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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

Réponse des structures 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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3. Réponse des structures sous séisme

3.1 Méthodes de dimensionnement sismique

Contrairement aux charges habituelles, les sollicitations sismiques n’engendrent pas d’efforts « externes » car elles sollicitent les structures à travers les mouvements du sol et ces efforts dépendent de la réponse de la structure elle-même. Couplé au fait que les séismes sollicitent les structures loin dans leur domaine plastique, l’aspect cyclique est très ravageur car il occasionne une dégradation rapide et progressive de la résistance de la structure.

Après les phases de conception, l’analyse structurale permet de définir les efforts que la structure doit supporter sous sollicitation sismique. Le comportement réel des structures est certes complexe, car dynamique, cyclique et fortement non-linéaire. La réponse sismique détaillée est hors de portée des outils analytiques, mais des méthodes d’analyse « simplifiée » sont souvent employées.

La plus commune de ces méthodes, apparue avant 1970, consiste remplacer l’action sismique par une force horizontale statique équivalente (méthode d’analyse par forces latérales) permettant de définir les efforts maximaux subis par la structure. Adaptée à une structure supposée avoir un comportement idéal élastique linéaire, cette méthode ne tient pas compte du caractère spécial de la sollicitation sismique, en particulier de son aspect cyclique et des déformations plastiques importantes qu’elle entraîne.

De ces efforts est effectué le dimensionnement des structures porteuses, connaissant les propriétés des matériaux de construction et les dispositions constructives. Les déplacements, quant à eux, sont vérifiés ensuite par méthodes approchées.

La double nécessité de mieux décrire la performance attendue d’une nouvelle structure soumise à un séisme et de mieux évaluer la vulnérabilité sismique d’un bâtiment existant a conduit entre autres au développement des méthodes de calculs non linéaires de structures (voir le tableau 2). La conception qui prend en compte de façon directe les déplacements, les rotations et l’évaluation du comportement non-linéaire attendu sur chaque élément structural, est une approche plus naturelle.

Considérer le comportement non-linéaire de la structure est effectivement primordial car il peut être favorable dans le dimensionnement...

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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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