DRSR

Développement et Recherche en Structures et Réhabilitation

Bertrand Galy

Marie-José Nollet

Amar Khaled

Séminaire du CEISCE – Château Bromont, 28 Août 2009

05/02/2010 2

2. Sélection et transformation des accélérogrammes pour la

région de Québec

3. Détermination et modélisation d’un pont typique de la

ville de Québec

4. Analyse de la vulnérabilité sismique des ponts de la ville

de Québec

5. Conclusion

1. Introduction

05/02/2010 3

Objectif principal :

Evaluer le comportement sismique non linéaire d’un modèle de

pont générique représentatif des ponts de la vile de Québec en

tenant compte des effets de site (amplification)

05/02/2010 4

L’âge moyen des ponts au Québec est relativement élevé et certains de ces

ouvrages ont été conçus sans exigences particulières quant au risque sismique.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Avant 1950

50-60 61-70 71-80 81-90 91-2000 Post 2000

Nombre de ponts par année de construction

05/02/2010 5

Sismicité du Québec

Caractéristiques des séismes de l’Est du Canada

Séismes intraplaques (hypothèse : météorite de Charlevoix)

Richesse en mouvements à hautes fréquences

05/02/2010 6

Les propriétés des sols peuvent modifier les mouvements sismiques les rendant

plus dommageables.

Ile artificielle

Ile naturelle

Enregistrements effectués lors du tremblement de terre de Loma Prieta (1989)

Classification sismique des sites selon la norme S6-06

05/02/2010 7

Catégorie de

solCaractéristiques

I

Roc de tout genre avec vitesse d’ondes de cisaillement > 750m/s

Ou

Sol rigide de profondeur < 60m, couches au dessus du roc stables

IIArgile ferme ou sol non cohérent avec profondeur > 60m, couches au dessus du

roc stables

IIIArgile de fermeté moyenne à faible et sables sur une profondeur > 9m. Peut

comporter des couches stériles de sable ou d’autres sols non cohérents.

IVArgile tendre ou limons sur une profondeur > 12m. Dépôts meubles non

stabilisés. Vitesse des d’ondes de cisaillement < 150m/s

Autres typesNécessité de faire appel à un ingénieur qui déterminera le coefficient de site

adéquat.

Type de profil de sol Coefficient de site S

I 1

II 1,2

III 1,5

IV 2

Classification sismique des sites selon le CNBC 2005

05/02/2010 8

Catégorie d'emplacement Profil du sol

Propriétés moyennes des 30 premiers mètres d'après l'annexe A

Vitesse moyenne des ondes de

cisaillement Vs (m/s)

Résistance moyenne à la

pénétration standard, N60

Résistance du sol non drainé

au cisaillement, su

A Roche dure Vs > 1500 s/o s/o

B Roche 760 < Vs < 1500 s/o s/o

CSol très dense et

roche tendre360 < Vs < 760 N60 > 50 su > 100 kPa

D Sol consistant 180 < Vs < 360 15 < N60 < 50 50 kPa < su < 100 kPa

E Sol meuble

Vs < 180 N60 < 15 su < 50 kPa

Tout profil de plus de 3m d’épaisseur et dont le sol a les caractéristiques suivantes :

• Indice de plasticité : Pl > 20

• Teneur en eau : w > 40% et

• Résistance du sol non drainé au cisaillement : su < 25 kPa

F Autres sols(1) Une évaluation spécifique à l’emplacement est éxigée.

(1) Parmi les autres types de sol, on compte notamment :

a) Les sols liquéfiables, les argiles très sensibles et extrasensibles, les sols peu consolidés susceptibles d’affaissement et d’autres sols

susceptibles d’affaissement ou de défaillance en raison de charges dues aux séismes

b) La tourbe et les argiles à forte teneur en matières organiques dont l’épaisseur dépasse 3m

c) Les argiles ayant une grande plasticité (Pl > 75) dont l’épaisseur dépasse 8m, et

d) Les argiles raides, de molles à moyennes, dont l’épaisseur dépasse 30m.

05/02/2010 9

CARTE DE

CLASSIFICATION

SISMIQUE DES SITES

05/02/2010 10

Objectif principal :

Evaluer le comportement sismique non linéaire d’un modèle de pont

générique représentatif des ponts de la vile de Québec en tenant compte des

effets de site (amplification)

Méthodologie :

1. Transformer les accélérogrammes de séismes historiques à travers des

colonnes de sol représentatives de sites de la ville de Québec selon les

catégories d’emplacement du CNBC2005

2. Elaborer un modèle de pont générique représentatif des ouvrages conçus

dans les années 70

3. Analyser la réponse du modèle dans le domaine non linéaire pour les

différentes catégories d’emplacement

05/02/2010 11

2. Sélection et transformation des accélérogrammes pour la

région de Québec

3. Détermination et modélisation d’un pont typique de la

ville de Québec

4. Analyse de la vulnérabilité sismique des ponts de la ville

de Québec

5. Conclusion

1. Introduction

1) Accélérogrammes utilisés pour l’étude

2) Modélisation des sites (données de forages, et modèles

homogènes)

3) Calibration des accélérogrammes transformés sur les spectres du

CNBC2005

1) Accélérogrammes utilisés pour l’étude :

4 accélérogrammes issus de deux séismes historiques.

05/02/2010 12

N° Date, Évènement Mw

R

(km)Composante

PGA

(g)

PGV

(m/s)

1 25 Nov. 1988, Saguenay 5,7 43 Chicoutimi Nord, N124 0,131 0,025

2 25 Nov. 1988, Saguenay 5,7 90 Les Éboulements, EW 270° 0,102 0,027

3 25 Nov. 1988, Saguenay 5,7 64 Saint – André, EW 270° 0,091 0,009

4 23 Déc. 1985, Nahanni 6,5 24 Battlement Creek-S3, N270° 0,186 0,063

Sélection des forages pour obtenir des données sur des sites

correspondant aux catégories C,D et E

Utilisation base de données géotechnique (Ville de Québec)

05/02/2010 13

ClasseID

Forage

N VsProfondeur

Roc (m)

Profondeur

forage (m)Nature du sol

Nmoy(1) Classe

Vsmoy

(m/s)Classe

A Pas de transformation avec Shake : on utilise directement l'enregistrement sur le roc

B 10 couches de 3m, Vs = 1000 m/s

C545 65,7 C 329,3 D 25,3 26,7 Sable, sable argileux, schiste

503 70,8 C 448,8 C 14,7 31,8 Argile silteuse, sable, schiste calcareux

D1630 48,7 D 401,1 C 12,96 15,96 Silt, Silt et sable, shale calcareux

2528 19,3 D 247,2 D 32 32 Sable silteux, sable, silt et argile

E2365 14,9 E 233,8 D 30 30 Silt, sable

2505 8,5 E 215,9 D 34,9 36,9 Silt sableux, sable, argile silteuse

Méthodologie

05/02/2010 14

Séismes

4 accélérogrammes

CNBC 2005

5 catégories d’emplacement

Spectre

Calibration des accélérogrammes

transformés sur les spectres du CNBC

2005

SAP 2000

Analyse du modèle de pont

Shake 2000

4 accélérogrammes transformés par

colonne de sol modélisée

Modélisation des sites pour chaque catégorie sismique :

05/02/2010 15

N varie Vs constant

Plusieurs courbes

de dégradation du

module de

cisaillement et de

l’amortissement

Une courbe

unique de

dégradation du

module de

cisaillement et de

l’amortissement

Modélisation des sites pour chaque catégorie sismique : A : Accélérogramme sur le roc

B : Modèle homogène de 10 couches

C : Stratigraphie provenant d’un forage réel

Modèle homogène de 10 couches

D : Stratigraphie provenant d’un forage réel

E : Stratigraphie provenant d’un forage réel

05/02/2010 16

ClasseID

Forage

N VsProfondeur

Roc (m)

Profondeur

forage (m)Nature du sol

Nmoy(1) Classe

Vsmoy

(m/s)Classe

A Pas de transformation avec Shake : on utilise directement l'enregistrement sur le roc

B 10 couches de 3m, Vs = 1000 m/s

C545 65,7 C 329,3 D 25,3 26,7 Sable, sable argileux, schiste

503 70,8 C 448,8 C 14,7 31,8 Argile silteuse, sable, schiste calcareux

D1630 48,7 D 401,1 C 12,96 15,96 Silt, Silt et sable, shale calcareux

2528 19,3 D 247,2 D 32 32 Sable silteux, sable, silt et argile

E2365 14,9 E 233,8 D 30 30 Silt, sable

2505 8,5 E 215,9 D 34,9 36,9 Silt sableux, sable, argile silteuse

Calibration des accélérogrammes :

05/02/2010 17

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 1 2 3 4

Accélé

ration s

pectr

ale

(g)

Période (s)

Spectres du CNBC 2005 pour la ville de Québec

Sol A

Sol B

Sol C

Sol D

Sol E

Calibration des accélérogrammes (Saguenay, Les Eboulements) :

05/02/2010 18

Avant calibration Après calibration

Calibration : dans le domaine fréquentiel

Nombre d’itération faible : pour garder le maximum de caractéristiques du séisme

original

05/02/2010 19

2. Sélection et transformation des accélérogrammes pour la

région de Québec

3. Détermination et modélisation d’un pont typique de la

ville de Québec

4. Analyse de la vulnérabilité sismique des ponts de la ville

de Québec

5. Conclusion

1. Introduction

1) Détermination d’un pont représentatif

2) Méthodologie de dimensionnement

1) Détermination d’un pont représentatif :

05/02/2010 20

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Avant 1950

50-60 61-70 71-80 81-90 91-2000 Post 2000

Nombre de ponts par année de construction

Portique béton23%

Poutres béton38%

Bequilles10%

Poutres acier14%

Poutres triangulées

2% Dalle12%

Poutre caisson

1%

Répartition des ponts par types de structures (simplification)

Norme S6-74 Pont à poutres

1) Détermination d’un pont représentatif :

05/02/2010 21

Ponts avec biais Ponts sans biais

Nombre 34 85

Poucentage 29 % 71 %

Biais moyen 26,6°

Ecart - type 13,9°

Biais < 11° 4 ponts

Pont dalleTablier soutenu par des poutres

2 poutres 3 poutres 4 poutres ou plus

Nombre de ponts 44 2 5 68

Pourcentage 37 % 2% 4% 57%

Pourcentage

(sans les ponts dalle)3% 7% 91%

Nombre de poutres soutenant le tablier

Statistiques sur les ponts biais

Pont sans biais

Plus de 4 poutres

AASHTO Type 35%

AASHTO Type 45%

Précontraint préfabriqué

44%

Armé13%

Pas d'information20%

Monolithique10%

Ame pleine3%

Types de poutres en béton

1) Détermination d’un pont représentatif :

05/02/2010 22

AASHTO Type 35%

AASHTO Type 45%

Précontraint préfabriqué

44%

Armé13%

Pas d'information20%

Monolithique10%

Ame pleine3%

Types de poutres en béton

Total : 54%

1) Modèle choisi :

05/02/2010 23

2 travées de 40 m

1 pile centrale de 6 m de hauteur

2) a) Méthodologie de dimensionnement :

05/02/2010 24

Norme S6-74

Définition des charges

Normes pour les matériaux et

les armatures

CNBC 85

Spectre pour la ville de

Québec

(10% en 50 ans)

Cas de charges

SAP 2000 ©

Détermination des moments

maximaux en pied de colonne

PCA Col ©

Détermination du ferraillage

Response 2000 ©

Analyse statique non linéaire

(Pushover)

SAP 2000 ©

Analyse statique non linéaire

(Pushover)

Vérification de la

concordance des

résultats

Article 5.1.22, Forces sismiques :

« Dans les régions où on s’attend à des tremblements de terre, on

doit tenir spécialement compte des forces sismiques »

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

-60 -40 -20 0 20 40 60

Mom

ent (k

N.m

)

Courbure (rad/km)

SAP 2000

Response 2000 - Member response

Response 2000 - Sectional analysis

2) a) Diagrammes moment – courbure (Pushover) :

05/02/2010 25

2) b) Modèle SAP2000, périodes et modes de

vibration :

05/02/2010 26

Modes Périodes (s)

1 0,41

2 0,15

Mode 1

Mode 2

05/02/2010 27

2. Sélection et transformation des accélérogrammes pour la

région de Québec

3. Détermination et modélisation d’un pont typique de la

ville de Québec

4. Analyse de la vulnérabilité sismique des ponts de la ville

de Québec

5. Conclusion

1. Introduction

1) Résultats des analyses non linéaires en déplacement

2) Courbes hystérétiques

3) Niveaux de sécurité

4) Comparaison des résultats avec les facteurs d’amplification de site

Fa, Fv du CNBC 2005

1) Résultats des analyses non linéaires en déplacement (Saguenay,

Les Eboulements)

05/02/2010 28

Site A Site B

Site C545 Site CH

Site D Site E

0,68 0,83

1,14

-1,22

1,301,70

Site

SaguenayNahanni

Chicoutimi Nord Les Eboulements Saint - André

ΔU1 max μΔ ΔU1 max μΔ ΔU1 max μΔ ΔU1 max μΔ

A 8,00 0,58 9,42 0,68 9,75 0,71 9,96 0,72

B 9,44 0,68 11,4 0,83 11,3 0,82 10,6 0,77

C545 13,2 0,96 15,8 1,14 15,2 1,10 15,4 1,12

CH 13,3 0,96 16,8 1,22 14,9 1,08 14,8 1,07

D 21,0 1,52 18 1,30 22,4 1,62 17,1 1,24

E 32,3 2,34 23,5 1,70 25,9 1,88 21,1 1,53

05/02/2010 29

Déplacements maximaux (ΔU1, mm) et ductilité maximale (μΔ) pour les

analyses non linéaires

μΔ = Δ / Δy

1) Résultats des analyses non linéaires en déplacement (Nahanni)

05/02/2010 30

05/02/2010 31

Site

SaguenayNahanni

Chicoutimi Nord Les Eboulements Saint - André

ΔU1P % Δy ΔU1P % Δy ΔU1P % Δy ΔU1P % Δy

A 0 0,0 0 0,0 0 0,0 0 0,0

B 0 0,0 0 0,0 0 0,0 0 0,0

C545 0 0,0 1 7,2 0,1 0,7 0,8 5,8

CH 0 0,0 2,3 16,7 0,5 3,6 0 0,0

D 6,2 44,9 3,2 23,2 4,6 33,3 2,3 16,7

E 17 123,2 6,4 46,4 4 29,0 1,6 11,6

Déplacements permanents : ΔU1P, en mm et % Δy = ΔU1P / Δy

2) Diagrammes force–déplacement

05/02/2010 32

Nahanni

Saint-AndréSite D Site E

Site D Site E

Site

SaguenayNahanni

Chicoutimi Nord Les Eboulements Saint - André

μΔ μФ μΔ μФ μΔ μФ μΔ μФ

A 0,55 0,55 0,65 0,64 0,67 0,67 0,69 0,68

B 0,65 0,65 0,79 0,78 0,78 0,77 0,73 0,72

C545 0,92 0,91 1,09 1,06 1,05 1,03 1,06 1,04

CH 0,92 0,91 1,16 1,11 1,03 1,02 1,02 1,01

D 1,45 1,30 1,24 1,16 1,55 1,37 1,18 1,12

E 2,34 1,83 1,70 1,40 1,88 1,53 1,53 1,31

μΔ μФ

Elastique % 1 1

Occupation immédiate (IO) 20 1,79 2,13

Sécurité des usagers (LS) 80 4,14 5,53

Prévention de l’effondrement (CP) 100 4,93 6,6605/02/2010 33

3) Comparaison des ductilités maximales en courbure et en déplacement,

niveaux de sécurité

SiteFs

(Code)

Saguenay Nahanni

Maximum Ecart(%)Chicoutimi

Nord

Les

EboulementsSaint-André

Battlement

Creek

A 0,57 0,60 0,60 0,64 0,65 0,65 13,80

B 0,70 0,71 0,71 0,74 0,69 0,74 6,12

C 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,00

D 1,30 1,58 1,14 1,48 1,11 1,58 21,24

E 1,83 2,42 1,49 1,70 1,37 2,42 32,53

05/02/2010 34

Comparaison des facteurs d’amplification basés sur la ductilité

en déplacement

4) Comparaison des résultats avec les facteurs d’amplification

de site Fa, Fv du CNBC 2005

L’ouvrage est d’autant plus sollicité que la qualité du sol se dégrade

(catégories D et E).

On reste assez loin de la limite de ductilité en déplacement et en

courbure.

En termes de niveaux de sécurité, on se situe entre l’occupation

immédiate (IO) et la sécurité des occupants (LS) pour certains sites

de classe E.

Dans certains cas, le déplacement permanent est parfois plus faible

pour un site de catégorie E que pour un site de catégorie D.

Cependant l’énergie dissipée est plus grande dans le cas des sites

E.

Pour les sites de classe D et E de la ville de Québec, pour ce type

de pont, l‘effet d’amplification est sous-estimé par les facteurs

proposés par le code.

05/02/2010 35

Considérer dans le modèle l’état des principaux ouvrages de la ville

(endommagement).

Réaliser d’autres modèles numériques (ouvrages à plusieurs piles,

tablier monolithique…) afin d’évaluer la vulnérabilité de chaque type

de structure.

Réaliser d’autres études, portant sur d’autres types de ponts, pour

déterminer si les coefficients d’accélération de site (Fa) et de

vitesse de site (Fv) sont sous-estimés pour les catégories de site D

et E.

05/02/2010 36

Ville de Québec

Denis LeBœuf, professeur à l’Université Laval

Ecole de Technologie Supérieure et CEISCE

pour le financement

05/02/2010 37

05/02/2010 38