Calculs sismiques pour les rayonnages en Europe

21/08/2017

Les niveaux de dangerosité sismique et la probabilité d'un tremblement de terre sont plus élevés dans les régions proches des limites entre deux plaques tectoniques. En Europe, les pays les plus sismiques sont l'Italie, la Grèce, la Turquie, Chypre et l'Islande. Dans chacun de ces pays, il existe des secteurs plus risqués que d'autres. Lors de la conception et la construction de systèmes de stockage, la prévention et le respect des normes européennes sont inévitables pour assurer la résistance des rayonnages aux mouvements sismiques.

Contrairement aux structures de génie civil habituelles, les rayonnages sont spécifiquement conçus pour supporter de lourdes charges. La stabilité de la marchandise stockée est assurée par des connexions entre les montants et les lisses, mais aussi par la structure de l'armature appelée châssis.

Les composants des rayonnages sont fabriqués à partir de profilés en acier très résistants dont l'épaisseur est comprise entre 1,8 et 3,0 mm. Ils sont soumis à des flexions globales, locales et plus particulièrement sur les montants qui subissent également des distorsions. Il est très difficile de prévoir le comportement structurel des rayonnages et, pour cette raison, des essais sont requis en phase de conception afin de connaître les caractéristiques mécaniques des composants et leurs connexions.

 

Design parasismique des rayonnages

La conception des rayonnages situés dans des zones à haut risque sismique est beaucoup plus complexe que celle de rayonnages sur des zones normales. Ceux-ci doivent non seulement être capables de résister aux forces dynamiques (aussi bien horizontales que verticales) et aux mécanismes d'effondrement global ou local mais doivent aussi empêcher la chute des palettes en cas de tremblement de terre.

La chute des palettes peut endommager les produits et la structure des rayonnages. Elle représente un risque pour la sécurité des hommes et engendre des pertes économiques pour la société, souvent bien supérieures aux coûts d'installation des rayonnages parasismiques et de leurs renforcements.

En Europe, des normes officielles existent depuis peu, elles permettent de réglementer la conception antisismique des rayonnages. Auparavant, les concepteurs prenaient comme référence les indications du Rack Manufacturers Institute (RMI). Cette association commerciale américaine regroupe des entreprises du secteur de la manipulation de matériaux. Elle propose, dans sa liste de bonnes pratiques, des informations sur les méthodes de comptabilisation des actions sismiques. L'Eurocode 8 du CEN (Comité Européen de Normalisation), relatif à la conception parasismique des structures était lui aussi à la base du travail des concepteurs (spécifiquement dans le secteur de la construction).

Toutefois, les rayonnages sont des structures en acier très particulières, dont le comportement n'est pas similaire à celui des structures de bâtiments. Par conséquent, la plupart des configurations structurelles utilisées pour les rayonnages n'étaient pas du tout couvertes par ces normes. Pour répondre à ce problème, la European Racking Federation (FRM), une association composée des principaux fabricants européens, comme Mecalux, a rédigé elle-même les recommandations de conception de rayonnages antisismiques qui, en 2016, ont inspiré la norme EN 16681, approuvée par la Commission européenne.

Cette norme de conception européenne permet de regrouper les critères que doivent respecter les fabricants européens lors de la construction de leurs rayonnages, afin d'édifier des structures beaucoup plus solides. Bien entendu, les fabricants américains et asiatiques doivent également concevoir leurs produits en respectant cette norme s'ils veulent accéder au marché européen.

 

Programmes de recherche

Les recherches sur le comportement des rayonnages métalliques face aux mouvements sismiques existent depuis peu. En effet, les premières études ont été réalisées aux États-Unis, après le séisme dans la ville de Northbridge (Los Angeles), qui a eu lieu le 17 janvier 1994.

Suite aux derniers tremblements de terre survenus en Europe (comme le séisme dévastateur de 1999 en Turquie, qui eu un impact économique désastreux) et afin de combler l'absence d'études sur le comportement dynamique des rayonnages métalliques soumis aux mouvements sismiques, la Commission Européenne a soutenu trois programmes de recherche :

1. Le programme Free Access To large Scale Testing Facilities, en 2002, avec la collaboration de l'Union Européenne et du Ministère de l'enseignement italien.

2. Le programme Storage Racks in Seismic Areas (SEISRACKS), à travers le Fonds de recherche du Charbon et de l'Acier, démarré en décembre 2004 et finalisé en juin 2007. Les objectifs de ce programme étaient de connaître le comportement des rayonnages et de concevoir des normes spécifiques pour résister aux mouvements sismiques.

Dans ces deux programmes, le comportement des connexions des rayonnages a été évalué. Pour cela, des essais ont été réalisés à grande échelle (à l'aide de poussées horizontales ou de simulateurs sismiques) afin de vérifier les effets sismiques comme l’interaction entre palettes et rayonnages.
 

Le simulateur sismique est capable de générer des vibrations sur les éléments testés afin de prouver la résistance sismique de leurs structures en reproduisant le mouvement au sol d'un tremblement de terre.
 

Suite à ces études et grâce aux connaissances apportées par ces recherches, un code applicable aux rayonnages métalliques à palettes a été créé, la prénorme FEM 10.2.08, publiée en 2008.

3. Le programme Seismic Behaviour of Steel Storage pallet racking systems (SEISRACKS 2), en 2011. Le but de cette étude était de connaître le comportement hors plan des lisses, des connexions entre les lisses et les montants et celui de toute la structure.

Lors des calculs en 2D des rayonnages, des calculs en direction longitudinale (parallèle aux allées) et en direction transversale (perpendiculaire aux allées) étaient réalisés. Le montant intervenait donc uniquement dans la direction longitudinale.

Grâce à ce programme, la nécessité d'étudier le mouvement horizontal du montant lorsque l'unité de charge se déplace d'avant en arrière a été prise en compte.

 

Norme européenne

La norme UNE 16681 a été adoptée en 2016 (Stockage sur les rayonnages métalliques. Rayonnage réglable pour les charges palettisées. Principes de conception antisismique), sa rédaction finale provient de la FEM 10.2.08, des commentaires reçus après son application et des résultats obtenus à partir des programmes de recherche.

Conformément à la norme, les rayonnages des régions sismiques doivent être conçus et construits dans le respect des exigences suivantes :

1. Système anti-effondrement

  • La structure devra être conçue et construite pour résister à l'action sismique, éviter tout effondrement local ou général, son intégrité structurelle ne devra pas être compromise et elle devra être capable de supporter des chargements après un événement sismique.
  • Par conséquent, le niveau de résistance et de flexibilité spécifiées de la structure doit être contrôlé.

2. Limitation des dommages

  • L'évaluation du niveau de dommages des éléments structurels est obligatoire avant de réutiliser des rayonnages ayant subi un tremblement de terre.

3. Mouvement des unités de charge

Les accélérations sismiques peuvent faire glisser les palettes sur les lisses lorsque le coefficient de frottement statique entre la palette et les lisses est dépassé.

Conséquences de ces phénomènes :

  • La réduction de l'action sismique dans le rayonnage, grâce à la dissipation de l'énergie et grâce à la limitation de l'action horizontale qui peut être transférée de la palette au rayonnage.
  • La chute des unités de charge peut provoquer l'effondrement local ou global des rayonnages, blesser des personnes et provoquer des dégâts sur les équipements situés à proximité.

 

De même, la norme EN 16681 définit que la méthode de calcul de référence est l’analyse modale spectrale, le MRSA (Modal Response Spectrum Analysis).

La conception de structures antisismiques demande, dans un premier temps, la connaissance du mouvement produit au sol pendant un séisme. Ce mouvement est un déplacement dans n'importe quelle direction combiné à des rotations autour de n'importe quel axe.

En ingénierie, la charge sismique est généralement définie à l'aide d'un accélérogramme. C'est un graphique de temps-accélération du terrain qui représente les composants de l'accélération horizontale et verticale produits par un tremblement de terre à un endroit déterminé.

 

Analyse modale spectrale

Le MRSA est une étude visant à obtenir l'ensemble des actions horizontales qui agissent sur les différents niveaux des rayonnages et qui doivent être absorbées par les châssis, les lisses, les contreventements, par leurs connexions ou tout autre composant.

Il s'agit de calculer la réponse de la structure par rapport aux fréquences et non pas par rapport au temps. Pour cela, il est primordial de connaître, dans un premier temps, la solidité et le comportement naturel de la structure et, dans un second temps, le spectre de la conception à différents emplacements.

Le spectre de la conception représente l'accélération du terrain (l'accélérogramme) en termes de fréquence. Les paramètres varient en fonction du type de terre, de l'emplacement exact de l’installation par rapport à l'épicentre, mais aussi en fonction de la composition du terrain.

Le spectre représente la réponse d'un système idéal face à une accélération de la fréquence. Par conséquent, il permet de connaître la réponse de la structure face à une fréquence d'agitation. Par exemple, si un rayonnage présente une fréquence naturelle (T1), les efforts de cette fréquence pourront être visualisés à travers le spectre.

Avant d’évaluer le comportement du rayonnage, il est préconisé de réaliser préalablement un calcul modal (pour connaître les modes de vibrations naturels et leurs fréquences) qui permettra d'analyser :

  • Le comportement des connexions (leur rigidité).
  • La masse du produit (les rayonnages avec charge).
  • Le facteur d'occupation des rayonnages (la distribution les palettes, les niveaux vides, où se trouvent les palettes les plus lourdes, etc.).
  • La réduction de la solidité du système en fonction de sa charge.

Avec toutes ces données, la norme recueille et normalise l'impact des paramètres les plus importants et influents sur les rayonnages (le type de charge, le degré d'occupation des rayonnages ou le type d'unité de charge, parmi d'autres facteurs). Par ailleurs, comme il s'agit d'un rayonnage, d'autres paramètres peuvent modifier le spectre de conception :

  • L'intensité sismique.
  • Le nombre de niveaux.
  • La masse totale.
  • La flexibilité de la structure.
  • La force horizontale maximale qui peut se transmettre entre la charge et les rayonnages.
  • La réduction de l'action sismique en fonction des essais avec les simulateurs sismiques.

À partir de ce calcul modal, les actions sismiques individuelles de chaque direction sont identifiées. À partir de là, les effets dans les deux sens sont combinés pour obtenir les valeurs de conception des actions sismiques.

Une fois que les valeurs de conception des actions sismiques sont connues, les règles de combinaison doivent s'appliquer. Pour cela, il faut comparer les valeurs relatives aux tremblements de terre horizontaux et verticaux, le poids des rayonnages et des unités de charge. Cela nous permet de connaître l'intensité des forces (celles que doivent supporter les composants des rayonnages) afin de vérifier si les installations sont capables de résister. Par la suite, on vérifie que les unités de charge ne tombent pas ou qu'elles ne glissent pas.

Le MRSA est la méthode recommandée pour les calculs d'actions sismiques, étant donné que les spectres sismiques sont faciles à générer et à normaliser. Les spectres représentent la sismographie d'un lieu déterminé et permettent d'éviter d'avoir à réaliser de multiples combinaisons de calculs évolutifs sur différents accélérogrammes de calcul, ce qui réduit le temps de calcul et offre des résultats fiables.

Pour les séismes de faible intensité, il est possible de faire appel au LFMA, il permet de simuler les tremblements de terre en générant un ensemble de forces horizontales équivalentes.

Mecalux face aux tremblements de terre

Mecalux dispose des connaissances et d'une longue expérience de travail dans les régions à haut niveau sismique. Ses installations parasismiques de Turquie, d'Italie et du Chili (le pays le plus exposé aux tremblements de terre, situé au niveau de l'Anneau de feu du Pacifique) sont considérées comme un laboratoire naturel de recherche scientifique autour de ce phénomène.

Le service d'ingénierie de Mecalux possède un équipement spécialisé dans la conception de rayonnages capables de supporter les activités sismiques. Mecalux utilise des matériaux de qualité, elle reste à l’avant-garde des dernières innovations technologiques et applique des programmes de calculs structuraux fondés sur la simulation

La méthode Mecalux consiste à générer un modèle tridimensionnel de la structure en utilisant des programmes d'éléments finis. Un ensemble de données y est introduit, comme le type de matériaux, les dimensions des profilés, le spectre de la conception, les caractéristiques des unités de charge, etc. De même, la simulation structurelle a une importance vitale pour vérifier la résistance des rayonnages face aux tremblements de terre.

Mecalux est le premier fabricant de solutions de stockage au monde connu pour son respect des normes de qualité et de sécurité. Il développe des rayonnages parasismiques, dans le but de préserver l'intégrité des structures, des produits stockés et, garantir, la sécurité des hommes.