500 ans de protection sismique pour la Grande Mosquée d'Alger

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La Grande Mosquée, d'une superficie totale de 400.000 m² et accueillant 120.000 visiteurs par jour, devrait être achevée en 2017. Le bâtiment central est la salle de prière, qui mesure 145 x 145 m et 65 m de haut. Elle pourra accueillir jusqu'à 32.000 personnes.

Deux cas de charge adoptés

Les planificateurs supposent deux cas de séisme pour cette région. Pour l'événement DBE (Design Basis Earthquake), une période de retour de 475 ans a été retenue, soit une probabilité relativement élevée. Dans ce cas, les personnes, les bâtiments et le contenu doivent être protégés. "Contenu" désigne l'équipement très précieux avec des revêtements, des tableaux, des stèles, etc. comparable à un musée. Un événement MCE (Maximum Considered Earthquake) a été supposé se produire tous les 2.475 ans et il faut au moins en protéger les personnes et la structure des bâtiments.

Pour couvrir les deux cas de charge, une solution hybride composée de paliers et d'amortisseurs a été développée :

• 246 paliers oscillants à glissement (SIP - Sliding Isolation Pendulum) découplent horizontalement le bâtiment du sol.
• 80 amortisseurs hydrauliques à effet horizontal permettent de limiter le mouvement de l'ouvrage à ±655 mm.

La période d'isolation du système a été fixée à 3,1 secondes afin de garantir que les accélérations maximales du sol (PGA = Peak Ground Acceleration) qui se produisent sont suffisamment filtrées et réduites.

Palier pendulaire coulissant (SIP) pour DBE

Les paliers oscillants à glissement de type SIP sont principalement adaptés au cas de charge sismique de conception. Ils sont comparables à un palier lisse à calotte mobile dans tous les sens, les deux surfaces de glissement et, en conséquence, la "calotte" étant concaves. En cas de tremblement de terre, les paliers SIP ont quatre fonctions:

1. Ils supportent la charge verticale du bâtiment sur lequel ils reposent. Celle-ci s'élève jusqu'à 2.730 t par palier. La particularité de l'appui SIP est qu'il est stable et donc absolument à l'abri des défaillances en cas de charge maximale très élevée combinée à la grande déviation maximale.
2. Les surfaces de glissement permettent des mouvements de glissement horizontaux (sliding) jusqu'à ±655 mm et transforment l'énergie cinétique en chaleur en raison d'un frottement de 3 %.
3. Les paliers découplent (isolent) la mosquée du sol, de sorte qu'elle reste "immobile" et que sa structure filigrane ainsi que son contenu ne subissent aucun dommage.
4. Après un tremblement de terre, le palier se recentre de lui-même dans sa position initiale (pendule) grâce aux surfaces de glissement concaves et au poids du bâtiment. Ceci est important pour éviter que l'ouvrage ne flotte lorsque des secousses sismiques se produisent plusieurs fois dans la même direction.

Chacun des 246 appuis SIP a un plan pouvant atteindre 1360 x 1360 mm. Ils ont été placés respectivement sous les colonnes qui soutiennent la structure de la mosquée. Ils protègent les personnes, le bâtiment et le contenu. Le faible frottement dans le palier de seulement 3 % suffit à limiter les accélérations internes de la construction à 0,12 g en cas de séisme de conception. Cela signifie une protection efficace pour le précieux contenu.

Pour l'événement MCE, un frottement d'environ 10 à 12 % dans les roulements serait nécessaire pour réduire le mouvement de la structure à ±655 mm. Mais dans ce cas, lors du séisme de conception plus faible, les paliers ne bougeraient pas, le bâtiment s'élèverait en raison des effets d'accélération élevés et le contenu serait considérablement endommagé.

MCE : Activation d'amortisseurs hydrauliques adaptatifs supplémentaires

La limitation du mouvement horizontal est la tâche la plus importante pour le cas de charge MCE. C'est pourquoi 40 amortisseurs hydrauliques ont été installés dans le sens longitudinal et 40 dans le sens transversal. Ils ont chacun une capacité maximale de 3 065 kN.

La particularité de ces amortisseurs est qu'ils ne couvrent pas seulement le séisme maximal avec un PGA de 0,65 g, mais qu'ils réagissent en fonction de la vitesse (de manière adaptative). En cas de DBE, ils n'établissent qu'une faible résistance, en cas de fort séisme, ils réagissent de manière agressive avec une résistance élevée et transforment le mouvement en énergie (dissipation). En cas de DBE faible à moyen, les amortisseurs ne sont donc guère actifs et les paliers SIP peuvent réagir de manière très souple ou douce.

Pour un séisme maximal, on peut supposer 0,4 g en termes réels à Alger. En raison de la longue durée de vie requise de 500 ans, de l'importance du bâtiment et de la préoccupation des autorités en matière de sécurité, un facteur de sécurité de 1,6 a été ajouté, de sorte que les paliers et les amortisseurs ont été conçus pour une accélération de 0,65 g.

Réponse constante de l'amortisseur dans la zone limite

La consigne des planificateurs de KREBS+KIEFER Ingenieure GmbH était en outre un facteur de sécurité de 1,2, ce qui avait pour conséquence que la force de réponse croissante devait rester constante à partir d'une vitesse supposée de 100 cm/s jusqu'à 120 cm/s. Un système de soupape a été installé à cet effet.

Parallèlement, un facteur de sécurité de 1,5 devait être pris en compte selon la norme EN 15129 pour les dispositifs antisismiques, de sorte que le comportement des amortisseurs devait être démontré jusqu'à une vitesse de mouvement de 150 cm/s. Dans la réalité, ce cas de charge ne se produit très probablement pas, mais les appuis, les amortisseurs et leurs ancrages dans le béton devaient être conçus pour cela.

Tests dans les universités de San Diego et de Pavie

Pour le marquage CE, des tests conformes à la norme EN 15129 étaient exigés. Les amortisseurs et les roulements ont été testés à l'université de Californie à San Diego, car c'est le seul endroit où les prototypes peuvent être testés à pleine charge, à pleine vitesse et avec une amplitude maximale. Même après une dizaine de séismes maximaux simulés, les paliers étaient encore fonctionnels. Après avoir remplacé l'huile et les joints, les prototypes testés ont été installés dans la mosquée.

Des tests de production supplémentaires ont été effectués au centre européen de Pavie avec un programme de production allégé. Ces composants ont ensuite été directement installés.

Calotte intérieure supplémentaire

Les paliers lisses oscillants disposent d'une autre particularité, due à leur longue durée de vie de 500 ans. À l'intérieur du palier, il y a une calotte avec une articulation sphérique qui peut absorber 1 % de rotation dans toutes les directions. Cela permet de compenser des modifications telles que des affaissements du sol ou des erreurs de montage qui, sans cette articulation, pourraient conduire à une inclinaison permanente du palier et, dans les cas extrêmes, à un endommagement du matériau de glissement.

Paliers interchangeables avec seulement 2 mm d'élévation

Si toutefois un dommage devait survenir un jour sur les paliers, par exemple à la suite d'un incendie, les paliers peuvent être remplacés. Les plaques d'ancrage ont été installées avec de nombreux ancrages en béton et les paliers y ont été fixés avec de nombreuses vis. Cette méthode est coûteuse, mais elle permet de remplacer les paliers en ne soulevant la structure environnante que d'environ 2 mm. Un soulèvement plus important ne serait pas possible pour des raisons statiques.

La rentabilité

Au vu de ces nombreux détails complexes, la question du coût de la solution hybride palier SIP plus amortisseur hybride se pose, car à l'origine, il était prévu d'utiliser des paliers en caoutchouc moins chers de 1 600 mm de diamètre et de 1 000 mm de hauteur. "Outre le fait que ces appuis se seraient renversés en cas de déplacement maximal, ils constituaient la solution la moins économique au regard de l'ensemble du système", explique le chef de projet Peter Huber de MAURER. "La solution hybride, techniquement plus sûre et plus fiable, est en outre le système le plus économique en termes de coût global de construction. Elle permet d'économiser beaucoup d'argent dans la structure de l'ouvrage, car les forces agissantes ont été nettement mieux réduites, ce qui a permis de construire de manière nettement plus mince."

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