Influence du sol sur la performance des ponts isolés lors des tremblements de terre
Fournie par les auteurs. Licence CC.
La technologie d’isolation sismique permet de réduire le risque sismique et d’améliorer la performance des structures. Cependant, certains paramètres comme les intrants sismiques et les caractéristiques de sol influent sur l’efficacité de cette technologie. Pour étudier les effets combinés des séismes et des sols sur les ponts isolés, on considère un cas d’étude d’un pont isolé, avec différentes caractéristiques de sol supportant sa fondation, se trouvant à différentes distances d’une rupture de faille (Rrup) représentant ainsi des situations de faille proche (near-fault, NF) et de champ lointain (far-field, FF). Les réponses des analyses temporelles non linéaires (Nonlinear Time History Analyses, NTHA) démontrent l’importance de prendre en compte les effets du sol dans les zones NF. Sur les sols mous, ignorer cet effet à l’étape de la conception diminue grandement les capacités de déplacement et de force du pont isolé, ce qui nuit gravement à sa performance sismique. Mots clés : Isolation sismique, caractéristiques sismiques, faille proche (NF), champ lointain (FF), effets du sol, ponts.
La technologie d’isolation sismique
De nombreuses régions dans le monde et au Canada sont sujettes à une activité sismique modérée à forte qui nuit à la sécurité et à la fonctionnalité des structures. Dans la société moderne, les ponts sont l’une des infrastructures les plus critiques, jouant un rôle crucial dans les systèmes de transport, surtout en période de crise, comme celle qui suit un séisme majeur. Ces infrastructures sont particulièrement vulnérables à l’action sismique. L’isolation sismique est une technique efficace, développée au cours des dernières décennies pour atténuer le risque sismique des infrastructures importantes. Cette technologie permet de réduire les forces sismiques et de construire des structures plus économiques et plus résilientes, contribuant ainsi à la protection de l’environnement et à l’économie circulaire.
La technologie d’isolation sismique vise à abaisser la fréquence fondamentale de vibration latérale de la structure à une valeur inférieure à la plage des fréquences prédominantes émises lors d’un séisme, afin de réduire la demande de la force sismique (Soneji & Jangid, 2008). L’isolation sismique inclut également un mécanisme d’amortissement supplémentaire pour gérer la demande de déplacement. Selon des études de séismes passés et les données recueillies, les caractéristiques des enregistrements sismiques et les effets de sol sont deux des paramètres les plus importants quant à la performance sismique des structures isolées (Jónsson et al., 2010; Roussis et al., 2003).
En effet, la nature d’un site affecte le mouvement sismique du sol et peut l’amplifier considérablement. Plus particulièrement, le mouvement du sol proche des failles entraîne de longues impulsions et une demande de déplacement de pointe très élevée. Les systèmes d’isolation sismique sont vulnérables à ces pics de demande qui peuvent dépasser leur capacité de déplacement, menaçant sérieusement leur fonctionnement et, par conséquent, la sécurité même du pont.
Cette étude vise à mieux comprendre l’effet simultané des conditions du sol d’un site et des distances de failles sur la performance des ponts isolés et cherche à déterminer les moyens de réduire l’impact des séismes de faille proche sur les systèmes d’isolation sismique.
Modèle du pont isolé étudié
Dans cette étude, 21 enregistrements sismiques ont été extraits du site Web de la base de données PEER (PEER Strong Ground Motion Databases). Neuf d’entre eux se trouvaient à moins de 10 km de l’épicentre (Rrup <10 km) et ont été considérés comme des enregistrements NF (Bray & Rodriguez-Marek, 2004). Les enregistrements NF ont des valeurs caractéristiques plus élevées, notamment quant à la vitesse maximale du sol (PGV), la densité énergétique spécifique et l’indice de dommages (Attalla et al., 1998; Malhotra, 1999). Ces enregistrements ont été effectués sur différents types de sols allant de la roche dure à l’argile meuble. Le type de sol est illustré ci-dessous d’après la vitesse de l’onde de cisaillement, ou Vs. Plus la valeur de Vs est élevée, plus le sol est dur.
Le pont isolé et classique choisi comme cas d’étude est tiré du travail de recherche d’Alper Ucak (Ucak & Tsopelas, 2008). Le pont isolé a deux travées égales supportées par une pile circulaire en béton de 5,2 m de haut, laquelle supporte une dalle uniforme pleine, un concept de ponts et de viaducs routiers couramment utilisé au Canada et au Québec. Le système d’isolation est conçu pour avoir une période T = 2,0 (s) et la capacité de déplacement de l’isolateur est de 5.5 cm. En supposant que le pont se trouve à Montréal, au Canada, nous présentons les paramètres d’hystérésis, les comportements du système d’isolation et le modèle de pont 3D à la figure 1.
Fig.1. Modèle de pont isolé et boucles d’hystérésis du système d’isolation sismique
Nous avons effectué des analyses temporelles non linéaires (NTHA) sur le modèle, sous l’effet des mouvements de sol sélectionnés; les demandes sismiques maximales ont été déterminées à partir des réponses temporelles. Les résultats sont décrits à la section suivante.
Influence du type de sol sur l’efficacité
Les boucles d’hystérésis du système d’isolation sismique, obtenus à partir des NTHA, sont présentés à la figure 2. Elles montrent que le déplacement de l’isolateur et la dissipation énergétique sont plus élevés en situation de sol mou et de faille proche. En effet, dans de tels cas, l’énergie dissipée dans les cycles d’hystérésis et les forces transmises à la structure sont plus élevées. Les réponses maximales d’accélération et de déplacement d’isolation selon les enregistrements de Kobe (Japon) sont présentées à la figure 3. Il est évident que l’isolation sismique a considérablement réduit les forces d’accélération sismique par un facteur pouvant aller jusqu’à 10 sur les sols rigides alors que ce facteur n’est que de 2 sur les sols mous dans les relevés FF. Ainsi, l’efficacité de l’isolation sismique peut diminuer considérablement en sols mous.
Fig.2. Boucles d’hystérésis d’isolation
Comme le montre la figure 3, les déplacements maximaux du tablier des ponts isolés sont associés aux enregistrements NF sur sol mou. Dans certains cas, les déplacements de l’isolateur sont jusqu’à 4 fois supérieurs à sa capacité, indiquant que la demande de déplacement est plus élevée dans les zones NF, en particulier sur sols mous. Cette tendance est la même pour les réponses de cisaillement des bases où les réponses maximales sont associées aux relevés NF sur sols mous.
Fig.3. À gauche) réponses maximales d’accélération. À droite) déplacements maximaux du tablier
Conclusion
Nous avons comparé les réponses sismiques d’un pont isolé soumis à des enregistrements sismiques NF et FF sur différents sols obtenus par des NTHA et relevé les tendances suivantes :
1- Dans le cas des enregistrements NF, toutes les réponses sismiques mentionnées étaient amplifiées pour les ponts isolés et classiques. Ces tendances étaient plus marquées sur sols mous et cet effet devrait être pris en compte lors des étapes de conception des ponts.
2- Dans le cas des ponts isolés, les enregistrements NF et les sols mous entraînent des demandes plus élevées de déplacements. Ignorer cette question pendant la phase de conception mène à une sous-estimation importante et à une défaillance possible du système d’isolation et du pont lors d’un séisme NF important sur sols mous.
3- Sur sols mous, la réduction des réponses d’accélération du pont isolé était limitée. L’isolation sismique est donc plus efficace sur sols fermes ou rocheux que sur sols mous. Une attention particulière et un examen minutieux sont nécessaires lors de la conception de ces technologies, en fonction de la distance de la structure des failles actives et des types de sols.
Information supplémentaire
Pour plus d’informations sur cette recherche, veuillez lire l’article suivant :
Cheshmehkaboodi, N.; Guizani,L. 2021. “On the Influence of Earthquakes and Soils Characteristics on Seismic Response and Performance of Isolated Bridges”. Arab J Geosci 14, 399 (2021). https://doi.org/10.1007/s12517-021-06451-6.
