SAN-OM-29
Moments de flexion bi-axiale sous charges sismiques
REVUE DE LA LITTÉRATURE:
Les ponts sont des ouvrages vitaux dans les réseaux de transports pour leurs rôles socioéconomiques importants. Ils relient également des zones difficiles d’accès dans plusieurs cas. Il est donc important d’étudier le comportement des ponts lorsqu’ils sont soumis à des mouvements sismiques importants. Malgré qu’il soit difficile de généraliser l’impact d’un événement sismique donné sur les ouvrages, les études effectuées sur le comportement des ponts lors d’évènements sismiques passés ont permis d’établir des scénarios types de ruptures et de développer des méthodes d’analyse et de calcul parasismique ainsi que des techniques de construction parasismique de plus en plus efficaces. À cet effet, l’introduction de l’isolation sismique de la base est une des techniques qui permet d’améliorer considérablement le comportement des ponts sous chargement sismique. Ce chapitre présente une revue de la littérature portant entre autres sur les études effectuées récemment sur le comportement sismique des ponts et sur l’isolation sismique de la base appliquée aux ponts.
Comportement sismique des ponts :
Plusieurs ponts ont subi des dommages importants ou se sont effondrés lors des tremblements de terre de San Fernando en 1971, de Whittier Narrows en 1987, de Loma Prieta en 1989 et de Northridge en 1994 (Housner 1994, Mitchell et al. 1991, Priestley 1988). Des révisions importantes ont été apportées aux codes parasismiques après ces tremblements de terre. Des dommages très sévères au niveau de l’autoroute Hanshin et du chemin de fer de Shinkansen ont aussi été observés lors du séisme de Kobe en 1995 (Anderson et al. 1996). Les dommages et ruptures observés lors de ces évènements sismiques sont attribuables le plus souvent : (a) aux déficiences au niveau du taux d’armature de cisaillement, de son ancrage et/ou l’espacement entre ces armatures dans les colonnes; (b) au taux excessif d’armature longitudinale dans la zone de rotule plastique, causant la rupture en cisaillement dans le chevêtre (la rupture en cisaillement est survenue à cause du pourcentage d’acier inadéquat empêchant la formation de la rotule plastique dans la colonne); (c) à la rupture en cisaillement-friction au niveau des appuis (piles, culées) où le taux d’armature de cisaillement était inadéquat; (d) à des longueurs d’assise de tabliers insuffisantes, notamment pour les ponts à travées simples et les ponts en biais (Anderson et al. 1996). Dans le cas des piles de ponts, les deux modes de rupture les plus observés sont la rupture en flexion et la rupture en cisaillement (Priestley et al. 1994).
Systèmes d’isolation sismique de la base pour les ponts :
Pour les raisons évoquées précédemment, un système d’isolation sismique à la base comprend typiquement :
• un système d’appui rigide et résistant dans la direction verticale, permettant le transfert des charges;
• une flexibilité horizontale avec une rigidité post-élastique suffisante pour recentrer le pont;
• un dispositif de dissipation d’énergie sismique, permettant d’assurer l’amortissement et le contrôle du déplacement sismique.
Par ailleurs, dans certains cas, lorsque les forces non-sismiques (vent, freinage, etc.) causent un déplacement en service non acceptable, il peut être requis de recourir à un dispositif de retenue élastique. Le rôle d’un tel dispositif est d’assurer une rigidité suffisante sous les charges non sismiques. Ce dispositif doit être conçu avec soin afin de s’assurer qu’il ait une rigidité suffisante mais surtout une résistance minimale supérieure aux forces non sismiques et une résistance maximale inférieure au niveau sismique pour lequel le système doit être déclenché pour protéger l’ouvrage lors d’un séisme.
On peut classer les isolateurs sismiques en deux familles : (1) les isolateurs sismiques à base d’élastomère, et (2) les isolateurs sismiques à base de friction. On présente dans ce qui suit une brève description des systèmes d’isolation les plus couramment utilisés sur les ponts.
Conclusions et critique de la revue de littérature :
Cette revue de littérature décrit le comportement sismique global des ponts conventionnels et isolés à la base et fait état des différents modes de ruptures qui ont été observés lors d’évènements sismiques passés. Les dommages et ruptures observés lors de ces évènements sismiques sont attribuables le plus souvent : (a) aux déficiences au niveau du taux d’armature de cisaillement, de son ancrage et/ou l’espacement entre ces armatures dans les poteaux, et (b) au faible taux d’armature longitudinale dans la zone de rotule plastique.
La revue de la littérature montre que plusieurs travaux de recherche ont porté sur le comportement sismique des piles de ponts avec un faible taux d’armatures longitudinales. Les résultats de ces travaux indiquent, entre autre, que de telles piles peuvent présenter un comportement ductile bien que le taux d’armature soit inférieur au minimum requis par les codes de conception parasismique. Ces résultats semblent indiquer un possible assouplissement de l’exigence relative au taux minimum d’armature longitudinale requis pour les piles de ponts. Les études relatives à cette problématique, recensées dans le cadre de cette revue de littérature, ont porté principalement sur les ponts conventionnels. Les résultats et conclusions qui en découlent ne peuvent être entièrement transposés aux ponts isolés à la base du fait que ces derniers ont un comportement sismique qui diffère de celui des ponts conventionnels.
L’isolation sismique de la base est de plus en plus utilisée lors de la conception et construction de nouveaux ponts ou lors de la réhabilitation sismique de ponts existants. Cela est principalement attribuable à son efficacité dans la réduction des forces sismiques et à l’amélioration de la performance sismique qu’elle procure aux structures. Des études approfondies sur la performance des piles de ponts isolés à la base avec un faible taux d’armatures longitudinales semblent être d’intérêt, dans la mesure où l’isolation sismique à la base des ponts permet généralement une réduction importante de la demande sismique sur les piles et que la conception de celles-ci, généralement gouvernées par le taux d’armature longitudinale minimale requis par les codes. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire s’inscrit dans cet objectif et vise à étudier l’effet de diminution de la borne inférieure du taux d’armature longitudinale sur le comportement et la performance sismique des ponts isolés à la base.
SÉLECTION, CALIBRATION ET ÉTALONNAGE DES SIGNAUX SISMIQUES:
Deux types d’analyse dynamiques, basées sur des analyses spectrales, et des analyse temporelles doivent être utilisées afin d’étudier la demande et la réponse sismique d’une structure. Dans le cadre de ce projet une série d’analyses spectrale sont effectué afin de dimensionner les colonnes. Ensuite une série d’analyses temporelles non linéaires doit être effectuée afin d’étudier la performance et le niveau de dommages des ponts lors d’un évènement sismique. Cependant, les signaux sismiques doivent être sélectionnés et calibrés de sorte qu’ils reflètent la sismicité de la région à l’étude. Dans ce chapitre les caractéristiques des séismes du Canada sont présentées. Ensuite le processus de sélection et de calibration des accélérogrammes sont présentés.
Sismicité du Canada :
Le Canada, considéré comme une région dont la sismicité est modérée à importante, a connu de nombreux tremblements de terre durant les quatre derniers siècles. La figure 2.1 montre les zones touchées par des séismes de moyenne à forte intensité durant les cinq derniers siècles (NRCAN 2011). On note que ces évènements sont concentrés principalement dans quatre zones bien définies, soit : (a) l’Est du Canada, (b) l’Ouest du Canada, (c) le Centre des Grandes Plaines et (d) le Grand Nord.
L’Est du Canada : L’Est du Canada est considéré comme une zone à sismicité modérée. Le risque sismique y est cependant important à cause de la population élevée. Cinq séismes de magnitude supérieure à 5,8 sur l’échelle de Richter ont eu lieu. Le séisme de Saguenay, survenu en 1988 avec une intensité de 5,9, est le plus important séisme de la région à avoir été enregistré et constitue une référence pour la conception sismique des structures pour cette région du Canada.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Comportement sismique des ponts
1.1.1 Rupture par manque d’armature de confinement
1.1.2 Rupture par manque d’armature longitudinale
1.1.3 Rupture par cisaillement
1.2 L’isolation sismique de la base : Principe fondamental et caractéristiques hystérétiques
1.3 Application de l’isolation sismique de la base aux ponts
1.4 Systèmes d’isolation sismique de la base pour les ponts
1.4.1 Isolateurs sismiques à base d’élastomère
1.4.2 Isolateurs sismiques à base de friction : Pendules à friction
1.4.3 Autres systèmes d’isolation sismique de la base
1.4.4 Autres dispositifs de technologies parasismiques
1.5 Armature longitudinale minimale dans les piles de ponts
1.5.1 Historique
1.5.2 Pourcentage d’acier d’armature minimum
1.5.3 Contrôle de la fissuration
1.5.4 Plastification des armatures
1.5.5 Disparités entre les codes sur la limite inférieure de l’armature longitudinale
1.5.6 Limites minimales de l’armature longitudinale des colonnes dans le CSA-S6
1.5.7 Comportement des piles de ponts munies d’un faible taux d’armatures longitudinales
1.6 Conclusions et critique de la revue de littérature
CHAPITRE 2 SÉLECTION, CALIBRATION ET ÉTALONNAGE DES SIGNAUX SISMIQUES
2.1 Sismicité du Canada
2.2 Sélection des accélérogrammes
2.2.1 Sélection des séismes historiques
2.2.2 Sélection des accélérogrammes artificiels
2.2.2.1 Méthode de sélection des accélérogrammes artificiels
2.2.2.2 Choix des accélérogrammes artificiels
2.3 Calibration et transformation des mouvements sismiques
2.3.1 Méthodes de calibration des accélérogrammes
2.3.1.1 Méthodes de calibration basées sur un facteur d’étalonnage
2.3.1.2 Méthode de calibration dans le domaine fréquentiel (Méthode FD)
2.3.1.3 Méthode de calibration dans le domaine temporel (Méthode TD)
2.3.2 Transformation et calibration des accélérogrammes historiques
2.3.2.1 Transformation des mouvements sismiques selon les directions principales
2.3.2.2 Calibrations des mouvements sismiques sur le spectre cible dans le domaine temporel
2.3.3 Calibration des accélérogrammes artificiels par facteur d’étalonnage
2.3.3.1 Étalonnage des accélérogrammes artificiels
2.3.3.2 Vérification du critère du code CNBC
CHAPITRE 3 MODÉLISATION DU PONT
3.1 Modèle du pont
3.1.1 Modèle de base
3.1.2 Modélisation du pont
3.2 Modélisation de la rotule plastique
3.2.1 Longueur de la rotule plastique
3.2.2 Discrétisation de la section dans la zone de rotule plastique
3.2.3 Lois de comportement des matériaux
3.2.3.1 Courbes contrainte-déformation du béton
3.2.3.2 Courbe contrainte-déformation de l’acier d’armature
3.3 Modélisation du système d’isolation sismique
CHAPITRE 4 CONCEPTION DES VARIANTES DE PONTS ET PROCÉDURE D’ANALYSE TEMPORELLE NON LINÉAIRE
4.1 Procédure de conception sismique des variantes du pont
4.1.1 Analyses modales
4.1.2 Analyses spectrales et combinaison des directions sismiques
4.1.3 Calcul des efforts pour la conception des piles
4.1.4 Calcul des armatures dans les piles
4.2 Analyses temporelles non linéaires : Modèles étudiés et paramètres
CHAPITRE 5 RÉSULTATS ET DISCUSSION
5.1 Étude préliminaire
5.2 Moments de flexion bi-axiale sous charges sismiques
5.3 Historiques des réponses sismiques et courbes d’hystérésis
5.4 Déformations maximales des fibres
5.4.1 Déformations maximales dans les fibres du béton non confiné
5.4.2 Déformations maximales dans les fibres du béton confiné
5.4.3 Déformations maximales dans les fibres d’armatures longitudinales
5.5 Déplacement maximal des isolateurs sismiques
5.6 Déplacements résiduels des isolateurs sismiques
5.7 Synthèse des résultats et performance sismique des ponts étudiés
CONCLUSIONS
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I ACCÉLÉROGRAMMES AVANT ET APRÈS LA CALIBRATION
ANNEXE II ARTICLE DE CONFÉRENCE 1 SEISMIC BEHAVIOUR OF REGULAR BASE-ISOLATED BRIDGES WITH LOW RENIFORCEMENT RATIOS
ANNEXE III ARTICLE DE CONFÉRENCE 2 COMPORTEMENT SISMIQUE DES PILES DE PONTS ISOLÉS À LA BASE AVEC FAIBLES TAUX D’ARMATURES LONGITUDINALES BIBLIOGRAPHIE
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