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Analyse sismique de l’interface sol-fondation : Modélisation physique et numérique du basculement global et du décollement local

Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

L’effet de l’interaction sol-structure, actuellement pas pris en compte dans le dimensionnement sismique des structures du Génie civil et de leur fondation dans la pratique professionnelle, pourrait influencer la conception de la structure porteuse. Les effets d’interaction sol-structure sont liés à l’interaction inertielle (efforts dans le système sol-bâtiment) et cinématique (influence de la surface de contact sol-fondation) (Semblat et Pecker, 2009). Une analyse plus précise de ces deux aspects nécessite une modélisation numérique tridimensionnelle (3D) du système sol-fondation-structure et de sa réponse temporelle, la définition de lois de comportement pertinentes pour les matériaux en régime plastique non linéaire et la caractérisation de leurs propriétés mécaniques. Cela permet de considérer directement la réduction de la capacité portante du sol suite à la plastification et la modification dans le temps de l’action sismique à la base de la structure. Dans les modèles 3D d’interaction sol-structure, la connexion entre le sol et la partie enterrée de la structure porteuse est généralement considérée comme rigide et les effets de frottement et surtout de décollement sont négligés.
L’existence de phénomènes complexes de décollement de la structure par rapport au sol au cours de la secousse sismique a été montrée par une série d’essais sur la table vibrante Azalée du CEA en octobre 1999 (CAMUS IV, Combescure et Chaudat, 2000). Il s’agissait d’un modèle de structure à l’échelle 1/3 reposant sur un bac de sable, ancré à la table vibrante. Les essais ont révélé du décollement au niveau de la fondation induisant une dissipation d’énergie, ainsi qu’un tassement et une rotation résiduels significatifs. D'autres études ont également souligné l'impact significatif du basculement et d’un décollement conséquent à l’interface sol-fondation sur la réponse sismique de la structure (Abboud, 2017; Chatzigogos, 2007; Gajan et al., 2021; Gazetas et Apostolou, 2004), ainsi que la perte d’élasticité et le comportement non linéaire du sol qui augmente le tassement permanent (Pelekis et al., 2021). Cependant, peu d'études dans la littérature évaluent l’effet de la rugosité de l'interface sol-fondation et proposent des lois de contact pour modéliser le tassement et le décollement pendant le basculement de la structure sous action sismique.
Dans le cadre des effets d’interaction, la compréhension des paramètres qui influencent le comportement de l’interface sol-fondation et la modélisation de la surface de contact reste un défi. Une approche combinée expérimentale et numérique sera développée dans la thèse proposée.
L’objectif principal de cette thèse est de permettre la transition entre la modélisation des effets locaux (frottement, décollement) à la simulation de la réponse globale de la structure (basculement, tassement, glissement). Cela en identifiant les paramètres physiques mesurables expérimentalement qui gèrent le phénomène localement et, en même temps, les paramètres dynamiques globaux altérés par les effets d’interaction (changement d’hauteur effective).
D’une part, une campagne expérimentale sera menée sur la table vibrante mono-axiale Vésuve. La maquette expérimentale consistera en un boîtier rigide contenant le sol de référence et une structure placée en surface. Le comportement du système sera suivi par des capteurs de pressions, des LVDT, des flexiforce, des accéléromètres etc. D’autre part, une méthode de modélisation numérique sera proposée et validée par comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, une stratégie numérique sera proposée pour différents cas d’étude. Les paramètres de sortie obtenus par les simulations numériques seront corrélés aux paramètres mesurés afin d’optimiser leur calibration d’une part et de valider l’approche numérique d’autre part.

Laboratoire

Département de Modélisation des Systèmes et Structures
Service d’Etudes Mécaniques et Thermiques
Laboratoire d’Etudes de Mécanique Sismique
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