Tremblements de terre
Des tremblements de terre peuvent survenir partout, en tout temps et sans avertissement. Des exemples historiques prouvent que des séismes importants peuvent se produire en Suisse avec aujourd'hui des répercussions énormes sur la société et l’économie. Le mode d'implantation des bâtiments est le facteur le plus décisif quant aux dommages en cas d’événement. Les bâtiments non construits aux normes parasismiques sont menacés par un risque potentiel d'effondrement et peuvent subir des dommages considérables même en cas de faibles secousses. Des constructions conformes auxdites normes en revanche permettent de limiter, voire d’éviter, les dommages. Il convient en outre de respecter de manière rigoureuse les normes de construction actuelles (en particulier la SIA 261 et la SIA 269/8) ; les preuves de sécurité correspondantes doivent être fournies par les ingénieurs civils responsables. Construire aux normes parasismiques ne coûte pas très cher si l'on y pense suffisamment tôt durant la planification. De même, une collaboration précoce entre les architectes et les ingénieurs est essentielle.
Les séismes sont provoqués par des ruptures de la croûte terrestre, qui génèrent des ondes sismiques. Sous l’influence de ces ondes, le sol bouge rapidement dans toutes les directions. Les fondations des ouvrages sont contraintes de suivre ces mouvements du sol. Mais l’inertie de masse d’un bâtiment s’oppose à ces mouvements et les étages supérieurs veulent « rester où ils sont ». Cette sollicitation dynamique du sol fait osciller les bâtiments. En fonction de l’intensité de la secousse et du mode d'implantation du bâtiment, d’importantes déformations du système porteur peuvent survenir, d’une rupture par endroits à l'effondrement de l’ensemble du bâtiment.
Les mouvements horizontaux peuvent se révéler particulièrement problématiques pour les bâtiments si le système porteur a été dimensionné surtout pour le transfert de charges importantes (charges lourdes) agissant verticalement. De plus, les éléments non structuraux comme les éléments de façade ainsi que les installations (p. ex. ascenseurs) et les équipements (p. ex. étagères) ne sont souvent pas (suffisamment) protégés contre les mouvements horizontaux et peuvent se renverser ou tomber. Aujourd’hui, l’abréviation « ENIE » est employée dans la branche pour désigner les éléments de construction non structuraux, les installations et les équipements.
Le Service Sismologique Suisse SED enregistre chaque année 1000 à 1500 séismes. Environ 20 de ces tremblements de terre sont ressentis par la population, souvent à partir d'une magnitude de 2,5. La magnitude indique la puissance d’un tremblement de terre, c'est-à-dire l’énergie libérée par ce dernier. L'intensité (échelle à 12 degrés en chiffres romains) décrit la force locale des secousses sur la base de l'ampleur de la destruction (édifices, paysage) et de la perception subjective de l'observateur. L’intensité d'une secousse dépend du lieu où elle survient et est définie par la magnitude du séisme, la distance par rapport au foyer du séisme et la géologie (sous-sol).
En Suisse, des séismes de forte ampleur peuvent survenir partout et en tout temps. Tous les 8 à 15 ans environ, il faut compter subir un séisme d’une magnitude de 5, comme en 1991 près de Vaz (GR). Avec une telle intensité, des dommages modérés surviennent, mais de grandes fissures peuvent aussi se produire dans les murs, et les parois intermédiaires peuvent s’effondrer. Il faut s'attendre à ce qu’un tremblement de terre de magnitude 6 survienne tous les 50 à 150 ans et puisse causer des dégâts aux bâtiments non parasismiques voire provoquer leur effondrement. Le dernier séisme de cet ordre de grandeur s’est produit en 1946 près de Sierre (VS). Le séisme le plus fort recensé en Suisse a touché Bâle en 1356 avec une magnitude de 6,6 environ. Si cet événement se reproduisait aujourd’hui, il pourrait être la cause de 2'000 décès et 20 000 blessés. De plus, un demi-million de personnes pourraient se retrouver sans abri, au moins à court terme, et 150'000 bâtiments seraient moyennement à fortement endommagés. Les dommages matériels atteindraient 50 à 100 milliards de francs suisses.
Tremblements de terre historiques en Suisse
vers le géoportail fédéral (geo.admin.ch)
Légende
Classes de terrains de fondation : la norme SIA 261 définit six classes de terrains de fondation A – F pour déterminer l'effet du séisme compte tenu des conditions géologiques locales.
Classes d’ouvrages : caractérisation du degré de protection des ouvrages (CO I-III) selon les normes SIA 261 et SIA 269/8 compte tenu de la capacité d'occupation, de l’importance de l’édifice pour la collectivité et des risques potentiels pour l'environnement en cas de dommages.
Coefficient d’importance : coefficient de pondération des effets d'un séisme en lien avec le degré de protection (classe d’ouvrage) selon la norme SIA 261.
Sensible à l'accélération / résistant à l'accélération : élément de construction qui réagit de manière sensible / résistante à des forces d’inertie.
Rigide en flexion : élément de construction qui se déforme peu s’il est soumis à une charge.
Liquéfaction du sol : sous l’influence des vibrations, le sous-sol perd subitement sa capacité portante et se comporte comme un liquide. Les sols sablonneux et limoneux saturés d'eau et peu compacts sont particulièrement concernés.
Joint de dilatation : séparation constructive de systèmes porteurs ou de parties de bâtiment pour prévenir les fissures de contrainte.
Ductile : caractéristique d’un matériau ou d’un élément de construction qui se déforme sous la contrainte, sans rompre, de manière plastique (donc avec une modification durable de sa forme).
Épicentre : lieu situé à la surface de la Terre, perpendiculairement au-dessus de l’hypocentre.
Fréquence propre : fréquence à laquelle un objet oscille après avoir reçu une impulsion. La fréquence propre des bâtiments dépend de leur mode d’implantation, des matériaux utilisés et de la hauteur (pour les bâtiments, la fréquence propre est généralement comprise entre 1 et 10 Hz). La fréquence à laquelle un objet oscille librement est aussi appelée fréquence de base.
Aux normes parasismiques : une construction répondant aux normes parasismiques possède un système porteur robuste pour la transmission des effets horizontaux d’un séisme : les éléments de construction étayés s'étendent de manière continue entre les fondations et le sommet du bâtiment, et sont dans la mesure du possible disposés de manière symétrique.
Risque sismique : dommages prévisibles (dommages aux personnes, dommages matériels) sur une période déterminée (p. ex. 1 an) en raison d’un tremblement de terre. Le risque sismique se calcule en fonction du lien entre aléa sismique, terrain à bâtir local, vulnérabilité de l’édifice ainsi que des valeurs menacées (voir image n°6).
Mesures de sécurité parasismique : mesures visant à améliorer la protection des personnes, des valeurs, des biens culturels et de l'environnement contre les conséquences d'un tremblement de terre et à prévenir les ruptures de l'infrastructure et les interruptions de l'exploitation à la suite d’un tremblement de terre.
Facteur de conformité : quotient calculé à partir de l’effet du séisme, qui engendre la rupture d'un élément de construction, et de la valeur d'examen de l'effet du séisme (SIA 269/8).
Aptitude au service : aptitude d’un système porteur et d’autres éléments de construction à garantir le fonctionnement, l’apparence et le confort de l’édifice (SIA 260).
Hypocentre : localisation du foyer du séisme en sous-sol, d’où les ondes sismiques se propagent.
Dans le plan (in-plane) : sollicitations en direction du mur
Intensité : décrit les effets d'une secousse sur les personnes, la nature et les bâtiments (dommages) sur une échelle à 12 niveaux (I à XII). En Europe, l’échelle EMS-98 est utilisée.
Dimensionnement en capacité : méthode de dimensionnement afin de mettre en place des systèmes porteurs ductiles (nouveaux bâtiments) qui conduisent à un comportement plastique adapté sous les effets déterminants d'un séisme.
Dimensionnement conventionnel / dimensionnement basé sur la force : méthode de dimensionnement grâce à laquelle les déformations plastiques en cas de tremblement de terre restent limitées dans un certain cadre.
« Colonnes courtes » (short column effect) : rupture des colonnes courtes en cas de sollicitation par des forces transversales et de longueur peu déformable.
Magnitude : Indique l’énergie libérée lors d’un séisme sur une échelle logarithmique. L’augmentation de la magnitude d’une unité de grandeur correspond à la libération d'environ 30 fois plus d’énergie. Contrairement à l’intensité, la magnitude est une caractéristique d'un séisme précis indépendante de l'emplacement.
Hors du plan : sollicitations perpendiculaires au niveau du mur
Déformations plastiques : déformations permanentes (du système porteur)
Éléments non structuraux et autres installations et équipements (ENIE) : selon la norme SIA 261, les éléments non structuraux ne font pas partie du système porteur (p. ex. les éléments de façade et les parois qui ne servent ni au transfert de charge vertical ni au renforcement horizontal du système porteur, les revêtements, l’isolation, etc.) et comprennent également les équipements fixes (ascenseur, installations techniques, conduites et goulottes de câblage).
Microzonage sismique spectral : recherches visant à quantifier les effets locaux et à mettre à disposition des spectres de réponse propres à l’emplacement. On distingue les études ponctuelles concernant l’emplacement (pour un emplacement en particulier) et les études de microzonage sismique spectral (pour une zone plus étendue).
Édifice rigide / mou : en fonction du degré de rigidité de l’édifice, les forces qui s'appliquent engendrent des déformations et exercent des forces faibles / importantes ; les dimensions du bâtiment et sa répartition doivent également être prises en compte.
Sécurité structurale : sécurité quant à la rupture du système porteur selon les normes SIA 260 et suivantes applicables aux structures porteuses, en particulier pour les personnes dans les bâtiments.
Forces d'inertie : forces dues à l'accélération d’une masse.
Système porteur : tout élément d’un bâtiment qui permet à un bâtiment de résister aux charges verticales tout comme horizontales (p. ex. charges utiles, neige, tremblements de terre).
Sensible à la déformation : les éléments de construction fragiles, peu souples et disposant d’une aptitude limitée à la déformation (p. ex. avec des fissures) réagissent de manière sensible aux déformations du système porteur.
Niveau mou (« soft storey ») : niveau présentant une rigidité nettement plus faible vis-à-vis des déplacements horizontaux que les étages supérieurs et inférieurs. C'est souvent le cas quand des éléments de rigidité de grands locaux et de grandes ouvertures du bâtiment ne sont pas présents et que les charges lourdes sont portées uniquement par des piliers. La rupture de piliers dans les « niveaux mous » est également appelée « mécanisme de colonne » ou « mécanisme d’étage ».
Les séismes puissants peuvent causer une situation d’urgence à large échelle en quelques minutes, comme aucun autre événement naturel. La résolution de la situation peut durer des semaines, voire des mois, et requiert des mesures et des moyens exceptionnels. En comparaison européenne, la Suisse présente un aléa sismique moyen, avec des différences régionales. En plus de l'aléa sismique à large échelle (zones sismiques), les caractéristiques du sous-sol influent sensiblement sur la manière dont le sol peut bouger en cas de secousse.
En plus du mode d'implantation d'un bâtiment, le sous-sol local influence nettement les conséquences de séismes sur celui-ci : des sols mous, comme les couches sédimentaires d'anciens dépôts de fleuves et de lacs, renforcent les secousses. Certains sols sablonneux et limoneux peuvent même se liquéfier s’ils sont soumis à des vibrations (« liquéfaction du sol »). Plus le sous-sol est solide (p. ex. roche), moins les ondes sismiques se renforcent sur leur parcours jusqu’à la surface du sol et moins les répercussions sur les bâtiments sont donc importantes. En plus des sols plus mous qui renforcent les ondes sismiques, les phénomènes de résonance jouent également un rôle décisif. Les ondes sismiques sont contenues dans différentes couches (1D) ou des structures géologiques complexes (2D-3D, p. ex. une vallée alpine) et peuvent être renforcées en conséquence. Le renforcement conserve une bande de fréquence définie et renforce les effets sur les édifices qui oscillent à la même fréquence. Le danger lié aux séismes ne se limite donc pas aux « points chauds » d'aléa sismique comme le Valais et la région de Bâle. En fonction du sous-sol, de nombreuses autres zones du Plateau ou des vallées alpines peuvent être menacées dans la même mesure, voire davantage.
Carte zones sismiques selon SIA 261 Annexe F
Classes de sols de fondation
Microzonage spectral
Le risque sismique est aussi influencé par les valeurs concernées et par la vulnérabilité des bâtiments et de l’infrastructure. Cette vulnérabilité dépend de la mesure dans laquelle les principes de construction parasismique sont suivis.
La norme SIA 261 formule les exigences applicables aux nouveaux bâtiments construits aux normes parasismiques. Si l'on prend en compte ces exigences et qu'on les met en œuvre de manière rigoureuse dès le début du projet, elles garantissent une protection efficace et utile. Jusqu’au séisme de dimensionnement (effets du séisme pour une période de retour de 475 ans), seuls des dommages moyens et réparables peuvent survenir sur le bâtiment. Les personnes se trouvant à l’intérieur doivent être en sécurité. En raison de leur grande capacité d'occupation et pour maintenir les fonctions importantes de ces infrastructures, les ouvrages des classes CO II et CO III (voir objectifs de protection) sont soumis à des exigences plus élevées.
Lors de transformations et de rénovations, il faut clarifier suffisamment tôt la nécessité et l’utilité d’un examen de la sécurité parasismique. L’examen et l’évaluation de la sécurité parasismique des bâtiments existants s’effectuent selon la norme SIA 269/8 ; une distinction est effectuée entre les classes d'ouvrages CO II-s pour les écoles et les jardins d’enfants et CO II-i pour les édifices dont l’infrastructure revêt une fonction significative. Le facteur de conformité de la sécurité parasismique selon la norme SIA 269/8, le facteur de conformité minimal lié à la classe d’ouvrage correspondante, ainsi que la proportionnalité d’éventuelles mesures de protection (pour autant que le facteur de conformité minimal soit atteint) déterminent le besoin d'action. La proportionnalité est influencée par la réduction réalisable des risques, les coûts des mesures en matière de sécurité sismique ainsi que par la durée d’utilisation restante. L’examen et l’évaluation doivent être effectués par un ingénieur civil spécialisé en sécurité parasismique.
Certaines législations en matière de construction exigent explicitement le respect des normes parasismiques applicables. D’autres l'exigent seulement implicitement. Des exigences spécifiques s'appliquent durant la procédure de demande de permis de construire dans les cantons d’Argovie, de Bâle-Ville, de Berne, de Fribourg, du Jura, de Lucerne, de Nidwald, de Vaud et du Valais.
Les principaux dangers en cas de tremblement de terre sont des dommages, l’effondrement de parties de bâtiments ou de bâtiments entiers ainsi que la rupture d’éléments porteurs et le renversement ou la chute d’éléments non structuraux et autres installations et équipements (ENIE).
Situation de danger 1 : Rupture locale du système porteur, sans effondrement
Les sollicitations entraînent des fissures, l’effritement des parois et des plafonds ainsi que des déformations définitives de la structure porteuse ou des dommages sur les différents éléments structuraux. Les interactions avec des éléments de construction très rigides comme les murs en maçonnerie et les « colonnes courtes » (voir types / causes de dommages) favorisent de tels dommages au bâtiment.
Situation de danger 2 : Rupture locale du système porteur avec effondrement d'une partie du bâtiment
Manifestation défavorable de la situation de danger 1. Certains secteurs du bâtiment, des niveaux entiers ou l'ensemble du bâtiment s’effondrent.
Situation de danger 3 : Effondrement de niveaux mous
L'effondrement complet des étages les plus mous est une forme particulière mais malheureusement courante de la situation de danger 2. Les « niveaux mous » qui présentent une stabilité (trop) faible en raison de locaux trop grands ou d'ouvertures trop généreuses sont particulièrement menacés. Souvent, les rez-de-chaussée avec affectation commerciale sont touchés, surtout quand des murs porteurs ont été démontés dans le cadre d’un changement d'affectation (par ex. centres commerciaux avec grands locaux et vitrines jusque tout en haut des murs).
Situation de danger 4 : Éléments non structuraux et autres installations et équipements (ENIE)
Exemples d’ENIE : cloisons de séparation, revêtements de plafond et de façade, garde-corps, cheminée, vitrages, ascenseurs, canaux et conduites, appareils de technique du bâtiment et objets d’ameublement. Beaucoup de ces éléments non porteurs pèsent un poids considérable et exercent donc des forces d’inertie importantes en cas de séisme. Les objets non ou insuffisamment arrimés vacillent et peuvent basculer, glisser ou buter contre d’autres objets. En raison des mouvements et éventuelles déformations du système porteur, les ENIE peuvent se rompre, basculer, se détacher ou tomber et ainsi blesser des personnes et causer d’importants dégâts matériels. Une grande part des dommages matériels causés par les séismes et des dommages subséquents sont dus aux ENIE.
Situation de danger 5 : Liquéfaction du sol
Les sols peu compacts, sablonneux ou limoneux peuvent se comporter comme un liquide lorsqu’ils sont saturés d’eau et sont soumis à des vibrations. Ils perdent donc immédiatement leur capacité portante. Les bâtiments et leurs fondations peuvent alors s’enfoncer dans le sol ou basculer. Le problème de la liquéfaction concerne aussi des sols qui présentent une très bonne capacité portante pour les charges statiques. Aux endroits avec une classe de terrain de fondation F, il vaut particulièrement la peine d'examiner le danger local de liquéfaction du sol.
Situation de danger 6 : Événements secondaires
Les secousses sismiques peuvent déclencher d'autres dangers naturels comme des glissements de terrain, des coulées de boue de versant, des écroulements, des laves torrentielles, des avalanches ou des raz-de-marée. Dans les régions concernées, les effets de ces dangers naturels secondaires peuvent dépasser ceux du séisme.
Par ailleurs, un tremblement de terre peut également engendrer des incendies ou des dégâts d'eau, provoqués par des courts-circuits, des foyers ouverts ou des ruptures de conduites.
Murs en maçonnerie
Les murs en maçonnerie sont poreux et donc sensibles aux déformations. Même de très faibles déplacements peuvent causer des fissures et des détachements à grande échelle. On constate typiquement des fissures en croix en diagonale entre les fenêtres ou entre les baies et dans les angles des bâtiments. La maçonnerie est également très sensible quand elle est soumise aux sollicitations perpendiculaires au niveau du mur (« hors du plan »). Des bouts de murs, voire des murs entiers peuvent tomber. Si des murs en maçonnerie porteurs se rompent, ils ne peuvent plus porter les charges lourdes, ce qui peut conduire à un effondrement total du bâtiment.
Les cadres (par ex. composés de plafonds en béton armé et de piliers) avec de la maçonnerie ajoutée représentent une combinaison défavorable. Si les piliers sont résistants, la maçonnerie est détruite et la « baie » tombe. Les piliers plus fins sont cisaillés par la maçonnerie, ce qui peut conduire à un effondrement.
Au niveau des bâtiments historiques en particulier, les liaisons entre les murs porteurs en maçonnerie et les planchers en bois sont souvent insuffisantes, ce pour quoi des murs entiers peuvent basculer ou des plafonds chuter.
Dommages aux murs porteurs en béton armé
Si le bâtiment se met à osciller, les murs porteurs en béton armé peuvent subir des déformations, d'abord élastiques suite à la formation de fissures, puis plastiques (déformations définitives) ainsi que les dommages qui y sont liés. Tant que les éléments porteurs en béton armé peuvent subir des déformations plastiques, le risque d'effondrement reste restreint. Dans les secteurs qui n’ont pas été dimensionnés précisément pour supporter ces sollicitations, il faut s'attendre à des mécanismes de rupture liés à l'aspect cassant des matériaux (par ex. cisaillement), avec d’importants dommages et effondrements. Une cause courante de tels dommages est des dispositions constructives présentant des lacunes (forme de l'armature) ainsi que parfois des évidements et ouvertures (non prévus) dans les murs porteurs.
Rupture de piliers / niveaux mous
Les piliers peuvent bien transmettre verticalement de lourdes charges. En cas de déplacements horizontaux dans les bâtiments qui ne sont pas suffisamment rigides, les plus grandes déformations se concentrent toutefois sur les extrémités supérieures et inférieures des piliers. Au niveau de ces points faibles, les piliers peuvent se déformer fortement, voire même se rompre (rupture à cause de leur fragilité), s’ils ne peuvent pas suffisamment se déformer au niveau plastique. Les dommages typiques vont de piliers inclinés à l’effondrement complet de niveaux entiers (situation de danger 3).
Les bâtiments s’effondrent souvent en raison de « colonnes courtes », c’est-à-dire des piliers avec une longueur très faible par rapport à leur diamètre. Comparés à de plus longs piliers avec une coupe similaire, ces piliers courts sont donc en règle générale plus rigides et concentrent ainsi les forces. Les forces de poussée importantes ainsi accumulées dans le pilier peuvent provoquer une rupture à cause de leur fragilité (cisaillement). Souvent, les « colonnes courtes » sont dus à des garde-corps qui rigidifient la partie inférieure des piliers.
Systèmes de façades et revêtements
Comme les murs en maçonnerie, les éléments de façade sont sensibles aux déformations (surtout les éléments rigides implantés sans joint peuvent être fragiles) et aux accélérations (surtout les éléments lourds). Ils sont en outre souvent insuffisamment protégés contre les sollicitations horizontales.
Fenêtres et façades en verre
Les vitrages et autres éléments de construction rigides de l’enveloppe du bâtiment sont très sensibles aux déformations du système porteur, surtout quand ils sont implantés sans joint.
Interaction entre plusieurs bâtiments ou parties de bâtiment (joints non conformes)
La collision entre des bâtiments voisins ou des parties de bâtiment voisines peut causer des dommages considérables. Il existe un danger que ces piliers se cassent (avec des conséquences pouvant aller jusqu’à l'effondrement des bâtiments concernés), en particulier quand les dalles d’étage sont situées à des hauteurs différentes et percutent les piliers du bâtiment voisin.
Des dommages surviennent de manière similaire en cas de collision entre des ENIE et d'autres éléments du bâtiment.
Enfoncement ou basculement des fondations
En cas de liquéfaction du sol ou de capacité portante très hétérogène, des bâtiments entiers peuvent s'enfoncer et basculer. Dans ce contexte, les bâtiments construits sur des fondations en semelles isolées ou filantes.
La norme SIA 261 formule les exigences applicables aux nouvelles constructions parasismiques et garantit une protection efficace contre les tremblements de terre en cas de mise en œuvre correcte de ces exigences. La prise en compte de cette thématique tôt dans la phase de conception est décisive. De même, une collaboration précoce entre les architectes et les ingénieurs est essentielle. Vous obtiendrez ainsi des variantes de solutions efficientes et élégantes tout en réduisant les efforts et les coûts nécessaires pour le déroulement ultérieur de la planification et de la réalisation. C’est le rôle de l'architecte de demander conseil auprès d’un ingénieur civil. Pour les bâtiments existants, il peut être nécessaire de vérifier la sécurité parasismique selon la norme SIA 269/8 et de l’améliorer.
Propositions de concepts et de mesures de protection pour les différentes parties du bâtiment :
Bachmann, H. (2015) : Wenn Bauwerke schwingen. Baudynamik und Erdbebeningenieurwesen in der Schweiz – Geschichte und Geschichten. Vdf, Zürich.
Bachmann, H. (2002) : Conception parasismique des bâtiments - Principes de base à l'attention des ingénieurs, architectes, maîtres d'ouvrage et autorités. Directives de l’OFEG, Bienne.
Baudyn (2010) : Sécurité parasismique des bâtiments – Questions juridiques et responsabilités. Ce qui est essentiel – et pourquoi. Fondation pour la dynamique des structures et le génie para- sismique (Baudyn), Société suisse du génie parasismique et de la dynamique des structures (SGEB), Institut pour le droit suisse et international de la construction, Université de Fribourg.
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Brunner, R., Jung, P., Steiger, R., Wenk, T., Wirz, N. (2010) : Bâtiments en bois parasismiques de plusieurs étages. Documentation technique, Lignum.
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Jamali N., Kölz E. (2018): Überprüfung des Tragwiderstand von Mauerwerkswänden quer zur Wandebene unter Erdbebeneinwirkung gemäss SIA 269/8, Technische Anwendungshilfe, Bundesamt für Umwelt.
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OFEV (2021) : Notre bâtiment est-il suffisamment résistant aux séismes ? Vérifier et améliorer la sécurité parasismique : quand et pourquoi ? Office fédéral de l'environnement OFEV, Fondation pour la dynamique des structures et le génie parasismique.
OFEV (2019) : Séisme : gestion de crise et continuité d’activité. Aide aux exploitants d’infrastructures pour la vérification de leurs plans de prévention et d’urgence.
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