Estimation de la fiabilité sismique des ponts isolés à la base au Canada en incluant l’effet des basses températures selon une approche probabiliste

Les ponts sont des structures à la fois d’une grande importance socio-économique et vulnérables aux séismes. L’isolation sismique à la base constitue un moyen efficace, le cas échéant, pour protéger ces ouvrages des fortes secousses sismiques. Les propriétés hystérétiques des systèmes d’isolation jouent alors un rôle primordial sur la performance sismique de telles structures. Toutefois, ces propriétés varient sous l’effet de plusieurs facteurs, notamment la température. Les codes en vigueur traitent la variation de ces propriétés au moyen d’une approche d’analyse aux bornes limites. Les effets des facteurs telle que la température sont ainsi combinés à ceux du séisme, et ce sans égard à leur probabilité d’occurrence simultanée. Cette approche n’est pas cohérente avec l’approche fiabiliste utilisée pour les combinaisons de charges, basée sur un indice de fiabilité cible, excluant les charges sismiques. Pour le code canadien CAN/CSA-S6:19, un indice de fiabilité cible annuel de 3,75 est adopté pour la plupart des structures de pont et pendant leur durée de vie. L’approche d’analyse aux bornes limites ne permet pas de définir un indice de fiabilité cible et conduirait à la mésestimation de la variation des caractéristiques hystérétiques et conséquemment à une conception non optimale du pont et du système d’isolation sismique. \n \nL’objectif principal de la recherche faisant l’objet de cette thèse est d’estimer la fiabilité sismique des ponts isolés à la base au Canada, au moyen d’une approche probabiliste, en tenant compte notamment de la variabilité des propriétés hystérétiques des systèmes d’isolation sismique à base d’élastomère à noyau de plomb avec la température, l’aléa sismique et en incluant l’effet d’autres variables aléatoires (VAs). \n \nD’abord, une méthodologie probabiliste qui se base sur la méthode-Monte-Carlo pour l’estimation de la fiabilité des ponts isolés à la base est détaillée et appliquée à un pont typique en béton armé à deux travées simples avec systèmes d’isolation sismique (SIS). Deux états limites sont considérés: (1) la rupture par flexion de la pile du pont et (2) le dépassement de la capacité de déplacement de l’isolateur sismique. Les principales VAs considérées sont: l’aléa sismique, la température, les dimensions à la base de la pile et les propriétés mécaniques des matériaux. Un modèle, sous forme d’une fonction continue, de l’aléa sismique en fonction de la période de la structure, incluant les incertitudes épistémiques est développé. \n \nDe plus, une méthode de transformation de la température ambiante en température effective du système d’isolation sismique, au moyen de la transformée de Laplace est élaborée. Les distributions probabilistes de ces VAs sont modélisées en se basant sur une revue de la littérature et sur les données disponibles. Les résultats préliminaires révèlent que, pour le pont étudié, la fiabilité globale du pont est égale à la fiabilité de l'état limite (2). De plus, les résultats révèlent que, pour le pont étudié, la fiabilité sismique de l’état limite (2) dépend davantage de l’aléa sismique du site étudié que de l’effet de la basse température du même site. \n \nEnsuite, une étude de la fiabilité sismique d'un pont isolé à la base à deux travées simples et typique conçu pour sept localités au Québec est présentée. Le critère de performance sismique évalué est : aucun dommage. Deux états limites sont considérés : la flexion à la base de la pile et le déplacement dans le SIS. Les principales VAs du problème sont : L’aléa sismique, température, dimensions de la base de la pile et propriétés mécaniques des matériaux. L’effet de deux distributions probabilistes de l’incertitude sur l'aléa sismique sont étudiés : 1) Distribution normale de l'incertitude épistémique ; 2) distribution log-normale de l'incertitude totale. En utilisant le modèle d'aléa sismique 1, les résultats préliminaires révèlent que malgré les grandes variabilités de température et d'aléa sismique entre les sept sites du Québec, les indices de fiabilité du pont sont uniformes et varient autour de B=3,45+0,02 (pour la flexion, Bm=3,59+0,07 et pour le déplacement du système d’isolation sismique BD=3,48+0,04. \n \nEnfin, une étude est menée pour l’estimation de la variation de la fiabilité sismique d’un pont typique en béton armé à deux travées, isolé à la base et situé sur un sol de classe C à Montréal. Les incertitudes épistémiques (IEs), modélisées sous forme de VAs, associées à la modélisation et à la méthode d'analyse sismique spectrale uni-modale, au réchauffement du noyau de plomb du système d’isolation sismique et aux relations température versus les propriétés du SIS sont identifiées et leurs distributions statistiques, avec leurs fourchettes de variation, sont estimées. Les effets de la variation des paramètres de distribution probabiliste associés à ces IEs sur la fiabilité du pont sont présentés. La température, l'aléa sismique horizontal bidirectionnel et les principaux paramètres affectant la résistance des composants du pont sont également modélisés comme des VAs. Les mêmes états limites et la même méthode probabiliste utilisés dans les cas d’étude précédents sont reconduits. \n \nLes résultats préliminaires montrent qu’en incluant les effets de ces IEs, l'indice de fiabilité global estimé varie entre 3,36 et 3,62, par rapport à un indice de fiabilité global estimé à 3,49 obtenu sans inclure ces IEs. En incluant l'incertitude épistémique associée à la méthode d'analyse de la réponse sismique du pont, l'indice de fiabilité de l'état limite de comportement en flexion à la base de la pile varie entre 3,52 et 3,76 (versus 3,56 obtenu sans inclure les IEs ci-dessus). \n \nÉgalement, en incluant l'incertitude épistémique associée à l'effet du réchauffement du noyau de plomb, l'indice de fiabilité de l'état limite de déplacement du SIS varie entre 3,31, pour un effet extrême, et 3,49 pour un effet plus représentatif (contre 3,51 obtenu sans inclure les IEs ci-dessus). \n \nFinalement, la méthodologie proposée pourra être utilisée pour l’estimation de la fiabilité des ponts existants surtout dans le contexte de réhabilitation des structures des ponts avec système d’isolation sismique. De plus, l’estimation de la fiabilité des ponts isolés à la base au moyen d’une méthodologie fiabiliste permettra également aux autorités législatives, responsables de la rédaction des codes et normes, les bases de révision de la normalisation actuelle. Notons que des modèles de variation reliant l’âge et le vieillissement, et autres paramètres influents, aux caractéristiques du modèle structural et/ou chargement sont requis. \n \nÉgalement, un effort d’optimisation et d’amélioration est nécessaire afin d’envisager l’application efficace de la méthodologie sur des ponts complexes.

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