Interaction dynamique non-linéaire sol-structure

par Esteban Saez Robert

Thèse de doctorat en modélisation numérique, dynamique des sols

Sous la direction de Arezou Modaressi.

Soutenue le 20-03-2009

à Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, dans le cadre de Sciences pour l'ingénieur, en partenariat avec Mécanique des Sols, Structures et Matériaux (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Bisch.

Le jury était composé de Arezou, Modaressi, Roberto, Paolucci, Evelyne, Foerster, Kyriazis, Pitilakis, Fernando, Lopez-Caballero.


  • Résumé

    L’interaction dynamique entre le sol et les structures (IDSS) a fait l’objet de nombreuses études sous l’hypothèse de l’élasticité linéaire, bien que les effets de l’IDSS puissent être différents entre un système élastique et un système inélastique. De fait, les méthodologies usuelles développées à partir des études élastiques peuvent ne pas être adaptées aux bâtiments conçus pour dissiper de l’énergie par de l’endommagement lors de séismes sévères. De plus, il est bien connu que la limite d’élasticité du sol est normalement atteinte même pour de séismes relativement faibles. En conséquence, si les effets inélastiques de l’IDSS sont négligés, les études d’endommagement sismique des bâtiments peuvent être très inexactes. L’objectif de ce travail est de développer une stratégie générale pour l’étude du problème de l’IDSS non-linéaire dans le contexte de l’analyse de la vulnérabilité sismique des bâtiments. Ainsi, des modèles d’éléments finis réalistes sont développées et appliquées à des problèmes d’IDSS non-linéaires. Les modèles couvrent une large gamme des conditions pour le sol et des typologies de bâtiments soumis à plusieurs bases de données sismiques. Une stratégie de modélisation a été développée et validée afin de réduire significativement le coût numérique. Pour cela, un modèle 2D équivalent a été développé, implanté dans GEFDyn et utilisé pour effectuer une importante étude paramétrique. De nombreux indicateurs de comportement non-linéaire de la structure et du sol ont été proposés pour synthétiser leur fonctionnement lors du chargement sismique. De surcroît, une stratégie d’évaluation de la vulnérabilité sismique basée sur l’information apportée par une base des données sismiques a été développée. De façon, générale, les résultats ont mis en évidence une réduction de la demande sismique lorsque les effets inélastiques de l’IDSS sont pris en compte. Cette réduction est liée fondamentalement à deux phénomènes : l’amortissement par radiation et l’amortissement hystérétique du sol. Ces deux effets ont lieu simultanément pendant le mouvement sismique. Il est alors très difficile d’isoler l’influence de ces deux phénomènes. En effet, le mouvement effectif transmis à la structure n’est pas le même que celui en champs libre du aux effets d’interaction, ainsi qu’à la modification locale du comportement du sol fortement lié aux poids du bâtiment. Une série de mesures de sévérité sismique et des mécanismes de dissipation d’énergie au niveau du sol et du bâtiment a été introduite dans le but d’analyser ces effets. Cependant, ces résultats sont en général très irréguliers et leur généralisation a été très difficile. Néanmoins, ces résultats mettent en évidence l’importance de la prise en compte des effets du comportement inélastique du sol. La plupart des cas étudiés ont montré un effet favorable de l’IDSS non-linéaire. Mais, en général, l’IDSS peut augmenter ou diminuer la demande sismique en fonction de la typologie de la structure, des caractéristiques du mouvement sismique et des propriétés du sol. Tout de même, il y a une justification économique pour étudier les effets du comportement non-linéaire du sol sur la réponse sismique.

  • Titre traduit

    Dynamic nonlinear soil-structure interaction


  • Résumé

    The dynamic interaction of the soil with a superstructure (DSSI) has been the subject of numerous investigations assuming elasticity of both, superstructure and soil foundation behavior. Nevertheless, the effect of DSSI may differ between elastic and inelastic systems. Thus, the current interaction methodologies based on elastic response studies could not be directly applicable to structures expected to behave inelastically during severe earthquakes. Additionally, the soil is known to exhibit inelastic behavior even for relatively weak to moderate ground motions. Consequently, ignoring these characteristics in studying DSSI could lead to erroneous predictions of structural damage. The main purpose of this work is to develop a general strategy to address the full DSSI problem in the context of the seismic vulnerability analysis of structures. Thus, realistic Finite Elements models are constructed and applied in a practical way to deal with these issues. These models cover a large range of soil conditions and structural typologies under several earthquake databases. Some modelling strategies are introduced and validated in order to reduce the computational cost. Therefore, an equivalent 2D model is developed, implemented in GEFDyn and used in the large parametric study conducted. Several indicators for both structural and soil responses are developed in order to synthesize their behavior under seismic loading. Additionally, a vulnerability assessment strategy is presented in terms of measures of information provided by a ground motion selection. According to the investigation conducted in this work, there is in general a reduction of seismic demand or structural damage when non-linear DSSI phenomenon is included. This reduction can be associated fundamentally to two phenomena: radiative damping and hysteretic damping due to non-linear soil behavior. Both effects take place simultaneously during the dynamic load and it is extremely difficult to separate the contribution of each part in reducing seismic demand. Indeed, effective motion transmitted to the superstructure does not correspond to the free field motion because of the geometrical and inertial interactions as well as the local modification of soil behavior, specially due to the supplementary confinement imposed by the superstructure’s weight. A series of strong-motion severity measures, structural damage measures and energy dissipation indicators have been introduced and studied for this purpose. Nevertheless, results are erratic and consequently, generalization was extremely difficult. Despite these difficulties, the results illustrate the importance of accounting for the inelastic soil behavior. The major part of the studied cases show beneficial effects such as the decrease of the maximum seismic structural demand. However, the non-linear DSSI could increase or decrease the expected structural damage depending on the type of the structure, the input motion, and the dynamic soil properties. Furthermore, there is an economic justification to take into account the modification effects due to inelastic soil behavior.

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