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Le premier rapport sur les risques mondiaux de J.S. Held examine les risques et les opportunités potentiels pour les entreprises en 2024.
En savoir plusDes plaintes sont souvent formulées lorsque des activités de construction sont menées dans une zone densément peuplée ou à proximité d'installations sensibles aux vibrations. Les premières phases d'un projet de construction génèrent souvent des vibrations dans les sols proches de la surface. Ces activités de construction peuvent comprendre le démantèlement de ponts, de bâtiments ou d'infrastructures existants. Les activités peuvent aussi comprendre l'excavation du sol, le battage de pieux, le défrichage du site, la circulation des camions ou le compactage à l'aide d'équipement vibratoire.
Au cours des quatre dernières décennies, des recherches importantes ont été effectuées et des progrès importants ont été réalisés dans l'étude des tremblements de terre, des mines et de l'ingénierie offshore. Grâce à ces progrès, les ingénieurs ont une meilleure compréhension de la relation contrainte-déformation des sols, à mesure qu'ils sont touchés par les forces statiques, cycliques et dynamiques. Adaptés à l'analyse des vibrations, nous pouvons maintenant modéliser ces forces créées par l'homme sous forme d'ondes planes traversant le sol ou le massif rocheux, destinées aux activités de dynamitage et de battage de pieux. De même, nous pouvons modéliser les forces créées par l'homme sous la forme d'ondes de surface pour le compactage et d'autres types de développement et de construction de sites similaires.
Une analyse des vibrations fondée sur l'ingénierie géotechnique, le génie civil et construction peut être effectuée pour déterminer l'ampleur de l'impact au lieu des critères subjectifs de la perception humaine. Le présent document décrit les principes de base d'une analyse des vibrations de construction.
Dans la construction résidentielle ou commerciale, la majorité des vibrations liées à la construction se produisent généralement pendant les premières phases de la construction. Les trois principales activités liées à la plupart, voire la totalité, des sinistres causés par les vibrations dans le secteur de la construction sont les suivantes :
Le défrichage du site comprend le démantèlement de la végétation, de la chaussée et des bâtiments existants. Ce processus est souvent effectué à l'aide d'un équipement émettant des vibrations tels que des excavatrices, des bulldozers, des chargeuses et des gros camions. Des explosifs sont également utilisés dans certains cas lors de la démolition de grandes structures.
Une fois le site défriché, on peut y apporter de la terre de remblai. Le remblai est utilisé pour le nivellement afin d'élever le niveau du sol à des fins de drainage, ou si l'élévation de l'aire de construction doit être plus élevée que le niveau du sol existant. Le remblai est généralement placé dans des monte-charges de 6 à 12 pouces et doit être compacté afin de diminuer les problèmes futurs de tassement. Les compacteurs, qu'on appelle communément « rouleaux », sont utilisés pour la densification du sol sur les grands sites. Les rouleaux sont des véhicules lourds équipés d'un grand rouleau à tambour en métal, qui comprime la terre lorsqu’elle est déposée sur le remblai. Les rouleaux sont souvent équipés de vibrateurs mécaniques, ce qui améliore les performances de compactage. Les petits rouleaux, les compacteurs à plaque vibrante et les pilonneuses sont utilisés sur les petits chantiers ou pour compacter le sol dans les endroits où l'accès est limité, par exemple lors de l'excavation des fondations d'un bâtiment. Les compacteurs à plaque vibrante, comme le montre la figure 1, sont des équipements à moteur et à conducteur à pied qui utilisent également les avantages des vibrations pour compacter le sol.
La vibration est généralement utilisée dans les équipements de compactage du sol, car elle améliore l'efficacité de l'équipement en dirigeant l'énergie dans le substrat, ce qui évite les frottements entre les particules présentes dans le sol, permettant ainsi de les réaligner pour remplir les espaces vides et, par conséquent d'augmenter la densité du sol et empêcher un tassement excessif du bâtiment. L'utilisation d'équipements vibrants permet d'améliorer la densité en moins de temps et d'efforts, mais aussi d'augmenter la profondeur de pénétration de l'équipement de compactage. En d'autres termes, plus l'énergie mécanique qu'une machine transmet dans le sol est élevée, plus le compactage est rapide et efficace. Tout en présentant des avantages évidents dans la construction, l'utilisation d'équipements vibrants peut également avoir des effets néfastes sur les bâtiments, les installations et les personnes qui se trouvent à proximité. Si les précautions appropriées ne sont pas prises, les méthodes de compactage du chantier peuvent être incompatibles avec les occupants des bâtiments qui sont situés à proximité.
Pour les bâtiments plus grands, les bâtiments construits sur un sol pauvre ou les bâtiments construits près d'un plan d'eau, un système de fondations profondes est souvent nécessaire pour soutenir le bâtiment. Les piliers en béton, en acier et en bois constituent les types de fondations profondes les plus courants, ils sont enfoncés dans le sol avec un gros marteau ou un engin vibratoire. Les deux méthodes d'installation engendrent de fortes vibrations qui peuvent occasionner des désagréments et / ou endommager les propriétés avoisinantes.
L'oreille de l'homme est sensible aux vibrations à une fréquence bien plus basse que celle nécessaire à endommager une structure. D'après une étude sur la réaction subjective de l'homme aux vibrations réalisée par le United States Bureau of Mines (USBM, Bureau des mines des États-Unis), les vibrations ont été classées comme étant « à peine perceptibles » par l'homme à un niveau aussi faible que 0.011 po/sec et comme « élevées » à un niveau aussi faible que 0,301 po/sec. Cependant, la même étude de l'USBM a évalué la réaction des structures résidentielles aux vibrations et a constaté que le niveau minimum de vibration pour endommager les vieilles constructions en plâtre sur lattes est de 0,50 po/sec et de 0,75 po/sec pour les nouvelles constructions en plaques de plâtre.
Les vibrations traversent le sol et se transmettent aux murs, au sol et au toit par la fondation. Les premiers signes de dommages liés aux vibrations apparaîtront sur les plans intérieurs des murs porteurs verticaux, car ces murs résistent au balancement latéral et aux mouvements causés par les vibrations. La quasi-totalité des matériaux de finition sont rigides et inflexibles, comme le stuc de ciment, le plâtre intérieur, les panneaux muraux intérieurs en plaques de plâtre et le carrelage mural. Les dommages aux revêtements rigides apparaissent d'abord sous forme de fissures aux emplacements les plus faibles du mur, qui sont généralement situés sur les angles des ouvertures de fenêtres et de portes.
Les matériaux de construction vont des plus flexibles, comme le bois et l'acier, aux plus rigides, comme la maçonnerie et le béton. Ces matériaux sont ensuite généralement recouverts de revêtements décoratifs et esthétiques. Les dommages causés par les vibrations affecteront les matériaux flexibles au niveau des jonctions, qui sont les parties les plus rigides d'un montage flexible. En revanche, les dommages aux matériaux rigides apparaîtront sous forme de fissures ou de tassements différentiels post-construction. Les matériaux rigides sont généralement endommagés par les vibrations avant les matériaux flexibles.
Les vibrations de construction représentent une menace connue et peuvent endommager les structures existantes si elles ne sont pas correctement surveillées et prises en compte. Pour réduire de façon préventive les sinistres causés par les vibrations, les bâtiments situés à proximité devraient être inspectés avant et après la construction et surveillés tout au long de la construction.
Par exemple, sur les projets routiers dans l'État de Floride, le Florida Department of Transportation (FDOT, Département des transports de la Floride) exige que les ouvrages riverains soient soumis à une surveillance des vibrations. Conformément au chapitre 108-2 des Spécifications standard pour la construction de routes et de ponts du FDOT, pendant la construction des murs de soutènement et des fondations des ponts, des bâtiments et des structures, tous les ouvrages situés à moins de 200 pieds de l'installation ou de l'extraction des palplanches et à moins de 100 pieds de l'installation ou de l'extraction des parois berlinoises, doivent faire l'objet d'inspections, de levés et de surveillances des tassements. Par ailleurs, lors d'opérations de compactage de la chaussée, tous les ouvrages situés à moins de 75 pieds des opérations de compactage par vibration doivent faire l'objet de levés et de surveillances des tassements.
Une étude avant la construction devrait indiquer l'état de la structure et toutes les fissures existantes afin de déterminer si de nouvelles fissures sont apparues pendant la construction. Les niveaux de vibration peuvent être surveillés pendant la construction à l'aide d'un sismographe afin de déterminer s'ils ont dépassé le seuil de dommage du bâtiment. Toutefois, il arrive souvent que la surveillance des vibrations ne soit pas effectuée et qu'il n'y ait pas d'études avant et après la construction. Il est ainsi possible d'effectuer des analyses vibratoires afin d'estimer les niveaux de vibration qui auraient été présents sur le site et les comparer au niveau de vibration minimum requis pour endommager une construction. Conformément au Florida Statute 552.30, les vibrations du sol directes générées par les activités minières de construction sont limitées aux normes maximum fixées par le rapport d’enquête n° 8507 (1980) du United States Bureau of Mines (Bureau des mines américain). Ces réglementations s'appliquent tout particulièrement à l'exploitation minière, mais entrent généralement en vigueur dans le secteur de la construction.
Ces normes maximales comprennent :
Comme illustré sur la figure 2, la vitesse maximale de pointe des particules tolérée pour les activités de construction change avec la fréquence.
L'analyse des vibrations de construction sur une structure donnée est un processus qui se réalise en deux étapes :
Les dégâts directs dus aux vibrations sont provoqués par l'énergie vibratoire qui est transmise à la fondation par contact direct avec les sols porteurs. Les vibrations du sol se diffusent le plus souvent, dans la construction, sous forme d'ondes de surface. Ce type d'ondes diminue en intensité, ou s'atténue, si on s'éloigne de la source des vibrations. Cette atténuation est le résultat d'une perte d'énergie due à la friction à l'intérieur du matériau, en l'occurrence des particules de sol, à travers lesquelles l'onde doit passer. À titre de comparaison, l'impact des niveaux de vibration sur les bâtiments est souvent exprimé par un chiffre unique quantifiant la vitesse maximale des particules (en po/sec ou mm/sec).
Afin de déterminer le niveau de vibration qui aurait pu se produire sur un site, il faut identifier l'équipement émettant des vibrations et déterminer la distance entre la source de vibration et le bâtiment. De nombreuses études ont été réalisées pour déterminer le taux de l'atténuation due au sol associé à divers équipements de construction. Par ailleurs, les spécifications du fabricant de l'équipement de construction contiennent parfois des tableaux de vibrations. La figure 4 identifie différents types de machines généralement utilisées sur les chantiers de construction et indique le niveau de vibration prévu en fonction de la distance. Comme indiqué sur le graphique, le niveau de vibration diminue lorsqu'on s'éloigne de la source.
Les dommages indirects causés par les vibrations font référence aux mouvements irréguliers dans les fondations et/ou les murs d'une structure, qui peuvent se produire si la structure est conçue ou construite de façon rudimentaire sur un sol sec et meuble et mal compacté par l'entrepreneur. Ces dommages peuvent être analysés en utilisant des méthodes basées sur des recherches approfondies effectuées par K. Rainer Massarch et d'autres chercheurs. Si la déformation de cisaillement causée par les vibrations est supérieure à 0,01 %, elle dépasse alors le seuil de défaillance et est considérée « à risque de tassement » dans les sols granulaires ou « en perte de résistance » dans les sols cohésifs.
La déformation de cisaillement est déterminée à partir de la vitesse de l'onde de cisaillement et de la vitesse de vibration de la source de vibration. Les ondes de cisaillement varient en fonction du volume d'espace vide au sein d'une matrice de sol. Par conséquent, une plage de pressions de sol et de taux de vide est utilisée pour réaliser le calcul (Figure 5). Pour un profil de sol et une profondeur de saturation des eaux souterraines supposés, il est possible de calculer la pression verticale effective du sol en kilonewtons par mètre carré. La vitesse de l'onde de cisaillement peut être déterminée à partir de la figure 5 avec le rapport effectif de contrainte et de vide connu. Les valeurs de vitesse de l'onde de cisaillement sont déterminées en fonction de la vitesse maximale des particules, comme indiqué sur la figure 4.
Les vitesses des ondes de cisaillement qui en résultent sont représentées sur la figure 6 à la vitesse maximale mesurée ou supposée des particules recueillies par le sismographe, calculée à partir des graphiques fournis par le fabricant de l'équipement, ou des graphiques généraux relatifs aux équipements de construction semblables à ceux de la figure 4.
Ces points sont comparés au seuil de défaillance, s'ils dépassent le seuil de défaillance, le tassement induit ne peut pas être éliminé comme source possible du problème récent lié au tassement constaté par l'ingénieur lors de l'inspection de la structure. Pour déterminer le rayon de tassement induit maximal pour l'équipement et les conditions du sol supposés, la vitesse de vibration du seuil de contrainte de cisaillement est tracée sur le graphique de la vitesse des particules en fonction de la distance (Figure 4).
Les travaux de construction sont souvent réalisés à proximité ou adjacents à d'autres structures existantes. Les déclarations de sinistres et les plaintes concernent souvent des dommages réels ou invoqués causés par les vibrations émises par les chantiers de construction. En l’absence de données réelles sur la vitesse maximale des particules et la fréquence enregistrée, les ingénieurs peuvent procéder à une analyse mathématique des vibrations de la construction afin de fournir aux parties intéressées un rayon latéral des dommages éventuels causés aux bâtiments. Les méthodes utilisées pour cette analyse reposent sur des décennies de recherche dans les domaines du génie parasismique et minier, ainsi que sur des études spécifiques aux différents types d’équipement de construction qui ont été adaptées à l'analyse en question. Les données d'entrée de l'analyse comprennent les conditions du site qui sont faciles à obtenir, à savoit la texture du sol, la densité relative du sol, la profondeur par rapport à la nappe phréatique, la distance latérale par rapport à la source de vibration, la géométrie de la fondation et le type de machine source de vibration.
L'impact direct des ondes de surface ainsi que l'impact indirect du tassement différentiel induit des sols porteurs et le problème lié au tassement des fondations et des murs porteurs sont tous deux pris en compte lors de l'analyse des vibrations de la construction.
Nous tenons à remercier W. Sharkey Bowers, PE, Andrew F. Lovenstein , PE, SI, et Adam A. Yala, PhD, PE,, dont les connaissances et l'expertise ont grandement contribué à cette recherche.
W. Sharkey Bowers est ingénieur principal dans le cabinet d'architecture judiciaire et de conseil de J.S. Held. Il fournit des avis d'ingénierie professionnels concernant la cause, l'origine et la durée des dommages matériels, et dirige le personnel de test des matériaux et aspects géotechniques sur le terrain pour évaluer les conditions des sous-sols des futurs sites de développement et fournir des recommandations sur la préparation du site, la remédiation des sols et des fondations. Il a également offert des services de surveillance des vibrations pour des projets de construction en cours en vue d'éviter les dommages aux structures voisines. Il a évalué le risque que les structures subissent des dommages du fait des vibrations causées par les travaux de construction et/ ou d'extraction proches, et a évalué la présence d'activité de doline et dommages structurels tels que définis dans la réglementation de Floride §627. En tant qu'ingénieur chargé de projet, il a par ailleurs produit des plans et des spécifications de conception de murs de soutènement segmentés détaillés dans le cadre de centaines de projets de murs de soutènement dans l'État de Floride.
Vous pouvez contacter Sharkey à l'adresse [e-mail protégé] ou au +1 813 460 4648.
Andrew F. Lovenstein est un ingénieur principal dans le cabinet d'architecture judiciaire et de conseil de J.S. Held. Les bâtiments qu'il a évalués ont été occupés par des usines de montage, des commerces, des entreprises, des résidences, des installations de stockage et des institutions, et comprenaient aussi bien de grandes structures que de petits hangars. Les différents types d'évaluation comprennent à la fois des méthodes d'essais destructifs et des méthodes d'essais non destructifs. Andrew a une connaissance approfondie des systèmes et des matériaux de construction actuels et archaïques. Il a effectué des évaluations de bâtiments après des ouragans, des inondations, des incendies, des impacts de véhicules, des moisissures, la présence d'humidité cachée et des effondrements. Andrew a également effectué des évaluations de bâtiments non endommagés dans le cadre de transactions immobilières, de changements d'occupation ou d'utilisation, et a réalisé de nombreuses études de faisabilité pour des ajouts à des bâtiments existants.
Vous pouvez contacter Andrew à l'adresse [e-mail protégé] ou au +1 786 244 2753.
Lors de l'inspection de bâtiments ou de structures après un événement catastrophique, tel qu'un ouragan, plusieurs types de dommages peuvent survenir. L'imprévisibilité des tempêtes peut présenter de nombreux défis lorsqu'il s'agit de déterminer comment...