PRISE EN COMPTE DU RISQUE SISMIQUE - CoTITA · 2012. 4. 6. · Notions générales de sismologie Caractérisation de l’aléa sismique Les effets destructeurs des séismes Les effets

Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée

www.cete-mediterranee.fr

Journées techniquesorganisées avec l'appui du Sétraet sous l'égide de la CoTITA

PRISE EN COMPTE DU RISQUE SISMIQUE

Mardi 27 mars 2012Lundi 2 et mardi 3 avril 2012

CETE Méditerranée, Aix-en-Provence

Centre d'Etudes Techniques de l'Equipement Méditerranée

2

2

Prise en compte du risque sismique

Programme de la session :


3

3

Prise en compte du risque sismique

Programme de la session :

Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée

www.cete-mediterranee.fr

Journées techniquesorganisées avec l'appui du Sétraet sous l'égide de la CoTITA

PRISE EN COMPTE DU RISQUE SISMIQUE

Généralités sur les phénomènes sismiques

Denis DAVI, Arnold BALLIERECETE Méditerranée


5

5


Plan de l'exposé

● Notions générales de sismologie● Éléments de dynamique des structures et principes de modélisation● Représentation des actions sismiques sur les ponts● Rappel de la législation en vigueur


6

6


Notions générales de sismologie● Caractérisation de l’aléa sismique

A l’origine des séismes : la tectonique des plaques…

La localisation des séismes


7

7



A l’origine des séismes : la tectonique des plaques…

Les courants de convection

La dérive des continents


8

8



La prédiction des séismes

Impossible dans l’état actuel des connaissances Cycles plus ou moins réguliers d’accumulation et de libération d’énergie :

Partout où la Terre a tremblé, elle tremblera à nouveau Plus on s’éloigne dans le temps du dernier séisme, plus on se rapproche du suivant...

temps

Énergie stockée dans la roche accumulation lente

Libération brutale : séisme(rebond élastique)


9

9



Les mécanismes de rupture

Petits séismes M < 3

Ex : Rifts océaniques

Séismes moyens à forts 3 < M < 7.5

Ex : Région PACA Californie (faille de San Andreas)

Séismes très forts M > 8

Ex : Caraïbes Chili, Alaska, Turquie, Japon


10

10



Les mécanismes de rupture


11

11



Les phénomènes de répliques

Plan de faille

1

2

3

Séisme de l'Aquila :

06 Avril; Mw=6,3

09 Avril; Mw=5,4

07 Avril; Mw=5,6

Plus de 10 000 répliques la 1ère semaine, dont 2 Mw > 5,4


12

12



La propagation des ondes

Les ondes sismiques

Exemple de sismogramme


13

13



Les grandeurs qui caractérisent les séismes

L’échelle des intensités de Mercalli (1902) : de I à XII L’échelle des Magnitudes de Richter (1935) : de 1 à …

L’accélération maximale, le contenu fréquentiel, la durée…


14

14



Les grandeurs qui caractérisent les séismes

L’échelle des magnitudes de Richter


15

15



Les effets destructeurs des séismes Les effets directs (liés aux phénomènes naturels)

La vibration du sol

Les glissements de terrain et chutes de rochers

La liquéfaction du sol

Les tsunamis (ou raz-de-marée)

Les ruptures superficielles de failles


16

16



Les effets destructeurs des séismes Les effets indirects (liés à l’activité humaine)

Incendies (Kobe, 1995)

Perte de portance des fondations sous l'effet de la liquéfaction (Niigata, 1964)

Effondrement d’un centre commercial(Izmit, 1999)


17

17



La sismicité française

Les séismes passés

Lambesc, proximité de Salon-de-Provence, 1909

environ 20 séismes M >3,5 par an

6000 communes concernées

50 morts à Lambesc en 1909

3000 morts à Pointe-à-Pitre en 1843

M=7,4 en 2007 en Martinique


18

18



La sismicité française : les cartes de zonage réglementaire

Ancien zonage PS92 (zones sism. ≥ 1a) : 5000 communes concernées 17% du territoire

Nouveau zonage (zones sism. ≥ 2) : > 21000 communes concernées 66% du territoire


19

19


Éléments de dynamique des structures et principes de modélisation● Définition

Les actions dynamiques se caractérisent par une variation de leur amplitude, de leur direction ou de leur point d’application en fonction du temps :

Elles se traduisent par une variation de la réponse de la structure au cours du temps (mouvement et/ou déformation) engendrant des effets inertiels ou forces d’inertie (= masse x accélération).

A = Fct (t)


20

20


Éléments de dynamique des structures et principes de modélisation● Exemples d’actions dynamiques sur les OA :

Le vent...


21

21



Les chocs...


22

22



Les actions hydrodynamiques...


23

23



Les charges de trafic...


24

24



Les charges piétonnes sur passerelles...


25

25



Les séismes...


26

26


Éléments de dynamique des structures et principes de modélisation● Classification des actions dynamiques

Actions aléatoires

Ex : - Vibrations sur une piste de danse- Séisme futur- Trafic routier- Pression de vent sur un bâtiment- …


27

27



Actions déterministes (amplitude, direction et point d’application connus à chaque instant)

Actions périodiques

Ex : - Trafic ferroviaire- Piétons sur passerelle- Houle marine- …


28

28



Actions déterministes (amplitude, direction et point d’application connus à chaque instant)

Actions non-périodiques

Ex : - Chocs- Séismes passés- Vent- Poussée hydrodynamique- …


29

29



Actions dynamiques de natures très différentes

Quasiment toutes les actions applicables aux OA, sauf :● Poids propre● Effets thermiques

Prise en compte variable dans le calcul des structures● Approches forfaitaires (statique équivalent)● Analyses dynamiques mono ou multi-modales● Analyses dynamiques temporelles

En pratique, le recours aux analyses dynamiques est relativement rare…


30

30



La plupart des actions dynamiques sont prises en compte par le biais d’approches statiques équivalentes.

Exceptions :

Charges ferroviaires

Vent sur structures souples (ponts à haubans ou suspendus)

Vibrations des passerelles piétonnes

Séisme


31

31


Éléments de dynamique des structures et principes de modélisation● Notions théoriques de dynamique des structures

Systèmes à 1 degré de liberté (1 DDL)


32

32




Équation fondamentale de la dynamique :

m.a(t) = Σ Fext (t)= F(t) – k.x(t) – c.v(t)

m.a(t) + c.v(t) + k.x(t) = F(t)

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)


33

33




Cas particuliers :

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)

• Oscillations libres non-amorties

m.x’’(t) + k.x(t) = 0

x(t) = x’0/ω sin ωt + x0 cos ωt

x’’(t) + ω2.x(t) = 0

T(s) = 2π/ω

f (Hz)= 1/T

ω2(rad/s)= k/m


34

34




Cas particuliers :

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)

• Oscillations libres amorties

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = 0x’’(t) + 2ξω.x’(t) + ω2.x(t) = 0

ξ = c/2ωm


35

35




Cas particuliers :

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)

• Oscillateur non-amorti soumis à une force constante

m.x’’(t) + k.x(t) = F0

x(t) = F0/k (1 - cos ωt)


36

36




Cas particuliers :

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)

• Oscillations forcées non-amorties

m.x’’(t) + k.x(t) = F0 sinωextt

x(t) = F0/k .1/(1-β2).(sinωextt – β sinωt)

β = ωext /ω

DAF = 1/(1-β2) = coef. ampl. dyn


37

37




Cas particuliers :

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)

• Oscillations forcées amorties

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F0 sinωextt

x(t) = F0/k.α1/2.(sinωextt + φ)

β = ωext /ω

DAF = α1/2 = 1/[(1-β2)2+(2ξβ)2]1/2

DAFmax/β=1 = 1/(2ξ)


38

38




Cas général :

m.x’’(t) + c.x’(t) + k.x(t) = F(t)

[ ] dτ τ)(tξ1ω .sine ) F(τξ-1ω

1 - )(xt

0

2τ)(t ω ξ -

2 ∫ −−= −t

x(t) donnée par l’intégrale de Duhamel :


39

39




Application au séisme :

( )

ω M 2C ξ

T2π

MK ω avec

)(d )(d ω)(d 2ξ )(d

)(d M)(dK )(d C )(d M

)(d C )(dK )(d)(d M

)(d C )(dK )(d M

sr2

rr

srrr

rrrs

rrt

=

==

−=++

−=++

−−=+

−−=

tttt

tttt

tttt

ttt

Accélérogramme : d''s (t)

-0,4-0,2

00,2

0,4

0 21 42 63

Temps en secondes

Acc

élér

atio

n en

g


40

40





Intégrale de Duhamel :

Pour 1 séisme donné :

dr max

= f(ωstruct

; ξstruct

)

Séisme Kobe 1995

[ ] dτ τ)(tξ1ω .sine ) (τdξ-1ω

1 - )(dt

0

2τ)(t ω ξ -s2r ∫ −−= −t

Représente également la façon dont l'énergie sismique se répartit sur les différentes gammes de fréquence...


41

41

Séisme Kobe 1995





Spectre de réponse élastique normalisé à 5 % d'amortissement

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0,01 0,1 1 10

Période en secondes

PSA

/ as

Spectres en pseudo-accélération et pseudo-vitesse :

PSV = ω . dr max

PSA = ω2 . dr max

Équivalence statique :

F = K. dr max

F = M. PSAF ≅ M. at


42

42




Application au séisme :Spectres réglementaires :Enveloppe « lissée » de spectres réels...


43

43




Application au séisme :Spectres réglementaires EC8 :


44

44



Systèmes à plusieurs degré de liberté (n DDL)

Modélisation basée sur :

une discrétisation en masses ponctuelles des barres (ressorts) reliant ces masses un taux d’amortissement structurel global (ξ

séisme=5% ; ξ

passerelles=0,5%)


45

45



Systèmes à plusieurs degré de liberté (n DDL)

Écriture matricielle de l’équation générale de la dynamique

Calcul des modes propres de vibration

Combinaison quadratique des réponses modales :

[ ] { } [ ] { } [ ] { } { })(F )( x' C )( x K )( x" M tttt +−−=

...23S2

2S21S S +++=

Console verticale à 3 nœuds


46

46


Éléments de dynamique des structures et principes de modélisation● Principes de modélisation


47

47




48

48




49

49




50

50




51

51




52

52


Représentation des actions sismiques sur les ponts● Le phénomène vibratoire

agr : accélération maximale enregistrée au rocher


53

53


Représentation des actions sismiques sur les ponts● Contenu fréquentiel du signal sismique et effets de site

EC8-1 §3.2, spectres de type 1


54

54


Représentation des actions sismiques sur les ponts● Contenu fréquentiel du signal sismique et effets de site

Effet topographiqueEffet géologique

Privilégier

- les structures raides sur sols mou,

- les structures souples sur sol raides.


55

55


Représentation des actions sismiques sur les ponts● Variabilité spatiale de l’action sismique

San Fernando (USA, 1971)


56

56


Représentation des actions sismiques sur les ponts● Effets induits

Liquéfaction du sol porteur


57

57



Chutes de blocs et glissements de terrain


58

58



Ruptures de failles en surface


59

59


Représentation des actions sismiques sur les ponts● Exemples de prise en compte

Approches statiques forfaitaires

Action du séisme sur les ponts-cadres et portiques


60

60



Approches statiques forfaitaires

Le dimensionnement des structures pare-blocs

Équivalence énergétique :

- Choc élastique : ½ m.v2 = ½ k.x2

F

d

-Choc élasto-plastique : ½ m.v2 = F.xF

d


61

61



Analyses modales (spectrales)

Action du séisme sur les ouvrages « réguliers »


62

62



Analyses dynamiques temporelles

Action du séisme sur les ouvrages « complexes »


63

63


Rappel de la législation en vigueur● Vue d'ensemble


64

64


Rappel de la législation en vigueur● Le nouvel arrêté « ponts »

Arrêté ponts26 octobre 2011

● Fixe les nouveaux paramètres de dimensionnement des ouvrages neufs : - Définition de l'aléa (accélérations et spectres de calcul)

- Définition des catégories d'importance

● Impose l'application de l'Eurocode 8 (NF EN 1998-2, NF EN 1998-1 et NF EN 1998-5 + AN)

● Domaine d'application : OA neufs (yc passerelles et murs solidaires), zones ≥ 2 et cat. ≥ II, vis-à-vis de la seule exigence de non-effondrement (Etat-Limite Ultime)

● Impose une analyse de l'aléa liquéfaction uniquement pour les zones ≥ 3


65

65


Rappel de la législation en vigueur● Référentiel normatif relatif aux ponts en zones sismiques

Législation nationale - Décret n°2010-1254 du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique- Décret n°2010-1255 du 22 octobre 2010 portant délimitation des zones de sismicité du territoire français- Arrêté du 26 octobre 2011 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux ponts de la catégorie dites "à risque normal"

Normes de calcul européennes et leurs Annxes Nationales - NF EN1998-1 et NF EN1998-1/NA - Eurocode 8 : Calcul des structure pour leur résistance aux séismes – Partie 1 : Règles générales, actions sismiques et règles pour les bâtiments- NF EN1998-2 et NF EN1998-2/NA - Eurocode 8 : Calcul des structure pour leur résistance aux séismes – Partie 2 : Ponts- NF EN1998-5 et NF EN1998-5/NA - Eurocode 8 : Calcul des structure pour leur résistance aux séismes – Partie 5 : Fondations, ouvrages de soutènement et aspects géotechniques

Normes « produits » européennesNF EN 15129 : Dispositifs antisismiques

Ne

couv

re p

as la

pro

blém

atiq

ue

des

pont

s ex

ista

nts

!

Documents

PRISE EN COMPTE DU RISQUE SISMIQUE - CoTITA · 2012. 4. 6. · Notions générales de sismologie Caractérisation de l’aléa sismique Les effets destructeurs des séismes Les effets