Évaluation du comportement sismique et de la capacité d’effondrement des structures mixtes poteaux–murs en béton armé en tenant compte de l’interaction sol–structure sous des conditions de sol variables

Pourquoi le sol sous les bâtiments compte

Quand on imagine des bâtiments résistants aux séismes, on se concentre souvent sur la résistance des poteaux, des poutres et des murs. Pourtant, une partie cruciale de l’équation reste invisible : le sol et les fondations qui soutiennent la structure. Cette étude pose une question apparemment simple mais aux implications importantes pour la sécurité : dans quelle mesure la souplesse du sol modifie le comportement des bâtiments en béton armé lors de forts séismes, et les règles de conception actuelles sous‑estiment‑elles le risque d’effondrement — en particulier sur sols mous ?

Comment les bâtiments en béton modernes résistent au mouvement

De nombreux bâtiments en béton de hauteur moyenne et élevée utilisent un système « dual » pour résister aux secousses. Des murs verticaux en béton, appelés murs de cisaillement, travaillent de concert avec les ossatures périphériques composées de poutres et de poteaux. Les murs rigides supportent la majeure partie des efforts horizontaux, tandis que les cadres fournissent une résistance complémentaire et aident à contrôler les dommages. Les normes considèrent généralement la base de la structure comme encastrée au sol, c’est‑à‑dire que la fondation ne bascule ni ne glisse. En réalité, surtout sur des sols plus mous, la structure, la fondation et le sol se déplacent et se déforment ensemble. Cette interaction sol–fondation–structure peut allonger la période propre du bâtiment, modifier la transmission des efforts dans les cadres et les murs, et changer les lieux de concentration des dommages durant un séisme.

Tester bâtiments et sols

Les chercheurs ont élaboré des modèles numériques détaillés de trois bâtiments en béton armé — de 5, 10 et 15 étages — conçus selon les codes américains en vigueur pour deux types de sites courants : un sol plus rigide (Type C) et un sol plus mou (Type D). Pour chaque hauteur et chaque sol, ils ont comparé une version idéalisée à base encastrée avec une version à base flexible plus réaliste, dans laquelle les fondations pouvaient basculer et s’enfoncer sur des ressorts représentant le comportement du sol. Ils ont ensuite exécuté des milliers de simulations en utilisant des enregistrements sismiques réels, y compris des événements de niveau de conception et des secousses beaucoup plus violentes. Ces simulations ont rendu compte non seulement des dérives globales (déplacements relatifs d’étage) mais aussi des « charnières plastiques » — zones où poutres et poteaux prennent du rendement et accumulent des dommages permanents — et, en fin de compte, de la probabilité d’effondrement du bâtiment.

Ce qui se passe sur sol mou versus sol rigide

Les résultats montrent que les fondations flexibles peuvent à la fois assouplir et mettre en danger les bâtiments, avec des effets les plus marqués sur les structures basses et sur sol mou. Autoriser le basculement de la fondation a allongé la période de vibration et réduit les efforts de pointe à la base, mais a également augmenté les dérives d’étage et les dommages aux poutres. Sur le sol le plus mou, les dérives interétages du modèle 5 étages ont augmenté jusqu’à 100 % par rapport au cas encastré ; même les modèles 10 et 15 étages sur sol mou ont vu des augmentations de dérive d’environ 58 et 18 % respectivement. À mesure que le sol devenait plus mou, les murs de cisaillement supportaient une part plus faible du mouvement, reportant une charge plus importante sur les ossatures périphériques. Cette redistribution a entraîné des rotations plus importantes aux extrémités des poutres — jusqu’à 65 % de plus sur sol mou et 36 % de plus sur sol plus rigide — en particulier dans les étages inférieurs et aux travées périphériques où les dommages tendent à déclencher l’effondrement.

De l’excès d’oscillation à un risque d’effondrement accru

Pour aller au‑delà des simulations individuelles, l’équipe a utilisé une méthode appelée analyse dynamique incrémentale pour construire des courbes de fragilité — relations statistiques entre l’intensité du mouvement du sol et la probabilité d’effondrement. Ces courbes ont montré que les bases flexibles augmentaient systématiquement la probabilité d’effondrement, en particulier sur sols mous. Pour les bâtiments sur sol mou, la marge entre le mouvement de conception et l’effondrement s’est réduite jusqu’à 35 % lorsque la souplesse du sol était prise en compte. Au niveau des séismes maximums envisagés, la probabilité d’effondrement pour les structures sur sol mou est passée dans une fourchette de 9 à 12 %, contre seulement quelques pourcents lorsque les fondations étaient supposées parfaitement encastrées. Il est notable que, pour les bâtiments élevés, le surcroît de basculement semblait modeste aux niveaux de secousse de conception, mais à très forte intensité il amplifiait les dérives horizontales et les effets dits P–Delta, où des charges de gravité inclinées déstabilisent encore davantage la structure.

Ce que cela signifie pour des villes plus sûres

Pour le grand public, le message clé est que la « souplesse » du sol peut éroder discrètement la marge de sécurité intégrée aux bâtiments en béton modernes, en particulier les systèmes mixtes mur–ossature sur sols mous. Des conceptions qui paraissent robustes lorsque les fondations sont traitées comme rigides peuvent, en réalité, être plus proches de l’effondrement si le sol autorise un basculement et un enfoncement importants. Les auteurs concluent que les codes et les pratiques d’ingénierie devraient tenir plus explicitement compte de l’interaction sol–fondation–structure, plutôt que de supposer qu’elle est toujours bénéfique. Agir ainsi produirait des estimations des sollicitations sismiques plus fiables et une sécurité plus homogène selon les sites, contribuant à éviter que les bâtiments sur sols mous ne subissent un désavantage caché lors du prochain grand séisme.

Citation: Yousefi, A., Tehrani, P. Evaluation of seismic behavior and collapse capacity of dual RC frame–shear wall structures considering soil-structure interaction under varying soil conditions. Sci Rep 16, 6211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36577-0

Mots-clés: interaction sol‑structure, génie parasismique, bâtiments en béton armé, risque d’effondrement sismique, effets des sols mous