Mise en conformité sismique des ponts par isolation de la base – Application au pont Madrid au...

Mise en conformite sismique des ponts parisolation de la base – Application au pont Madridau Quebec

Lotfi Guizani et Omar Chaallal

Resume : Les nouvelles technologies basees sur l’isolation sismique connaissent un interet grandissant parmi les inge-nieurs, compte tenu de l’economie sur le cout de la construction de l’ouvrage qu’elles offrent. Elles presentent egalementun avantage indeniable a long terme etant donne qu’elles preservent la fonctionnalite de l’ouvrage apres seisme et elimi-nent le cout de reconstruction. Cet avantage revet une importance capitale pour les ponts dits de secours qui doivent de-meurer en service apres le seisme. Cet article presente une methodologie relative a l’isolation de la base des pontsexistants dans un contexte de mise en conformite sismique. Cette demarche est motivee par l’interet grandissant de cettemethode, notamment depuis son adoption par la norme canadienne d’une part et d’autre part par le fait que les ingenieurspraticiens sont moins familiers avec les methodes dynamiques non lineaires de conception. L’opportunite offerte aux au-teurs de mettre en application cette technique pour la refection de quelques ponts au Quebec est une autre source de moti-vation. Les etapes de calcul parasismiques sont pourvues, et les resultats des analyses non lineaires relatives au pontMadrid sont presentes et discutes. L’article est destine aux ingenieurs praticiens qui y trouveront un outil utile pour leursprojets en rehabilitation de ponts existants.

Mots-cles : pont, mise en conformite sismique, norme, isolation de la base, pont Madrid, Quebec.

Abstract: New technologies based on seismic isolation are gaining popularity among engineers given the savings on con-struction costs. The long-term advantage of these technologies preserve the serviceability of the structure after an earth-quake and eliminate the cost of reconstruction. This advantage is critical for ‘‘emergency’’ bridges, required to remainoperational after an earthquake. The present article examines a method of isolating the foundation of existing bridges aspart of a seismic retrofitting effort. This approach is supported by the increasing interest in this method, especially sinceits adoption by the Canadian standards and due to the fact that engineers are not too familiar with non-linear dynamic de-sign methods. Another source of motivation is the opportunity to apply this technique to the refection of a few Quebecbridges. The steps of the antiseismic calculations as well as the results of non-linear analyses pertaining to the MadridBridge are presented and discussed. This paper may become a useful tool for engineers and their projects of retrofitting ex-isting bridges.

Key words: bridge, seismic retrofitting, standard, foundation isolation, Madrid Bridge, Quebec.

Introduction

Les ponts sont des structures importantes dans la vie eco-nomique et sociale des nations. Dans les regions sismiques,de nombreux ponts, de part leur importance strategique, sontconcus pour demeurer fonctionnels apres les seismes. Lesajustements, parfois drastiques, apportes aux normes et auxcodes de calcul de ces ouvrages importants dans les annees1990 et plus recemment encore, ont corrige certaines lacu-

nes importantes. Cependant, les recents tremblements deterre ont demontre que l’efficacite des methodes convention-nelles de conception parasismique a des limites, notammentpour certains ouvrages. Plusieurs ponts importants ont subides dommages severes causant leur mise hors service suiteaux tremblements de terre de Northridge (Californie 1994)et de Kobe (Japon 1995).

Le developpement de techniques de calcul sur support in-formatique plus performantes et la disponibilite d’essais sursimulateurs sismiques ont favorise l’emergence des techno-logies innovatrices de dissipation d’energie et en particulierl’isolation sismique. A cela s’ajoute le transfert de technolo-gies reservees jusque-la aux besoins militaires, vers des ap-plications de genie civil, dans la foulee de la fin de la guerrefroide vers le debut des annees 1990. Ces nouvelles techno-logies connaissent un interet grandissant parmi les inge-nieurs, compte tenu de l’economie qu’elles peuvent generercomparativement aux methodes conventionnelles. Au Ca-nada en general et au Quebec en particulier, cet interet s’estaccru durant les deux dernieres decennies, consequence desexigences plus severes des dernieres editions de la normecanadienne de calcul de ponts routiers CAN-CSA-S6-06

Recu le 28 janvier 2010. Revision acceptee le 29 septembre2010. Publie sur le site Web des Presses scientifiques du CNRC,au rcgc.cnrc.ca, le 5 novembre 2010.

L. Guizani. ALG Groupe Conseil Inc., 7505 boulevardTaschereau, S.105, Brossard, QC J4Y 1A2, Canada.O. Chaallal1. Ecole de technologie superieure, Universite duQuebec, 1100 Notre-Dame ouest, Montreal, QC H3C 1K3,Canada.

Les commentaires sur le contenu de cet article doivent etreenvoyes au directeur scientifique de la revue avant le 31 mai2011.

1. Auteur correspondant (courriel : [email protected]).

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Rev. can. genie civ. 38 : 1–10 (2011) doi:10.1139/L10-104 Publie par les Presses scientifiques du CNRC

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(2006). L’isolation sismique permet en effet de realiser deseconomies sur le cout de la construction de l’ouvrage enplus de presenter un avantage indeniable a long terme, puis-qu’elle preserve la fonctionnalite de l’ouvrage apres seismeet elimine le cout de reconstruction. Cet avantage revet uneimportance particuliere pour les ponts dits de secours quidoivent demeurer en service apres le seisme.

On peut classer les strategies de conception parasismiquedes ponts en deux categories : (i) conventionnelle, et (ii)celle utilisant des technologies parasismiques avancees.Dans la methode conventionnelle, les structures sontconcues de facon a dissiper l’energie induite par le seismede calcul a travers les deformations inelastiques concentreesdans des zones, dites de rotules plastiques, prealablement se-lectionnees et detaillees a cet effet. Ces rotules plastiquessont typiquement situees a la base des unites de fondationau-dessus du niveau du sol et sont detaillees pour avoir uncomportement ductile. Cette facon de faire permet de conce-voir les structures avec des niveaux de resistance nettementinferieurs a ceux des forces sismiques elastiques induites parun seisme.

Dans la categorie de technologies parasismiques avancees,trois techniques principales sont souvent utilisees dans lesponts : (i) Les amortisseurs sismiques (AS) qui sont ajoutesaux appuis conventionnels (avec appuis fixes) de la struc-ture, afin d’absorber une partie importante de l’energie sis-mique induite par le seisme et ainsi reduire l’etendue et la

severite des dommages inelastiques dans la dite structure;(ii) Les transmetteurs de chocs sismiques (TCS) qui permet-tent de faire participer les unites de fondation comportantdes appuis mobiles a la resistance de la structure aux forcessismiques. Ainsi, un appui mobile muni d’un tel systeme secomporte comme un appui mobile en presence de mouve-ments lents comme ceux induits par les variations thermi-ques ou le fluage, mais comme un appui fixe en presenced’un mouvement rapide comme celui engendre par unseisme; et (iii) l’isolation sismique de la base qui est decriteplus loin. Il peut etre instructif de noter que le pont situe surle boulevard Henri-Bourassa au-dessus de l’autoroute 440, ala ville de Quebec, a ete mis en conformite sismique moyen-nant une combinaison d’AS aux culees et de TCS aux pilesen 2002 et 2003. Une bonne revue des systemes d’isolationsismique des ponts peut etre lue dans Kunde et Jangid(2001).

L’objectif de cet article est de presenter la methode del’isolation de la base et son application pour le calcul para-sismique des nouveaux ponts et la mise en conformite desponts existants.

Evolution de la norme canadienne sur lecalcul sismique des ponts

Les recents tremblements de terre ont mis en evidence lanecessite de mieux proteger les structures de ponts moyen-nant des regles de calcul et des details plus elabores d’unepart, et d’autre part le developpement de specifications etde lignes directrices de calcul permettant l’utilisation detechnologies innovatrices avancees. En Amerique du Nord,

Fig. 1. Effet de l’augmentation de la periode et du taux d’amortis-sement visqueux sur : (a) l’acceleration et les forces d’inertie; (b) ledeplacement sismique.

Fig. 2. Schema d’un isolateur : (a) a base d’appui en elastomereavec noyau de plomb; (b) de type pendule a friction; (c) avec sys-teme de recentrage. Nota : (1) plaque d’ancrage a la structure, (2)frettes, (3) elastomere, (4) noyau de plomb, (5) articulation, (6) in-terface de glissement spherique, (7) mecanisme de dissipation d’en-ergie, (8) systeme de recentrage, (9) systeme de retenue sacrificiel(optionnel), (10) appui en elastomere confine.

2 Rev. can. genie civ. vol. 38, 2011

Publie par les Presses scientifiques du CNRC

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cette volonte est refletee dans les editions des normes decalcul des ponts des annees 1990 a 2000 (AASHTO- LRFD(AASHTO 1998), CAN/CSA-S6-00 (CAN-CSA-S6-002000)).

Ainsi, pour le calcul sismique, la norme S6-00 se de-marque de l’edition precedente par :

- Un accroissement notable des charges sismiques spe-cifiees, puisque le spectre de calcul de S6-00 est gener-alement beaucoup plus severe que celui de S6-88.- Des regles de calcul plus elaborees et plus ration-nelles concordant mieux avec les connaissances ac-quises en genie parasismique. En effet, ces reglestiennent compte, entre autres, des caracteristiques dy-namiques du pont telles que les periodes de vibration

des modes propres, de la configuration geometrique del’ouvrage et de son importance.- L’adoption, pour la premiere fois, de specificationsrelatives au calcul des ponts munis d’un systeme d’iso-lation sismique a la base. Ces specifications couvrentle calcul des charges sismiques, les methodes d’ana-lyses, la conception des unites d’isolation et la mise al’essai des unites pour valider les hypotheses de calcul.

La derniere edition 2006 de la norme S6, soit la normeS6-06, a reconduit les memes specifications que la normeS6-00 en ce qui concerne la philosophie de conception, lecalcul des charges sismiques ainsi que le calcul et la mise al’essai relatifs aux ponts utilisant l’isolation sismique de labase. Neanmoins, il convient de noter que la norme S6-06

Fig. 3. Pont Madrid, sur l’autoroute 20 au-dessus de la riviere Nicolet.

Tableau 1. Solutions preliminaires proposees pour l’isolation sismique du pont selon la norme S6-00.

X : // tablier Y : \ tablierPeriode d’isolation, Te (s) 2,35 1,0Amortissement equivalent, b (%) 15 30Rigidite effective globale, Keff (kN/m) 13 900 60 000Deplacement de calcul (mm) 65,3 22Force sismique totale, a la tete des unites

de fondation (kN)907 1800

Configuration et caracteristiques des appuisCulee 1 (est) : 4 app. mobiles standard 4 app. mobiles avec dissipationPile 2 (est) : 4 app. mobiles standard 4 app. isolateursPile 3 (centrale) : 4 app. mobiles standard 4 app. isolateursPile 4 (ouest) : 4 app. mobiles standard 4 app. mobiles avec dissipationCulee 5 (ouest) : 4 app. isolateurs

Fig. 4. Vue en elevation du pont Madrid et emplacements des isolateurs.

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ne tient toujours pas compte de la difference de sismicite en-tre les deux principales zones sismiques au Canada a savoirla region de la cote atlantique et celle de la cote pacifique.Elle n’a pas non plus suivi le Code national du batiment duCanada 2005 (CNBC 2005), qui a effectue un virage majeurdans le domaine du calcul parasismique en adoptant notam-ment un nouveau zonage sismique et un spectre de calculavec risque uniforme.

Philosophie de conception parasismique auCanada

La norme canadienne de calcul des ponts routiers (S6-00et S6-06) est basee sur la philosophie suivante en matiere decalcul parasismique : les ponts doivent demeurer en serviceapres un seisme faible a modere et ne doivent pas subir d’ef-

Tableau 2. Resultats sommaires du modele 3D de base.

Modele 3DDeplacements maximums du

tablier (mm)Dx Dy Drx Dry

38 24 6,5 10,0Efforts maximums dans ta-

blier (kN�m) ou (kN)M2 V3

10 303 478Reactions maximums sommet

culee 5 (kN)Rx Ry

407 112,3M2 V3 M3 V2

Efforts maximums a la basedes piles (kN�m) ou (kN)

Pile 2 14 737 1459 6340 768Pile 3 14 747 1579 9190 930Pile 4 14 030 1402 7629 776

Nota : Dx et Dy representent respectivement le deplacement maximum du tablier dans la direction longitudinale ettransversale du pont; Drx et Dry sont les deplacements residuels dans les directions x et y (parallele et perpendiculairea l’axe du pont respectivement); M2 est le moment de flexion autour de l’axe fort du tablier et V3 est l’effort tran-chant accompagnant le moment de flexion; Rx et Ry representent respectivement la reaction maximale dans la direc-tion longitudinale et transversale du pont a l’endroit de la culee 5; M2 et M3 representent respectivement le momentde flexion selon l’axe fort et selon l’axe faible et V3 et V2 representent les efforts tranchants correspondants.

Fig. 5. Deplacement du tablier : (a) longitudinal a l’endroit de laculee 1 sous seisme ATK770-12; (b) transversal vis-a-vis la culee 1et la pile 3 sous seisme ATK630-12.

Fig. 6. Hysteresis des isolateurs sous seisme ATK770-12 : (a) culee5; (b) pile 3.



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fondrement suite a un seisme exceptionnel (periode de re-tour de 1000 ans). Quant au seuil de dommages toleres apresun seisme de calcul (periode de retour de 475 ans) ou unseisme exceptionnel, il depend de l’importance du pont. Acet effet la norme introduit un facteur de majoration descharges de conception en fonction de l’importance du pont,soit 3,0, 1,5 et 1,0 pour respectivement les ponts de secours,les ponts d’urgence et les autres ponts. Par exemple, un pontde secours doit demeurer ouvert a tout trafic et doit etre ac-cessible aux vehicules d’urgences apres un seisme excep-tionnel, alors qu’un pont d’urgence peut subir desdommages de nature a necessiter sa fermeture au trafic regu-lier apres le seisme de calcul sans toutefois empecher le pas-sage des vehicules d’urgence. Il convient de noter que laclassification de l’importance sismique des ponts est etabliepar les gestionnaires de ces ouvrages, le cas echeant les mi-nisteres provinciaux des transports, qui communiquent cetteinformation lors de la conception ou la rehabilitation d’unpont en particulier.

Concept de l’isolation sismique de la base

L’isolation sismique de la base est un concept simple quiremonte au debut du 20e siecle, meme si les premieres appli-cations modernes dans le monde n’ont ete realisees que dans

les annees 1970 et 1980. Au Canada, il a fallu attendre lesannees 1990 pour voir les premiers ponts dans les Provincesde l’Ouest etre munis de systeme d’isolation sismique de labase. Au Quebec, le premier pont dote d’un tel systeme estle pont construit en 2002 dans la localite d’Alma (Quebec)sur la route 169 au-dessus de la riviere Grande Decharge.

L’isolation sismique a la base consiste a decoupler lemouvement du sol de celui de la structure dans le but de re-duire les forces transmises a cette derniere. Les forces sismi-ques de conception de la structure ainsi isolee sonttypiquement de l’ordre de 3 a 10 fois moins elevees quecelles utilisees pour la conception conventionnelle (non iso-lee) de la meme structure. Par ailleurs, le systeme d’iso-lation sismique filtre les accelerations (hautes frequences)de sorte que la superstructure isolee (au-dessus) se deplaceessentiellement selon un mode rigide subissant de faibles ac-celerations et presque pas de deformations. Par consequent,les forces d’inertie transmises demeurent en deca de la capa-cite elastique des unites de fondations. Ce comportement setraduit par le controle des dommages subis par la superstruc-ture ainsi que par les unites de fondation, preservant ainsil’integrite structurale et donc la fonctionnalite de la structureapres le seisme. Ainsi dans une structure isolee, l’isolateurest le siege de deformations inelastiques, alors que la struc-ture demeure elastique par opposition a une structure

Tableau 3. Caracteristiques globales du pont isole et du systeme d’isolation (modele de base).

Direction

X : longitudinale,// tablier

Y : transversale,\tablier

Periode d’isolation, Te (s) 1,87 1,0Amortissement equivalent, b (%) 17,7 36,8Rigidite effective, Keff (kN/m) 18 521 85 684Deplacement de calcul (mm) 50,0 25,0Forces sismiques transmises du tablier

aux tetes des unites de fondation (kN)aCulee axe 1 41 110Pile axe 2 124 500Pile axe 3 135 530Pile axe 4 330 500Culee axe 5 526 112Total 1156 1752

Nota : Les variations des caracteristiques des appuis affectent les forces et les deplacements de calcul et sontpresentees dans les resultats d’autres variantes entreprises dans le cadre de l’etude de sensibilite.

aConsiderant une friction maximale de 3 % sur appuis standards avec les autres donnees du modele de base.

Tableau 4. Caracteristiques dynamiques et specifications nominales relatives aux appuis.

Proprietes, appui ou isolateurCulee,axe 1

Pile,axe 2

Pile,axe 3

Pile,axe 4

Culee,axe 5

Direction longitudinaleRigidite effective (kN/m) 34 103 225 210 2630Rigidite tangente, kd (kN/m) 0 0 0 0 2068Taux d’amortissement visqueux equivalent (%) 63,7 63,7 63,7 63,7 13,6Deplacement de calcul (mm) 50 50 50 50 50Direction transversaleRigidite effective (kN/m) 1090 5000 5300 5000 1120Rigidite tangente kd (kN/m) 0 1700 1700 1700 0Taux d’amortissement visqueux equivalent (%) 63,7 42,0 43,2 42,0 63,7Deplacement de calcul (mm) 25 25 25 25 25

Nota : Ces valeurs sont nominales. Les caracteristiques des appuis reelles sont considerablement affecteespar plusieurs facteurs, notamment par la baisse de la temperature, et une certaine variation est admise.



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conventionnelle qui doit endurer des deformations inelasti-ques importantes dans les zones de rotule plastiques.

L’isolation de la base repose sur le principe suivant : si onaugmente suffisamment la periode de vibration de la struc-ture pour s’eloigner de la periode d’excitation predominantedu tremblement de terre, les accelerations transmises a lastructure (et par consequent les forces d’inertie) seront re-duites de facon considerable. Mais, cette augmentation de laperiode engendre des deplacements plus importants concen-tres au niveau de l’isolateur. Des lors, l’incorporation auxunites d’isolation ou l’usage externe et en parallele d’un dis-positif de dissipation d’energie (amortissement) est requiseafin de controler les deplacements et realiser un compromissatisfaisant entre la reduction de la force et l’accroissementdu deplacement. La figure 1 presente schematiquementl’effet de l’accroissement de la periode et de l’amortis-sement sur les forces et les deplacements sismiques.

Les composantes essentielles d’un systeme d’isolation ty-pique sont : (i) Un appui capable de transmettre les chargesverticales avec une faible rigidite horizontale (dans la(les)direction(s) isolee(s)) : C’est le noyau de l’isolateur. La rigi-dite laterale de l’appui est le parametre cle dans le controlede l’augmentation de la periode et par consequent dans lareduction des forces sismiques. De plus, la rigidite lateralede l’appui joue un role important dans le deplacement sis-mique de l’ouvrage et son recentrage apres le seisme (depla-cement residuel); (ii) Un mecanisme de dissipation d’energie(amortisseur sismique) : Ce mecanisme peut etre soit incor-pore a l’appui soit installe en parallele. Son role est decontroler le mouvement de l’isolateur et par consequent ledeplacement de la superstructure situee au-dessus. Parmi lessystemes de dissipation d’energie les plus repandus on peutciter : les amortisseurs hydrauliques, les amortisseurs a basede friction, les amortisseurs de type hysteretique, et les ap-puis en elastomere frettes a haut taux d’amortissement; et(iii) Dans certains cas, un systeme de retenue elastique (fu-sible) : le systeme d’isolation doit avoir une rigidite initialeassez elevee afin de minimiser les deplacements sous lescharges de service comme le freinage et le vent. Pour cer-tains types d’isolateurs, il peut s’averer necessaire d’incor-porer un mecanisme de retenue elastique de nature analoguea un fusible dans un circuit electrique et dont les resistancesminimale et maximale sont etablies avec soin afin de per-mettre le declenchement de l’isolateur a un niveau appropried’intensite de seisme.

Principaux systemes d’isolation de la baseutilises au Canada

Il existe plusieurs systemes d’isolation appliques aux bati-ments et aux ponts a travers le monde. Au Canada, la plu-part des ponts utilisant l’isolation sismique ont ete realisesdans les Provinces de l’Ouest canadien notamment en Co-lombie-Britannique et au Yukon. Les premieres applicationsremontent a 1990 lors de la refection d’un pont sur l’auto-route 99 a Richmond.

Les principaux systemes utilises a l’Est du Canada sont :(a) Le systeme a base d’elastomere. Il existe plusieurs va-

riantes dans cette categorie d’appui. Neanmoins, l’isolateur abase d’appui frette avec un noyau de plomb integre a l’inte-rieur de l’appui (voir fig. 2a) est le plus utilise. Ce systeme

a ete retenu pour la construction de la structure d’approcheprincipale du pont de l’autoroute 25, reliant Montreal et La-val, actuellement en construction. Les principales caracteris-tiques inherentes a ce type d’isolateur qui meritent uneattention particuliere sont : (i) la sensibilite aux variationsthermiques (la rigidite de l’elastomere augmente avec la di-minution de la temperature); (ii) l’instabilite de l’appui (laresistance a la charge verticale diminue avec l’accroissementde la deformation laterale); (iii) les dimensions de l’appui etparticulierement sa hauteur peuvent constituer une contraintepratique particulierement pour les applications de rehabilita-tion; et (iv) Le noyau de plomb a le defaut de transmettredes accelerations de haute frequence, ce qui reduit l’effi-cacite de l’isolation.

(b) Le systeme a base de glissement–friction. Ce systemepermet de decoupler les mouvements de la superstructure deceux des elements de fondation au moyen d’une interface deglissement. De plus, l’interface de glissement permet de dis-siper l’energie sismique par friction. A titre d’exemple, lesysteme de pendule a friction (fig. 2b) est un systeme quiutilise une interface de glissement sous forme de cuvette(portion d’une sphere) qui confere a la structure un mouve-ment global similaire a un pendule. Le rayon de courbure etle coefficient de frottement de l’interface sont les parametresprincipaux qui controlent la periode d’isolation et la quantited’energie dissipee du systeme, autrement dit, l’amortis-sement introduit. Ce systeme est prevu sur au moins unpont majeur de la partie ouest du parachevement de l’auto-route 30, actuellement en construction dans la region deMontreal.

(c) Les systemes a base de glissement avec mecanisme derecentrage a ressort. Sur le marche nord-americain, ces sys-temes se declinent en deux variantes principales : (i) avecappuis a disques (« disc bearing ») et (ii) avec appuis a elas-tomere confine (« pot bearing »). Ce dernier, illustre a la fi-gure 2c, est compose d’un appui de pont a elastomereconfine avec un systeme de recentrage a comportement elas-tique et une interface de glissement en acier inoxydable –teflon pour la dissipation de l’energie. Il s’agit du premiersysteme d’isolation developpe et fabrique au Canada.

Ce systeme a ete applique au premier pont isole au Que-bec, a savoir le pont d’Alma construit en 2002 sur la route169 au-dessus de la riviere Grande Decharge. Depuis, cesysteme a ete adopte pour l’isolation de quelques autresponts dont l’application presentee dans cet article. Le com-portement du systeme est du type bilineaire. L’interface defriction est concue de sorte a generer la resistance initialeQd et l’energie dissipee par cycle (EDC) requises. Cesparametres sont directement relies aux caracteristiquesd’amortissement du systeme. Le systeme de recentrage estconcu pour permettre de reprendre de facon securitaire ledeplacement de calcul Dmax tout en assurant la rigiditelaterale Kd (rigidite tangente post-elastique) requise pourcontroler le deplacement residuel et l’allongement de laperiode.

Un systeme d’isolation sismique avec appuis a disques aegalement fait son entree durant la derniere decennie dansl’Est du Canada et a ete utilise en 2003 et en 2005 sur aumoins un pont et trois passerelles dans la region d’Ottawa(Ontario) et en 2008 sur un Viaduc dans la region de Mon-



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treal (Quebec). Ce systeme est compose d’un appui a disque(« disc bearing ») et muni de ressorts en polymere.

Etapes de calcul preliminaire de l’isolationde la base d’un pont

Le calcul parasismique preliminaire de la majorite desponts candidats a l’isolation sismique peut se faire avec uneprecision suffisante par la methode d’analyse spectrale uni-modale et a charge uniforme. La procedure etape par etapepresentee ci-dessous, basee sur la norme S6-06, peut etreutilisee pour le calcul preliminaire afin d’estimer les effortset deplacements sismiques et evaluer l’opportunite de recou-rir a l’isolation sismique. Cette procedure peut etre suffi-sante pour les cas les plus simples. Cependant, souvent ilfaut la completer par une analyse plus poussee (analysespectrale multi-modale, analyse non lineaire avec diagram-mes d’evolution) et ce, selon les exigences de la norme S6-06 qui dependent de la complexite de la structure, de la zonesismique et de l’importance de l’ouvrage. Neanmoins, dansun tel cas, la procedure proposee constitue une analyse dedepart qui permet d’estimer les caracteristiques dynamiquesdes unites d’isolation utilisees au depart des analyses pluspoussees. Mentionnons aussi que des procedures de calculpreliminaires similaires a la procedure proposee ici, baseessur le guide AASHTO (1998), sont fournies dans Buckle etal. (2006).

Les etapes suggerees sont les suivantes :

(a) Determiner les parametres sismiques de l’ouvrage : A(rapport d’acceleration), I (facteur d’importance sismi-que), Si (a noter que les coefficients de site Si sont dif-ferents de ceux des ponts conventionnels);

(b) Determiner la zone de rendement sismique et la meth-ode d’analyse minimale requise;

(c) Choisir une configuration des appuis et joints (definirles unites de fondation qui resistent a l’essentiel descharges sismiques et leur allouer les rigidites les pluselevees);

(d) Choisir une periode d’isolation, Te et un taux d’amortis-sement visqueux equivalent, b, pour le pont dans sonensemble (c.-a-d., Te = 2.0 s et b de 15 % a 20 %comme valeurs de depart);

(e) Determiner la valeur du parametre B (parametre utilisedans le calcul pour representer l’effet de l’amortis-sement du systeme) en fonction de l’amortissement vis-queux equivalent, b, a l’aide du tableau 4.10.6.1.1 de lanorme S6-06 (CAN-CSA-S6-06 2006);

(f) Calculer le coefficient de reponse sismique : C’sm = A Si/ (B Te) £ 2,5 A/B;

(g) Calculer le deplacement sismique : D (mm) = 250 A SiTe /B;

(h) Repeter les etapes (d) a (g) jusqu’a l’obtention d’uncompromis acceptable sur C’sm et D;

(i) Determiner la force sismique totale nominale sur le pontpar : F = C’sm W;

(j) Attribuer une rigidite effective a chaque appui (isola-teur) et deduire les deformations et les forces sismiquestransmises par les differents appuis. Le recours a unmodele realiste de la structure est souvent necessaire icisi la flexibilite des unites des fondations sur lesquellessont montes les unites d’isolation est significative. Dans

ce cas, il faut rappeler que les unites d’isolation agissenten serie avec les unites de fondation sous-jacentes.

(k) Determiner les valeurs de Te et b, les comparer aux va-leurs supposees en haut et iterer en reprenant a l’etape(d) jusqu’a convergence;

(l) Determiner, de concert avec le fabricant, la plage devariation des caracteristiques du systeme d’isolation en-visage en fonction de plusieurs parametres, notammentla temperature et le vieillissement;

(m) Reprendre les etapes (a) a (k) avec les valeurs mini-males et maximales des caracteristiques des unitesd’isolation afin d’etablir la fourchette des forces et de-placements sismiques de calcul;

(n) Finaliser la conception en evaluant les forces dues auxmouvements thermiques, au retrait et au freinage surchaque unite de fondation, et en resumant les caracteris-tiques des unites d’isolation a chaque appui.

Il convient de noter que dans le cas ou le taux d’amortis-sement equivalent global du systeme depasse 30 %, il fautrecourir a une analyse dynamique non lineaire au moyen dediagrammes d’evolution, a moins de limiter la valeur de B a1,7.

Presentation du pont Madrid

Parametres sismiques du siteLe projet de refection du pont MTQ – 05328, situe sur

l’autoroute 20, voie sud, au-dessus de la riviere Nicolet presdes localites de St-Leonard-D’Aston et de Ste-Eulalie,constitue un autre projet impliquant l’isolation sismique auQuebec realise durant les dernieres annees. Ce pont consti-tue de deux moities (un pont sur la voie nord et un autresur la voie sud) est communement connu sous le nom depont Madrid. Les localites importantes les plus proches quisont citees dans les zones sismiques de la norme S6-00 sontDrummondville et Victoriaville, dont les parametres sismi-ques, pour une probabilite de depassement de 10 % en 50ans, sont : zone de vitesse : Zv = 2; rapport de vitesse : V =0,1; zone d’acceleration : Za = 3; rapport d’acceleration : A= 0,15. Par ailleurs, le pont Madrid est classe comme unpont de secours par le ministere des Transports du Quebec(MTQ), soit I = 3,0.

Description de la structure existanteLe pont existant est montre a la figure 3. Il comporte qua-

tre travees de dimensions arrondies comme suit : deux tra-vees exterieures de 27,8 m chaque et deux traveesinterieures de 36,6 m pour une longueur totale de 128,8 m.La largeur hors tout du tablier est de 13,3 m. La structure dutablier se compose de quatre poutres en acier d’une hauteurde 1903 mm et d’une dalle en beton arme de 200 mmd’epaisseur. Les poutres sont espacees de 3,45 m de faconsymetrique par rapport a l’axe longitudinal central du pont,le restant du tablier etant en porte a faux.

Le tablier est supporte par les deux culees situees aux ex-tremites du pont et par trois piliers en beton arme orientesselon un biais de 18,468 par rapport a l’axe du pont (tablier).Deux joints de dilatation simples sont situes au niveau desculees aux extremites du tablier. L’appui fixe est situe au-dessus du pilier central. Les sections des piliers a la baseont une longueur de 5,49 m et une largeur de 1,52 m pour



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les piliers exterieurs (2 et 4) et 1,83 m pour le pilier central.Le haut des piliers a une section variable s’elargissant a12,75 m sous les chevets. Les hauteurs des trois piliers sontoriginalement de 10,8 m et 11,2 m pour les piliers exterieurset de 12,1 m pour le pilier central. Les piliers sont supportespar des fondations superficielles (radiers), supportees a leurtour par des groupes de pieux fores dans le roc. Des sonda-ges effectues sur le site revelent que le roc se situe a un ni-veau variant entre 1,7 m et 12,0 m sous les fondations.

Etat du pont avant refectionLe pont presentait des signes (desagregation et delami-

nage du beton, fissuration du tablier, corrosion des armatu-res) de degradation importante du beton du tablier, desculees, ainsi que des hauts des chevetres au niveau des assi-ses. En revanche, les piles etaient, en general, en bon etat(voir fig. 3).

Travaux de refectionLes travaux de refection ont ete realises en 2006 et 2007

et consistent notamment a remplacer le tablier, y compris lastructure en acier, les joints de dilatation, les appuis, et unepartie importante des deux culees et des approches, a renfor-cer et ancrer au roc les culees et a refaire les assises (cheve-tres). L’elargissement de la voie de roulement de 10,4 m a12,6 m et celui de la largeur du tablier de 13,3 m a 13,5 mfont egalement partie des travaux. L’etude d’avant projet ef-fectuee par la compagnie de genie-conseils Genivar a mon-tre que les capacites des piles et des culees sont limitees etne sauraient resister, sans renforcement majeur, aux chargessismiques prescrites dans la norme S6-00. Par ailleurs, uneetude sismique preliminaire a indique que l’option de l’iso-lation sismique du pont dans les deux directions est de loinplus avantageuse qu’une conception conventionnelle, puis-qu’elle permet de reduire au minimum l’intervention sur lastructure des piliers existants.

Resume des solutions preliminaires pour isoler le pontDes analyses sismiques preliminaires du pont et le choix

d’un systeme d’isolation sismique dans les deux directionsont ete effectues sur la base de la methode d’analyse spec-trale uni-modale et a charge uniforme decrite dans la clause4,10,6.1 de la norme S6-00 (CAN-CSA-S6-00 2000) et dontles etapes de calcul sont decrites plus haut. Le tableau 1 pre-sente un resume des caracteristiques des solutions preliminai-res d’isolation sismique du pont proposees suite a ces etudes.

Analyses sismiques du pont Madrid

Modelisation des elements du pontUn modele tridimensionnel du pont est elabore permettant

de capter les principaux mecanismes de comportement del’ouvrage. Le tablier est modelise par une poutre en I equi-valente continue d’une culee a l’autre et ayant un comporte-ment elastique. Les piliers sont modelises par des elementspoutre–colonne elastiques a sections variables. Le materiauconsidere est un beton de 30 MPa ayant un module d’elas-ticite de 24 648 MPa. Un amortissement de 5 % est attribuea ce materiau. Pour tenir compte de l’effet de la fissurationdu beton, les moments d’inertie des sections de base des pi-liers sont reduits par un facteur egal a 0,70. Les axes locaux

du pilier sont orientes selon un angle de 18,468 par rapport al’axe du tablier pour refleter le biais des piliers. La figure 4montre une vue 2D (dans le plan XZ) du modele de pont debase utilise ainsi que l’emplacement des isolateurs.

Les appareils d’appuis sont modelises par des elements deliaison de dimensions finies. Ces elements sont inseres entrele tablier et les tetes de piliers et (ou) les culees. Les carac-teristiques utilisees pour ces elements sont essentiellementbasees sur des donnees experimentales internes fournies parle fournisseur et sur les valeurs optimales initiales deduitespar l’analyse preliminaire.

Pour les analyses lineaires telles que l’analyse modale(calcul des modes de vibration et valeurs propres) oul’analyse sous charge permanente, des caracteristiques equi-valentes representant la rigidite effective (Keff) et l’amortis-sement visqueux equivalent (b) calcules aux deplacementsde calcul ont ete attribuees a ces elements. Les masses dutablier et des piliers sont concentrees aux nœuds. Pour lesanalyses dynamiques non lineaires, incluant les analyses al’aide des diagrammes d’evolution, les caracteristiques nonlineaires des elements de liaison sont utilisees. Dans ce cas,le comportement hysteretique adopte est elastoplastique avececrouissage constant tel que formule par Wen (1976). Lemodele utilise est compatible avec le comportement experi-mental typique des unites d’isolation du fournisseur envisage(Tremblay et al. 2005).

Le joint modulaire est egalement modelise par un elementde liaison de meme type que celui utilise pour representerles appuis (et isolateurs), mais dont les caracteristiques sontchoisies sur la base des resultats d’essais experimentauxrealises par le fournisseur durant les dernieres annees Parailleurs, a l’endroit de la culee 5, les modeles (variantes) debase considerent la presence d’un joint de dilatation simplepermettant un mouvement libre de l’extremite du tablier.Cependant, la possibilite d’eliminer ce joint fut envisageeen considerant que la dalle du tablier, passant par-dessus lemur garde greve bute en compression contre le sol et l’as-phalte lors d’un seisme. Cette butee fut consideree simulta-nement dans les deux directions du pont et modelisee al’aide d’un element de contact avec une ouverture initialenulle et qui travaille uniquement en compression. Une etudede sensibilite effectuee en variant les valeurs des caracteris-tiques dynamiques (amortissement et rigidite) des unitesd’isolation a ete effectuee pour etablir la fourchette de la re-ponse sismique et les valeurs a utiliser pour la conception.

Methodes d’analyse utiliseesLe comportement du pont lors du seisme de calcul est si-

mule au moyen d’une analyse dynamique non lineaire pas apas basee sur la superposition modale (Wilson 1993). Cettetechnique numerique est particulierement efficace dans lecas de structures ou les non-linearites sont concentrees aquelques endroits ponctuels comme c’est le cas dans ce pro-jet. Au prealable, une analyse modale est effectuee pour cal-culer les modes de vibration et les vecteurs propres de lastructure sur la base des rigidites effectives des elementsd’appuis et (ou) isolateurs et des caracteristiques de rigiditedu tablier et des piliers. Les 35 premiers modes de vibrationsont consideres pour les calculs, ce qui represente 99 % dela masse active totale de la structure dans les deux directionshorizontales.



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Enregistrements sismiques utilisesDes diagrammes d’evolution (accelerogrammes) develop-

pes par Atkinson et Beresnev (1998) pour l’Est du Canadasont utilises dans le cadre de cette etude. Ces enregistre-ments artificiels sont compatibles avec le spectre de risqueuniforme du CNBC 2005. Il est generalement recommanded’utiliser les quatre composantes (« trials ») pour chacunedes combinaisons M-R (magnitude–distance au site) qui en-gendrent les risques sismiques les plus importants. Cette fa-con de faire permet de couvrir les differentes gammes duspectre CNBC 2005. Ces composantes sont calibrees par unfacteur d’echelle qui est specifique a chaque ville. Pour lesvilles de Montreal et de Quebec, et pour une probabilite dedepassement de 2 % en 50 ans, il est recommande de consi-derer les combinaisons M-R et leurs facteurs de calibrationsuivants (G.M. Atkinson 2006, communications personnel-les) : (i) Un seisme de magnitude M = 6,0 a R = 30 km etdes facteurs de calibration de 0,85 pour Montreal et de 0,7pour Quebec. Les quatre composantes pour cette combinai-son sont nommees ATK630-1 a ATK630-4; (ii) Un seismede magnitude M = 7,0 a R = 70 km et des facteurs de cali-bration de 0,90 pour Montreal et de 0,80 pour Quebec. Lesquatre composantes pour cette combinaison sont nommeesATK770-1 a ATK770-4. Comme le site du projet est situeapproximativement a mi-chemin entre Montreal et Quebecet qu’il n’est pas le lieu d’un foyer sismique selon les don-nees et les cartes sismiques les plus recentes, les facteurs decalibration suivants pour le site du pont Madrid sont obtenuspar interpolation : (i) 0,78 pour les composantes ATK630-1a ATK630-4; et (ii) 0,85 pour les composantes ATK770-1 aATK770-4. Les composantes d’enregistrements sismiquesont ete combinees entre elles et appliquees simultanementaux modeles selon deux axes orthogonaux, le cas echeant lesaxes du pont. Ainsi, les 4 composantes de chacun des seismesATK630 et ATK730 ont permis de generer 12 composantes,soit 24 composantes au total. Chaque paire est donc designeecomme suit : nom du seisme (p. ex. ATK-770), suivi de lacomposante en X, puis de la composante en Y.

Il est a noter que pour le calcul des forces emanant prin-cipalement des modes non isoles (faibles periodes), les dia-grammes d’evolution ont du etre calibres par rapport auspectre de la norme S6-00.

Presentation des resultatsLe tableau 2 presente un sommaire des resultats des ana-

lyses dynamiques non lineaires ou sont presentees dansl’ordre : (i) l’enveloppe des deplacements du tablier calcu-les, tous seismes confondus, ou Dx et Dy representent respec-tivement le deplacement maximum du tablier dans ladirection longitudinale et transversale du pont; (ii) l’enve-loppe des efforts dans le tablier ou M2 est le moment de fle-xion autour de l’axe fort du tablier et V3 est l’efforttranchant accompagnant le moment de flexion; (iii) l’enve-loppe des reactions maximales generees a l’endroit de la cu-lee 5, tous seismes confondus, ou Rx et Ry represententrespectivement la reaction maximale dans la direction longi-tudinale et transversale du pont a l’endroit de la culee 5; et(iv) l’enveloppe des efforts internes a la base des piles 2, 3et 4 ou M2 et M3 representent respectivement le moment deflexion selon l’axe fort et selon l’axe faible et V3 et V2 re-

presentent les efforts tranchants correspondants. La figure 5montre des historiques des deplacements dans les directionslongitudinale et transversale du tablier pour les deux seismesqui affectent le plus la solution proposee. Pour ces memesseismes, la figure 6 presente les comportements hystereti-ques des isolateurs de la culee 5 et de la pile 3, respective-ment. Ces hysteresis presentent les relations entre les forceset les deplacements dans les isolateurs situes au niveau desculees (fig. 6a) et des piles (fig. 6b). Plusieurs renseigne-ments peuvent etre tires de ces courbes hysteretiques. Onpeut citer : (i) les forces maximales (culee 5, 360 kN; pile3,450 kN) et minimales (culee 5, –270 kN; pile3, –400 kN)transmises par l’entremise des isolateurs de la superstructurea l’unite de fondation; (ii) l’energie dissipee par hysteresisau sein des isolateurs et donc l’amortissement (culee 5,13,6 %; pile3, 63,7 %) qui en resulte; (iii) la stabilite ducomportement qui est donnee par la forme meme de l’hyste-resis obtenu. Sur la base des resultats obtenus, les caracteris-tiques du pont isole et du systeme d’isolation sont presenteesau tableau 3, et celles relatives aux appuis au tableau 4.

Discussion et syntheseLes observations suivantes peuvent etre tirees des analy-

ses :

(a) Les periodes des modes de vibration fondamentaux dela translation du tablier, qui sont les periodes d’isolationsismique, correspondent assez bien aux valeurs ciblesqui ont ete choisies au depart particulierement pour lemode longitudinal (a noter que la valeur cible pour lemodele 3D considere est de 1,83 s).

(b) Les periodes des modes de vibration fondamentaux despiles autour de leurs axes faibles sont situes autour de0,25 a 0,3 s, alors que les modes fondamentaux despiles autour de leurs axes forts sont autour de 0,08 s.Elles se situent dans une zone tres sensible a l’accel-eration a la base maximale du seisme ou la reponseconnaıt la plus forte amplification dynamique.

(c) Les periodes des modes fondamentaux de flexion du ta-blier sont respectivement de 0,522 s et autour de0,225 s. Ces modes de flexion sont situes dans la zonesensible a l’acceleration a la base des seismes ou l’am-plification dynamique est typiquement maximale.

(d) Les efforts transmis du tablier aux tetes de piles sontconsiderablement reduits et sont controles par rapport aupont non isole (voir reaction a la culee a titre indicatif).

(e) Les deplacements residuels dans la direction longitudi-nale et transversale sont de l’ordre de 6 a 11 mm. Dansle cas ou ces deplacements sont juges inacceptables, ilspeuvent etre reduits (du moins pour la direction Y) enreduisant la friction dans les appuis, en augmentant larigidite du systeme de recentrage ou une combinaisondes deux. Cependant, le deplacement transversal du ta-blier sera plus important, et les unites d’isolation aurontdes dimensions plus grandes.

(f) Dans le cas ou la sollicitation sismique est faible et endeca du niveau du declenchement de l’isolateur, alorsl’amortissement introduit par ce dernier est pratiquementnul, ce qui ne constitue pas un probleme puisque lesforces induites sont faibles et pas de nature a causer desdommages.



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Conclusion

Les nouvelles technologies et particulierement l’isolationsismique des ponts offrent une alternative tres attrayante etdes solutions avantageuses tant du point de vue economiqueet social qu’ecologique. L’utilisation de ces technologies estde plus en plus encadree par les codes et normes, notam-ment la norme canadienne S6-06. Cependant, malgre desconditions favorables et les progres prometteurs realises du-rant les dernieres annees, le nombre d’applications des nou-velles technologies parasismiques dans le domaine des pontsau Quebec demeure relativement restreint. Ceci est attri-buable a plusieurs facteurs dont le manque de donnees spe-cifiques a ces technologies aupres des ingenieurs praticienset la necessite dans certains cas de recourir a des analysessismiques plus poussees avec lesquelles les ingenieurs prati-ciens sont generalement moins familiers. La presente etudepresente les differentes etapes d’analyse sismique relative al’utilisation de la technique d’isolation de la base et montrel’applicabilite d’une telle technologie pour les projets de re-habilitation et de mise en conformite de ponts existants. Ilconvient de rappeler que les forces sismiques exercees surune structure isolee sont typiquement de l’ordre de 3 a 10fois moins elevees que celles sur la meme structure maisnon isolee. Mentionnons egalement que l’isolation sismiqueaugmente en efficacite en presence d’une structure rigide(faible periode fondamentale), ce qui est generalement lecas pour les ouvrages importants comme les ponts classesponts de secours.

BibliographieAASHTO. 1998. Guide specifications for seismic isolation design.

American Association of State Highway and Transportation Of-ficials, Washington, D.C.

Atkinson, G.M., et Beresnev, I.A. 1998. Compatible ground-motiontime histories for new national hazard maps. Canadian Journal ofCivil Engineering, 25(2) : 305–318. doi:10.1139/cjce-25-2-305.

Buckle, I., Canstantinou, M., Dicelli, M., et Ghasemi, H. 2006.Seismic isolation of highway bridges, Special Report MEERC-06-SP07.

CAN-CSA-S6-00. 2000. Canadian Highway Bridge Design Code.2000 Edition.

CAN-CSA-S6-06. 2006. Code canadien sur le calcul des ponts rou-tiers. Edition 2006.

CNBC. 2005. Code national du batiment du Canada, Conseil na-tional de recherches du Canada, Ottawa, Ont., publicationCNRC 47666F.

Kunde, M.C., et Jangid, R.S. 2003. Seismic behavior of isolatedbridges: a-state-of-the-art review. Electronic Journal of Struc-tural Engineering International, 3(2003) : 140–170.

Tremblay, R., Moffat, K., et Massicotte, B. 2005. Essais de confor-mite au code S6-00 de deux isolateurs sismiques Z-Tech: Pontd’Alma, Route 169. Ecole Polytechnique de Montreal, Departe-ment de genie civil, geologie et mines, Montreal, Quebec, Canada.

Wen, Y.K. 1976. Method for random vibration of hysteretic systems.Journal of the Engineering Mechanics Division, 102 : 249–263.

Wilson, E.L. 1993. An efficient computational method for the ana-lysis of structural systems. ATC17-1, Proceedings of the Semi-nar on Seismic Isolation, Passive Energy Dissipation, andActive Control. San Francisco, 11–12 March, Applied Technol-ogy Council, Redwood City, California, USA.



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Mise en conformité sismique des ponts par isolation de la base – Application au pont Madrid au...

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