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Article

1 - DÉFINITIONS ET ENJEUX

2 - MÉTHODES D’ANALYSE DE L’ISS SOUS SÉISME

3 - RÉPONSE DES STRUCTURES SOUS SÉISME

4 - RÉPONSE DES FONDATIONS SOUS SÉISME

5 - REPRÉSENTATION ANALOGIQUE DE L’INTERACTION INERTIELLE

6 - EFFET DE MASSE ET AMORTISSEMENT RADIATIF DU SOL

7 - PERSPECTIVES ET CONCLUSIONS

Article de référence | Réf : C251 v1

Méthodes d’analyse de l’ISS sous séisme
Bases de l’interaction sol-structure sous séisme - Principes généraux et effets inertiels

Auteur(s) : Stéphane BRÛLÉ, Fahd CUIRA

Relu et validé le 20 juil. 2020

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RÉSUMÉ

L’avènement de la dernière génération de code de dimensionnement, pour les ouvrages en zone sismique, invite le concepteur à recourir d’avantage à l’interaction sol-structure pour leur justification. Ce concept nécessite toutefois le recours à des outils et données issus de disciplines telles la géotechnique, la géologie, la sismologie, le traitement du signal, la dynamique des sols et des structures, la résistance des matériaux, etc. Cet article présente les bases nécessaires pour une familiarisation et une prise en main des principes de l’interaction sol-structure pour les ouvrages géotechniques de surface, ainsi que pour les ouvrages de soutènement. Cette première partie est spécifiquement consacrée aux principes généraux, ainsi qu’aux effets inertiels.

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ABSTRACT

Principles of soil-structure interaction under seismic disturbance - Principles and inertial effects

The advent of the latest generation of seismic building codes invites designers to make more use of the soil-structure interaction. However, this concept requires using tools and data from disciplines such as geotechnics, geology, seismology, signal processing, soil and structure dynamics, material resistance, etc. This article presents the main concepts needed for a practical understanding of the principles of the soil-structure interaction for surface geotechnical structures and for retaining structures. This first part is specifically devoted to general principles and inertial effects.

Auteur(s)

  • Stéphane BRÛLÉ : Ingénieur géotechnicien et géologue - Responsable Agence Rhône-Alpes de MENARD (Soletanche-Freyssinet-VINCI Constructions)

  • Fahd CUIRA : Ingénieur X-Ponts civil - Directeur scientifique de Terrasol (Groupe Setec)

INTRODUCTION

Le sujet traité dans cet article est l’interaction entre le sol support des ouvrages, les fondations et la superstructure en situation de sollicitation sismique : l’interaction sol-structure (ISS).

Les enjeux sont importants d’un point de vue technique et économique. Une caractérisation réaliste de cette interaction peut s’avérer, soit bénéfique comme la diminution des efforts internes dans la structure, soit préventive en cas d’effets indésirables identifiés.

L’avènement des textes du référentiel « Eurocode » et, en particulier les Eurocodes 7 et 8 (normes EN 1997 et 1998), ont accéléré la révision généralisée des documents en lien avec le sol et les fondations des ouvrages. Notamment, la dernière génération de code de dimensionnement des ouvrages en zone sismique, comme l’Eurocode 8, incite au développement des dimensionnements faisant appel à l’interaction sol-structure en condition statique et dynamique.

Plutôt spécifique au savoir-faire d’un nombre restreint de spécialistes sachant composer à la fois avec les données sismologiques, la dynamique des sols et de structures, ainsi qu’avec la géotechnique, le concept d’interaction sol-structure se répand en ingénierie, mais se heurte parfois aux frontières existantes entre les disciplines.

L’approche proposée dans cet article est de rassembler les principes de l’ISS afin de donner à l’ingénieur les étapes clés, ainsi que les niveaux successifs de raffinement qu’il peut porter à son analyse.

Les bases de l’interaction sol-structure sous séisme se déclinent en deux articles dont l’objectif global est une présentation des enjeux spécifiques de l’interaction sol-structure et des outils adaptés pour l’ingénieur à l’étude des problématiques de fondation.

Dans cet article les méthodes d’analyse sont rappelées avec l’introduction aux modèles rhéologiques et aux modèles numériques. Les principes de la caractérisation de la réponse des structures sous séismes par modèle analogique et la représentation analogique de l’interaction inertielle sont développés, avant de détailler l’effet de masse et l’amortissement radiatif du sol.

L’autre composante déterminante de l’interaction sol-structure, relative aux effets cinématiques, est présentée dans la suite de cet article intitulée [C253].

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KEYWORDS

geotechnical engineering   |   seismology   |   seismic risks   |   structural dynamics   |   seismic building   |   soil-structure interaction   |   earthquake   |   foundations   |   retaining wall   |   geology

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-c251


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2. Méthodes d’analyse de l’ISS sous séisme

2.1 Approche globale ou directe

Dans la méthode directe appelée aussi « méthode globale », l’analyse du système complet s’effectue en une seule étape, qui permet d’inclure :

  • le comportement non linéaire de la structure ou du sol (comportement anélastique) ;

  • toute hétérogénéité présente dans ce dernier ;

  • le glissement et le décollement des fondations.

Elle permet aussi de traiter les conditions de contact à l’ISS et, implicitement, les effets de radiation et de dissipation d’énergie dans la partie infinie du sol non borné.

Les approches directes consistent à résoudre directement l’équation de la dynamique régissant le comportement du système (sol, fondation, structure). La formulation est orientée vers un traitement par éléments finis du phénomène d’interaction mécanique avec, par exemple, généralement un schéma d’intégration par différences finies de la composante temporelle (figure 2).

  • Étapes de l’approche directe

    L’approche directe nécessite de construire un modèle détaillé du sol (Ei , νi , ξi ) et de le doter d’éléments absorbants (« frontières absorbantes ») pour éviter les rebonds des ondes dont la propagation est simulée par méthodes numériques sur les frontières du modèle fini arbitrairement retenu.

    • Dans un cas réel, les ondes se propagent dans un milieu considéré comme très grand (infini) à l’échelle de l’étude et l’énergie initiale émise à la source, dans l’hypothèse d’un milieu purement élastique, a une distribution décroissante avec la distance parcourue (amortissement géométrique ou « radiatif »).

    • Dans la pratique, le mouvement sismique (de dimensionnement) est connu à la surface du sol, en champ libre. Afin de connaître le signal sismique u(z, t) à une profondeur donnée, suffisamment importante pour que ce mouvement ne soit pas affecté par la présence d’une structure en surface, il faut procéder à une étape spécifique de traitement du signal visant à « remonter » au...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - DAVIDOVICI (V.), LAMBERT (S.) -   Fondations et procédés d’amélioration du sol, Guide d’application de l’Eurocode 8.  -  Afnor Éditions, Eyrolles (2013).

  • (2) - KAUSEL (E.), PAIS (A.L.) -   Stochastic deconvolution of earthquake motions.  -  ASCE (J.E.) Mech. 113 (2), 266-277 (1987).

  • (3) - CLOUGH (R.W.), PENZIEN (J.) -   Dynamics of Structures.  -  McGraw-Hill, New York (1975).

  • (4) - BIELAK (J.), LOUKAKIS (K.), HISADA (Y.), YOSHIMURA (C.) -   Domain reduction method for three-dimensional earthquake modelling in localized regions. Part I : Theory.  -  Bulletin of the Seismological Society of America, 93 (2), 817–824 (2003).

  • (5) - YOSHIMURA (C.), BIELAK (J.), HISADA (Y.) -   Domain reduction method for three-dimensional earthquake modeling in localized regions. Part II : Verification and examples.  -  Bulletin of the Seismological Society of America, 93 (2), 825–840 (2003).

  • ...

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