Estimation de la fiabilité sismique des ponts isolés à la base au Canada en incluant l’effet des basses températures selon une approche probabiliste

Nassar, Mohamad (2022). Estimation de la fiabilité sismique des ponts isolés à la base au Canada en incluant l’effet des basses températures selon une approche probabiliste. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les ponts sont des structures à la fois d’une grande importance socio-économique et vulnérables aux séismes. L’isolation sismique à la base constitue un moyen efficace, le cas échéant, pour protéger ces ouvrages des fortes secousses sismiques. Les propriétés hystérétiques des systèmes d’isolation jouent alors un rôle primordial sur la performance sismique de telles structures. Toutefois, ces propriétés varient sous l’effet de plusieurs facteurs, notamment la température. Les codes en vigueur traitent la variation de ces propriétés au moyen d’une approche d’analyse aux bornes limites. Les effets des facteurs telle que la température sont ainsi combinés à ceux du séisme, et ce sans égard à leur probabilité d’occurrence simultanée. Cette approche n’est pas cohérente avec l’approche fiabiliste utilisée pour les combinaisons de charges, basée sur un indice de fiabilité cible, excluant les charges sismiques. Pour le code canadien CAN/CSA-S6:19, un indice de fiabilité cible annuel de 3,75 est adopté pour la plupart des structures de pont et pendant leur durée de vie. L’approche d’analyse aux bornes limites ne permet pas de définir un indice de fiabilité cible et conduirait à la mésestimation de la variation des caractéristiques hystérétiques et conséquemment à une conception non optimale du pont et du système d’isolation sismique.

L’objectif principal de la recherche faisant l’objet de cette thèse est d’estimer la fiabilité sismique des ponts isolés à la base au Canada, au moyen d’une approche probabiliste, en tenant compte notamment de la variabilité des propriétés hystérétiques des systèmes d’isolation sismique à base d’élastomère à noyau de plomb avec la température, l’aléa sismique et en incluant l’effet d’autres variables aléatoires (VAs).

D’abord, une méthodologie probabiliste qui se base sur la méthode-Monte-Carlo pour l’estimation de la fiabilité des ponts isolés à la base est détaillée et appliquée à un pont typique en béton armé à deux travées simples avec systèmes d’isolation sismique (SIS). Deux états limites sont considérés: (1) la rupture par flexion de la pile du pont et (2) le dépassement de la capacité de déplacement de l’isolateur sismique. Les principales VAs considérées sont: l’aléa sismique, la température, les dimensions à la base de la pile et les propriétés mécaniques des matériaux. Un modèle, sous forme d’une fonction continue, de l’aléa sismique en fonction de la période de la structure, incluant les incertitudes épistémiques est développé.

De plus, une méthode de transformation de la température ambiante en température effective du système d’isolation sismique, au moyen de la transformée de Laplace est élaborée. Les distributions probabilistes de ces VAs sont modélisées en se basant sur une revue de la littérature et sur les données disponibles. Les résultats préliminaires révèlent que, pour le pont étudié, la fiabilité globale du pont est égale à la fiabilité de l'état limite (2). De plus, les résultats révèlent que, pour le pont étudié, la fiabilité sismique de l’état limite (2) dépend davantage de l’aléa sismique du site étudié que de l’effet de la basse température du même site.

Ensuite, une étude de la fiabilité sismique d'un pont isolé à la base à deux travées simples et typique conçu pour sept localités au Québec est présentée. Le critère de performance sismique évalué est : aucun dommage. Deux états limites sont considérés : la flexion à la base de la pile et le déplacement dans le SIS. Les principales VAs du problème sont : L’aléa sismique, température, dimensions de la base de la pile et propriétés mécaniques des matériaux. L’effet de deux distributions probabilistes de l’incertitude sur l'aléa sismique sont étudiés : 1) Distribution normale de l'incertitude épistémique ; 2) distribution log-normale de l'incertitude totale. En utilisant le modèle d'aléa sismique 1, les résultats préliminaires révèlent que malgré les grandes variabilités de température et d'aléa sismique entre les sept sites du Québec, les indices de fiabilité du pont sont uniformes et varient autour de B=3,45+0,02 (pour la flexion, Bm=3,59+0,07 et pour le déplacement du système d’isolation sismique BD=3,48+0,04.

Enfin, une étude est menée pour l’estimation de la variation de la fiabilité sismique d’un pont typique en béton armé à deux travées, isolé à la base et situé sur un sol de classe C à Montréal. Les incertitudes épistémiques (IEs), modélisées sous forme de VAs, associées à la modélisation et à la méthode d'analyse sismique spectrale uni-modale, au réchauffement du noyau de plomb du système d’isolation sismique et aux relations température versus les propriétés du SIS sont identifiées et leurs distributions statistiques, avec leurs fourchettes de variation, sont estimées. Les effets de la variation des paramètres de distribution probabiliste associés à ces IEs sur la fiabilité du pont sont présentés. La température, l'aléa sismique horizontal bidirectionnel et les principaux paramètres affectant la résistance des composants du pont sont également modélisés comme des VAs. Les mêmes états limites et la même méthode probabiliste utilisés dans les cas d’étude précédents sont reconduits.

Les résultats préliminaires montrent qu’en incluant les effets de ces IEs, l'indice de fiabilité global estimé varie entre 3,36 et 3,62, par rapport à un indice de fiabilité global estimé à 3,49 obtenu sans inclure ces IEs. En incluant l'incertitude épistémique associée à la méthode d'analyse de la réponse sismique du pont, l'indice de fiabilité de l'état limite de comportement en flexion à la base de la pile varie entre 3,52 et 3,76 (versus 3,56 obtenu sans inclure les IEs ci-dessus).

Également, en incluant l'incertitude épistémique associée à l'effet du réchauffement du noyau de plomb, l'indice de fiabilité de l'état limite de déplacement du SIS varie entre 3,31, pour un effet extrême, et 3,49 pour un effet plus représentatif (contre 3,51 obtenu sans inclure les IEs ci-dessus).

Finalement, la méthodologie proposée pourra être utilisée pour l’estimation de la fiabilité des ponts existants surtout dans le contexte de réhabilitation des structures des ponts avec système d’isolation sismique. De plus, l’estimation de la fiabilité des ponts isolés à la base au moyen d’une méthodologie fiabiliste permettra également aux autorités législatives, responsables de la rédaction des codes et normes, les bases de révision de la normalisation actuelle. Notons que des modèles de variation reliant l’âge et le vieillissement, et autres paramètres influents, aux caractéristiques du modèle structural et/ou chargement sont requis.

Également, un effort d’optimisation et d’amélioration est nécessaire afin d’envisager l’application efficace de la méthodologie sur des ponts complexes.

Titre traduit

Estimation of seismic reliability of base-isolated bridges in Canada, including the effect of low temperature using a probabilistic approach

Résumé traduit

Bridges are structures of both great socio-economic importance and vulnerable to earthquakes. Seismic base isolation is usually an effective way to protect bridges from major earthquakes. The hysteretic properties of isolation systems govern the seismic performance of bridges. However, these properties vary under the effect of several factors, including temperature. Current codes take into account the variation of these properties by means of a bounding analysis approach. The effects of factors, such as temperature, are thus combined with those of the earthquake, regardless of their probability of simultaneous occurrence. This is not consistent with the reliability approach used for other load combinations, based on a target reliability index, excluding earthquake. For the Canadian code CAN/CSA-S6: 19, an annual target reliability index of 3.75 is adopted for most bridge structures and during its lifetime. The bounding analysis method does not allow a target reliability index to be defined and would lead to an underestimation of the variation in hysteretic characteristics and consequently to a non-optimal design of the bridge and of the seismic isolation system.

The main objective of this thesis is to estimate the seismic reliability of base-isolated bridges in Canada, by means of a probabilistic approach, taking into account, in particular, the variability of the hysteretic properties of lead rubber bearing isolation system with temperature, seismic hazard and including the effect of other random variables (RVs).

First, a probabilistic methodology based on the Monte-Carlo method for estimating the reliability of base-isolated bridges is detailed and applied to a typical reinforced concrete bridge with two spans with seismic isolation system (SIS). Two limit states are considered: (1) failure by bending of the bridge pier and (2) failure by exceeding the displacement capacity of the seismic isolator. The main considered RVs are: the seismic hazard, the temperature, the dimensions of the pile and the mechanical properties of the materials. A continuous function, of the seismic hazard as function of the period of the structure, including epistemic uncertainty is developed. In addition, a method of transforming the ambient temperature into the effective temperature of the seismic isolation system, by means of the Laplace transform is developed. The probabilistic distributions of these RVs are modeled based on a review of the literature and on the available data. The preliminary results reveal that the overall reliability of the bridge is equal to the reliability of the limit state (2). In addition, the results reveal that the seismic reliability of the limit state (2) depends more on the seismic hazard of the studied site than on the effect of the low temperature at the same site.

Second, a study that aims to estimate the seismic reliability, associated to no damage state, of a simple typical two span lifeline base-isolated bridge designed for seven localities in Quebec is presented. Two limit states are considered for possible damage: the flexure at pier-base and the displacement within the SIS. The main problem random variables (RVs) considered are: seismic hazard, temperature, pier base dimensions and material mechanical properties. The probabilistic distributions of these RVs are modelled according to available literature and data. Two models of the uncertainties on seismic hazard are considered: 1) normal distribution of the epistemic uncertainty; 2) lognormal distribution of the total uncertainty. Using seismic hazard model 1, preliminary results reveal that in spite of the large temperature and seismic hazard variabilities between the seven sites in Quebec, the global reliability indices are almost uniform, around B=3.45+0.02 (for flexure, Bm=3.59+0.07 and for SIS displacement, BD=3.48+0.04).

Third, a study is being carried out to estimate the variation in the seismic reliability of a typical two-span reinforced concrete bridge, with seismic isolation system, located on a seismic Site Class C in Montreal. Epistemic uncertainties (EUs), considered as RVs, associated with the modeling and the modal spectral seismic analysis method, with the heating of the lead core of the seismic isolation system and with the temperature versus the properties of the SIS are identified and their statistical distributions parameters, with their margins of variation, are estimated. The effects of the variation of the probabilistic distribution parameters associated with these EUs on the reliability of the bridge are also presented. The temperature, the bidirectional horizontal seismic hazard and the main parameters affecting the resistance of the components of the bridge are also modeled as RVs. The same limit states and the same probabilistic method used in the previous study cases are adopted. Results show that including the effects of these EUs, the estimated overall reliability index varies between 3.36 and 3.62, compared to an estimated overall reliability index of 3.49 obtained without including these EUs. By including the epistemic uncertainty associated with the method of analysis of the seismic response of the bridge, the reliability index of the limit state of bending behavior at the pier-base varies between 3.52 and 3.76 (versus 3.56 obtained without including the above EUs). Also, including the epistemic uncertainty associated with the lead core heating effect, the SIS displacement limit state reliability index varies between 3.31, for an extreme effect, and 3.49 for a more representative effect (against 3.51 obtained without including the EUs above).

Finally, the proposed methodology can be used to estimate the reliability of existing bridges, especially in the context of rehabilitation of bridge structures with seismic isolation systems. In addition, estimating the reliability of base isolated bridges using a reliability-based methodology will also provide legislative authorities, responsible for establishing codes and standards, the basis for revising the current standardization. Note that variation models linking aging and other influencing parameters to characteristics of the structural model and /or loading are required. Moreover, an effort of optimisation and improvement is necessary in order to consider the effective application of the methodology on complex bridges.

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 218-236).
Mots-clés libres:	séisme, pont, isolation sismique à la base, propriétés hystérétiques, approche probabiliste, état limite, basse température
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Guizani, Lotfi
Codirecteur:	Codirecteur Nollet, Marie-José
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 mai 2022 15:21
Dernière modification:	18 mai 2022 15:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2973

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