Comportement sismique des fondations superficielles : vers la prise en compte d'un critère de performance dans la conception.

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Chatzigogos, Charisis (2007) Comportement sismique des fondations superficielles : vers la prise en compte d'un critère de performance dans la conception. Doctorat LMS, LMS, EP/X p.346.

Autres Localisations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Chatzigogos.pdf

Résumé

L¢objectif de cette thèse est de contribuer à l¢étude du comportement sismique des fondations superficielles et d¢offrir de nouveaux outils pour le traitement de problèmes pertinents, orientés vers la nouvelle philosophie de conception parasismique des structures : la conception basée sur la performance (« performance-based design »). On a travaillé suivant quatre axes d¢approche sur la problématique de la thèse :
a. Reconnaissance des caractéristiques principales du problème par l¢examen de ruptures sismiques de structures réelles. Cet effort a abouti à la création d¢une base de données d¢environ 200 structures qui ont subi une rupture par perte de capacité portante au niveau de la fondation.
b. Approche théorique pour la détermination de la capacité portante sismique d¢un système de fondation. On a traité le problème de la capacité portante sismique d¢une semelle circulaire sur un sol purement cohérent hétérogène par l¢approche cinématique du Calcul à la Rupture. Les solutions établies nous ont permis de proposer une modification/extension des procédures de conception existantes qui sont incorporées dans les normes de conception parasismique européennes (Eurocode 8).
c. Approche expérimentale pour la validation de la solution théorique établie. Une collaboration avec le LCPC – Centre de Nantes a abouti à la planification des trois séances d¢essais en centrifugeuse. Les deux premières séances sont incluses dans la thèse et portent sur la détermination de la capacité portante d¢une semelle circulaire sur sol cohérent sous chargement quasi-statique.
d. Développement d¢un outil intégré permettant la mise en œuvre d¢analyses dynamiques efficaces pour la prise en compte de l¢interaction sol-structure non-linéaire au niveau de la fondation. On a développé un nouveau modèle de macroélément pour le système sol-fondation. Le macroélément est utilisé comme élément de liaison à la base de la superstructure et reproduit les effets non-linéaires qui ont lieu au niveau de la fondation lors d¢une sollicitation sismique. Le modèle proposé comporte deux mécanismes en couplage : la plastification du sol et le décollement qui peut se produire sur l¢interface sol-structure. L¢objectif de cet outil est de permettre d¢effectuer de manière efficace un grand nombre d¢analyses de structures dynamiques non-linéaires.
L¢objectif ultérieur de nos développements est d¢enrichir les normes de conception parasismique actuelles et de les orienter vers une philosophie de conception basée sur la performance des structures lors d¢un séisme.

Table des Matières

Table des matières
Présentation……...………………………………………………………………………………1
1 Introduction 5
1.1 Ruptures sismiques des fondations 5
1.1.1 Séismes « historiques » du génie parasismique géotechnique 5
1.1.2 Description des ruptures sismiques de fondations 8
1.1.3 Points récapitulatifs 13
1.2 Conception parasismique des fondations superficielles basée sur les déplacements 15
1.2.1 Le modèle de Newmark (1965) 15
1.3 Méthodes d¢interaction dynamique sol-structure 19
1.3.1 De la source sismique à l¢échelle de la structure 19
1.3.2 Les méthodes de sous-structures 20
1.3.3 Les méthodes directes 22
1.3.4 Les méthodes hybrides et le concept du macroélément pour l¢IDSS 22
1.3.5 Résumé 24
2 Analyse à la rupture 27
2.1 Revue des méthodes de résolution du problème de la capacité portante des fondations superficielles 27
2.1.1 Généralités 27
2.1.2 Méthodes analytiques et numériques. Méthodes mixtes 28
2.1.3 Méthodes empiriques et expérimentales 38
2.1.4 Remarques finales 42
2.2 Résumé de l¢approche cinématique du Calcul à la Rupture 43
2.2.1 Introduction du principe de puissances virtuelles 43
2.2.2 Introduction de la résistance du matériau constitutif 45
2.2.3 Mise en oeuvre de l¢approche cinématique par l¢extérieur 47
2.3 Semelles filantes : Rappel de résultats existants 49
2.3.1 Introduction 49
2.3.2 Traitement dans le cadre de la formulation classique 49
2.3.3 Surface ultime globale 51
2.3.4 Vérification expérimentale 54
2.3.5 Adaptation aux Normes Européennes 55
2.4 Forces d¢inertie dans le sol 60
2.4.1 Création de la sollicitation sismique 60
2.4.2 Description de 60
2.4.3 Valeur critique de 61
2.4.4 Dimensions de la fondation 64
2.5 Capacité portante sismique des fondations circulaires 66
2.5.1 Introduction 66
2.5.2 Capacité portante des semelles circulaires : Rappel des résultats connus 66
2.5.3 Formulation du problème de la capacité portante sismique des fondations circulaires - 74
2.5.4 Mécanismes virtuels de rupture 81
2.5.5 Résultats 96
2.6 Coefficients de sécurité 128
2.6.1 Généralités 128
2.6.2 Application à la formulation de la capacité portante sismique 128
2.6.3 Résumé 133
2.7 Outil numérique pour le traitement du problème 134
2.7.1 Généralités 134
2.7.2 Installation 134
2.7.3 Définition de la géométrie 134
2.7.4 Définition du critère de résistance du sol et de l¢interface sol-semelle 135
2.7.5 Type de superstructure et de problème 136
2.7.6 Procédure de calcul 137
2.7.7 Résultats 140
2.7.8 Définition du Facteur de Sécurité global (Problèmes a.ii et b. iii) 141
3 Approche expérimentale 145
3.1 Préparation des essais 145
3.1.1 Besoin d¢une approche expérimentale 145
3.1.2 Travaux expérimentaux existants – Définition des objectifs des essais 146
3.1.3 Planification des essais 148
3.1.4 Premiers éléments d¢élaboration des essais 148
3.2 Première séance d¢essais 151
3.2.1 Description de la configuration testée 151
3.2.2 Présentation des résultats 156
3.3 Deuxième séance d¢essais 165
3.3.1 Configurations testées 165
3.3.2 Présentation des résultats 170
3.3.3 Conclusion...………………………………………………………………………..181
4 Développement du macroélément 185
4.1 Introduction et état de connaissances 185
4.1.1 Généralités 185
4.1.2 Développements initiaux 185
4.1.3 Les premiers modèles de macroélément 186
4.1.4 Prise en compte du décollement à l¢interface sol-fondation 193
4.1.5 Le macroélément de Crémer (2001) 195
4.1.6 Modèles de macroéléments divers 200
4.2 Présentation du modèle de macroélément 207
4.2.1 Cadre général 207
4.2.2 L¢idée principale du modèle 208
4.2.3 Non-linéarité géométrique – modèle élastique non-linéaire pour la description du décollement 213
4.2.4 Non-linéarité matérielle – modèle de plasticité 217
4.2.5 Paramètres du modèle. Couplage plasticité - décollement 219
4.3 Mise en oeuvre numérique et comportement en chargement quasi-statique 223
4.3.1 Introduction 223
4.3.2 Mise en œuvre numérique 223
4.3.3 Réponse du modèle sous chargements quasi-statiques monotones et cycliques 228
4.4 Extension aux chargements dynamiques 241
4.4.1 Éléments introductifs 241
4.4.2 Application numérique 243
4.4.3 Conclusion - 250
Conclusions et perspectives - 251
Références bibliographiques - 255
ANNEXES - 265
Annexe 1.I - 267
Annexe 2.I - 273
Annexe 2.II - 281
Annexe 2.III - 291
Annexe 2.IV - 295
Annexe 2.V - 311
Annexe 3.I - 315

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