Les différents types de système d’isolation

Les différents types de système d’isolation

Entretoise

Les entretoises ont pour rôle de répartir les charges entre les poutres et de les encastrer à la torsion sur appuis, et d’assurer l’encastrement à la torsion des poutres sur appuis, hypothèse fondamentale des méthodes classiques de calcul de la répartition transversale. Leur suppression poserait un problème de calcul délicat sans apporter d’avantage décisif. En outre, leur réalisation au droit des appuis est moins contraignante qu’en travée.
De plus, leur rôle est indispensable pour le vérinage du tablier, rendu nécessaire pour le changement des appareils d’appuis, à moins de prévoir des dispositifs particuliers de vérinage ne s’appuyant pas sur les entretoises. Il faut noter que le cas de charge correspondant au vérinage est souvent prépondérant pour le dimensionnement des entretoises. Enfin, les entretoises sur culées sont indispensables pour assurer une bonne tenue des joints de chaussée d’extrémité [17].

Hourdis 

Le rôle du hourdis est multiple. En premier lieu, il assure la continuité de surface du tablier, et permet donc de relier les éléments de la poutraison (poutres proprement dites et entretoises). Il fait par ailleurs office de table de compression de poutres et reçoit l’étanchéité ainsi que le revêtement de chaussée.
Le bétonnage du hourdis est réalisé sur des coffrages appuyés ou suspendus aux poutres. Alors que l’on dispose de deux appuis pour une zone de hourdis située entre deux poutres, ce qui permet de fixer facilement le coffrage, la réalisation du coffrage d’une zone de hourdis à l’extérieur des poutres de rive est plus délicate. C’est pourquoi on cherche à placer les poutres de rive immédiatement en rive de sorte qu’il n’y ait pas de hourdis à couler en
encorbellement [18].
Cette solution est à préconiser lorsque l’ouvrage est rectiligne. Par contre, dans le cas des ouvrages courbes, la poutraison demeure rectiligne et la courbure de l’ouvrage est obtenue par variation de la largeur du hourdis en encorbellement des poutres de rive.
La liaison par le hourdis peut être réalisée de deux façons :
Par un hourdis intermédiaire coulé entre les poutres, ou par un hourdis général coulé pardessus les poutres [17].

Piles

Les piles sont constituées d’un ou de plusieurs fûts, dont la forme relève de nombreux critères, à la fois d’ordre mécanique et esthétique. Les poutres reposent sur un chevêtre ou sommer d’appui, par l’intermédiaire d’appareils d’appui comme le montre la figure(I.8) [17].

Piles voiles

Ce type de pile est très fréquemment utilisé pour des ouvrages courants de portées plus modestes tels que les ponts-dalles ou les ponts à poutres PRAD.
A partir du modèle de base, de section rectangulaire constante, différentes variantes permettent de réaliser des formes plus élaborées (fruit, variation d’épaisseur ou de largeur…).
La tête de pile est souvent élargie par rapport au voile pour permettre de recevoir les deux lignes d’appui comme le montre la figure (I.9) [17].

Piles marteaux

Ce type de pile est intéressant du point de vue esthétique, mais également compte tenu de la faible emprise au sol nécessaire, ce qui est particulièrement appréciable en site urbain.
Cet appui quasi-ponctuel permet de choisir une orientation quelconque de l’appui, sans augmenter l’emprise au sol, ce qui permet de s’affranchir du problème du biais dans la plupart des cas. Le fût de pile est le plus souvent cylindrique ou assimilable et de dimensions quasiment constantes avec la hauteur. Pour une hauteur maximale de 25 mètres, un diamètre de 2,00 mètres convient habituellement comme il est montré dans la figure (I.10) [17].

Composantes des systèmes d’isolation sismique à la base

Un appui capable de transmettre les charges verticales mais ayant une faible rigidité horizontale :
C’est le noyau de l’isolateur. La rigidité latérale de l’appui est le paramètre clé dans l’augmentation de la période et par conséquent dans la réduction des forces sismiques
 Dispositif de dissipation d’énergie :
Ce dispositif sert à contrôler la déformation de l’isolateur et par conséquent le déplacement absolu de la superstructure située au-dessus. La composante de dissipation d’énergie peut aussi amener à une réduction des forces et des accélérations dans la structure.
Une multitude de systèmes de dissipation d’énergie ont été mis au point avec une application. Les systèmes de dissipation d’énergie les plus courants sont : les amortisseurs à fluide visqueux (viscous dampers), les amortisseurs à base de friction (comportement plastique ou élasto-plastique), les amortisseurs à comportement hystérétique, les appuis en élastomères à haut taux d’amortissement, etc.

Un système de retenue

Le système d’isolation doit avoir une rigidité initiale élevée afin de minimiser les déplacements sous les charges de service tel que le freinage et le vent. Pour certains types d’isolateurs, il peut s’avérer nécessaire d’incorporer un mécanisme de retenue dont la résistance minimale et maximale sont établis avec soin [5].
Pour les ponts et pour les ouvrages assimilable, les appuis parasismiques sont disposer entre les piles (ou poteaux) et le tablier comme le montre la figure (I.7) ; Les déplacements induits par le tremblement de terre se concentrent au niveau de ces appuis, conçus pour pouvoir absorber d’importants déplacements [12].

Caractéristiques des systèmes d’isolation sismique

 Possibilité d’augmenter la période de vibration et réduire ainsi la réponse de la force
 La dissipation d’énergie pour commander le déplacement du système d’isolation
 Rigidité sous faible charge telles que le vent et les tremblements de terre mineurs [5].

Réhabilitation des ponts

La réhabilitation sismique des structures existantes est une technique qui nous permet soit de réparer les dommages, soit de renforcer les structures. Le renforcement des structures peut se faire soit par l’augmentation de la résistance de la structure (Augmenter la résistance et la ductilité des éléments porteurs piles). La totalité de l’action sismique), soit par réduction de l’action sismique en fonction de la masse et/ou la rigidité (isolation à la base) de la structure [10].
Les isolateurs y sont décrits comme des systèmes qui découplent la structure des mouvements du sol et/ou de ses supports en augmentant la flexibilité de la structure, en d’autres termes en allongeant sa période fondamentale de vibration, tout en fournissant un amortissement approprié. Dans le cas des ponts cependant, qui comprennent généralement des piles qui sont relativement légères comparativement au tablier, les isolateurs sont placés entre le dessus des piles ou des culées et le tablier [8].
Priestley et al. (Priestley, Seible, & Calvi, 1996) traitent de la conception et de la réhabilitation parasismiques des ponts. Ils consacrent un chapitre de leur livre à l’isolation.
Les isolateurs jouent deux rôles sur le comportement dynamique des structures, de façon à assurer leur protection contre les effets des séismes, soit l’allongement de la période et l’augmentation de l’amortissement. Les dommages induits aux structures par l’effet des tremblements de terre sont essentiellement dus à la concordance entre la période naturelle de vibration d’une structure et la période dominante de la secousse sismique. Pour un séisme qui produit des accélérations maximales à de hautes fréquences, l’allongement de la période de vibration de la structure réduit l’amplitude des accélérations qui lui sont transmises [2].
Dans leur livre, Skinner et al. (1993) présentent un tableau recensant tous les ponts isolés jusqu’en 1993. Un total de 255 pont isolés sont recensés, dont 168 sont en Italie, 49 en Nouvelle Zélande, 21 aux États-Unis, 12 au Japon et 5 en Islande.
Faisant référence à ce tableau, Priestley et al. (1996) mettent en évidence le fait que 3 des ponts italiens ainsi que 66 des 87 autres ponts sont isolés avec des isolateurs en élastomère fretté avec noyau de plomb, ce qui démontre que, mis à part en Italie, cet isolateur est le plus populaire. En Italie, on a surtout utilisé la combinaison d’amortisseurs métalliques avec des interfaces de friction comme le montre la figure (I.8) [5].

Application mondiale des systèmes d’isolation

L’utilisation des systèmes d’isolation parasismique est peu répandue au Québec. Il existe toutefois quelques exemples d’utilisation, dont les exemples suivant :
 Pont de Madrid : système d’isolation sismique dans les deux directions – projet de réhabilitation parasismique réalisé en 2007 comme le montre la figure (I.9)
 Pont d’Alma : le premier pont neuf conçu avec un système d’isolation sismique au Québec, projet réalisé en 2002 comme le montre la figure (I.10)
 Les ouvrages du TGV Méditerranée en France : L’ensemble de la ligne du TGV Méditerranée est équipé d’isolateurs permettant d’absorber les secousses sismiques comme le montre la figure(I.11)

Les différents types de systèmes d’isolation

Introduction

Dans ce chapitre, différents types de systèmes d’isolation sismique sont présentées.
Les systèmes passifs ont donné naissance à des dispositifs commercialisés et disponibles qui sont couramment utilisés dans la pratique.
La fonction de base de ces dispositifs de dissipation d’énergie lorsqu’ils sont implémentés dans la superstructure d’un bâtiment est d’absorber une partie de l’énergie sismique d’entrée, ce qui réduit la demande pour la dissipation d’énergie dans les membres de la structure primaire afin de minimiser les dommages structurels possibles.

Aperçu historique

L’isolation parasismique est une technique relativement jeune comparée aux méthodes traditionnelle de protection contre le séisme, l’idée d’isoler la structure à la base remonte au début du 20ème siècle. Néanmoins les premières applications modernes dans le monde ont été réalisées dans les années 70 à 80.
Cela est dû au développement des techniques de calcul, sur support informatique, beaucoup plus puissantes qu’auparavant, ainsi que la disponibilité d’installation d’essais tels que les simulateurs sismiques (tables vibrantes).La première application de la technologie moderne de l’isolation sismique à la base a été réalisée sur une école élémentaire à Skopje (ex-Yougoslavie) dont la réalisation a été achevée en 1969 [6].
En Amérique, la première application remonte à 1980. La première démonstration de la construction isolée fut réalisée en 1985. Depuis cette date après les épreuves de l’efficacité de ces systèmes d’isolation pour protéger les bâtiments contre les séismes, plus de 5000 structures (bâtiments et ponts) ont été construites sur des appuis parasismiques dans les régions sensibles aux risques sismiques [3]
Au Japon, les recherches dans ce domaine ont pris beaucoup d’ampleur. Le premier grand bâtiment à base isolée a été accompli en 1980. Par ailleurs, la première démonstration de la construction isolée fut réalisée en 1982. Après le séisme de Kobe 1995, la totalité des ponts (99%) utilisent actuellement les systèmes d’isolation alors qu’ils ne représentaient que 5 % dans le passé.
En Nouvelle Zélande, les recherches ont commencé en 1967. La réalisation d’immeubles de bureaux et de grandes usines conçus avec l’isolation sismique, a commencé au début des années 80
En France, les premières réalisations remontent à la fin des années 70. Le lycée de Lambesc construit en 1977 a été réalisé par la technique de l’isolation parasismique. Des appuis, qui portent le nom de l’EDF (Electricité de France), développés par des chercheurs français ont été employés pour la centrale nucléaire de koeberg en Afrique du sud. Il est à noter que la centrale nucléaire de Cruas -Meysse dans la vallée du Rhône, dont les travaux ont commencé à la même époque, a aussi utilisé les systèmes d’isolation sismiques [1].
En Chine, beaucoup de recherches théoriques et expérimentales ont été menées ces dernières années. Ainsi, il y a plusieurs bâtiments qui sont construits avec l’isolation sismique.
La majorité de ces bâtiments sont bien comportés lors des tremblements de terre de 1994 et 1995.
En Italie, les recherches ont commencé en 1988, pour développer cette technique et son utilisation assurée dans la réalisation des constructions civiles et industrielles et prendre en considération le risque nucléaire et chimique [16].
L’isolation sismique est un principe connu depuis le début du 20e siècle, mais il n’a été appliqué en Amérique du Nord qu’au courant des années 80. Aux États-Unis, un premier pont a été isolé avec des appareils en élastomère fretté avec noyau de plomb à San Francisco en 1985.
Au Canada, un premier pont a été isolé avec des appareils en élastomère fretté avec noyau de plomb à Richmond en Colombie Britannique en 1990 (EERC Protective Systems, 2009).
Au Québec, ce n’est qu’en 2002 qu’un premier pont a été isolé. Ce pont est situé à Alma et les isolateurs étaient des appareils fonctionnant à base de friction (Guizani, 2003). La même année,un pont situé dans la ville de Québec a été équipé avec des amortisseurs et des transmetteurs de chocs sismiques (Loulou, Maillette, & Ladicani, 2003) [3].

Principe de base

L’isolation à la base repose sur un principe qui exige que si la période de vibration augmente suffisamment et s’éloigne de la période d’excitation prédominante du tremblement de terre, les accélérations transmises à la structure (et par conséquent les forces d’inertie) sont considérablement réduites. En revanche, l’augmentation de la période engendre des déplacements plus importants concentrés au niveau de l’isolateur. Dès l’incorporation d’un dispositif de dissipation d’énergie (amortissement) dont l’objectif de contrôler les déplacements, un compromis satisfaisant sera réalisé entre la réduction de la force et l’accroissement du déplacement. La figure II.1 présente, de façon idéale, l’effet de l’accroissement de la période et de l’amortissement sur les forces et déplacements sismiques [14].

Table des matières

Introduction Générale
CHAPITRE I : Généralités sur la technique d’isolation parasismique
I.1.Introduction
I.2.Problématique
I.3.Constitution des ponts
I.3.1.Appuis
I.3.2.Tablier
I.3.3.Piles
I.4.Composante des systèmes d’isolation à la base
I.4.1.Caractéristiques des systèmes d’isolation sismique
I.5.Réhabilitation des ponts
I.6.Application mondiale des systèmes d’isolation
CHAPITRE II : Les différents types de système d’isolation
II.1. Introduction
II.2. Aperçu Historique
II.3.Principe de base
II.4.Systèmes de protection sismique
II.5. Systèmes de contrôle passif
II.5.1.Controle passif avec isolation à la base (isolateurs sismiques)
II.5.1.1.NRB
II.5.1.2.HDRB
II.5.1.3.LRB
II.5.1.4.FPS
II.5.2.Controle passif avec dissipateurs d’énergie
II.5.2.1.Amortisseur Visqueux
II.5.2.1.1.Historique
II.5.2.1.2.Description
II.5.2.1.3.Fonctionnement Interne
II.5.2.1.4.Loi de comportement
II.5.2.1.5.Influence du paramètre α
II.6.Critéres choix entre les types d’appuis parasismiques
II.7.Conclusion
Chapitre III : Modélisation de systèmes d’isolation à la base
III.1.Introduction
III.2.Modélisation mathématique des appuis parasismiques
III.2.1.Isolateur de base en élastomère(NRB)
III.2.2. Isolateur en caoutchouc fretté avec amortisseur en barreau de plomb (Lead-rubber bearings) (LRB)
III.2.2.1. Système d’isolation en caoutchouc avec amortisseur en barreau de plomb LRB
III.2.2.2. Structure à N DDL montée sur système d’isolation (LRB)
III.2.3. Isolateur à pendule de friction (FPS)
III.2.3.1.Systémes d’isolation à pendule de friction(FPS)
III.2.3.2. Structure à N DDL montée sur un système d’isolation (FPS)
III.3.Caractéristique mécaniques des isolateurs
III.3.1.Isolateur en élastomère fretté (NRB)
III.3.2.Isolateur en élastomère avec barreau de plomb (LRB)
III.3.3. Isolateur en pendule à friction (FPS)
III.4.Méthode de calcul des constructions isolées
III.4.1. Méthode statique
III.4.2. La méthode d’analyse dynamique par spectre de réponse
III.4.3. La méthode d’analyse par accélérogramme
Chapitre VI : Présentation de l’ouvrage
VI.1. Introduction
VI.2. Situation
VI.3. Description
VI.4. Réglementation
VI.4.1. Règlements et Normes
VI.4.2. Logiciel utilisés
VI.4.3.Caractéristiques des matériaux
VI.5.Pré dimensionnement de la superstructure
VI.5.1 Longueur des travées
VI.5.2 Largeur des voies
VI.5.3 Hauteur des poutres
VI.5.4 La largeur de la dalle de compression
VI.5.5 Espacement des poutres
VI.5.6 Nombre des poutres
VI.5.7 Largeur De Talons
VI.5.8. Épaisseur de la table de compression
VI.6. Descente de charge
VI.6.1. Charge permanente
VI.6.2. Surcharges
VI.6.3. Effort sismique
VI.6.3.1. Composantes horizontales
VI.6.3.2. Composantes verticales
VI.7. Vérification De La Stabilité De La Culée
VI.7.1.Efforts verticaux
VI.7.2. La dalle de Transition
VI.7.2.1.Evaluation des charges
VI.7.2.2.Ferraillage de la dalle
VI.8. Etude de la pile
VI.8.1. Détermination des sollicitations
VI.8.1.1.Efforts verticaux
VI.8.2. Vérification La Stabilité et Les Contraintes Sous Semelle
VI.8.2.1. Ferraillage de la pile
VI.8.3. Les réactions des pieux de la pile
VI.8.3.1.Combinaison fondamentale
VI.8.3.2.Combinaison accidentelle
VI.8.3.3. Ferraillage de la semelle de liaison de la pile
VI.9. Le chevêtre
VI.9.1.Combinaison d’action
VI.9.2.Calcul Du Ferraillage
VI.9.3.Vérification à l’effort tranchant
Chapitre V : Application des différentes techniques d’isolation sur un pont
V.1. Introduction
V.2.Analyse des réponses temporelles pour le système LRB
a) Station de keddara
V.2.1. Variation des déplacements, accélérations en fonction du temps
V.2.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.2.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
b) Station de Sylmar
V.2.4. Variation du déplacement, accélérations en fonction du temps
V.2.5.Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.2.6.Variation des sollicitations en fonction du temps
V.3.Analyse des réponses temporelles pour le système FPS
a)Station Keddara
V.3.1.Variation des déplacements, accélérations en fonction du temps
V.3.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.3.3.Variation des sollicitations en fonction du temps
b) Station de Sylmar
V.3.4. Variation des déplacements, accélérations en fonction du temps
V.3.5. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.3.6.Variation de la sollicitation en fonction du temps
V.4.Analyse des réponses temporelles pour le système visqueux-LRB
a)Station Keddara
V.4.1.Variation des déplacements, accélérations en fonction du temps
V.4.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.4.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
b) Station de Sylmar
V.4.4. Variation des sollicitations en fonction du temps
V.4.5. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.4.6. Variation des sollicitations en fonction du temps
V.5.Analyse des réponses temporelles pour le système visqueux-FPS
a)Station Keddara
V.5.1.Variation des déplacements, accélérations en fonction du temps
V.5.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.5.3. Variation des sollicitations en fonction du temps
b) Station de Sylmar
V.5.4. Variation des sollicitations en fonction du temps
V.5.5. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps
V.5.6. Variation des sollicitations en fonction du temps
V.6.Conclusion
Conclusion Générale
Références Bibliographique

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