Comportement sismique des ponts

Comme il a été mentionné, les sollicitations sismiques sont des déplacements imposés au sol qui varient en fonction du temps, causant des vibrations forcées aux structures. Le bon comportement de la structure sous séisme dépend essentiellement d’une conception saine et de bonnes dispositions constructives. Mis à part la topographie du site, le type du sol et les matériaux utilisés qui contribuent d’une manière significative à augmenter la vulnérabilité sismique des ouvrages, il est évident que le comportement des ponts dépend du comportement de ses éléments structuraux (tablier, piles et appareils d’appuis, etc.). Ces derniers sont sujets à des déplacements lors d’un séisme, pouvant créer des désordres au niveau des jonctions entre le tablier et les piles autant qu’au niveau des appuis (Nollet, LeBoeuf et Khaled, 2008). La Figure 1.11 présente les principales composantes d’un pont. L’amortissement des effets dynamiques se fait par absorption d’énergie, cela apporte une bonne tenue des ouvrages lors d’un séisme. Lors d’un séisme, une grande énergie est transmise à la structure. L’interaction sol-structure permet la transmission d’une partie de cette énergie au sol, tandis qu’une partie est dissipée par l’amortissement. L’énergie restante est conservée par la structure sous forme d’énergie cinétique et d’énergie de déformation (Davidovici, 1999). Les rôles des différents éléments structuraux d’un pont sont analysés dans les paragraphes suivants.

Tablier : Le tablier fait partie de la superstructure, il est composé d’une dalle et d’un système porteur. Lors d’un séisme, des forces d’inertie, causées par le mouvement du sol, sont développées par le tablier. La plupart du temps, les tabliers exhibent un comportement élastique vu qu’ils sont conçus de manière à avoir une grande rigidité, du fait des charges qu’ils doivent supporter (Chen et Duan, 2003).

Appareil d’appuis : Le rôle des appareils d’appui est de transmettre les forces d’inertie du tablier aux piles et aux culées. En fait, la liaison entre le tablier et ses appuis (culées et piles) se fera par l’intermédiaire d’appareils d’appuis. Il faut mentionner que le choix du système de liaison a pour objectif de limiter les déplacements du tablier et les efforts dans les piles et culées. Le mouvement de la superstructure pendant le séisme dépend du type d’appuis sur lesquels les tabliers reposent : dans le cas d’un appui présentant une forte rigidité transversale et une faible rigidité longitudinale, le choix du type de liaison doit être guidé par la prise en compte du séisme longitudinal.

Piles : Les piles font partie de l’infrastructure, elles assurent la transmission des charges verticales et horizontales au sol. Mis à part le type de liaison retenue entre le tablier et les piles, les efforts horizontaux, dus aux forces d’inertie mises en jeu, dépendent de la souplesse des piles. Le fait qu’elles constituent souvent le système de contreventement pour les ponts et que l’intégrité de ces derniers repose sur leur comportement, leur conception doit faire l’objet d’une étude approfondie vis-à-vis du risque sismique. Il a été mentionné dans la littérature que la première cause d’effondrement d’un pont est la rupture des colonnes ayant une faible ductilité (Davidovici, 1999). Cette rupture se produit notamment au niveau des noeuds de la structure tels que la base des fûts de pile. La Figure 1.12 montre le scenario d’effondrement d’un pont ayant une pile à une seule colonne lors du séisme de Kobé au Japon en 1995 (Davidovici, 1999).

Effets de site

Le terme effet du site est utilisé pour décrire la modification de la secousse sismique induite par la géologie locale. Ce phénomène se traduit fréquemment par une augmentation de l’amplitude des enregistrements de la secousse sismique et de sa durée. La Figure 1.20 illustre le mouvement du sol enregistré par deux stations sismologiques lors d’un séisme de magnitude M5 survenu au mois d’Août 2000 dans le Nord de l’Italie (IRSN, 2010). Les stations sont proches l’une de l’autre mais reposent sur des sols de nature différente : la station NBOR a été installée sur le rocher (sol dur) et la station NLIB a été installée sur des sédiments (sol meuble). Les ondes sismiques générées par le glissement sur les failles, lors d’un séisme, traversent des milieux géologiques aux propriétés mécaniques variées. Ce phénomène provoque la perturbation des ondes qui à leur tour influencent le comportement du séisme. D’une manière générale, en aboutissant sur un sol lâche sur lequel l’ouvrage est implanté, la réponse vibratoire de la structure est accentuée, augmentant ainsi la probabilité de l’effondrement du tablier par perte d’appui. Par ailleurs, lorsque les fondations sont posées sur un sol dont les propriétés sont particulièrement défavorables (milieu sableux et saturé en eau), le sol peut perdre sa cohésion (phénomène de liquéfaction). Les ouvrages bâtis sur ce type de sol ne sont plus soutenus et peuvent basculer. C’est un phénomène qui a causé beaucoup de dégâts lors du tremblement de terre de Kobe en 1995 (Priestley, Seible et Calvi, 1996) (Voir Figure 1.21), augmentant les effondrements par perte d’appui.

Définition de la longueur d’appui minimale (N) selon CAN/CSA-S6 Le code CSA-S6 recommande de prévoir une longueur d’appui suffisante sur les piles et les culées afin d’accommoder le déplacement des tabliers. Cette longueur d’appui représente le maximum entre celle calculée par les analyses sismiques préconisées par le code CAN/CSAS6 et la longueur minimale d’appui, N, mesurée perpendiculairement à la face de la culée ou la pile. La longueur minimale d’appui N est donnée par l’équation 1.1. Tel que mentionné dans le commentaire du code CAN/CSA-S6-06 (Commentary on CAN/CSA-S6-06 Canadian Highway Bridge Design Code), il est important de spécifier une longueur de support minimale afin d’accommoder : (i) un éventuel mouvement indépendant des différentes parties de la superstructure : si l’espacement est insuffisant entre les éléments de la superstructure, cela peut conduire, sous chargement sismique, à une collision des superstructures. Pour contrer ce problème. Il convient d’éviter les ouvrages constitués de tabliers isostatiques; (ii) la rotation des piles lors de la propagation des ondes sismiques.

Selon le code CAN/CSA-S6-06, la longueur minimale d’assise dépend de la longueur du tablier comprise entre les joints de dilatation et la hauteur des piles, puisque ces deux dimensions influencent un ou plusieurs facteurs qui causent les mouvements différentiels. Concernant les ponts à plusieurs travées, le mouvement asynchrone, lors d’un séisme, des portiques de géométrie différente, accentue les mouvements différentiels (Priestley, Seible et Calvi, 1996). La longueur minimale permet aussi de se prévenir des translations et rotations des fondations dues à la rupture du sol et aux déformations induites par la liquéfaction (perte de cohésion du sable) (CNA/CSA-S6-06) : les ponts à plusieurs travées simplement appuyées sont particulièrement sensibles à l’effondrement lorsqu’ils sont construits sur des sols meubles et liquéfiables. Par conséquent, la qualité du sol en place constitue un facteur à considérer. D’après les termes de la formule (équation.1.1), on remarque que les caractéristiques du pont, du point de vue géométrique, et l’effet du site sont pris en compte dans le calcul de la longueur minimale préconisée par le code, on distingue :

Analyse dynamique

selon CAN/CSA-S6-06 Les nouvelles normes de calcul des structures favorisent l’utilisation du calcul dynamique en vue de déterminer la distribution des forces sismiques servant au dimensionnement des ouvrages de génie civil. Le tremblement de terre donne naissance à un mouvement de translation du sol dans trois directions qui se transmet aux structures par leur fondation, générant ainsi des forces d’inertie importantes proportionnelles. Il est donc nécessaire d’employer des techniques d’analyse dynamique des structures pour évaluer d’une façon réaliste le comportement d’une structure soumise à un tremblement de terre. Le choix de l’analyse dépend des caractéristiques de la structure et du chargement dynamique. La norme CSA-S6 définie trois (3) classes de ponts : (a) ponts de secours, (b) ponts d’urgence et (c) autre ponts. Cette classification prend en compte essentiellement des critères sociaux et de survie, ainsi que de sécurité et de défense. Les routes sur lesquelles on retrouve des ponts de secours doivent être ouvertes à la circulation après le séisme de calcul qui correspond à une probabilité de dépassement de 10% en 50 ans, ce qui équivaut à une probabilité de dépassement de 15% en 75 ans et à une période de récurrence de 475 ans. Ces ponts doivent être accessibles aux véhicules d’urgence et de la défense après un séisme correspondant à une période de récurrence de 1000 ans (probabilité de dépassement de 7.5% sur une période de 75 ans). Par ailleurs, les ponts d’urgence doivent être accessibles aux véhicules d’urgence et aux fins de la sécurité et de la défense après le séisme de calcul (période de récurrence de 475 ans). Le Tableau 1.9 décrit les exigences de performance du code CAN/CSA-S6-06.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les phénomènes sismiques
1.2.1 Origine des tremblements de terre
1.2.2 Les ondes sismiques
1.2.3 Caractérisation des tremblements de terre
1.3 Aléa sismique
1.4 Activité sismique au Canada
1.5 Comportement sismique des ponts
1.5.1 Tablier
1.5.2 Appareil d’appuis
1.5.3 Piles
1.5.4 Culées
1.6 Principales déficiences observées sur les ponts
1.6.1 Problèmes reliés à la superstructure
1.6.2 Facteurs amplifiant l’effondrement du tablier par perte d’assise
1.7 Prévention de la chute du tablier
1.8 Définition de la longueur d’appui minimale (N) selon CAN/CSA-S6
1.8.1 Historique et évolution de la formule
1.8.1.1 Longueur d’appui minimale (N) nécessaire au déplacement selon la norme AASHTO
1.8.1.2 Longueur d’appui minimale (N) nécessaire au déplacement selon la norme CSA-S6
1.9 Analyse dynamique selon CAN/CSA-S6-06
1.10 Types d’analyses
1.10.1 Analyse dynamique spectrale
1.10.2 Analyse transitoire
1.11 Mouvements sismiques multidirectionnels
1.12 Synthèse et conclusions
CHAPITRE 2 PLAN D’ANALYSE
2.1 Modèles de ponts
2.2 Modélisation de la structure
2.2.1 Superstructure
2.2.2 Piles
2.2.3 Catégorie d’emplacement
2.3 Choix des paramètres
2.4 Type d’analyse retenue
2.5 Synthèse et conclusion
CHAPITRE 3 SÉLECTION DES ACCÉLÉROGRAMMES
3.1 Représentation temporelle du mouvement sismique
3.1.1 Accélérogrammes naturels ou historiques
3.1.2 Accélérogrammes artificiels
3.2 Choix des accélérogrammes
3.2.1 Spécificités de la région de Québec
3.2.2 Recommandations
3.2.3 Séisme de Saguenay 1988
3.2.4 Séisme de Nahanni 1985
3.2.5 Séisme de Val des Bois 2010
CHAPITRE 4 TRANSFORMATION ET CALIBRATION DES SIGNAUX SISMIQUES
4.1 Catégorisation sismique des sites
4.2 Analyse de la réponse du sol soumis à des mouvements sismiques
4.3 Modélisation du profil de sol
4.4 Calibration des accélérogrammes
CHAPITRE 5 RÉSULTATS DES ANALYSES ET DISCUSSION
5.1 Méthodologie
5.2 Présentation et analyse des résultats
5.2.1 Catégorie de ponts 1
5.2.2 Catégorie de ponts 2
5.2.3 Catégorie de ponts 3
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
ANNEXE I DIMENSIONNEMENT
ANNEXE II VALEURS DE CALCUL DES MOUVEMENTS DU SOL DU CNBC 2010 (valeurs médianes pour une probabilité de dépassement de 2% en 50 ans)
ANNEXE III ACCÉLÉROGRAMMES ET LEUR SPECTRE DE RÉPONSE APRÈS TRANSFORMATION
ANNEXE IV ACCÉLÉROGRAMMES ET LEUR SPECTRE DE RÉPONSE AVANT ET APRÈS CALIBRATION
ANNEXE V ACCÉLÉROGRAMMES FINAUX ET LEUR SPECTRE DE RÉPONSE
ANNEXE VI DÉPLACEMENTS LONGITUDINAUX (modèles 1.1 à 1.5)
ANNEXE VII DÉPLACEMENTS LONGITUDINAUX MAXIMAUX DES DIFFÉRENTS CAS DE CHARGEMENT DU MODÈLE 1.6
ANNEXE VIII DÉPLACEMENTS LONGITUDINAUX MODÈLE 2 (modèles 2.1 et 2.2)
ANNEXE IX DÉPLACEMENTS LONGITUDINAUX MAXIMAUX DES DIFFÉRENTS CAS DE CHARGEMENT DU MODÈLE 2.3
ANNEXE X DÉPLACEMENTS LONGITUDINAUX MODÈLE 3 (modèles 3.1 à 3.5)
BIBLIOGRAPHIE