Contributions sur l’optimisation et l’analyse de l’isolation sismique des ponts dans les zones à sismicité modérée

L’isolation sismique à la base s’est progressivement imposée comme une des solutions de conception parasismique les plus efficaces applicables aux structures des ponts. Alliant une grande flexibilité horizontale et une capacité de dissipation d’énergie élevée, l’isolation sismique permet de réduire considérablement la demande sismique en force tout en contrôlant la demande sismique en déplacement. Ce faisant, elle améliore considérablement la performance des structures isolées et permet, le cas échéant, de réduire les coûts de construction à court et long terme et de préserver la fonctionnalité de l’ouvrage. \n \nCependant, la réponse sismique des ponts isolés et la performance des systèmes d’isolation sismique (SISs) dépendent fortement des propriétés des ondes sismiques, notamment le contenu fréquentiel et les caractéristiques spectrales du mouvement du sol. Dans ce contexte, les caractéristiques optimales des systèmes d’isolation sismique des ponts au sein de telles régions ainsi que la performance de méthodes simples d’analyse sismique devraient varier. Les SISs ont été principalement développés pour les zones à forte sismicité (HSAs), tandis que dans les zones à sismicité modérée (MSAs), l'isolation sismique est encore utilisée de manière relativement restreinte. Par conséquent, des SISs et des méthodes d'analyse rapides plus adaptés aux MSAs et en particulier à ceux des régions froides sont d'un grand intérêt et leur disponibilité et accessibilité devraient encourager une application plus large de la technologie. \n \nCette recherche s'inscrit dans ce contexte. Ses principaux objectifs spécifiques sont les suivants: 1) identifier la gamme des caractéristiques optimales des SISs pour les régions HSAs et MSAs; 2) revoir les limites d'application de la méthode simple d'analyse spectrale unimodale pour les zones de sismicité modérée et élevée, et compléter la méthode avec des prédictions utiles pour la conception des ponts isolés; et 3) effectuer une formulation / étude analytique et numérique du comportement d'un SIS combinant des appuis en caoutchouc naturel fretté et des amortisseurs métalliques en U (UD), une solution potentiellement bien adaptée pour les applications SISs dans les régions froides à sismicité modérée et élevée. \n \nSur la base de la carte d'activité sismique globale, la classification des zones sismiques est réalisée du point de vue de l'isolation sismique, à travers le contenu fréquentiel et les paramètres spectraux. Les caractéristiques communes des enregistrements sismiques pour chaque classe de sismicité sont identifiées et les différences mises en évidence par rapport à l'efficacité de l'isolation sismique. Les résultats confirment que les tremblements de terre dans les MSAs sont caractérisés par une concentration d'énergie sous hautes fréquences et que l'allongement de la période de vibration conduit à une diminution plus rapide de l'accélération spectrale sismique, par rapport aux HSAs. Sur la base d'une analyse paramétrique approfondie où les propriétés du SIS sont variées, les plages optimales des deux principales caractéristiques hystérétiques du SIS, à savoir la résistance caractéristique (Qd) et la rigidité post-élastique (Kd), sont spécifiquement déterminées et clairement distinguées entre les HSAs et MSAs. Les résultats montrent que les SISs pour les ponts dans les HSAs nécessitent des capacités de dissipation d'énergies élevées, tandis que les dispositifs avec des capacités d'amortissement faibles à modérées sont plus appropriés pour les ponts dans les MSAs. Les sites de Vancouver et de Montréal, respectivement représentatifs des HSAs et MSAs, sont plus spécifiquement considérés. Avec les données de conception sismiques réelles, les valeurs optimales de la résistance au poids caractéristique, Qd/W, se situent dans la plage de [0.08 à 0.12] pour le site de Vancouver et dans la plage de [0.015 à 0.045] pour le site de Montréal. Une forte corrélation entre la rigidité post-élastique optimale et la résistance caractéristique optimale est mise en évidence et des relations empiriques sont proposées pour chaque site. \n \nPar ailleurs, les limites d'application et les performances de la méthode d'analyse spectrale unimodale (SMSA) pour l'analyse sismique des ponts isolés en Amérique du Nord sont revues et complétées. Les demandes sismiques de ponts isolés, générées dans le cadre de l'étude paramétrique, telle que prédites par la SMSA, sont comparées aux résultats d'analyses temporelles non linéaires, y compris à l'intérieur et à l'extérieur des limites d'applicabilité spécifiées dans les codes actuels. De cette manière, les avantages de ces limites et leurs effets sur l'exactitude de la SMSA sont étudiés et clarifiés. Les résultats obtenus indiquent que les limites sur l'amortissement visqueux équivalent et la force de rappel, spécifiées dans les codes actuels, représentent les conditions les plus efficaces, tandis que les conditions liées aux limites sur la période effective et de la période post-élastique peuvent être ignorées. Pour compléter la SMSA, une relation prédictive du déplacement résiduel en fonction du système de restauration et les marges d'erreur attendues de la méthode sont proposées pour les ponts isolés situés dans les deux sites canadiens de Vancouver et Montréal. \n \nComparativement à la plage des caractéristiques optimales des SIS pour chaque zone sismique, les appuis frettés en caoutchouc naturel (NRB) présentent une capacité de dissipation d'énergie insuffisante. Par conséquent, les méthodes pour combler cette lacune ont été revues et étudiées. Les appuis en caoutchouc au plomb sont coûteux et peu écologiques, tandis que les appuis en caoutchouc à amortissement élevé (HDRB) comportent des insuffisances majeures qui les empêchent de répondre aux conceptions optimales dans les régions froides. Ces déficiences s’expliquent en raison du phénomène intrinsèque de stabilisation (en anglais "scragging") combiné avec une haute sensibilité aux températures froides. Dans un tel contexte, le procédé d'utilisation de dispositifs d'amortissement métalliques supplémentaires apparaît comme une solution plus efficace pour améliorer le comportement des appuis frettés en caoutchouc naturel. L'ajout d'amortisseurs en U (UD) est identifié comme une technique des plus prometteuses mais son comportement reste mal compris et non documenté suffisament. Ce comportement est donc étudié analytiquement et numériquement et les quelques études expérimentales disponibles sont utilisées pour valider les résultats obtenus. Des équations prédictives pour les principales caractéristiques hystérétiques de NRB-UD sont proposées. Les résultats montrent que ces dispositifs fournissent des EDC (énergie dissipée par cycle) élevées et stables dans toutes les directions sans affecter de manière significative la flexibilité post-élastique par rapport à celle de l’appui fretté d'origine. De plus, les performances sismiques sont facilement contrôlées en modifiant la section transversale et le nombre de dispositifs UD dans les systèmes intégrés NRB-UD, ce qui en fait une solution efficace qui peut être largement appliquée dans l’amélioration des isolateurs et appuis conventionnels, notamment les NRB, et qui peut également rencontrer une large gamme d'exigences de conception. Des études numériques et expérimentales supplémentaires sont cependant nécessaires pour étendre les résultats à d'autres catégories d'aciers, pour établir des critères de rupture et pour évaluer les déplacements résiduels résultant de ces SISs.

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