Capsule #4 : La vibration de plancher, un sujet vibrant.

Sujet : Vibration de plancher

Concepteur : Olivier Girard ing. M.Sc.A.

De plus en plus d’ingénieurs sont consultés pour des situations de vibrations de planchers inconfortables. Bizarrement, il s’agit d’un sujet de plus en plus d’actualité et pourtant les méthodes de construction et la qualité des matériaux s’améliorent année après année. La question demeure, comment est ce possible qu’une situation jusqu’à maintenant contrôlée se détériore plus on améliore les matériaux et méthodes de construction ?

Pour répondre à la question, il faut comprendre certaines bases de dynamique des structures. La vibration d’un plancher est la réponse dynamique du plancher soumis à une charge dynamique, une charge qui varie dans le temps. Ces charges dynamiques proviennent de différentes sources comme par exemple le déplacement d’une personne dans une pièce ou les vibrations d’un moteur de génératrice. La réponse dynamique d’un élément de plancher dépend de la « signature vibratoire » de la structure du plancher et de la « signature vibratoire » de l’excitation. Si les deux signatures sont très similaires, nous serons en présence d’une amplification dynamique élevée (ou résonance si le système n’est pas amorti) engendrant des déformations inconfortables pour les usagers.

Avant de poursuivre, il faut déterminer qu’est ce qu’une déformation inconfortable… Chaque individu a un niveau de tolérance différent aux vibrations et déformations, alors il est peut-être difficile de déterminer une limite universelle d’inconfort. Par contre, l’inconfort d’un individu face à une vibration dépend grandement de ce que l’individu est en train de faire comme activité. Un individu qui fait de l’entrainement en salle de conditionnement acceptera sans broncher les vibrations causées par les poids qui tombent au sol. Or, un individu qui dort dans son appartement sans bruit pourra être très agressé d’une faible vibration constante. Le tableau suivant tiré du « Code national du bâtiment du Canada » illustre les niveaux acceptables de vibration en fonction des types d’habitation.

Vibration2

Les éléments qui ont une influence sur la signature vibratoire du plancher est la masse du plancher et la rigidité du plancher. Plus la masse sera élevée, plus la signature vibratoire du plancher sera faible (fréquence naturelle). Plus la rigidité du plancher est élevée, plus la signature vibratoire du plancher sera forte (fréquence naturelle). L’amplification dynamique maximale seradéterminée par l’amortissement intrinsèque au plancher. L’amortissement est le « frein dynamique », si l’amortissement est nulle, il n’y a pas de freins et donc l’amplification dynamique est infinie. Si l’amortissement est élevée, l’amplification dynamique sera faible car le « frein dynamique » agira rapidement sur le système. De manière imagée, imaginez vous conduire une voiture en mettant le pied sur l’accélérateur et sur le frein, si le frein est bon, la voiture ne se déplacera pas, si le frein est en mauvais état, la voiture avancera rapidement. Le graphique suivant résumé de manière plus mathématique l’ensemble des informations énoncées ici-haut (β est l’amortissement).Vibration

Maintenant, nous avons l’ensemble des informations en notre disposition pour comprendre pourquoi nous avons de plus en plus de problèmes de vibrations. Les deux principales causes sont :

  1. Matériaux et méthodes de constructions optimaux et performants
  2. Nouvelles tendances architecturales notamment l’enlèvement des tapis dans les résidences et les grandes aires ouvertes.

Les nouvelles méthodes de constructions et les nouveaux matériaux très performants de construction ont comme effet secondaire de diminuer la rigidité générale des structures. Il peut paraître paradoxale puisque les matériaux d’aujourd’hui sont dans l’ensemble plus résistant que les matériaux d’autrefois. Or, puisque ces matériaux sont plus résistant, les constructeurs en utilise moins pour arriver au même résultat qu’autrefois. Moins il y a de matériaux/matière, moins l’élément sera rigide. Le meilleur exemple est la pyramide de Khéops en Égypte. L’aire habitable de cette pyramide est de l’ordre de 2000 pieds carrés, les habitations d’aujourd’hui ont sensiblement la même aire habitable. Par contre, la structure la moins susceptible de se déformer à cause de grands vents est bien entendu la pyramide d’Égypte, car elle a beaucoup plus de matière.

Puisque les structures de plancher d’aujourd’hui sont moins rigides qu’autrefois, la signature vibratoire des plancher a grandement diminuée. Les planchers qui avaient autrefois des fréquences de vibration de l’ordre de 8 à 12 Hz ont aujourd’hui des fréquences de vibration de l’ordre du 4 à 8 Hz. Malheureusement, la signature vibratoire d’une personne qui marche est de 1.6 à 8.8 Hz. Nous sommes donc en présence d’amplification dynamique élevée puisque la signature vibratoire du plancher et la signature vibratoire de la sollicitation (personne qui marche) est très similaire voire identique !

Ceci ne serait pas un problème si nous avions de très bon freins dynamiques. Malheureusement, les nouvelles tendances architecturales a enlevé à l’ingénieur en structure les « freins dynamiques » naturels. En effet, ce qui amorti les vibrations sont les recouvres planchers flexibles tel que les tapis et les cloisons non-porteuses ! Bien que les planchers en bois flottant et les grandes aires ouvertes soient esthétiquement très jolis, ils nuissent grandement au contrôle des vibrations !

Que pouvons-nous faire pour éradiquer le problème de vibrations ? Dans un premier temps, toutes nouvelles constructions devraient être confiées et conçues par des professionnels qualifiés (architectes et ingénieurs) qui ont une compréhension approfondie de ces phénomènes. Par contre, si vous êtes devant un fait accompli, un professionnel pourra effectuer une évaluation du niveau de vibration du plancher et proposer des solutions adéquates en fonction de la gravité du problème. Quelques fois il ne s’agit que de changer le recouvrement de plancher ou ajouter un plafond suspendu… Une ressource utile pour les professionnels est le « Steel Design Guide for Floor Vibrations due to human activity » par AISC. Un guide bien fait par l’institut américain des charpentes d’acier qui s’appliquent très bien à tous types de construction.

En terminant, nous tenons à rappeler que les problèmes de vibration n’affectent habituellement pas la sécurité des occupants. Il s’agit d’un phénomène qui affecte le confort uniquement. Le petit vidéo, bien que très extrémiste, illustre bien le caractère peu dangereux des vibrations.