Soutenance mémoire
Technologies non conventionnelles utilisées dans le domaine des ponts
a) Principe de base En ce qui concerne les technologies non conventionnelles de conception parasismique utilisées dans le domaine des ponts, elles sont fondées sur le principe d’altération et atténuation de la réponse sismique du pont. Par exemple, l’isolation sismique de la base est une méthode qui sert à éviter le coup, c’est-à-dire à esquiver les effets engendrés par les séismes en tolérant un déplacement transversal relativement important comparé à celui des technologies conventionnelles (Guizani, 2008). Cette stratégie requiert bien entendu le recours à des dispositifs parasismiques afin de découpler le mouvement du sol d’assise du reste de la structure. On cite dans ce qui suit les principales technologies connues jusqu’à nos jours.
b) Isolation de la base Le recours aux systèmes d’isolation sismique de la base nécessite la mise en place d’isolateurs sismiques. Ces isolateurs sont généralement placés entre le sommet des appuis (Piles, culées) et le dessous du tablier (figure 1.2). Comme son nom l’indique, son rôle principal est l’isolation de la structure du mouvement du sol (découplage entre la superstructure et le sol) en admettant un mouvement relatif de la base du pont (de la superstructure) par rapport au sol d’assise, ce qui amène une réduction et atténuation notables des effets transmis à la superstructure et un soulagement de la structure. En outre, il a été constaté que la cause principale des dommages et de perte de résistance des structures lors des tremblements de terre est due principalement au fait que la période naturelle de vibration de ladite structure se situe dans la plage du contenu fréquentiel des séismes. Autrement dit, elle coïncide avec la plage de périodes dominantes du contenu du signal sismique. De ce fait, vient l’idée d’isolation sismique de la base par le biais d’isolateurs sismiques (Priestley et al., 1996).
Étant donnée sa grande flexibilité, l’isolateur sismique induit une augmentation de la période propre de vibration du pont ainsi qu’un changement de forme du premier mode. Cette augmentation de la période est accompagnée par une croissance notable du déplacement. Cependant, ces déplacements doivent être contrôlés et limités à des niveaux acceptables pour minimiser le risque de perte d’appui ou les effets de second ordre, connus sous le nom de l’effet P-(Priestley et al., 1996). Des effets néfastes peuvent apparaître aux niveaux des joints d’expansion également suite à l’entrechoquement des parties de la superstructure. Comme solution, il est question de joindre un système d’amortissement connexe au système d’isolation pour le cas des systèmes très flexibles (Guizani, 2003). En outre, même si les efforts diminuent, les déplacements résiduels après le séisme entre le tablier de la structure et les unités d’appui (piles, culées) peuvent devenir importants, d’où l’intérêt d’introduire de l’amortissement ainsi qu’un système de recentrage pour certains types d’isolateur pour réduire ces déplacements résiduels à un niveau acceptable. D’autre part, le pont doit rester stable sous les charges de service, chose qui ne peut être satisfaite qu’en garantissant une certaine rigidité latérale initiale de l’isolateur pour faire face à ces effets non sismiques. La figure 1.3 illustre l’effet de l’installation d’un système d’isolation de la base sur la période, l’accélération ainsi que le déplacement.
Présentation des isolateurs en élastomère
Les isolateurs en élastomère fretté standard et ceux dotés d’un noyau central en plomb ont été décrits et étudiés par plusieurs chercheurs (Buckle et al., 2006; Priestley et al., 1996; Robinson, 1982). Ils sont les isolateurs les plus simples et les plus répandus dans le monde. Il s’agit d’un bloc cylindrique ou rectangulaire composé de couches en élastomère séparées par des frettes en acier et englobés entre deux plaques en acier permettant l’ancrage à la structure. Les frettes en acier superposées alternativement avec des couches en élastomère offrent une bonne rigidité et capacité portante verticales tout en assurant une grande flexibilité latérale à l’isolateur. Enfin, la présence d’un noyau central cylindrique en plomb en fait un modèle plus développé de l’appui en élastomère fretté, inventé par W. H. Robinson en Nouvelle-Zélande en 1975 (Dicleli, 2002; Skinner et al., 1993). Le noyau de plomb a pour but le contrôle de la rigidité initiale en service sous charges non-sismiques et la dissipation de l’énergie, par boucle d’hystérésis, grâce aux propriétés mécaniques du plomb. Parmi les caractéristiques du plomb qui le laissent digne d’intérêt c’est que ses propriétés de déformation plastique à +20°C sont équivalentes à une telle déformation pour le fer ou l’acier à une température beaucoup plus élevée autour des +450°C (Robinson, 1982).
En plus, le plomb a de bonnes performances à la fatigue. Ce matériau a un comportement élastiqueparfaitement plastique. Dès lors, après plastification la rigidité de l’appui devient celle du caoutchouc (Priestley et al., 1996). La figure 1.5 montre que l’effet de la variation du diamètre de plomb affecte essentiellement la force caractéristique tandis qu’une variation de la hauteur de l’élastomère est souvent accompagnée d’un changement de la rigidité tangente. Il est à noter que cette contribution ne peut être garantie que lorsqu’on confine correctement le noyau par le biais des plaques d’acier. De surcroît, un autre type d’isolateurs qui dérive de l’isolateur en élastomère est celui en élastomère fretté à amortissement élevé. Il a la même description que l’appui en élastomère fretté, sauf que le type d’élastomère constitutif possède des capacités de dissipation d’énergie plus élevées. Ces appareils peuvent donc résister à des sollicitations sismiques latérales plus larges, comparativement aux appuis en élastomère fretté. Ce comportement non-linéaire de l’élastomère est obtenu par l’ajout de composants chimiques qui améliorent le comportement du matériau. Cet isolateur présente un taux d’amortissement de l’ordre de 10 à 16% de l’amortissement critique comparativement à 5 à 10% pour un appui en élastomère fretté ordinaire (Casarotti, 2004). 00000000000000000000
Cristallisation
La matière se trouve dans l’un ou l’autre des deux états physiques principaux, l’état amorphe et l’état cristallin. L’état amorphe ou l’état vitreux est un état où la configuration des atomes ne suit aucun ordre et il n’existe aucun arrangement spécifique (les atomes sont disposés arbitrairement). Par contre, l’état cristallin traduit l’arrangement, selon un agencement clair et précis, des atomes dans une maille cristalline. Il s’agit de l’état ordonné de la matière. Cette maille est reproduite dans l’espace selon certains critères décrits par la science de la cristallographie, ce qui forme le réseau cristallin. En réalité, les polymères ne peuvent pas cristalliser entièrement, en effet, au niveau microscopique, il est impossible d’écarter les discontinuités et les irrégularités de la matière, ce qui nous amène à parler plutôt de polymères semi-cristallins (Zinet, 2010). En variant la température, le caoutchouc passe par trois principaux changements d’états physiques. À chaque domaine d’état physique est associée des variations substantielles des propriétés mécaniques du matériau.
En outre, il existe deux températures de référence qui décrivent la limite et l’étendue de chaque plage. La première est la température de fusion (généralement notée ) et la deuxième est la température de transition vitreuse (généralement notée ). Tous ces paramètres dépendent d’une multitude de paramètres, comme : le type de l’élastomère (sous-entend la longueur des chaînes), les composants, les adjuvants, le taux de réticulation, la vitesse d’excitation, etc. (Marchal, 2006). Lorsque la température est très élevée (au-dessus de la température de fusion), le matériau se trouve à l’état liquide, il peut s’écouler et les chaînes peuvent se déplacer librement. Suite à un certain refroidissement, lorsque la température est comprise entre la température de fusion et la température de transition vitreuse, le matériau passe à l’état solide. On distingue alors deux phases : une phase amorphe caoutchouteuse et une phase cristalline. Dans la première, l’élastomère se trouve flexible et se comporte de façon viscoélastique. Si on continue de baisser la température au-dessous de la température de transition vitreuse, la fraction cristalline reste telle qu’elle, tandis que la fraction amorphe passe de l’état caoutchouteux à l’état vitreux, les molécules gèlent et les mouvements deviennent très rares et localisés. Il est à noter que suite à ce changement le matériau devient fragile et cassant (Marchal, 2006).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction aux systèmes d’isolation à la base
1.1.1 Les principales technologies de conception parasismique utilisés dans le domaine des ponts
1.1.1.1 Conceptions conventionnelles
1.1.1.2 Technologies non conventionnelles utilisées dans le domaine des ponts
1.2 Effet de la variation de la température sur les propriétés des isolateurs sismiques
1.2.1 Systèmes d’isolation en élastomère fretté
1.2.1.1 Présentation des isolateurs en élastomère
1.2.1.2 Description de la structure chimique des élastomères
1.2.1.3 Comportement des isolateurs en élastomère
1.2.2 Isolateurs à glissement
1.2.2.1 Présentation des isolateurs à glissement
1.3 Prise en compte de la combinaison des effets de séisme avec les effets thermiques dans les codes
1.4 Effet de la température dans les codes
1.5 Facteurs de modification des propriétés des isolateurs
CHAPITRE 2 CARACTÉRISTIQUES ET CALIBRATION DES SPECTRES
2.1 Introduction
2.2 Sismicité du Canada
2.2.1 Sismicité de l’est canadien
2.2.1.1 L’ouest du Québec
2.2.1.2 La région de Charlevoix-Kamouraska
2.2.1.3 La région de le Bas-Saint-Laurent
2.2.2 Sismicité de l’ouest canadien
2.3 Transformation des séismes de référence et ajustement spectral
2.3.1 Séismes historiques retenus pour l’est
2.3.1.1 Saguenay
2.3.1.2 Nahanni
2.3.2 Séismes historiques retenus pour l’ouest
2.3.2.1 Morgan Hill
2.3.2.2 Whittier Narrows
2.3.2.3 Loma Prieta
2.3.2.4 Northridge
2.3.3 Transformation et décorrélation des séismes selon les directions principales
2.3.4 Spectres choisis
2.3.5 Calibration des accélérogrammes et ajustement spectral
CHAPITRE 3 MÉTHODOLOGIE ET PARAMÈTRES DE L’ÉTUDE
3.1 Introduction
3.2 Comportement des isolateurs : Identification des paramètres de l’étude
3.3 Méthodes d’analyse
3.3.1 Méthode simplifiée selon le spectre du code canadien des ponts routiers CAN/CSA-06-06
3.3.2 Méthode simplifiée développée selon le spectre du code national du bâtiment CNBC 2010
3.3.3 Analyse temporelle non-linéaire selon le code canadien des ponts routiers CAN/CSA-06-06 et le code national du bâtiment CNBC 2010
3.3.4 Période fondamentale et amortissement visqueux équivalent par la méthode simplifiée du S6-06 adaptée au CNBC 2010
3.3.4.1 Période fondamentale
3.3.4.2 Amortissement visqueux équivalent
3.3.5 Période fondamentale et amortissement visqueux équivalent par la méthode simplifiée du code S6-06
3.3.5.1 Période fondamentale
3.3.5.2 Amortissement visqueux équivalent
CHAPITRE 4 RÉSULTATS D’ANALYSES SIMPLIFIÉES ET TEMPORELLES NON-LINÉAIRES
4.1 Introduction
4.2 Présentation et comparaison des résultats
4.2.1 Comparaison entre les prédictions de l’analyse simplifiée avec les spectres du CNBC 2010 et celui du CSA-S6-06
4.2.1.1 Force maximale
4.2.1.2 Déplacement maximal
4.2.2 Comparaison des résultats de l’analyse temporelle non-linéaire du CNBC 2010 et de la S6-06 pour l’est et l’ouest
4.2.2.1 Force maximale
4.2.2.2 Déplacement maximal
4.2.2.3 Déplacement résiduel
4.2.3 Comparaison des résultats de l’analyse simplifiée avec ceux de l’analyse temporelle non-linéaire pour l’est et l’ouest selon le CNBC 2010
4.2.3.1 Force maximale
4.2.3.2 Déplacement maximal
4.2.4 Comparaison des résultats de l’analyse simplifiée avec ceux de l’analyse temporelle non-linéaire pour l’est et l’ouest selon S6-06
4.2.4.1 Force maximale
4.2.4.2 Déplacement maximal
4.2.5 Comparaison des résultats de l’analyse temporelle non-linéaire entre l’est et l’ouest selon CNBC 2010
4.2.5.1 Force maximale
4.2.5.2 Déplacement maximal
4.2.5.3 Déplacement résiduel
4.2.6 Comparaison des résultats de l’analyse temporelle non-linéaire entre l’est et l’ouest selon S6-06
4.2.6.1 Force maximale
4.2.6.2 Déplacement maximal
4.2.6.3 Déplacement résiduel
4.3 Présentation et comparaison des résultats selon la variation du rapport PGA/PGV et PGV2/PGA selon le CNBC 2010
CHAPITRE 5 VALIDATION DES RÉSULTATS ET ÉTUDE DE L’EFFET DE LA FLEXIBILITÉ DE LA PILE SUR LE COMPORTEMENT DES PONTS ISOLÉS
5.1 Introduction
5.2 Modèle du pont d’étude
5.3 Résultats obtenus par l’analyse de piles infiniment rigides
5.4 Résultats obtenus par l’analyse de piles flexibles
5.4.1 Calcul du poids sismique
5.4.2 Calcul de la rigidité de la pile et présentation des systèmes considérés
5.4.3 Effet de la flexibilité des piles et de la variation des paramètres hystérétiques sur la période du système élastique équivalent
5.4.4 Force maximale selon CSA-S6-06
5.4.5 Déplacement maximal selon S6-06
5.4.6 Force maximale selon le CNBC 2010
5.4.7 Déplacement maximal selon le CNBC 2010
5.5 Choix du système optimal pour l’est et l’ouest
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ARTICLE : ASSESSMENT OF TEMPERATURE EFFECTS ONSEISMIC RESPONSE OF BASE-ISOLATED BRODGES IN EASTERN AND WESTERN CANADA
ANNEXE II SPECTRE DE DIMENSIONNEMENT ET ACCÉLEROGRAMMES AVANT ET APRÈS CALIBRATION
ANNEXE III EFFET DE LA VARIATION DES CARACTÉRISTIQUES DES SIGNAUX SISMIQUES COMBINÉ À LA VARIATION DES PARAMÈTRES CARACTÉRISTIQUES SUR LE COMPORTEMENT DES PONTS ISOLÉS
BIBLIOGRAPHIE
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