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

Nguyen, Xuan Dai (2021). Contributions sur l’optimisation et l’analyse de l’isolation sismique des ponts dans les zones à sismicité modérée. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

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.

Cependant, 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.

Cette 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.

Sur 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.

Par 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.

Comparativement 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.

Titre traduit

Contributions on the optimisation and analysis of the seismic isolation systems for bridges in moderate seismicity areas

Résumé traduit

Seismic base isolation is increasingly applied for the earthquake-resistant design of bridge structures. Combining large horizontal flexibility and high energy dissipation capacity, seismic isolation allows to considerably reduce seismic forces while controlling seismic displacements. Consequently, it greatly enhances the seismic performance of the structure and, most of the time, reduces long term and short term costs, allows preserving the bridge functionality, etc.

However, seismic responses of isolated bridges and the performance of the seismic isolation systems (SISs) are highly dependent on the seismic ground movement properties, especially their frequency content and spectral properties. In this context, optimal isolation characteristics for bridges located in such regions and performance of simple analysis methods should vary. SISs were primarily developed for high seismicity areas (HSAs) while in moderate seismicity areas (MSAs), seismic isolation is still used on a relatively rare basis. Consequently, more adapted SISs and rapid analysis methods for MSAs and particularly those in cold regions are of high interest and their availability should encourage a wider application of the technology.

This research subscribes to this context. Its main specific objectives are to: 1) identify the range of optimal characteristics of SISs for HSAs and MSAs; 2) revisit the limits of application of the simple single-mode spectral analysis method for moderate and high seismicity areas and supplement the method with useful predictions for the base-isolated bridge design; and 3) carry out analytical and numerical formulation/investigation of the behaviour of an SIS combining laminated natural rubber bearings and U shaped metallic dampers, a potentially well fitted solution for SIS applications in moderate and high seismicity cold regions.

Based on the global seismic activity map, the classification of seismic zones is carried out from the point of view of seismic isolation, through the frequency content and spectral parameters. Common characteristics of seismic records for each seismicity class are identified and their differences highlighted in relation to seismic isolation efficiency. Results confirm that earthquakes in MSAs are characterized by a concentration of energy at high frequencies and the extension of the vibration period leads to a more rapid decrease in the seismic spectral acceleration, compared to HSAs. On the basis of an extensive parametric analysis where SIS properties are varied, the optimal ranges of the main two SIS hysteretic features, namely the characteristic strength (Qd) and the post-elastic stiffness (Kd), are specifically determined and clearly distinguished between HSAs and MSAs. Results show that SISs for bridges in HSAs require high energy dissipation capacities, while the devices with low to moderate damping capacities are more appropriate for bridges in MSAs. More specifically, Vancouver and Montreal sites, representative of HSAs and MSAs, respectively, are considered. With the actual seismic design data, the optimal values of the characteristic strength to weight, Qd/W, are found in the range of [0.08 to 0.12] for the Vancouver site and in the range of [0.015 to 0.045] for the Montreal site. Optimal post-elastic stiffness is found to correlate strongly to optimal characteristic strength and empirical relations are proposed for each site.

In addition, the application limits and performances of the single-mode spectral analysis method (SMSA) for the seismic analysis of isolated bridges in North America are reviewed and completed. To do this, the seismic demands of isolated bridges, generated within the framework of the parametric study, as predicted by the SMSA, are compared with the results of nonlinear time history analyses, including inside and outside the applicability limits specified in current codes. In this way, the advantages of these limits and their effects on the accuracy of the SMSA are investigated and clarified. The results obtained indicate that the limits on the equivalent viscous damping and on the restoring force specified in the current codes are the most effective conditions, while the conditions related to the limits on the effective period and the post-elastic period can be ignored. To complete the SMSA, a predictive relationship of the residual displacement as a function of the restoration system and the expected margins of error of the method are proposed for the isolated bridges located in the two Canadian sites of Vancouver and Montreal.

Compared to the range of optimal characteristics of SIS for each seismic zone, natural rubber bearings (NRBs) exhibit insufficient energy dissipation capacity. Therefore, the methods to fill this gap have been reviewed and studied. Lead-rubber bearings are expensive and not environmentally friendly, while high damping rubber bearings (HDRB) suffer from major flaws in meeting optimal designs in cold regions due to their inherent "scragging" phenomenon combined with their high sensitivity to cold temperatures. In such a context, adding metallic dampers appears to be a more effective solution for improving the isolation performance of NRBs. The addition of U-shaped dampers (UDs) is identified as one of the most promising techniques but the UD behaviour remains poorly understood and documented. Such a behavior is therefore studied analytically and numerically and the available experimental studies are used to validate the results obtained. Predictive equations for the main hysteretic characteristics of UD and NRB-UDs are proposed. The results show that the UD provides high and stable EDC in all directions without significantly affecting the flexibility of the original bearing. In addition, the NRB-UDs seismic performance is easily controlled by changing the UDs’ crosssection and the number in NRB-UDs integrated systems, making it an effective solution that can be widely applied in the refurbishment of conventional isolators, especially NRBs, and can also meet a wide range of design requirements. Additional numerical and experimental studies are however necessary to extend the results to other steel grades, to establish failure criteria, and to evaluate the residual displacements resulting from these SISs.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 235-254).
Mots-clés libres:	génie parasismique, ponts, isolation sismique à la base, zones de sismicité élevée et modérée, caractéristiques optimales de l'isolation sismique, limites d'analyse spectrale unimodale, analyse temporelle non-linéaire, amortisseurs hystérétiques métalliques en U, appuis frettés en caoutchouc naturel, basses températures
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Guizani, Lotfi
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	10 janv. 2022 15:58
Dernière modification:	10 janv. 2022 15:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2808

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