Prise en compte des séismes dans les Ouvrages...

CETEMéditerranée Castagniers – 29, 30 sept. et 1er oct.2009

LES PLÉNIÈRES 2009 DU LCPCSciences et techniquesdu Génie Civil JOURNÉES

GÉOTECHNIQUECastagniers – 29, 30 sept. et 1er oct.2009


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Prise en compte des séismesdans les Ouvrages d'ArtExemples de collaborations DOA/Sétrasur des actions méthodologiqueset études opérationnelles

D. DAVI – CETE Méditerranée /DCEDI/DOA

A. VIVIER – Sétra /CTOA/DGO

Pages

Centre d'Etudes Techniques de l'Equipement Méditerranée2

Castagniers – 29, 30 sept. et 1er oct.2009




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Denis Davi – CETE MedAurélie Vivier - Sétra

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Développement d'une méthodologie pour lediagnostic/renforcement des OA existants

Contexte général 3

L'identification des ouvrages prioritaires 7

Analyses de vulnérabilité et diagnostic 18

Stratégies et techniques de renforcement 26

Exemples d'applications opérationnelles 33

Niveau de performance visé 32

SOMMAIRE


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Contexte général

PS92 : 1ères règles de conception parasismique « moderne » en France

« La circulaire du 26 avril 2002 relative à la prévention du risquesismique encourage les propriétaires publics ou privés de bâtiments,équipements et installations de classe C ou D à procéder à unedémarche de diagnostic et éventuellement de renforcement de leursouvrages existants vis-à-vis de l’aléa sismique. »

Manques méthodologiques et réglementaires concernant cetteproblématique :Quels ouvrages traiter en priorité ?Quelles méthodes d’analyses pour les diagnostiquer ?Quel niveau de performance à atteindre par leur renforcement ?A quel coût ?

Vulnérabilité potentielle des constructions conçues avant 1995


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Contexte général

En février 2006, création à l’initiative du Sétra d’un groupe de travailspécifique rassemblant des spécialistes de divers horizons (RST,DGR, AFPS, Sociétés d’autoroutes, bureaux d’études et de contrôleprivés, entreprises BTP, SNCF…)

Objectif : Rédiger un guide méthodologique destiné aux maîtresd’ouvrages, gestionnaires, maîtres d’œuvre et bureaux d’étudesconfrontés à cette problématique«Diagnostic et renforcement sismiques des ponts existants»

Objectif de publication : fin 2009


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Contexte général

S’inscrit dans la continuité des approches mises au point pourl’évaluation du risque sismique à l’échelle des itinéraires (approchesSismoa / Sismur et Sisroute) :

1ère phase : identification rapide des ouvrages les plus exposés et sensibles

2ème phase : diagnostic détaillé des ouvrages jugés prioritaires

et projet de renforcement le cas échéant

Répond à certains objectifs du Programme National de Prévention duRisque Sismique initié en 2005 par le MEDD.(thématique « Prise en compte du risque sismique dans les infrastructures et les réseaux »)

Cible préférentiellement le renforcement des ouvrages situés dans deszones de sismicité forte ou modérée et présentant un fort enjeu socio-économique (itinéraires structurants ou desserte d’équipementsstratégiques) en vue d’une réduction sensible et économiquementpertinente de leur niveau de vulnérabilité.


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Contexte général

Des problématiques multiples et multi-disciplinaires :

Hiérarchisation des ouvrages / aspects socio-économiques(DOA CETE Med, Sétra, ASF, Escota, DOA CETE Est)

Caractérisation des aléas (ERA Sismique – LRPC Nice)

Vulnérabilité sommaire (LRPC Nice, DOA CETE Med, Sétra)

Méthodes d’analyses spécifiques pour le diagnostic(DOA CETE Med, Sétra, LCPC)

Aspects géotechniques (LRPC Aix)

Investigations / instrumentations des ouvrages(Véritas, ERA Sismique – LRPC Nice, DOA CETE Lyon)

Techniques de renforcement (Vinci, Sétra, DOA CETE Med, Univ. Lyon I)


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L'identification des ouvrages prioritaires

Dans la continuité des approches Sismoa / Sismur / Sisroute...


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Dans la continuité des approches Sismoa / Sismur / Sisroute...1ère étape : estimation de la vulnérabilité sur la base de critères qualitatifs typologiques

et géométriques :V = Vgénéral x max (Vtablier ; Vpiles ; Vculées)

Vulnérabilité du tablier :Essentiellement basé sur le risque d’échappement d’appuis :

● distribution et longueurs de travées

● courbure et biais de l’ouvrage

● présence éventuelle de butées ou d’attelages parasismiques


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et géométriques :V = Vgénéral x max (Vtablier ; Vpiles ; Vculées)

Vulnérabilité des piles :Basée sur des paramètres tels que :

● type et dimension des piles

● distribution et régularité des hauteurs

● type de connexion au tablier

● masse du tablier


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et géométriques :

V = Vgénéral x max (Vtablier ; Vpiles ; Vculées)

Vulnérabilité des culées :

Essentiellement établie à partir de la typologie et de la hauteur…


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et géométriques :

Vulnérabilité des culées :

Le cas des ponts en maçonnerie :

V = Vgénéral x Vvoute

Très peu de ponts en maçonnerie ont été endommagés au cours des séismes passés.

vvoute évaluée sur la base de considérations géométriques et sur la présence éventuelle de tirants passifs.


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Dans la continuité des approches Sismoa / Sismur / Sisroute...2ème étape : évaluation sommaire des aléas :

Analyse de la propagation des accélérations sismiques basée sur la loi d’atténuation

d’Ambraseys, avec prise en compte des effets de site topologique et géologique.

Effet topologique Effet géologique

Détermination des accélérations de déclenchement des autres effets induits

(liquéfaction, glissements de terrain, chutes de blocs…)…toujours sur la base de paramètres simples tels que :propriétés de solpentes des terrainsgéomorphologietaille des blocs

densité de végétation et protections éventuelles(clouage de falaise, filets …)


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Dans la continuité des approches Sismoa / Sismur / Sisroute...3ème étape : définition de scénarios sismiques et calibrage d'indices de risque

Différents scénarios sismiques envisagés :- zonage déterministe PS92 ;

- zonage probabiliste (approche EC8) ;

- n’importe quel séisme défini par sa position, sa profondeur et sa magnitude..


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Dans la continuité des approches Sismoa / Sisroute...3ème étape : définition de scénarios sismiques et calibrage d'indices de risque

Pour chaque scénario, calcul des indices de risque de coupure de l’itinéraire par

combinaison des valeurs d’aléas et de vulnérabilité :

R = f (A;V)Risque vibratoire sur les ponts :

Calage de l'indice de risque à partir de modèles de diagnostic plus sophistiqués


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Matrice d'importancede l'itinéraire porté :


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Matrice d'importancede l'ouvrage :


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Indice d’importance et classification

Ouvrages devant faire l’objet d’une analyse détaillé :

Ouvrages tels que : R x Iouvr > 50

Catégorie III

Catégorie ICatégorie II

(Exclut de fait la catégorie I)


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Analyses de vulnérabilité et diagnostic

Développement d'une méthodologiepour le diagnostic/renforcementdes ouvrages d'art existants

Méthodologie générale


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États-limites pour le diagnostic sismique

Méthodes en force (q<1,5)EL-LD : limites élasto-plastique des matériauxEL-DS : résistances ELU classiques

Méthodes en déplacement

EL-LD : limites élasto-plastique des matériauxEL-DS : 3/4 de EL-QEEL-QE : limites en déformations ultimes théoriques réalistes des matériaux


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Niveaux d'accélération de référence

Basés sur la carte d'aléa du MEDD 2005 (projet de nouveau zonage)

Ouvrages de cat. II :

=> aref-DS = 1,2 AEk

Ouvrages de la cat. III

=> aref-DS = 1,4 AEk

=> aref-LD = 0,4 x 1,4 AEk

EL-ref

EL-admmaxEL-conf a

aα =Indice de performance ou « de conformité » :


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Représentations de l'action sismique

- Spectres règlementaires AN EC8- Accélérogrammes (fournis par ERA Sismique – LRPC Nice)

- Effets induits (évalués de façon + ou – sophistiquée selon les enjeux et les spécificité locales)

Essais tri-axiaux pour la liquéfaction,

Calculs de trajectoires de chutes de blocs...


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Vulnérabilités relatives et points faibles par typologiesd'ouvrages


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Méthodes d'analyses disponibles et domaines d'emploi


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Évaluation des déformations ultimes des sections à partir deslois moment-courbure

En intégrant :

le degré de confinement du béton :

d’éventuelles dispositions constructives défaillantes :


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Méthode en déplacement (« Push-over »)


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Stratégies et techniques de renforcement

Différentes stratégies possibles

1 : Augmentation résistance (attention)2 : Augmentation ductilité - chemisage

3 : Augmentation ductilité - suppression élé. fragile4 : Assouplissement - modif. AA

5 : Rigidification (déconseillé)6 : Rigidification struct. souples – ponts suspendus7 : Augmentation amortissement (disp. spéciaux)


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Description des technologies, éléments de chiffrage etde dimensionnement

- Prévention des échappements d'appui du tablier

Augmentation des repos d’appui

Attelage de travées


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- Limitation des efforts transmis aux appuis

Fusibles

Systèmes amortisseurs


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- Amélioration du comportement des piles

Augmentation de la ductilité des piles par chemisage

Amélioration de la résistance des fondations


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Méthodologie générale des projets de renforcement


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Niveau de performance visé

Définition du niveau de renforcement optimalinspirée des approches Suisse (SIA 2018) et américaine (ATC 40)

Zone 1 : niveau de performanceacceptable

=> aucun renforcementpréconisé

Zone 3 : niveau de performanceinsuffisant

=> renforcement nécessaire oudéclassement de l'ouvrage

Zone 2 : renforcement àenvisager sur la base dumeilleur optimum« performance/coût/enjeux »

−×

−⋅∆

=rempl

renf

admmaxrefâge

renfenjeu C

C1

aaa

Rγ

γ

=> Viser un niveau de renforcement tel que R > 0,5 et αconf

> 70% γâge


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Exemples d'applications opérationnelles

Calibrage de la méthode sur le triangle autoroutier A7/A8/A54- Ouvrages de typologie courante et répétitive

=> 63 OA dont 5 cat.III (principalement PI et échangeurs), 39 cat.II, 19 cat. I selonmatrice importance=> 4 OA à diagnostiquer selon le schéma de priorisation sommaire A x V x I=> pour ces 4 OA : Indice de conformité ≅ 0,40 (mise en service ≅ 1970)

Réduction sensible de la vulnérabilité (αconf

>0,60) pour un coût < 5% ducoût de remplacement (modif. AA, attelages, butées, renforts locaux piles...)


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Diagnostic et projet de renforcement du viaduc de Caronte(A55, Martigues)

- OA construit entre 1969 et 1972 (acc. stat. 0,1g)

- Accélération de référence = 0,24g (yc coef. S) x spectre

- Bloqueurs dynamiques rompus, risques échappement+ faiblesses appuis

=> renforcement sismique préconisé :

- Remplacement AA et butées transversales

- Viaduc métal laissé libre, viaducs béton amortis sur culées

- Risque liquéfaction écarté par essais tri-axiaux (LRPC Aix)

=> permet d'atteindre 100% aref


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Diagnostic et projet de renforcement de 6 OAs non-courants(Autoroute A9 – Section Le Boulou / Frontière Espagnole – AMO ASF)

- Diagnostic/renforcement dans le cadre d'unélargissement à 2x3 voies

- OAs construits entre 1970 et 1976

- Risques identifiés : souffles longitudinauxinsuffisants, risques d'échappements d'appui,faiblesse de certains appuis

=> renforcements sismiques préconisés :

- Clouages culées

- Remplacement AA

- Attelages travées

- Amortisseurs au niveau des culées


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=> permet d'atteindre 100% aref

pour un coût compris entre 2 et 8% ducoût de remplacement


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Implantation des amortisseursModèle de calcul et résultats del'analyse dynamique temporelle

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