique, en fonction de sa construction et du poids de son contenu, et réagit à la tension ou à l’excitation en oscillant à sa propre fréquence. Cela signifie que des vibrations du sol fera bouger le bâtiment à son rythme naturel plutôt que de suivre le caractère aléatoire des secousses du sol.
Cela signifie également que, comme pour une corde de guitare, le mouvement le plus important dans un bâtiment qui vibre ne se produit généralement ni au point de contact (là où l’on pince la corde) ni au point d’appui (par exemple, les fondations d’un bâtiment), mais au point le plus flexible. Pour une guitare, il s’agit du milieu de la corde. Pour un bâtiment, le point le plus flexible se situe généralement près du toit, car celui-ci a tendance à amplifier les vibrations provenant de la base, tout en filtrant simultanément les mouvements, ne laissant que sa fréquence naturelle.
La plupart des éléments porteurs propagent ces vibrations selon la fréquence naturelle du bâtiment, c’est-à-dire jusqu’à ce qu’un changement important de géométrie se produise. C’est à cette endroit que les déplacements relatifs peuvent poser un problème. Les premières fissures apparaissent souvent aux endroits où deux matériaux moins compatibles et moins flexibles se rencontrent. Ces endroits comprennent :
- Les jonctions entre un plafond flexible et un mur rigide
- Les intersections entre une haute cheminée en brique et le toit
- Les angles des grandes fenêtres
- Les jonctions entre une nouvelle extension moderne et un ancien bâtiment en brique
Par conséquent, lors d’une inspection sur site dans le cadre d’une réclamation liée à des vibrations, l’investigateur ne se contente pas d’examiner le sous-sol. Avant de déterminer la cause des dommages (qu’ils soient liés aux vibrations ou non), il doit d’abord comprendre le «rythme» du bâtiment. Ces informations serviront ensuite à orienter l’investigation et à identifier les endroits du bâtiment plus susceptibles d’avoir subi des dommages dus aux vibrations.
Comment déterminer ce qui est trop important ou trop faible
En matière de détection des vibrations, les humains sont très sensibles, mais peu fiables pour évaluer l’existence d’un problème grave. Nous commençons à percevoir les vibrations à un niveau plus de 10 fois inférieur à celui capable d’endommager même les finitions les plus sensibles d’un bâtiment.
Au cours des dernières décennies, les vibrations des planchers et le confort des occupants sont devenus des enjeux majeurs dans le secteur du bâtiment. Des recherches approfondies ont été menées pour quantifier les niveaux de vibrations perceptibles et confortables, qui restent bien inférieurs aux limites établies pour les dommages structurels.
Les limites de vibration sont basées sur les résultats de multiples tests, menés dans le cadre de diverses activités qu’une personne peut entreprendre, et en tenant compte de l’environnement auquel elle est exposée. Par exemple, une personne assise dans un bureau calme est plus sensible aux vibrations qu’une personne participant à un cours de danse.
Les vibrations sont quantifiées à l’aide d’une vitesse de crête, mesurée en millimètres par seconde (mm/s). De plus, tout comme les bâtiments et les cordes de guitare, notre corps possède sa propre fréquence naturelle. Selon la fréquence des vibrations, celles-ci ont tendance à résonner avec nos organes, provoquant parfois une sensation désagréable.
Les limites de vibration sont donc calibrées pour éviter cette sensation d’inconfort, quel que soit le type d’occupation. Un ensemble de ces limites a été publié par l’American Institute of Steel Construction (AISC), comme le montre le graphique suivant :
Nos corps deviennent également plus sensibles aux vibrations plus longtemps nous y sommes exposés. Contrairement à une personne assise dans son bureau à domicile, exposée toute la journée à des secousses de faible intensité, une vibration unique, provoquée par un impact à l’extérieur du bâtiment, ne sera pas aussi désagréable pour les occupants à l’intérieur. Après quelques minutes d’exposition, même les petites vibrations peuvent devenir une source d’inconfort et donner lieu à des plaintes. Il en va, en partie, de même pour les structures.
Comme mentionné précédemment, la plupart des gens ne saisissent pas l’ampleur des secousses subies par un bâtiment et ont du mal à identifier les seuils de vibrations dommageables, qui sont difficiles à détecter pour un observateur non averti. Les bâtiments et leurs finitions peuvent résister aux vibrations longtemps après que les occupants aient commencé à ressentir un inconfort.
Plusieurs directives publiées ont été utilisées pour définir des limites en matière de vibrations, notamment des études menées par le Bureau of Mines des États-Unis (USBM) au cours des 100 dernières années. Cependant, la norme la plus largement acceptée est la norme allemande DIN 4150, qui fixe des limites pour les bâtiments normaux et patrimoniaux et inclut les matériaux historiques tels que le plâtre et la brique. Ces limites sont mesurées au niveau du sol, près des fondations d’un bâtiment, et sont présentées dans le graphique suivant :
Remarquez comment les valeurs de l’axe y (les trois lignes colorées dans le graphique) diffèrent, et à quel point la limite de confort résidentiel de l’AISC est éloignée de la limite résidentielle normale (dommageable). Les humains peuvent ressentir un inconfort à un niveau deux fois, voire plus de dix fois inférieur à celui capable de commencer à endommager la finition d’un bâtiment, sans parler de sa structure.
De plus, comme les bâtiments ont tendance à amplifier les vibrations en raison de leur propre fréquence naturelle, la plupart d’entre eux résonnent ou s’accordent avec des vibrations inférieures à 10 Hz pour limiter les dommages en causé par la résonance. C’est pourquoi les limites de vibration varient en fonction des différentes fréquences. Cela explique également pourquoi le confort des humains face aux vibrations et les dommages causés aux bâtiments par les vibrations ne sont pas bien corrélés.
Quelles sont les premières mesures prises par l’expert lorsqu’il répond à un appel ?
La plupart des plaintes liées aux vibrations sont généralement dues à des activités humaines, telles que la construction d’une route municipale à proximité. Dans ce cas, pour évaluer la probabilité que les dommages soient causés par les travaux, il est utile de connaître quel type d’activités avait été entrepris avant que les vibrations ou les défaillances ne soient constatées.
Les travaux d’excavation dans la roche, en particulier le dynamitage, peuvent causer des dommages importants si les conditions s’y prêtent. En revanche, le marteau-piqueur et le compactage ne produisent généralement pas assez d’énergie pour causer des dommages importants à la plupart des structures résidentielles. Bien que désagréables pour les occupants, les vibrations à haute fréquence produites par le martelage ne sont pas synchronisées avec la fréquence du bâtiment et il est fort probable que la fissure dans les fondations de la maison n’ait pas été causée par ces activités de construction mineures.
La plupart des projets causant des vibrations prévu comme importante commencent par une inspection préalable des bâtiments adjacent, qui constitue l’une des premières informations obtenues lors d’une investigation liée aux vibrations. Les entrepreneurs expérimentés connaissent les exigences des municipalités, et ils savent également que les résidents ont tendance à se plaindre des vibrations causées par les machineries à proximité.
Ces entrepreneurs peuvent réfuter la plupart de ces plaintes en fournissant des preuves que les dommages existaient déjà avant le projet de construction actuel. Pour ces raisons, lorsqu’ils entreprennent des travaux de dynamitage dans les limites d’une ville, la plupart des municipalités exigent la mise en place d’un programme de surveillance des vibrations afin d’enregistrer les vibrations dans le sol et de les maintenir en dessous de limites spécifiques (telles que les limites DIN). Les résultats de cette surveillance peuvent être difficiles à obtenir, mais lorsqu’ils sont disponibles, ils constituent une véritable mine d’information précieuse.
Une fois mandaté, un ingénieur professionnel commencera généralement son enquête en acquérant les connaissances décrites dans cet article. De même, un expert en sinistres ou un occupant pourra éventuellement aider lors de la phase initiale en répondant à certaines des questions présentées ci-dessus. Prendre ces premières mesures dès le début de l’investigation permet d’économiser du temps et de l’argent lors du règlement d’une réclamation liée aux vibrations.
Résumé
Nous savons que les fréquences de vibration qui affectent les humains sont différentes de celles qui peuvent endommager les bâtiments. De plus, les humains sont beaucoup plus sensibles aux vibrations que la plupart des structures. Les activités de construction typiques provoquent souvent un inconfort important chez les occupants avant même de causer des dommages aux bâtiments, comme l’ont démontré plusieurs études scientifiques.
Une réclamation liée aux vibrations doit faire l’objet d’une investigation approfondie par un expert, car un examen de la structure est nécessaire pour déterminer sa « fréquence ». De plus, les activités de construction qui provoquent des vibrations sont souvent accompagnées de programmes de surveillance fournissant des informations utiles sur les causes. CEP Forensique est prêt à vous assister, à tout moment et en tout lieu où des vibrations se produisent.