Analyses expérimentales de la réponse sismique non-linéaire du système sol-structure

par Johanes Chandra

Doctoral thesis in Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Philippe Guéguen.

defended on 28-10-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (équipe de recherche) et de Institut des sciences de la Terre (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Coutant.

Le jury était composé de Philippe Guéguen, Alain Pecker.

Les rapporteurs étaient Arezou Modaressi, Roberto Paolucci.


  • Résumé

    La concentration de plus en plus importante de la population dans les milieux urbains exposés à une forte sismicité peut générer de plus en plus de dommages et de pertes. La réponse sismique en milieu urbain dépend des effets du site (direct amplification et non-linéarité du sol) et du couplage entre le sol et les structures (interaction sol-structure et site-ville). Par conséquent, la compréhension de la sismologie urbaine, c'est-à-dire le mouvement du sol intégrant l'environnement urbain, est critique pour réduire les dommages. Cela passe par la prédiction du mouvement du sol dans le milieu urbain, ingrédient fondamental à l'évaluation de l'aléa sismique. La prise en compte de l'amplification provoquée par la présence de sédiments est largement étudiée. Au contraire, la réponse non-linéarité du sol et du couplage entre le sol et la structure est rarement intégrée à la prédiction du mouvement du sol. A cause de leur complexité, ces problèmes ont toujours été abordés séparément. Dans ce contexte, cette thèse analyse la réponse non-linéaire du système sol-structure en intégrant la non-linéarité du sol et de l'interaction sol-structure. Deux travaux expérimentaux ont été conduits, avec comme but de proposer un proxy, rendant compte de la non-linéarité du sol. Le premier est l'essai en centrifugeuse qui reproduit à échelle réduite la réponse du sol et des structures. L'état de contrainte et de déformation est conservé en appliquant une accélération artificielle au modèle. Cet essai a été effectué à IFSTTAR Nantes dans le cadre de l'ANR ARVISE. Différentes configurations ont été testées, avec et sans bâtiments, sous différents niveaux de sollicitation, pour analyser la réponse du sol et des structures. Le deuxième utilise les enregistrements des réseaux accélérométriques verticaux de deux sites tests californiens : Garner Valley Downhole Arrat (GVDA) et Wildlife Liquefaction Array (WLA), gérés tout deux par l'Université de Californie, Santa Barbara (UCSB), Etats-Unis. La réponse in-situ est importante car elle décrit le comportement réel du site. Plusieurs informations décrivant les conditions de sites sont disponibles et les séismes enregistrés ont permis de tester plusieurs niveaux de déformations pour reconstruire la réponse globale de chaque site. De plus, le site GVDA est équipé d'une structure Soil-Foundation-Structure-Interaction (SFSI) qui a comme objectif d'étudier les problèmes d'interaction sol-structure. Dans les deux expériences, grace au réseau accélérométrique vertical dans le sol et la structure, on peut appliquer la méthode de propagation d'ondes 1D pour extraire la réponse de ces systèmes. Les ondes sont considérées comme des ondes SH qui se propage horizontalement dans une couche 1D. La méthode interférométrie sismique par déconvolution est appliquée pour extraire l'Impulse Response Function (IRF) du système 1D. On analyse ainsi la variation de Vs en fonction de la solliictation et à différente position dans le sol ainsi que la variation des éléments expliquant la réponse dynamique du système sol-structure. On propose au final un proxy de déformation permettant de rendre compte mais aussi de prédire la nonlinéarité des sols en fonction des niveaux sismiques subits.

  • Titre traduit

    Nonlinear seismic response of the soil-structure system : experimental analyses


  • Résumé

    The concentration of population in urban areas in seismic-prone regions can generate more and more damages and losses. Seismic response in urban areas depends on site effects (direct amplification and nonlinearity of the soil) and the coupling between the soil and structures (soil-structure and site-city interaction). Therefore, the understanding of urban seismology, that is the ground motion incorporating the urban environment, is critical to reduce the damage. This requires the prediction of ground motion in urban areas, a fundamental element in the evaluation of the seismic hazard. Taking into account the amplification caused by the presence of sediment has been widely studied. However, the non-linearity of the soil and the coupling between the ground and the structure is seldom integrated to the prediction of the ground motion. Because of their complexity, these problems have been addressed separately. In this context, this dissertation analyzes the non-linear response of the soil-structure by integrating the non-linearity of the soil and the soil-structure interaction. Two experimental studies were performed, with the aim of providing a proxy that reflects the non-linearity of the soil. The first is the centrifuge test that reproduces the response of soil and structures at reduced scale. The state of stress and strain is conserved by applying an artificial acceleration model. This test was performed at IFSTTAR Nantes in the framework of the ANR ARVISE. Different configurations were tested with and without buildings, under different stress levels, to analyze the response of the soil and structures. The second uses the vertical accelerometric networks of two sites in California: Garner Valley Downhole (GVDA) and the Wildlife Liquefaction Array (WLA), both managed by the University of California, Santa Barbara (UCSB), USA. In-situ response is important since it describes the actual behavior of the site. Information describing the conditions of sites is widely available and the earthquakes recorded were used to test several levels of shaking to reconstruct the overall response of each site. In addition, the GVDA site is equipped with a Soil-Foundation-Structure-Interaction structure (SFSI) which aims to study the problems of soil-structure interaction. In both experiments, thanks to the vertical accelerometer network in the ground and the structure we are able to apply the 1D wave propagation method to extract the response of these systems. The waves are considered as an SH wave which propagates in a 1D horizontal layer. Seismic interferometry by deconvolution method is applied to extract the Impulse Response Function (IRF) of the 1D system. Thus the analysis of the variation in function of elastic properties of the soil and the structure is done under several magnitude of shaking, including variation in depth and the elements of the total response of the structure including the soil-structure interaction. At the end, a deformation proxy to evaluate and also to predict the nonlinear response of the soil, the structure and the soil-structure interaction is proposed.


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