Sur l’effet du retrait et du fluage sur la performance sismique des piles de ponts isolés à la base faiblement armées

Belghith, Wissal (2020). Sur l’effet du retrait et du fluage sur la performance sismique des piles de ponts isolés à la base faiblement armées. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’isolation sismique à la base des ponts est de plus en plus utilisée dans les zones à sismicité modérée et élevée pour protéger les ponts dans un souci d’optimisation et d’économie des ressources. Néanmoins, malgré la réduction très importante de la demande sismique dans les piles des ponts isolés, le taux de renforcement ne peut être abaissé en deçà d’un seuil minimal prescrit par le code et ce, essentiellement, pour les effets de fluage et de retrait. C’est dans ce contexte que s’inscrit le présent projet de recherche. L’objectif principal du projet de recherche est l’évaluation de l’effet de la diminution du taux de renforcement longitudinal sur la performance sismique et le niveau de dommages dans les piles des ponts isolés à la base avec la prise en compte de l’effet des déformations différées de fluage et de retrait. Le taux minimum d’armatures longitudinales dans les colonnes de ponts exigé par le code canadien sur le calcul des ponts routiers (CSA-S6-14) est de 0,8 %. Cependant, plusieurs travaux de recherche récents supportent la possibilité d’assouplir cette exigence et d’abaisser cette limite inférieure sous réserve de prévoir un confinement adéquat des zones critiques. En revanche, cette valeur vise principalement à protéger les piles contre les effets du retrait et du fluage, lesquels n’ont pas été pris en compte dans ces études concernant la performance sismique de telles piles. Afin de vérifier les conclusions de ces recherches, une considération de l’effet structural des déformations différées du béton doit être réalisée lors de l’analyse de la performance sismique des piles faiblement armées.

Dans le cadre de ce projet, un pont typique à deux travées, avec superstructure préfabriquée, supporté par une pile centrale, composée de trois colonnes en béton armé, isolé à la base a été utilisé comme cas d’étude. Plusieurs variantes de ce pont ont été conçues et leurs performances sismiques évaluées au moyen d’analyses temporelles non-linéaires. Des analyses statiques non linéaires ont été aussi réalisées afin d’évaluer le comportement des piles et leur état initial, préalablement au séisme, sous l’effet du retrait et du fluage. La méthode de construction par étapes et le modèle de CEB-FIP 2010 ont été utilisés durant cette étude pour la prédiction des effets du retrait et du fluage et leur modélisation. Les accélérogrammes utilisés lors des analyses temporelles non linéaires pour les deux régions de l’Est du Canada (Montréal) et de l’Ouest du Canada (Vancouver) ont été calibrés sur le spectre d’accélération du code CSA-S6-14. Deux taux de renforcement ont été considérés pour l’étude : le taux minimum de 0,8 % prescrit par le code et un taux de 0,5 % requis selon la demande sismique du pont. Les sections rectangulaires des colonnes, au niveau de la zone de la rotule plastique, sont modélisées par des éléments fibres afin d’étudier l’étendue et le niveau des dommages sous l’effet du séisme. Les résultats obtenus montrent que toutes les variantes des ponts étudiés se comportent essentiellement dans le domaine élastique et sans dommages significatifs, conformément aux exigences de performance du code CSA-S6-14 pour les ponts essentiels. À cet effet, la valeur minimale du taux de renforcement prescrite par le code pourrait être réduite à 0,5 % sans compromettre la performance sismique du pont étudié. Néanmoins, l’effet du retrait et du fluage est influencé par plusieurs paramètres reliés à la structure du pont et des piles et des études additionnelles sont requises pour généraliser ces résultats.

Titre traduit

On the effect of shrinkage and creep on the seismic performance of base-isolated bridge piers with low reinforcement ratios

Résumé traduit

For the sake of economy and optimization, seismic base isolation of bridges is increasingly used to protect bridges from earthquakes in areas with moderate to high seismicity. Nevertheless, despite the very significant reduction in seismic demand for such bridges’ piers, the longitudinal reinforcement ratio cannot be lowered below a minimum threshold prescribed by the code, mainly to control creep and shrinkage effects. In this context, the present research project aims to evaluate the effect of the lowering of the minimum longitudinal reinforcement ratio on the seismic performance and the level of damage within piers of base-isolated bridges, with the consideration of creep and shrinkage effects. The minimum longitudinal reinforcement ratio in bridge columns specified by the Canadian Highway Bridge Design Code (CSA-S6-14) is 0,8 %. However, several recent research studies support the possibility of relaxing this requirement and lowering this limit below 0,8 % while providing an adequate confining of critical zones. On the other hand, this value was initially mainly intended to protect the columns from the effects of shrinkage and creep, which have not been considered in these previous studies. In this respect, in order to validate the conclusions of these studies, a consideration of the structural effects of shrinkage and creep should be included in the analysis of seismic performance of such bridge piers with low reinforcement.

A typical two spans base-isolated bridge, with prefabricated superstructure, and supported by a central column-bent pier, is considered as a case study. Different variants of the case study bridge were designed, and the seismic performances of their central piers evaluated through non-linear time history analysis results. In order to include shrinkage and creep effects, the initial state of the bridge, preceding the earthquake, is determined following non-linear static analysis simulating the shrinkage and creep for different time periods (ages of the bridge). The staged construction method and the CEB-FIP 2010 model were used during this study to predict the effects of shrinkage and creep. Two Canadian site locations, Montreal in the East and Vancouver in the West, were considered. The seismic records were calibrated on the CSA-S6-14 design spectra for these locations. Two reinforcement ratios were considered in this study: (a) The minimum reinforcement ratio of 0,8 % as prescribed by the code and (b) a ratio of 0,5 % as required by the seismic demand of the bridge pier. The rectangular sections of the columns are modelled using fibre elements at the expected zones of plastic hinge formation, in order to track the extent and level of damage under the effect of the earthquake. The results obtained show that all the studied bridge variants behave essentially in the elastic range without significant damage, in accordance with the minimum performance requirements of the CSA-S6-14 code for lifeline bridges. For this case study, it was shown that the minimum reinforcement ratio prescribed by the code could be lowered to 0,5 % without compromising the seismic performance of the bridge piers. However, shrinkage and creep depend on many bridge and pier structural parameters and further studies are required before generalising this finding.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la construction". Comprend des références bibliographiques (pages 167-173).
Mots-clés libres:	retrait, fluage, isolation sismique, taux d’armatures longitudinales, performance sismique, analyse temporelle non linéaire, construction par étapes, comportement sismique bidirectionnel
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Khaled, Amar
Codirecteur:	Codirecteur Guizani, Lotfi
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	02 août 2021 23:10
Dernière modification:	02 août 2021 23:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2671

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