mmm universite de lai sherbrooke

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mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE Faculte de genie Departement de genie civil ETUDE DE L'INFLUENCE DES IMPEDANCES DE FONDATION SUR LE COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES LIGNES DE TRANSPORT D'ENERGIE ELECTRIQUE Memoire de maitrise en sciences appliquees Specialite : genie civil A.JENDOUBI Sherbrooke (Quebec), Canada septembre 2007 W.. / X % uf

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Page 1: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

mmm UNIVERSITE DE

lai SHERBROOKE

Faculte de genie

Departement de genie civil

ETUDE DE L'INFLUENCE DES IMPEDANCES DE FONDATION

SUR LE COMPORTEMENT DYNAMIQUE DES LIGNES DE

TRANSPORT D'ENERGIE ELECTRIQUE

Memoire de maitrise en sciences appliquees

Specialite : genie civil

A.JENDOUBI

Sherbrooke (Quebec), Canada septembre 2007

W.. / X %uf

Page 2: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1*1 Library and Archives Canada

Published Heritage Branch

395 Wellington Street Ottawa ON K1A0N4 Canada

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395, rue Wellington Ottawa ON K1A0N4 Canada

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•*•

Canada

Conformement a la loi canadienne sur la protection de la vie privee, quelques formulaires secondaires ont ete enleves de cette these.

Bien que ces formulaires aient inclus dans la pagination, il n'y aura aucun contenu manquant.

Page 3: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Resume

Le grand risque associe a certaines structures lors des seismes a cree le besoin

d'analyses dynamiques rigoureuses avec prise en compte de l'interaction sol-structure.

L'evaluation de la reponse dynamique des fondations consiste a calculer les valeurs des

amortissements et des rigidites dynamiques ou encore les fonctions d'impedance de ces

fondations. On commence par distinguer les differents types de pylones et de fondations.

Ce rapport est constitue de trois parties. La premiere contient un expose de la

problematique et une etude de l'etat des connaissances sur l'interaction sol-structure par-

ticulierement le calcul des fonctions d'impedance tout en expliquant les differentes notions

traitees dans ce travail. La deuxieme partie presente le code de calcul utilise et quelques

elements theoriques de modelisation. Elle contient une validation et quelques exemples

d'application pour evaluer les fonctions de deplacement des fondations filantes. Le de-

veloppement de ces applications permet d'etudier l'effet de la variation de la vitesse de

cisaillement avec la profondeur sur les valeurs des parties reelles et imaginaires des fonc­

tions de deplacement. Finalement, le dernier chapitre est consacre a l'etude de l'influence

des impedances sur le comportement dynamique d'un pylone a treillis et par consequent

sur le comportement des lignes de transmission.

Page 4: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Abstract

The great risk associated with some structures subjected to earthquakes has created

the need of rigorous dynamic analysis that takes into account soil-structure interaction.

A key step of this analysis consists of estimating the dynamic response of the foundations

by calculating their impedance functions (i.e. dynamic stiffness K and dashpots C). Of

course, one must starts by distinguishing the various types of pylons and foundations.

This report consists of three different parts. Firstly, all aspects of the considered pro­

blem are exposed. Also, an original bibliographical study about the state of knowledge

on the soil-structure interaction is presented; particularly calculation of the impedance

functions while explaining the various concepts treated in this work. Secondly, the used

code and some theoretical concepts of modeling are indicated. This part contains essen­

tially numerical validation and some applications in order to evaluate the displacement

functions of strip footings. Three typical cases are considered. For each case, the adopted

mechanical characteristics correspond to a type of soil. The development of these applica­

tions allows studying the effect of the variation of the shear velocity versus the depth on

the values of the real and imaginary parts of the displacement functions. Finally, impe­

dances are applied to a tower under a transient wind loading to study their effect on the

dynamic response of the structure and consequently on the behaviour of the transmission

lines.

Page 5: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Dedicace

A mon pere pour ses sacrifices, pour toutes les bonnes choses qu HI m 'a apprises.

A ma mere pour son affection et son amour.

A mon epoux pour sa patience, son soutien et ses encouragements.

A mon cher fils Yassin.

A ma soeur et mon frere tres Men aimes.

Abir

Page 6: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Remerciements

A Tissue de ce travail, je tiens a exprimer ma vive reconnaissance a tous ceux qui out

participe de pres ou de loin a l'elaboration de ce memoire.

Je tiens a remercier mon directeur de recherches M. Frederic Legeron. Je lui temoigne

toute ma gratitude pour sa confiance, ses directives, sa disponibilite et les innombrables

discussions pour la reussite de cette recherche.

Des remerciements sinceres pour mon co-directeur M. Mourad Karray de ses conseils,

de sa gentillesse et des discussions fructueuses que nous avons eues et qui ont oriente ce

travail.

Mes remerciements sont particulierement adresses a mon epoux M. Omri Mohamed

pour m'avoir prodiguee de ses encouragements et ses conseils aussi precieux et constructifs.

Mes recherches ont ete conduites dans le cadre de la Chaire Industrielle CRSNG/HQTE

(Hydro-Quebec Trans-Energie). Je tiens a remercier le CRSNG et HQTE pour leur sup­

port financier.

Page 7: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Table des matieres

1 INTRODUCTION 1

1.1 Expose de la problematique 1

1.1.1 Les differents types de pylones 2

1.1.2 Les differents types de fondations des pylones 4

1.2 Objectif et oraganisation du rapport 6

1.2.1 Objectif de l'etude 6

1.2.2 Organisation du rapport 6

2 INTERACTION DYNAMIQUE SOL-STRUCTURE :

TRAVAUX ANTERIEURS 7

2.1 Definition de l'interaction sol structure 7

2.2 Prise en compte de l'interaction dynamique

sol-structure 7

2.3 Etat des connaissances sur les fonctions d'impedance et de deplacement . . 8

2.3.1 Definition des fonctions d'impedance 9

2.3.2 Definition des fonctions de deplacement 12

2.3.3 Methodes devaluation des fonctions d'impedance ou de deplacement 13

2.3.4 Fondations circulates 15

2.3.5 Fondations rectangulaires 21

2.3.6 Fondations de forme quelconque 23

2.3.7 Fondations filantes 30

2.3.8 Fondations profondes 34

l

Page 8: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3 CALCUL DES IMPEDANCES DES FONDATIONS FILANTES 38

3.1 Parametres dynamiques du sol 39

3.1.1 Module de cisaillement 39

3.1.2 L'amortissement 41

3.2 Presentation du logiciel de calcul 41

3.2.1 Methode des differences finies 42

3.2.2 Chargement dynamique applique a la fondation 43

3.2.3 Elements aux frontieres 44

3.2.4 Transmission de l'onde 46

3.3 Validation des calculs 47

3.3.1 Modele de calcul 47

3.3.2 Verification de la transmission 48

3.3.3 Resultats de calcul 48

3.4 Fonctions d'impedance d'une fondation filante

enfouie 49

3.5 Fonctions d'impedance des fondations filantes sur un bicouche 54

3.6 Comparaison des fonctions de deplacement obtenus avec Vs constante ou

variable 57

3.6.1 Caracteristiques geometriques du modele de calcul 57

3.6.2 Calcul avec Vs constante 57

3.6.3 Calcul avec Vs variable 62

3.6.4 Comparaison des resultats obtenus pour des vitesses de cisaillement

constantes ou variables 67

3.6.5 Influence du type du sol choisi sur les fonctions de deplacement . . 72

4 INFLUENCE DE L'INTERACTION SOL-STRUCTURE SUR LE COM-

PORTEMENT DYNAMIQUE D'UN PYLONE 75

4.1 Modele de calcul du pylone 75

4.1.1 Caracteristiques geometriques 75

4.1.2 Caracteristiques mecaniques 76

n

Page 9: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

4.1.3 Charges appliquees au pylone 77

4.2 Resultats de calcul 78

4.3 Conclusion 80

Bibliographie 82

A Travaux anterieurs 86

A.l Contribution de Kausel : figures A.l, A.2, A.3 et A.4 86

A.2 Contribution de Dominiguez : figures A.5 et A.6 86

A.3 Contribution de Gazetas : figures A.7 et A.8 86

A.3.1 Fondation de forme quelconque : abaques des tableaux 2.7 et 2.8 . . 86

A.3.2 Fondation filante a la surface du sol : Figures A.7 et A.8 86

B Comparaison des calculs avec Vs variable ou constante : vibration ver-

ticale 96

in

Page 10: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Table des figures

1.1 Pylone a treillis(Mae West) 2

1.2 Pylone a chainettes et Pylone en V haubane 3

1.3 Pylone tubulaire et Pylone a treillis 3

1.4 Portique 3

1.5 Fondation monobloc, fondation a redan et fondation a cheminee 4

1.6 Tirant d'ancrage et fondation a grille 4

1.7 Fondation a pieds separes 5

1.8 Pieux ou micropieux 5

1.9 Virole et pieux avec chemisage metallique 5

2.1 Modelisation des fonctions d'impedance d'une fondation soumise a une

vibration verticale 10

2.2 Les degres de liberte d'une fondation superficielle rigide 10

2.3 Modes de vibration d'une fondation : vertical, horizontal, balancement et

torsion 17

2.4 Schema de la fondation utilise par Luco 19

2.5 Fondation superficielle de forme quelcuonque 23

2.6 Fondation a la surface d'un milieu homogene semi infini 24

2.7 Fondation partiellement ou entierement enfouie dans un milieu homogene

semi infini 24

2.8 Fondation a la surface d'un sol reposant sur un substratum rocheux . . . . 24

2.9 Fondation enfouie dans un sol reposant sur un substratum rocheux . . . . 24

2.10 Determination des coefficients de rigidite-A^ 26

iv

Page 11: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

2.11 Determination des coefficients d'amortissement-c2 27

2.12 Schema d'une fondation superficielle filante 30

2.13 Fonctions de deplacement : partie reelle 32

2.14 Fonctions de deplacement : partie imaginaire 33

2.15 Schema d'une fondation profonde 34

3.1 Evolution de la contrainte de cisaillement en fonction de la deformation . . 40

3.2 Modele de calcul (H/B=15), cas d'un chargement vertical) 47

3.3 Fonctions de deplacement : vibration verticale 50

3.4 Fonctions de deplacement : vibration horizontale 51

3.5 Fonctions de deplacement : Chargement vertical 52

3.6 Fonctions de deplacement : Chargement horizontal 53

3.7 Fondation sur bicouche : Vibration verticale 55

3.8 Fondation sur bicouche : Vibration horizontale 56

3.9 modele de calcul avec Vs variable 58

3.10 Variation du deplacement Uy 58

3.11 Cartographie du deplacement Uy 59

3.12 Vs constante : vibration verticale 60

3.13 Vs constante : vibration horizontale 61

3.14 Variation de la vitesse et du module de cisaillement 63

3.15 Vs variable : vibration verticale 65

3.16 Vs variable : vibration horizontale 66

3.17 Sol argileux : Vibration horizontale 69

3.18 Sol sableux : Vibration horizontale 70

3.19 Sol granulaire grossier : Vibration horizontale 71

3.20 Influence du type de sol sur les fonctions de deplacement Fv 73

3.21 Influence du type de sol sur les fonctions de deplacement Fvx G 74

4.1 Modele de calcul du pylone 76

4.2 Charge du vent turbulent 78

v

Page 12: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

A.l Vibration verticale [15] 87

A.2 Vibration horizontale [15] 88

A.3 Vibration de balancement [15] 89

A.4 Vibration de torsion [15] 90

A.5 Vibration verticale - Rigidite [15] 91

A.6 Vibration verticale - amortissement [15] 92

A.7 Vibration horizontale - coefficient de rigidite 93

A.8 Vibration horizontale - coefficient d'amortissement 93

A.9 Vibration verticale - fonctions de deplacement [15] 94

A. 10 Vibration horizontale - fonctions de deplacement [15] 95

B.l Sol argileux : Vibration verticale 97

B.2 Sol sableux : Vibration verticale 98

B.3 Sol granulaire grossier : Vibration verticale 99

VI

Page 13: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Liste des tableaux

2.1 Tableau des fonctions de deplacement de Reissner 16

2.2 Tableau des raideurs de Sung 17

2.3 Tableau des raideurs de Hseih 18

2.4 Raideurs statiques d'une fondation sur monocouche d'apres Kausel . . . . 20

2.5 Raideurs statiques d'une fondation circulaire enfouie selon Gazetas 21

2.6 Raideurs statiques d'une fondation carree enfouie (D/B < 2) 22

2.7 Rigidites statiques et dynamiques d'une fondation a la surface du sol [28] . 25

2.8 Coefficients d'amortissement d'une fondation a la surface du sol [25] . . . . 26

2.9 Rigidites dynamiques d'une fondation partiellement ou entierement enfouie

[26] 28

2.10 Coefficients d'amortissement d'une fondation partiellement ou entierement

enfouie [25] 29

2.11 Raideurs statiques des fondations filantes sur monocouche 31

2.12 Fonctions d'impedance des pieux [13] 35

2.13 Tableau des coefficients de rigidite et d'amortissement d'un pieu avec 1/R

> 25 pour un profile de sol homogene et 1/R > 30 pour un profil de sol

parabolique [13] 36

3.1 Evaluation de Vs de certains sols granulaires [37] 40

3.2 Evaluation de Vs de certains sols coherents [37] 41

4.1 Comparaison des reactions d'appui 79

vn

Page 14: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Chapitre 1

INTRODUCTION

1.1 Expose de la problematique

Sous charges dynamiques, l'etat de la pratique en ingenierie tel qu'il est reflete par

les normes, consiste a evaluer les efforts transmis a la fondation (efforts inertiels en pro­

venance de la structure) en negligeant toute interaction avec le sol : la superstructure est

supposee connectee rigidement au niveau de sa fondation. Les efforts ainsi calcules sont

ensuite utilises pour verifier la capacite portante de la fondation sous charge statique en

imposant des coefficients de securite (globaux ou partiels) fixes de fagon a prevenir tout

deplacement irreversible (tassement, glissement) de la fondation. Outre le fait que cette

approche neglige la souplesse du sol de fondation qui modifie, en les augmentant ou en

les diminuant, les efforts appliques [40], elle interdit de tirer parti de l'effet benefique

d'une plastification partielle du sol en imposant a la fondation de rester dans un domaine

de comportement elastique. Cette approche qui peut etre concevable pour des ouvrages

de faible importance peut se reveler inappropriee pour les ouvrages massifs et de grande

importance soumis a des charges dynamiques.

Le grand risque associe a certaines structures lors des seismes a cree le besoin d'ana-

lyses dynamiques rigoureuses avec prise en compte de l'interaction sol-structure. Dans cer­

tains cas, l'interaction sol-structure joue un role important dans l'analyse et la conception

des fondations et de ces structures. Les ingenieurs ont reconnu ce role et de nombreuses

f

Page 15: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

etudes se sont focalisees sur certains aspects du domaine.

Les fondations des pylones des lignes de transport d'energie electrique sont requises

pour resister non seulement aux charges statiques, mais aussi aux charges dynamiques

sollicitant ces structures tel que le vent. Plusieurs approches ont ete developpees pour

caracteriser les reponses des fondations vis a vis de ces charges.

L'evaluation de la reponse dynamique des fondations consiste a calculer les valeurs des

amortissements et des rigidites dynamiques ou encore les fonctions d'impedance de ces

fondations. On commence par distinguer les differents types de pylones et de fondations.

1.1.1 Les differents types de pylones

Pour acheminer l'electricite, les lignes de transport d'energie electrique sont consti­

tutes de conducteurs, de pylones qui les supportent et de fondations. Les pylones sont

generalement constitues par un assemblage de membrures metalliques entretoisees qui

forment un treillis (Fig 1.1), mais on retrouve aussi de nombreux autres types de pylones

(Fig 1.2 a 1.4) [6].

FlG. 1.1 - Pylone a treillis(Mae West)

2

Page 16: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

77777*

FIG. 1.2 - Pylone a chainettes et Pylone en V haubane

•f™

1 —-

'*/*/?*

-a

— A

"7/y ss, ' 7 T 7 7 7 7 7 T 7 7 T 7 7 :

FIG. 1.3 - Pylone tubulaire et Pylone a treillis

' / / / , / , ^ / w / ^ ; / / / / / ; ^ / / ' /

FIG. 1.4 - Portique

Page 17: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.1.2 Les differents types de fondations des pylones

Les fondations servent de bases aux pylones ou aux poteaux. Elles sont destinees

a assurer la stabilite de la superstructure en l'ancrant dans le sol. Les fondations des

pylones sont uniques (monopodes) ou a raison d'un par pied (tetrapodes). Les figures 1.5

a 1.9 presentent les principaux types de fondations existant dans les lignes de transport

[32] et [44].

m 7V7V7T ^ T ~7$l AN / \ s/\

FIG. 1.5 - Fondation monobloc, fondation a redan et fondation a cheminee

FlG. 1.6 - Tirant d'ancrage et fondation a grille

4

Page 18: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

FlG. 1.7 - Fondation a pieds separes

/ /

Iff / / /

/:-VVV

FIG. 1.8 - Pieux ou micropieux

rr

ifi §±9

TTJTj i i i i

I I I I i i I! 11 n

Tara

> I !

' • \ i -

iUA

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FlG. 1.9 - Virole et pieux avec chemisage metallique

5

Page 19: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.2 Objectif et oraganisation du rapport

1.2.1 Objectif de l 'etude

L'objectif principal de cette maitrise est d'evaluer les fonctions d'impedance des

fondations filantes afin de les utiliser lors d'une analyse du comportement dynamique

d'un pylone qui tient compte de l'interaction sol-structure.

Les objectifs specifiques consistent a :

- Valider les calculs des impedances des fondations en confrontant les resultats

obtenus a certains resultats existants dans la litterature.

- S'aligner a la realite dans 1'idealisation des profils des sols en considerant des

modules de cisaillement variables avec la profondeur.

- Implanter les impedances calculees a l'aide du logiciel "FLAC" aux pieds d'un

pylone a treillis modelise en utilisant le logiciel "ADINA".

1.2.2 Organisation du rappor t

Ce rapport est constitue de trois parties. La premiere contient un expose de la

problematique et une etude de l'etat des connaissances sur l'interaction sol-structure

particulierement le calcul des fonctions d'impedance tout en expliquant les differentes

notions traitees dans ce travail. La deuxieme partie presente le code de calcul FLAC et

quelques elements theoriques de modelisation. Elle contient une validation et quelques

exemples d'application pour evaluer les fonctions de deplacement des fondations filantes.

Finalement, le dernier chapitre est consacre a l'etude de l'influence des impedances sur le

comportement dynamique d'un pylone a treillis et par consequent sur le comportement

des lignes de transmission.

6

Page 20: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Chapitre 2

INTERACTION DYNAMIQUE

SOL-STRUCTURE :

TRAVAUX ANTERIEURS

2.1 Definition de l'interaction sol structure

Une superstructure soumise a des chargements statiques ou dynamiques transmet

les efforts encaisses a son support. De meme, le mouvement de la structure est affecte

par celui du support c'est a dire la fondation et par la suite le sol. L'interaction sol-

structure couvre deux phenomenes qui se produisent simultanement [45] : a)l'action et la

reaction entre le sol et la structure causant la deformation du sol et des mouvements de

la structure. II s'agit de l'interaction inertielle. b)compatibilite des deplacements entre la

fondation, le sol et la structure.

2.2 Prise en compte de l'interaction dynamique

sol-structure

Pour evaluer la reponse dynamique d'une fondation en tenant compte de l'interac­

tion dynamique sol-structure, les etapes de calcul sont les suivantes :

7

Page 21: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

- Estimer la valeur et les caracteristiques de la charge dynamique appliquee;

- Determiner les caracteristiques geotechniques et le profil du sol. A savoir, le mo­

dule de cisaillement G et le taux d'amortissement relatifs aux differentes couches

du sol;

- Predimensionner la fondation;

- Evaluer la reponse dynamique de la fondation predimensionnee. Cette etape de

conception commence souvent par simplifier le profil du sol servant de base a la

fondation, ensuite, il faut choisir la methode de calcul de l'interaction dynamique

entre le sol et la structure. A ce propos, plusieurs formulations et programmes de

calcul ont ete developpes;

- II reste a verifier si l'amplitude estimee dans les etapes precedentes est conforme

au critere de performance etablie. S'il ne Test pas, il faut repeter la procedure

jusqu'a satisfaction.

2.3 Etat des connaissances sur les fonctions d'impe-

dance et de deplacement

En 1903, Lamb [38] a etudie les vibrations d'un massif elastique lineaire semi infini

soumis a un chargement harmonique concentre. En 1936, Reissner [5] a analyse la reponse

d'un disque place a la surface d'un massif elastique isotrope et semi infini. Cette analyse

a revele l'existence d'une dissipation de l'energie par radiation comme si le milieu de pro­

pagation presentait un certain amortissement. En se basant sur ces resultats, Sung et al.

[48] ont etendu les travaux de Reissner aux mouvements des six degres de liberte de la

fondation.

L'idee d'assimiler le comportement du systeme sol fondation, en translation verticale, a

un oscillateur simple de raideur et d'amortissement constants a ete introduite par Lysmer

[33]. Cette approche est connue sous le nom de "l'analogie de Lysmer". Le debut des

annees 70 a connu un perfectionnement des methodes de prise en compte de l'interaction

sol-structure en presentant les resultats sous la forme de deux termes, l'un reel et l'autre

8

Page 22: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

imaginaire dependants de la frequence. II s'agit des fonctions d'impedance ou des fonc-

tions de emplacement.

Une etude bibliographique approfondie a permis de denombrer plusieurs references rela­

tives a l'estimation des fonctions d'impedance ou de deplacement qui ont fait l'objet de

plusieurs recherches analytiques, experimentales et numeriques. On commence par definir

les fonctions d'impedance et de deplacement, on presentera par la suite les differentes

methodes devaluation de ces fonctions.

2.3.1 Definition des fonctions d ' impedance

Une fondation soumise a une charge complexe P = P0eluJt est similaire a un oscilla-

teur a un degre de liberte dont le deplacement complexe est u(t) = UQe^t+tp\ Ainsi, on

a :

u(t) = ~ (2.1)

K est l'impedance dynamique qui modelise l'interaction de la structure avec le sol

sur lequel elle repose. Par definition, l'impedance est le quotient de la force appliquee

a la fondation par le deplacement resultant [1] et est une fonction de la pulsation de

vibration : K = f(iw). L'impedance peut etre representee par un ensemble de ressorts et

d'amortisseurs tel qu'indique sur la figure 2.1.

Une fondation rigide possede six degres de liberte (Figure 2.2), done la matrice d'im­

pedance est de dimension (6x6). Si la fondation est de forme quelconque, les differents

degres de liberte sont couples et la matrice d'impedance est pleine. Si la fondation possede

des symetries, certains termes de couplage qui sont hors diagonale disparaissent.

9

Page 23: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

v//////y////x/sA

5 ^ ^ ^ 5 < ? 5 ^ ^ ^ ^ ^ 5 < ^ ^ < 5 ^ ^

FlG. 2.1 - Modelisation des fonctions d'impedance d'une fondation soumise a une tion verticale

V \ .«"

'mn%fo

FIG. 2.2 - Les degres de liberte d'une fondation superficielle rigide

L'impedance dynamique K s'ecrit sous la forme [1] :

K = K(ui) + itoC(co)

On peut aussi l'ecrire sous la forme [1] :

K = Ks[k(co) + iaoc(u>)]

Avec :

LO : pulsation

Ks : rigidite statique

10

Page 24: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

K{u) = Ksk(uj) : rigidite dynamique

C(<J) = s y ' : amortissement

Vs : vitesse de propagation de l'onde de cisaillement

a0 = *f- avec Vs = , / f

G : module de cisaillement transversal

k(u>) : coefficient de rigidite

C(LO) : coefficient d'amortissement

Les coefficients ao, k et c sont sans dimensions et dependent de la pulsation u.

On constate done que l'impedance est le produit d'un terme correspondant a la

rigidite statique(rigidite a frequence nul le )^ et d'un terme correspondant a la partie

dynamique. Ce dernier terme comporte une partie imaginaire qui provient du dephasage

du deplacement par rapport a la force appliquee. Ce dephasage est lie a la dissipation

d'energie du systeme.

La figure 2.1 presente un exemple de modelisation des fonctions d'impedance d'une fonda-

tion. Le coefficient C reflete a la fois les amortissements radiatif et materiel qui dependent

principalement du taux d'amortissement.

L'amortissement radiatif est du a la dissipation de l'energie par les ondes s'eloignant de

la fondation et 1'amortissement propre ou materiel depend des caracteristiques du sol en

question. Souvent, pour un milieu homogene et des sollicitations de faibles a moyennes

amplitudes, 1'amortissement materiel est neglige par rapport a l'amortissement radiatif

Interpretation physique des fonctions d'impedance

Une interpretation physique des fonctions d'impedance permet de definir la reaction

complexe par [1] :

R = [Ks[k(co) + iaoc(u)]]u = Ku (2.4)

11

Page 25: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Etant donne qu'il s'agit d'une sollicitation harmonique :

u = icon (2-5)

On obtient alors l'equation suivante :

R = Ks[k^)\u+[KaB^U))]u (2.6)

2.3.2 Definition des fonctions de deplacement

La fonction adimensionnelle de deplacement ou de souplesse est l'inverse de la fonc-

tion d'impedance. Elle est definie par [15] :

F~W) ( }

C'est une fonction de la frequence qui peut s'ecrire aussi sous la forme generale :

F = f1(cj) + if2(u) (2.8)

Les fonctions de deplacement sont complexes et sont decomposees en deux parties :

reelle et imaginaire. La partie reelle rend compte de la raideur et de l'inertie du sol

tandis que la partie imaginaire rend compte de la dissipation de l'energie du systeme (par

radiation et par amortissement materiel).

La partie reelle represente la partie reversible de la deformation, tandis que la partie

imaginaire correspond a l'energie dissipee par la propagation de l'onde dans le sol et par

le caractere hysteristique du sol. Les fonctions de deplacement sont liees aux fonctions

d'impedance par les relations suivantes [15] :

h = WT¥ (2-9)

/vi n ^ M'O

h = WTe (2'10)

12

Page 26: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

fa = 7fT7f (2-12)

Oil d'apres l'equation (2.2), k\ = K{ui) et k^ = wC(w).

.3 Methodes d'evaluation des fonctions d ' impedance ou de de-

placement

Les techniques d'evaluation des fonctions d'impedance valables actuellement [18] et

englobent :

- les methodes analytiques basees sur les transformations par integration :

Plusieurs solutions analytiques ont ete rapportees dans la litterature. Les solu­

tions obtenues different selon les conditions aux limites qui ont ete adoptees pour

la resolution des equations differentielles. Dans une premiere approche (Reissner

[5], Sung [48], Deleuze [24]), la repartition des contraintes est supposee connue a

la surface du demi espace. Les equations elastodynamiques permettent d'en de-

duire la repartition des deplacements qui ne sont cependant pas compatibles avec

Phypothese d'une fondation rigide. Ce sont alors les valeurs moyennes des depla­

cements qui sont prises en compte. La deuxieme approche utilisee par Veletsos

et al. [49] et Luco [34], considere que les conditions aux limites utilisees pour la

resolution des equations elastodynamiques sont mixtes. Elle suppose done connue

la repartition des deplacements sur la zone de contact et preserve ainsi l'hypo-

these d'une fondation rigide pour les mouvements principaux de la fondation. Les

methodes analytiques ne sont pas valables pour les fondations partiellement ou

entierement enterrees;

- les methodes semi analytiques : fondees sur la formulation des elements de fion-

tiere. Ces methodes necessitent la discretisation de l'interface sol-structures;

- la methode des elements finis dynamiques : la prise en compte de non linearite,

13

Page 27: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

geometrique ou materielle, au niveau de la fondation interdit de proceder a reva­

luation des efforts en decouplant les phenomenes devaluation des efforts de la

verification de la capacite portante. Le probleme global doit etre traite en une

seule etape et le modele doit inclure le sol, la fondation, l'interface avec le sol et

la superstructure. Si les methodes par elements finis permettent theoriquement

d'apprehender ces phenomenes, elles restent totalement inadaptees au dimension-

nement des ouvrages du fait de leur lourdeur de mise en oeuvre et des difficultes

pour modeliser correctement la propagation des ondes dans un milieu infini. Ces

methodes restent limitees a des verifications d'une structure deja dimensionnee et

font appel a des competences et des moyens dont peu d'ingenieurs disposent. On

ajoutera de plus que les modeles de comportement requierent un nombre impor­

tant de parametres bien souvent inconnus au stade preliminaire de conception ou

difficiles a mesurer. Velestos et Wei [23] ont introduit des solutions numeriques.

On note aussi les contributions de Lysmer [39], Luco [35] et Gazetas [28];

- la methode hybride : consiste a coupler les methodes analytiques et les methodes

des elements finis.

- la methode des elements finis avec elements de frontieres : il s'agit de coupler

les elements finis dans la structure et les elements de frontiere dans le sol. D'une

part, la modelisation de la structure du pylone ainsi que les chargements qui lui

sont appliques, sont realises avec le code d'elements finis, et d'autre part, il faut

proceder a 1'analyse des contraintes dynamiques obtenues a partir des caracte-

ristiques des elements de la structure modelisee a l'aide d'un code d'elements de

frontiere. II est done necessaire de constituer une interface entre les deux codes

pour enchainer les deux operations precedentes.

Methodes simplifiees de calcul des fonctions d'impedance [2]

Afin de contourner les difficultes de prise en compte de la variation de la frequence,

une simplification a etc proposee pour l'estimation des fonctions d'impedance indepen-

dantes de la frequence. Les resultats de cette approche correspondent un peu aux resultats

de calcul des impedances en fonction des frequences dans le cas d'une fondation circulaire

14

Page 28: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

reposant sur un milieu semi infini isotrope elastique et lineaire.

Le choix d'une methode ou d'une autre depend de la nature et de l'importance du projet

et de la validite des codes de calcul. Cependant, plusieurs parametres doivent etre pris en

compte quelque soit la methode devaluation choisie :

- La geometrie de la fondation;

- La profondeur de la fondation (a la surface, partiellement ou entierement enterree

et profonde);

- La nature et le profll du sol.

2.3.4 Fondations circulaires

1. Contribution de Reissner [5] :

En 1936, Reissner a etudie la vibration d'une fondation circulaire reposant sur un

demi espace elastique homogene et isotrope. La fondation est soumise a un char-

gement vertical harmonique. Les fonctions d'impedance au centre de la fondation

sont definies par :

K^GroReKh + ih)-1] (2.13)

Cz = GrQIm[{h + if2)~1}/a0 (2.14)

Re : partie reelle,

Im : partie imaginaire,

TQ : le rayon de la fondation,

G : le module de cisaillement du sol,

a0 : la frequence adimensionnelle.

15

Page 29: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

V

0

1/4

1/2

Fonctions f\ et ji

h = -0.319(1 - 0.291ag + 0.023a£ + ...) /2 = -0.282Ji(1.145ao + 0.0516a0(l - 0.056ag + ...)

h = -0.239(1 - 0.25a^ + 0.0175a£ + ...) f2 = -0.18357i(1.09ao + 0.048a0(l - 0.063a§ + ...)

/ i = -0.159(1 - 0.25a2 + 0.0153^ + ...) f2 = -0.109Ji(1.047o0 + 0.068a0(l - 0.065ag + ...)

TAB. 2.1 - Tableau des fonctions de deplacement de Reissner

A et J2 • les fonctions de deplacement de Reissner. Elles sont presentees dans le

tableau 2.1 sous forme de developpements limites en a0. On note que J\ est la

fonction de Bessel d'ordre 1 definie par :

^W = E(- ir^Tl)!(I)2r+1 (2-15)

2. Contribution de Sung [48] :

En 1953, Sung a repris les resultats etablis par Reissner. II a resolu le probleme de

determination des fonctions d'impedance dans les trois cas suivants :

- La distribution du deplacement est uniforme;

- La distribution des contraintes est uniforme;

- La distribution des contraintes est parabolique sur l'interface sol-fondation

Les resultats obtenus par Sung [48] sont presentes dans le tableau 2.2 sous la forme :

Kz = Gr0[kv(aQ) + ia0cv(a0)] (2.16)

16

Page 30: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Hypothese

Fondation rigide

Repartition uniforme des contraintes

Repartition parabolique des contraintes

V

0 1/4 1/2

0 1/4 1/2

0 1/4 1/2

Kv

4.00 - 1.19ag 5.33 - 1.35a§ 8.00 - 2.60ag

3.14-0.51a§ 4.19 - 0.58a2

0

6.28 - 1.14og

2.36-0.19ag 3.14-0.21ag 4.71 - 0.44a^

cv

3.43-0.15ag 4.23 - 0.16a§ 6.69 - 0.60ag

2.12 - 0.02a§ 2.61 - 0.02a2

0

4.13-0.15ag

1.19 + 0.003a§ 1.47 + 0.0004a§ 2.32 + 0.030ag

TAB. 2.2 - Tableau des raideurs de Sung

3. Contribution de Hseih [47] :

Hseih a continue l'etude de Sung en l'etendant aux cas de translation horizontale,

de balancement et de torsion. Les resultats de Hseih sont presentes dans le tableau

2.3. L'indice i correspond aux trois mouvements de translation horizontale, de roulis

et de torsion.

1 1

firjmh

Cv

/A

<~u~ -h

/mmfrwmtfi 'J//J)/J/J/S

FIG. 2.3 - Modes de vibration d'une fondation : vertical, horizontal, balancement et torsion

17

Page 31: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Mode

translation hori-zontale

balancement

tprsion

V

0 1/4 1/2

0 a 1/2

0

fcj

4.51 - 0.15ag 4.80 - 0.20a2

0

5.30 - O.lOa^

2.50 - QA0a20

5.10-0.30ag

Ci

2.60 - 0.07a20

2.50 - 0.30ag 3.00 - 0.25a2

0

0.40a0

0.30a0

a0

0 < a0 < 2.0

0 < a0 < 2.0

0 < a0 < 1.5

TAB. 2.3 - Tableau des raideurs de Hseih

4. Contribution de Deleuze [24] :

En 1967, Deleuze est le premier a considerer le couplage des modes de vibration.

II presente ses resultats sous forme de fonctions de deplacement tracees sur des

courbes [15].

5. Contribution de Veletsos et Wei [22] :

Selon Veletsos et Wei, les fonctions d'impedance s'ecrivent sous la forme :

8Gr n . , Kh = 77Z^\kh + moCh) (2.17)

8Grs

3(1 - v) (2.18)

8Gr2n hr = 2 _ ^ hr + m°Chr (2.19)

Leurs resultats figurent dans l'ouvrage de Sieffert et Cevaer sous forme d'abaques

[15].

18

Page 32: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

6. Contribution de Luco [34] et [35] :

2B 7 * y

\ \ 2

V

FIG. 2.4 - Schema de la fondation utilise par Luco

Les etudes de Luco fournissent les fonctions d'impedance d'une fondation circulaire

sur un sol elastique stratifie. Le sol est une couche reposant sur un demi espace

elastique. Luco donne les fonctions d'impedance relatives aux vibrations horizon-

tale, verticale et de balancement sous la forme etablie par Veletsos et Wei. Ces

fonctions sont definies pour certains cas en fonctions des parametres adimension-

nels Vsi/Vs2, P1/P2, v\,i>2, H/TQ. Les indices 1 et 2 correspondent respectivement

a la couche du sol et au milieu semi infini comme indique sur la figure 2.4.

7. Contribution de Kausel [4] :

En 1974, Kausel a discretise le sol par des elements finis. II s'agit d'une monocouche

d'epaisseur finie, Hs, reposant sur un substratum rigide. Les fonctions d'impedance

pour un mode de vibration j sont definies par l'expression 2.20 :

Kj = KSj[Kj{aS + iaoCjKOKl + 2«) (2.20)

les raideurs statiques K$j relatives a chaque mode de vibration sont definies au

tableau 2.4. Le facteur d'amortissement utilise dans les calculs est egal a 0.05.

19

Page 33: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Mode

vertical

horizontal

balancement

torsion

Raideurs statiques KSj

f^(l + 1.28£)

2 ^ ( 1 + 2H~a)

3(1-1/)^ ^ mj

16Gr3

3

Domaine de validite

HA>2

r

r

1 < Ms. < 4 r

£* > 1.25 r —

TAB. 2.4 - Raideurs statiques d'une fondation sur monocouche d'apres Kausel

Kausel a ensuite etudie l'influence du facteur d'amortissement sur les coefficients

dynamique Kj et Cj pour une monocouche d'epaisseur Hs = 2r. II presente ses resul-

tats sous forme d'un tableau de rigidites statiques et d'abaques de Kj(aa, £ ,Hs/r)

et Cj(a0, £, Hs/r) pour chaque mode de vibration de la fondation. Ces abaques sont

presentes en annexes A.l a A.4. En 1969, Kausel a etudie l'influence de la profon-

deur d'encastrement de la fondation circulaire sur les fonctions d'impedance.

8. Contribution de Gazetas [15] :

Gazetas presente pour chaque mode de vibration, la raideur statique d'une fondation

circulaire reposant sur un milieu fmi sous forme de formule empirique. Ces raideurs

dependent de la hauteur Hs du sol et sont fonctions de la hauteur d'enfouissement

D comme cela est indique dans le tableau 2.5 :

20

Page 34: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Mode

Vertical

Horizontal

Balancement

Horizontal Balancement

Torsion

Raideurs statiques

g [ l + i .28£][l + £][1 + (0.85 - 0 . 2 8 ^ ) , ^ ]

B[ l + ^][ l + f][l + ^ l

sfS)[l + ak][l + f][l + ^ ]

0AQKshD

16f3[l + 2.67D]

TAB. 2.5 - Raideurs statiques d'une fondation circulaire enfouie selon Gazetas

2.3.5 Fondations rectangulaires

Foundations rectangulaires a la surface du sol

La fondation est supposee rigide et sans masse de longueur 2L et de largeur 2B. Les

resultats existants dans la litterature traitent des fondations superficielles ou enterrees

reposant sur un milieu semi infini, elastique, homogene et isotrope. Deux approches sont

possibles :

- considerer une fondation circulaire equivalente

- effectuer un calcul direct

L'impedance des fondations rectangulaires est exprimee pour chaque mode de vi­

bration sous la forme suivante :

K, = KSj[Kj + iaoCj] (2.21)

j designe le mode de vibration.

Ces fonctions d'impedance ont ete developpees par Dominiguez et Rosset [20] par la

methode des elements aux frontieres pour les parametres v = 1/3, £ = 0 et L/B variable.

L'utilisation de l'expression precedente necessite la connaissance des raideurs statiques.

Les resultats de Dominiguez sont presentes sous forme d'abaques dont une partie figure

en annexes A.5 et A.6.

21

Page 35: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Fondations rectangulaires enfouies

Mode

Vertical

Horizontal

Balancement

Torsion

Raideurs statiques

19GB r-i , 2D] 4( l -v) L1 "1" 5Bl

47GB r-i , 9D ] 5(2-v) L "*" lOfiJ

35GB3 fi | 5Dl 8(l-i/) l 1 ~r 2SJ

26GB3 H | 51Di 3 I 1 i" 20SJ

TAB. 2.6 - Raideurs statiques d'une fondation carree enfouie (D/B < 2)

Le cas des fondations rectangulaires enfouies a ete etudie par Dominiguez et Rosset

[20] par la methode des elements frontieres. La fondation repose sur un sol semi infini

elastique homogene et isotrope. L'adherence entre le sol et la fondation est parfaite. On

donne dans le tableau 2.6 [20], les raideurs statiques fournies par Dominiguez et Rosset

[20] pour une fondation de forme carree. Elles sont fonction du rapport d'enfouissement

D/B (D est la profondeur).

Pour le mode de couplage translation horizontale-balancement, l'impedance est de-

finie par :

Khr = BKSh[Khr + ia0Chr] (2.22)

Les abaques des coefficients de rigidite et d'amortissement dynamiques des fonda­

tions carrees ou rectangulaires sont fournies dans le manuel des fonctions d'impedance

[15]. On note que pour tous les modes de vibration, les coefficients de raideur Kj de-

croient avec la frequence. Cette decroissance augmente avec le rapport d'enfouissement.

Les termes d'amortissement Cj, en mode de translation, varient legerement avec la fre­

quence pour chaque rapport d'enfouissement. lis augmentent quand D/B augmente.

22

Page 36: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

2.3.6 Fondations de forme quelconque

# y

! » „ . _ - — — _ — , . _ ...,««|

f i

FlG. 2.5 - Fondation superficielle de forme quelcuonque

Gazetas [27] fournit un ensemble recapitulatif de tableaux fonctions de certains pa-

rametres adimensionnels et d'abaques valables pour une fondation de forme quelconque

a la surface ou enfouie reposant sur un milieu semi infini (figure 2.6 et 2.7) homogene ou

sur un massif de sol qui s'appuie sur un substratum rocheux (figure 2.8 et 2.9). II four­

nit aussi des formules algebriques et des courbes adimensionnelles correspondants a une

fondation superficielle non enfouie reposant sur un demi espace heterogene. Ces resultats

se basent sur des modeles physiques simples calibres par les resultats de la formulation

des elements aux frontieres. lis utilisent tous les travaux anterieurs relatifs au calcul des

fonctions d'impedance.

Les tableaux 2.7 a 2.10 illustrent les rigidites statiques et dynamiques, ainsi que les amor-

tissement correspondants aux cas des fondations superficielles a la surface ou enfouies

dans le sol etudie par Gazetas. Les courbes de variation des coefficients de rigidite et

d'amortissement relatifs a une vibration horizontale sont presentes en annexe.

23

Page 37: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1 Y//SS/////WA

H o r n O f j . n e o u s H a l :

• • • • . Q , V , p \ •

FlG. 2.6 - Fondation a la surface d'un milieu homogene semi infini

$2* ^

V///////////M .-,

' H omoge . n e o u s Ha I f sp f l « « .. G , V , p ; / • . . : .

FIG. 2.7 - Fondation partiellement ou entierement enfouie dans un milieu homogene semi infini

H o m o g e n e o u s S t i

' ; - • - • . c ,, v , p _.,•_•.

wj^&7.w^^yAWJJi^^g77^?g w,,w^v7'^^/^«'y|yw^A^/wy--

FIG. 2.8 - Fondation a la surface d'un sol reposant sur un substratum rocheux

"•"~T- •'.

: " *;

;:J> '••'•i'S

' : r a RJ?'T-•' ' ' ' ' : ' " . ' • ." n „ W * • " • ' • • • ; : •• • •

••'. •vtf&M/M/aA -. •= r '•.•

' K i n o g m i t v s ' S i t p t u rn ;

;';•;•.:!;•-, G , v , p/. : i/.V;- '.-."•.- •_ T .-

FlG. 2.9 - Fondation enfouie dans un sol reposant sur un substratum rocheux

24

Page 38: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Fondation a la surface du sol

Type de vibration

Vertical, z

Horizontal.y

Horizontal.x

Rotation , rx

Rotation, ry

torsion

Rigidite dynamique k = k x k{w)

Rigidite statique

Forme quelconque

Kz = i^ (0 .73 + 1.54x0'75)

avec x = •£&

Ky = f±(2 + 2.5X0-85)

K* = Ky-^-vGL{l-l)

^ = I^4°c75(§)°-25(2.4 +

0.5f)

IS _ G 7-0.75 \olh \0.151

fct = GJ6°-75[4 + l l ( l - f ) 1 0 ]

avec Jfe = Ibx + Iby

Forme circulaire

js 4.54GB JXz ~~ l-u

JS _ 9 G B

Kx = Ky

1. _ 3 .6GB 3

" T I J _ j ,

£• — h

h = 0.83GB3

Coefficient de rigi­dite dynamique k

0 < o0 < 2

Kz = kz(~,v,a0)

Ky = ^y(s'ao)

Kx~l

krx ~ 1 — 0.20ao

?y < 0.45 : kry ~ 1 — 0.30a0

1/ ~ 0.5 : &„, ~ 1 — 0.25a0(|)0-3

/ct ~ 1 - 0.14a0

TAB. 2.7 - Rigidites statiques et dynamiques d'une fondation a la surface du sol [28]

Aw est le perimetre de la base de la fondation et Ab sa surface. Ibx et Iby sont les moments

d'inertie autour de x et y.

25

Page 39: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

F I G . 2.10 - Determination des coefficients de rigidite-A^

Type de vibration

Vertical, z

Horizontal.y

Horizontal.x

Rotation , rx

Rotation, ry

torsion

Coefficient d'amortissement radiatif

Cz = {pVLaAb).cz avec cz = cz(L/B; u, aQ)

Cy = (pVsAb).cy avec cy = cy(L/B; a0)

cx ~ pVsAb

crx — (pVLaIbx)Crx avec crx = crx(L/B; a0)

cry ~ (pVLaIby)Cry avec cry = cry(L/B; o0)

Ct = (pVsJb)ct avec ct(L/B; a0)

TAB. 2.8 - Coefficients d'amortissement d'une fondation a la surface du sol [25]

26

Page 40: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

F I G . 2.11 - Determination des coefficients d'amortissement-cz

V, La SAVa

7T(1 - V) (2.23)

Vs est la vitesse de cisaillement du sol.

27

Page 41: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Fondation partiellement ou entierrement enfouie

Mode de vibra­tion

Vibration verti-cale z

Vibration hori-zontale y ou x

Rotation, rx

Rotation, ry

Couplage translation-rotation (x,ry)(y,rx) Torsion

Rigidite dynamique "'emb "'emb-Kemb\W)

rigidite statique keTOf,

[1 + 0.2(^)2/3]

K-y,emb ~ ™z,sur\*- T U.lb-W -g X [1 +

0.52( |^)0-4]

^rx,emb "rx,sur X ( 1 + l .ZD-g[ l +

d(d\~0.2 /Bl\ B\B> Y Li'

fcry,emb ™ry,sur\*- ~T~ ^•^^,\~[J) [L5 + ( i )1 .9 x (|)1.9 x(-^)-°-6])

^xry^emb — ^^J^Jx,emb

K"yrx,emb — ^^^y^emb

kt,emb = kt,sur X [1 + 1 .4(1 + f ) X

Coefficient de rigidite dynamique kemb(w) pour 0 < a0 < 2

Tot. enterree : Kembz,sur = [1 ~ 0 . 0 9 ( f ) 3 / 4 a § ]

Dans un tranchee

Part, enterree : estimee par inter­polation entre les deux

Tot. enterree, L = 1 — 2 kz emb — 1 - 0.09(f )3/4a2

Tot. enterree, L > 3 kzemb ~ 1 — 0.35(§)V2al-5

ky,emb et kXiemb sont fonction de | | > ^ et j | pour chaque valeur de a0

^rx,emb ^rx,sur

^ry,emb K>ryysur

^xry,emb — ^yrx,emb — •*•

^t,emb — ^t,sur

TAB. 2.9 - Rigidites dynamiques d'une fondation partiellement ou entierement enfouie [26]

28

Page 42: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Mode de vibra­tion

Vibration verti-cale z Vibration hori-zontale y ou x

Rotation, rx

Rotation, ry

Couplage translation-rotation (x,ry) {y,rx) Torsion

Coefficient d'amortissement radiatif Cemb{w)

Fondation de forme quelconque ^z.erofe = ^z,sur T~ P's-'Mo

P VLa,Awce

Aus = / A-Aui SHU/j)

AWce = / j\Awj COS ifi)

^rx,emb = = ^rx,sur

pVs(Jws + E J ^ c e i A f ] ) X £

cl = 0.25 + 0.65v^(|)~ao /2 x

^yrx^emb r~-' ^^^y^emb

pVLaJwceC2 + pVsY!Awi&li]c2

Fondation rectangulaire 2Lx2B Cz,emb = ApVLsBLcz + 4p1/s(5 + L)d Cz,emb = ±pVLsBLcy + 4pVsBd + 4pVLsLd

^-'rx,emb == ^P^La-D LjC-rx '

\pVLaSLcy + lPVsBd(B2 + d2)cx + ApVsB^Lc!

a

Ct,emb = lpVsBL(B2 + L2)ct + lpVLad(B3 + L*)c2PVsdBL{B + L)c2

TAB. 2.10 - Coefficients d'amortissement d'une fondation partiellement ou entierement enfouie [25]

29

Page 43: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

2.3.7 Fondations filantes

FIG. 2.12 - Schema d'une fondation superficielle filante

Une fondation filante est une fondation dont le rapport longueur par largeur est superieur

a 10 [15]. Ce rapport est estime de fagon que le probleme des effets de bords soit pris

en compte. Les fonctions d'impedance d'une fondation filantes sont calculees par unite

de longueur. Elles sont definies sous la forme generale de l'equation (2.2) ou (2.3). On

note que pour les fondations filantes, trois modes de vibrations sont possibles. Le mode

de torsion n'a pas de sens dans ce cas.

Fondations filantes a la surface du sol

1. Fondation reposant sur un milieu semi infini :

Gazetas [15] a traite le cas des fondations filantes sur un milieu semi infini elas-

tique, homogene et isotrope (voir annexes A.9 et A. 10). Les fonctions d'impedance

ont ete developpees par une methode analytique d'equations integrates resolues nu-

meriquement. Les raideurs statiques des mouvements de translation d'une fondation

de longueur infinie reposant sur un milieu semi infini sont nulles. Quant au mode

de balancement, la raideur statique est donnee par l'equation 2.24.

K ^ l + [ ln(3 — Av) 2

7T (2.24)

2(1 - u)

Gazetas [15] a etudie la variation des fonctions d'impedance avec les coefficients

de Poisson. De point de vue frequence, les parties reelles des fonctions d'impe-

30

Page 44: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

dance croissent et atteignent un pic quand ao augmente. Les parties imaginaires

augmentent lineairement avec ao-

2. Fondation sur monocouche reposant sur un substratum rocheux :

Gazetas a aussi etudie le cas des fondations filantes reposant sur un monocouche

d'epaisseur Hs. II propose avec Roesset [15] les expressions consignees dans le tableau

2.11 pour les raideurs statiques. Le comportement dynamique des fondations filantes

est decrit par des abaques dans le manuel des fonctions d'impedance. Ces fonctions

sont presentees sous forme de fonctions de deplacement adimensionnelles F.

Le tableau 2.11 des rigidites statiques n'est pas necessaire pour l'utilisation de

courbes de fonctions de deplacement.

mode

vertical

horizontal

balancement

raideur statique

OT + 3.5£]

l^[l + 2fi

2 ( 1 - J / ) L 1 ^ 5ffsJ

domaine de validite

1 < ^ < 10

1 < ^ < 8

1 < ^ < 3

TAB. 2.11 - Raideurs statiques des fondations filantes sur monocouche

31

Page 45: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Par rapport aux fondations filantes reposant sur un milieu semi infini, les fonctions

de deplacement presentent des pics qui se traduisent par des creux dans les fonc­

tions d'impedance. lis correspondent a des frequences de resonance de la couche.

Le demi espace homogene et la monocouche reposant sur un substratum rigide sont

deux idealisations de profils de sol. Gazetas et al. [15] ont etudie le comportement

des fondations filantes en utilisant un modele de sol plus general : une couche de sol

de module de cisaillement Gl sur un demi espace de module de cisaillement G-2- II

etait necessaire d'introduire le parametre G1/G2 dans les etudes parametriques des

fonctions de deplacement.

En utilisant la methode des elements frontieres, Huh [15] a etudie le cas d'une fonda-

tion filante sur un monocouche reposant sur un substratum rigide. Les fonctions de

deplacement obtenues par Huh dans le cas d'une vibration verticale sont presentes

sur les figures 2.13 et 2.14.

-0.5 H—• 1 1 \ 1 0.0 0.4 0J3 1.2 1.6

FIG. 2.13 - Fonctions de deplacement : partie reelle

32

Page 46: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

IG'l

-osi i— f 1 i 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6

-to* wB/Vs

FIG. 2.14 - Fonctions de deplacement : partie imaginaire

Fondations filantes enfouies

Ce cas a ete etudie par Huh. Le sol de fondation repose sur un substratum rocheux. Les

resultats sont presentes sous forme de fonctions de deplacement. On signale que Huh [15]

a calcule ces fonctions non pas au centre geometrique de la surface de contact inferieur

du sol fondation mais au centre de gravite de la cavite.

33

Page 47: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

2.3.8 Fondations profondes

Jnhomesentows

u o r • " ' • " I

homogeneous '.-,

• ' . - V ;•:•.'•: : v - ' U

FIG. 2.15 - Schema d'une fondation profonde

Pour une fondation profonde, la determination de la rigidite dynamique et des amor-

tissements est plus compliquee vue la prise en compte de l'interaction entre les pieux

(l'effet de groupe [41]).

Pour un seul pieux, les fonctions d'impedance peuvent etre determinees grace aux ap-

proches de Gaztas et Dobry [29] (tableau 2.12), El Naggar et Yasser [12], Nogami et

Novak [42] (tableau 2.13) ou aux calculs par elements finis faits par Wolf [9] et [36], No­

vak [13] et El Naggar [8] et [7]. Les fonctions d'impedance sont calculees d'abord pour un

seul pieux, puis, l'effet de groupe est comptabilise moyennant les facteurs d'interaction.

Pour des charges statiques, l'effet de groupe peut etre determine grace aux tableaux eta-

blies par Poulos. Tandis que, pour des charges dynamiques, les approches de Dobry et

Gazetas [10] et gazetas et makris [16] sont applicables.

34

Page 48: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Type de vibration

Vertical

Horizontal

Rotation

Couplage horz-rot

Torsion

Rigidite dynamique

Kv = ^(fvl)

•K-u = ~ftT\J ul)

K^ = ir(/v>i)

Kc = ^{fcl)

KV = - R - ( / » 7 l )

Coefficient d'amortissement

EVA( t \ Cv — Va \Jv2)

t-"u — R2Va \Ju2)

c i > = -vriM

cc= mrs(fc2)

ct = %f(U)

TAB. 2.12 - Fonctions d'impedance des pieux [13]

Kc = Kxg = Kgx ; E : module d'Young du pieux; A : section transversale du pieux;

I : moment d'inertie du pieux et R : rayon du pieux.

Les coefficients adimensionnels utilises dans le tableau 2.12 sont presenter dans le tableau

2.13 ou le taux d'amortissement du sol est egale a 0.05 et celui du pieux est de 0.01 [13].

fui e^ fu2 s o n t les coefficients d'amortissement et de rigidite des pieux dont les tetes ne

transmettent pas les efforts de flexion.

35

Page 49: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

V -Qpieux 1 ^ so l Coefficients de rigidite

fi>i fcl ful fp Jul

Coefficients d 'amort issement

fl>2 fc2 ful fp Ju2

(a)Profil du sol homogene

0.25

0.40

0.25

0.40

10000

2500

1000

500

250

10000

2500

1000

500

250

10000

2500

1000

500

250

10000

2500

1000

500

250

0.2135

0.2998

0.3741

0.4411

0.5186

0.2207

0.3097

0.3860

0.4547

0.5336

0.1800

0.2452

0.3000

0.3489

0.4049

0.1857

0.2529

0.3094

0.3596

0.4170

-0.0217

-0.0429

-0.0668

-0.0929

-0.1281

-0.0232

-0.0459

-0.0714

-0.0991

-0.1365

0.0042

0.0119

0.0236

0.0395

0.0659

0.0047

0.0132

0.0261

0.0436

0.0726

(b)Profil du sol

-0.0144

-0.0267

-0.0400

-0.0543

-0.0734

-0.0153

-0.0284

-0.0426

-0.0577

-0.0780

0.0019

0.0047

0.0086

0.0136

0.0215

0.0020

0.0051

0.0094

0.0149

0.0236

0.0021

0.0061

0.0123

0.0210

0.0358

0.0024

0.0068

0.0136

0.0231

0.0394

0.1577

0.2152

0.2598

0.2953

0.3299

0.1634

0.2224

0.2677

0.3034

0.3377

Parabolique

0.0008

0.0020

0.0037

0.0059

0.0094

0.0009

0.0022

0.0041

0.0065

0.0103

0.1450

0.2025

0.2499

0.2910

0.3361

0.1508

0.2101

0.2589

0.3009

0.3468

-0.0333

-0.0646

-0.0985

-0.1337

-0.1786

-0.0358

-0.0692

-0.1052

-0.1425

-0.1896

-0.0252

-0.0484

-0.0737

-0.1008

-0.1370

-0.0271

-0.0519

-0.0790

-0.1079

-0.1461

0.0107

0.0297

0.0579

0.0953

0.1556

0.0119

0.0329

0.0641

0.1054

0.1717

0.0060

0.0159

0.0303

0.0491

0.0793

0.0067

0.0177

0.0336

0.0544

0.0880

0.0054

0.0154

0.0306

0.0514

0.0864

0.0060

0.0171

0.0339

0.0570

0.0957

0.0028

0.0076

0.0147

0.0241

0.0398

0.0031

0.0084

0.0163

0.0269

0.0443

TAB. 2.13 - Tableau des coefficients de rigidite et d'amortissement d'un pieu avec 1/R > 25 pour un profile de sol homogene et 1/R > 30 pour un profil de sol parabolique [13]

36

Page 50: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Lorsque les pieux sont tres espaces, l'effet de groupe devient tres negligeable. Les

fonctions d'impedance sont obtenues par sommation des fonctions des pieux singuliers.

Les fonctions d'impedance sont de la forme suivante :

Kt = ki(a0) + iu}Ci(a0) (2.25)

Cette forme a ete developpee par Nogami, Novak et Aboul Ellas [42]pour des pieux dans

un sol stratifie. Elle est applicable sous reserve de verifier les hypotheses suivantes :

- La section transversale du pieu est constante en fonction de la profondeur;

- Le sol est homogene ou le module de cisailement transversal G possede un profil

parabolique en fonction de la profondeur;

- Les pieux sont encastres en tete;

- Les pieux peuvent etre flottants ;

- Les deux types d'amortissement cites precedemment sont consideres.

On distingue cinq facteurs d'interaction dans le cas de groupe de pieux charges transver-

salement (trois relatifs aux deplacement et deux a la rotation) qui sont fonctions du type

de conditions en tete et du type de chargement. Les facteurs d'interaction dans le cas de

pieux charges transversalement dependent de l'espacement entre les pieux, de la longueur

des pieux, de la rigidite relative sol-pieux et de l'angle que fait la direction du chargement

avec la direction de la ligne joignant les pieux [46].

37

Page 51: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Chapitre 3

CALCUL DES IMPEDANCES DES

FONDATIONS FILANTES

L'objectif de ce chapitre est d'evaluer les fonctions de deplacement des fondations

filantes a 1'aide de simulations numeriques (FLAC)[31]. Apres l'ultime etape de validation

des calculs par rapport aux travaux existant dans la litterature, vient revaluation des

fonctions de deplacement d'une fondation enfouie dans un sol monocouche de module

de cisaillement constant. Les memes calculs pour une fondation a la surface d'un sol

bicouche constitueront l'etape suivante. Une attention particuliere est accordee a l'etude

de l'influence de la vitesse des ondes de cisaillement sur les valeurs des fonctions de

deplacement. A cet effet, trois types de sols sont consideres avec des vitesses de cisaillement

Vs constantes en premier puis variables avec la profondeur. La comparaison des resultats

obtenus dans les deux situations montre l'interet de faire varier la vitesse et par consequent

le module de cisaillement. Finalement, on s'interesse a l'influence du type de sol choisi

sur les fonctions de deplacement pour differentes frequences de chargement.

Notons que les fondations filantes presentent un cas particulier de structures a invariance

monodirectionnelle, les valeurs des fonctions de deplacement sont ainsi calculees par metre

lineaire.

38

Page 52: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.1 Parametres dynamiques du sol

devaluation des fonctions d'impedance ou de deplacement est essentiellement basee

sur la determination des caracteristiques dynamiques du sol. Deux parametres essentiels

peuvent etre retenus pour decrire le comportement dynamique d'un sol : le module de

cisaillement "G" et l'amortissement. De ce fait, G doit etre mesure correctement. Ce

parametre permet de determiner la frequence naturelle d'un depot de sol qui s'avere tres

utile dans une analyse d'interaction sol-structure.

3.1.1 Module de cisaillement

Pour determiner le module G, on doit obtenir la fonction qui relie la contrainte de

cisaillement a la deformation de distorsion. La courbe de la figure 3.1 illustre un exemple

de comportement lors d'une sollicitation cyclique (c'est un hysteresis qui se developpe en

fonction du nombre de cycles). Le module de cisaillement maximum Go ou Gmax definit le

comportement elastique du sol (distorsion < 10""3). Dans le domaine elasto-plastique, les

deformations sont representees par un module G equivalent qui est souvent exprime sous

la forme reduite G/Gmax. II existe dans la litterature un nombre important de relations de

G/Gmax en fonction de v pour les differents types de sols. Dans cette etude, on s'interesse

au comportement elastique du sol, Gmax. G peut etre determine a partir de la vitesse de

cisaillement, Vs et de la densite p, par la relation 3.1.

G = pVs2 (3.1)

La vitesse des ondes de cisaillement est un parametre qui permet de caracteriser le

sol d'un point de vue mecanique ou geotechnique. L'avantage de ce parametre est qu'il

peut etre mesure in situ a l'aide d'une methode non intrusive (sans forage ni sondage).

39

Page 53: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

' Mocfule tangent au point M " ffl

Module secant au point M

Modules equivalents fooction de I'amplitude cles cycles

Deformation

vtoduie equivalent au point P

FlG. 3.1 - Evolution de la contrainte de cisaillement en fonction de la deformation

Le module de cisaillement a faible deformation est lie aux proprietes geotechniques

du sol. II depend de l'indice de vide e, du degre de surconsolidation et des conditions de

chargement. II peut etre determine de fagon indirecte a l'aide des relations presentees au

tableau 3.1 pour les sols granulaires et au tableau 3.2 pour les sols coherents.

type de sol

sable a grains arrondis

sable a grains angu-leux

till

Va (m/s)

W ^ F 1 ^ W^*'1'4

( l l l - S l e V 1 / 4

indice de vide e

0.35 < e < 0.85

0.60 < e < 1.30

0.30 < e < 0.80

TAB. 3.1 - Evaluation de Va de certains sols granulaires [37]

Dans le tableau 3.2, k est un coefficient qui varie entre 0 et 0.5.

40

Page 54: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

type de sol

argile

argile et silt

Va (m/s)

(76.24 -31.28e)OCRk/2aU4

(73.03 - 33.86e)OCRk/2aT

indice de vide e

? < e < 1.30

0.40 < e < 1.40

TAB. 3.2 - Evaluation de Vs de certains sols coherents [37]

3.1.2 L'amortissement

L'amortissement des ondes dans le sol est du en general a ses caracteristiques de

viscosite, au frottement et au developpement de la plasticite. Cependant, les sols modeli-

ses numeriquement n'incluent pas la viscosite directement. Celle-ci peut etre par exemple

remplacee par un terme d'amortissement de Rayleigh qui consiste a construire une matrice

d'amortissement [C] proportionnelle aux matrices de masse [M] et de rigidite [K] [43]. Le

principal avantage de cette formulation est qu'elle conduit a une matrice d'amortissement

diagonale dans la base des modes propres reels du systeme. Des coefficients d'amortis­

sement differents peuvent etre dermis pour chaque couche de sol et chaque element de

structure.

3.2 Presentation du logiciel de calcul

"FLAC" est un programme de difference finie explicite qui utilise une analyse La-

grangienne [31]. Ce programme simule le comportement des structures, du sol ou d'autres

materiaux qui peuvent se plastifier quand leurs limites d'elasticite sont atteintes. Ces ma­

teriaux sont representes par des elements, ou des zones, qui forment une grille ajustee par

l'utilisateur d'apres la forme de l'objet a modeliser. Chaque element se comporte selon

une loi lineaire ou non lineaire reliant la contrainte a la deformation en reponse aux forces

ou aux pressions appliquees sur la frontiere. La grille peut se deformer et se deplacer

avec le materiau constitutif du modele. Puisqu'aucune matrice n'est formee, des calculs

importants peuvent etre effectues sans conditions excessives de memoire.

41

Page 55: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.2.1 Methode des differences finies

La methode des differences finies, comme la methode des elements finis, est utilisee

pour resoudre numeriquement des equations aux derivees partielles. Mais, contrairement

a la methode des elements finis qui utilise des approximations d'integrales, la methode

des differences finies utilise des approximations de derivees. Toutefois, la methode des

elements finis utilise une formulation variationnelle (integrate) de V equation a resoudre

alors que la methode des differences finies utilise une formulation ponctuelle (equations

d'equilibre). La methode des elements finis presente l'avantage de permettre une prise

en compte simple et systematique des conditions aux limites quelle que soit la forme du

domaine d'etude. Cependant, la methode des differences finies est plus facile a mettre en

oeuvre pour des problemes simples.

La resolution numerique d'une equation differentielle consiste a approximer, le plus

precisement possible, la solution en un certain nombre de points. La resolution nume­

rique d'une equation differentielle lineaire, avec conditions aux limites, se resume en trois

grandes etapes :

- La discretisation du probleme, c'est a dire le choix des points sur lesquels sera

approximee l'equation differentielle ainsi que le type d'approximation numerique

des derivees en ces memes points. On obtient ainsi un systeme lineaire liant les

valeurs nodales entre elles.

- La prise en compte des conditions aux limites du probleme.

- La resolution du systeme lineaire liant les valeurs nodales entre elles.

En differences finies, le pas de temps critique dans une etude dynamique ou l'amor-

tissement est proportionnel a la rigidite est donnee par [31] :

At,j = — ( V l + A 2 -A) (3.2)

^max

ujmax : frequence propre maximale du systeme;

A : fraction de l'amortissement critique a cette frequence. ^max et A sont estimees automatiquement dans FLAC par les expressions suivantes :

42

Page 56: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Vp : la vitesse primaire de l'onde, A : surface de la sous maille triangulaire et Axmax :

la longueur maximale d'une maille (mesuree sur la diagonale).

Pour faire une analyse dynamique d'un probleme donne dans FLAC, il y a trois

aspects importants a considerer :

- le chargement dynamique et les conditions aux limites

- l'amortissement

- la transmission des ondes dans le modele

Dans la suite, chacun de ces aspects est traite separement pour expliquer leurs prises en

compte dans ce memoire.

3.2.2 Chargement dynamique applique a la fondation

Dans les differents calculs traites dans ce rapport, le chargement dynamique qu'on

a applique a la fondation est un chargement sinusoidal d'amplitude unitaire. On envisage

dans chaque cas deux situations selon que la vibration est verticale ou horizontale. Pour

determiner les fonctions de deplacement, on fait varier la frequence adimensionnelle CIQ

(eq. 3.6). Pour chaque frequence, le temps de vibration est egale a 10 fois la periode (T

= I/O-

coB 2TT/ a°= -v. = ~w m

B est la demi-largeur de la fondation et Vs est la vitesse des ondes de cisaillement

qui se propagent dans le sol.

43

Page 57: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.2.3 Elements aux frontieres

Les discontinuites dues a l'interface sol fondation, aux passages entres les differentes

couches ou aux frontieres libres du sol induisent des reflexions entieres ou partielles des

ondes se propageant dans celui-ci. En effet, la modelisation d'un espace infini tel que le sol

par un milieu fmi peut provoquer des erreurs numeriques qui peuvent fausser la solution

du probleme traite. Afin de surmonter cette difficulte et minimiser le taux d'erreur, deux

approches peuvent etre utilisees :

- etendre suffisamment le maillage pour que les ondes reflechies aux limites n'at-

teignent pas la fondation durant revaluation de la reponse. Cette recommandation

a ete proposee par Rosset et Ettouney [14];

- Imposer des frontieres absorbantes aux limites du modele en elements finis de

fagon qu'on puisse tenir compte du sol situe au-dela du modele. Ces frontieres

doivent absorber l'energie provenant des ondes sans se renechir au sein du milieu

etudie.

La premiere solution exige qu'on s'eloigne de la structure (6 a 10 fois les dimensions

de celle-ci) ce qui implique une augmentation importante des dimensions du maillage

d'ou une augmentation du temps et par consequent du cout des calculs. Pour la deuxieme

solution, on distingue trois types de frontieres. A savoir, les frontieres visqueuses ou absor­

bantes, les frontieres de superposition ou elementaire et les frontieres consistantes. Mengi

et Tanrikulu [21] ont etudie les performances de chaque type de frontiere.

Frontieres visqueuses ou absorbantes

II s'agit d'appliquer une force d'amortissement visqueux le long des frontieres comrne

un dissipateur d'energie. En 1969, Lysmer et Kuhlemeyer [17] ont propose deux types

d'amortisseurs : perpendiculaires aux frontieres et servant a absorber les ondes primaires P

et paralleles aux frontieres et servant a absorber les ondes de cisaillement S. Ces frontieres

presentent l'avantage d'etre facile a mettre en oeuvre. Elles constituent des absorbeurs

parfaits des ondes plane a incidence normale. Quand l'incidence est inclinee, l'absorption

est imparfaite. Dans le but de surmonter ce probleme, Rosset et et Ettouney [14] recom-

44

Page 58: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

mandent de placer les frontieres absorbantes au moins a 5 fois la plus grande dimension

de la structure. Les frontieres absorbantes presentent l'avantage d'etre independantes de

la frequence done elles peuvent etre utilisees lors des analyses transitoires dans le domaine

temporel.

La frontiere absorbante annule les contraintes provenant des ondes de fagon que :

(Tint + ^ext = 0 (3.7)

Tint + Text ~ 0 (3-8)

ou aint et Tint sont les contraintes normales et tangentielles incidentes et aext et

Text sont les contraintes appliquees a la frontere. D'apres Lysmer et Kuhlemeyer [17], les

contraintes exterieures, exercees par les amortisseurs, s'ecrivent :

a = -pVpvn (3.9)

r = -pVsvt (3.10)

p : masse volumique du sol

Vp : vitesse de propagation des ondes primaires definie par :

vn et vt : composantes normale et tangentielles des vitesses aux frontieres.

Frontieres de superposition ou elementaires

Ces frontieres ont ete proposees par Smith [50]et ont ete raffinees par Kunar et Ro­

driguez [19]. Elles sont constitutes par une surface le long de laquelle soit le deplacement,

soit la contrainte est nulle.

45

Page 59: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Frontieres consistantes

L'absorption plus efficace d'energie exige l'utilisation des elements lies a la frequence.

Ce type d'elements aux frontieres est valable quelque soit Tangle d'incidence des ondes.

Cependant, il ne peut etre employe que dans des analyses dans le domaine frequentiel.

Caracteristiques des elements aux frontieres dans FLAC

Les methodes numeriques fondees sur la discretisation d'une region finie de l'espace

exigent que des conditions appropriees soient imposees aux frontieres numeriques artifi-

cielles. Dans des analyses statiques, des frontieres fixes ou elastiques peuvent etre placees

a une certaine distance de la region d'interet. Cependant, dans des problemes dynamiques,

de telles frontieres causent la reflexion des ondes et ne permettent pas le rayonnement

necessaire d'energie. L'utilisation d'un plus grand modele peut reduire au minimum le pro-

bleme, puisque l'attenuation due aux caracteristiques mecaniques du materiau absorbera

la majeure partie de l'energie des ondes reflechies. Cependant, cette solution entraine

des calculs lourds resultant d'un modele de grandes dimensions. L'alternative propose

d'employer des frontieres absorbantes. La frontiere visqueuse developpee par Lysmer et

Kuhlemeyer [17] est employee dans FLAC. Comme deja cite, cette frontiere est basee sur

l'utilisation des amortisseurs independants dans les directions normale et de cisaillement

aux frontieres du modele.

3.2.4 Transmission de l'onde

Une distorsion numerique de l'onde peut se produire dans une analyse dynamique

en fonction des conditions de modelisation. La frequence de l'onde initiale et la vitesse de

propagation infiuencent la transmission de l'onde. Kuhlemeyer et Lysmer montrent que la

taille d'un element doit etre plus petite qu'approximativement un dixieme a un huitieme

de la longueur d'onde relative a la frequence la plus elevee de l'onde d'entree.

Al<± (3.12)

46

Page 60: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.3 Validation des calculs

3.3.1 Modele de calcul

On effectue ici le calcul des fonctions d'impedance des fondations superficielles filantes,

supposees rigides et non pesantes, reposant sur un sol elastique homogene et isotrope, de

densite p=2000 Kg/m3, de module de cisaillement G=1.92xl08 N/m2 qui correspond a

une vitesse de cisaillement de 310 m/s, de coefficient de Poisson v = 0.4, de taux d'amor-

tissement £ = 0.05, de largeur 40m et de hauteur 30m. La figure 3.2 montre la grille,

la fondation et les frontieres du modele. Le maillage est compose d'une grille de 80 x

60 mailles de dimensions 0.5 x 0.5 chacune. La fondation de largeur 4m est modelisee

par des elements structuraux de type poutre. Des frontieres visqueuses sont situees aux

limites de la grille.

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FIG. 3.2 - Modele de calcul (H/B=15), cas d'un chargement vertical)

47

Page 61: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

La base est rendue rigide en liant les noeuds des elements poutres modelisant la

fondation ensemble. Par exemple, dans le cas d'une vibration verticale, on fixe les degres

de liberte de translation horizontale et de rotation et on lie les degres de liberte de

translation verticale de la fondation ensemble. Par consequent, la fondation possede dans

chaque cas de calcul un seul degre de liberte. Pour avoir une fondation non pesante, la

densite adoptee pour les elements structuraux est tres faible. Pour que le pas de temps

soit celui du sol, le module d'Young de la fondation est faible. Ce choix n'influence pas

les valeurs des fonctions de deplacement.

Deux cas de calculs sont considered : le cas d'une vibration verticale et celui d'une vibration

horizontale. On evalue dans chaque cas la partie reelle et la partie imaginaire des fonctions

de deplacement.

3.3.2 Verification de la transmission

Le chargement dynamique applique a la fondation est sinusoidal. L'onde se propage

avec une frequence variable de 1.23 Hz a 39.47 Hz. En se basant sur les caracteristiques

elastiques du modele, les vitesses des ondes primaires et de cisaillement sont defmies par :

Vp = 759 m/s et Vs = 310 m/s la plus grande maille du modele est de largeur : 0.5m. La

frequence maximale qu'on peut introduire est f = Vs/\ = Vs/10xA/ = 62 Hz. D'ou les

dimensions des mailles sont suffisamment petites pour permettre aux ondes de se propager

correctement [31].

3.3.3 Resultats de calcul

Les calculs sont executes sur une gamme de frequences adimensionnelles a0 qui va-

rient entre 0.5 et 1.6. Les fonctions de deplacement obtenues (i*i„, F2V, F\h et i^h) sont

tracees sur les figures 3.3 et 3.4 et sont comparees aux solutions qui ont ete obtenus par

Huh et al. a partir de la methode des elements frontieres dans le cas particulier ou la hau­

teur du massif de sol divisee par la demie largeur de la fondation est egale a 15 (H/B ~

15). Les solutions de reference sont issues des riches 4.13 et 4.14 du manuel des fonctions

d'impedance [15]. Les resultats sont presentes en fonction de la frequence adimension-

48

Page 62: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

nelle a0. Les indices v et h correspondent respectivement a un chargement vertical et a

un chargement horizontal. Les indices 1 et 2 designent respectivement les parties reelles

et imaginaires des fonctions de deplacement.

Les resultats obtenus avec FLAC sont en accord avec ceux de Huh et al. (figures 3.3 et

3.4) surtout pour des valeurs plus elevees de a0 (la digitalization des courbes est aussi

une source d'ecart). On rappelle que dans les calculs de Huh et al , le sol est un mono-

couche reposant sur un substratum rocheux qui empeche la propagation des sollicitations

a l'mfini. Par consequent, les composantes des fonctions de deplacement presentent des

pics dus a la reflexion des ondes. Ces fluctuations sont plus prononcees pour des basses

frequences vu que la longueur d'onde est plus importante. Dans notre modelisation le sol

est assimile a un milieu semi-infini grace a la presence des elements aux frontieres aux

limites du modele. Les differences sont peut etre dues aussi au facteur d'amortissement

qui est constant dans les calculs de Huh et al. alors qu'il est fonction de la frequence dans

notre cas.

3.4 Fonctions d'impedance d'une fondation filante

enfouie

Dans cette section, on considere le meme modele que dans la section precedente sauf

que la fondation est enfouie dans le sol a 0.5m de profondeur. On impose a la fondation

successivement des chargements sinuso'idales en temps a la pulsation u> : horizontal et

vertical. Les resultats, compares avec ceux obtenus pour une fondation a la surface, sont

presentes sur les figures 3.5 et 3.6. Sur ces graphiques, on remarque que :

- La rigidite statique et les impedances augmentent avec l'enfouissement de la fon­

dation.

- La decroissance de K et C avec la frequence augmente avec renfouissement de la

fondation.

49

Page 63: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1,0

0.5

0.0

A FLAG

— - -HUHY.etd

_ l I I I I I I -

n |

0,0 0.2 0,4 0.8 0,3 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

aO

1TJ n

£ OM

OJO

O FLAG

HUHY.etal

.0

i 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1,2 1.4 1.6 1.8 2 0

aO

FIG. 3.3 - Fonctions de emplacement : vibration verticale

50

Page 64: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1J0 -|

t °£-

nn

\

\ / \ A v v^ 0,0 0.2 0.4 0.6 0.3 1.0

aO

1.2

A FLAG

— - -HUH Y.etal

~ ^

1.4 1,6 1.8 2,0

1.0 -,

2 °'5"

n n

\Z*o*v^-~ 0,0 0.2 0,4 0,6 0,8 1.0

aO

1,2

O FLAG

— - -HUH Y.etal

1.4 1,6 1j8 20

FIG. 3.4 - Fonctions de emplacement : vibration horizontale

51

Page 65: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

0.6

-&— a la surface

-B— enfoiie

0.4

<Si 0.2

0,0

-0—a la surface

——enfoiue

— i 1 1 1 1 1 1 1 1 1

0.0 0,2 0,4 0,6 O.S 1.0 1.2 1,4 1.6 1.8 2.0

F I G . 3.5 - Fonctions de emplacement : Chargement vertical

52

Page 66: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

0,6 i

0.4

0,2

-Ar-a la surface

-a— enfouie

0,0 i 1 1 1 1 1 1 1 1 r

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

a0

0.4

« 0.2

-£— a la surface

- B — enfouie

0 , 0 H 1 1 1 1 1 1 1 1 1 \

0,0 0,2 0.4 0,6 0.8 1.0 1.2 1.4 1jB 1.S 2.0

a0

FIG. 3.6 - Fonctions de deplacement : Chargement horizontal

53

Page 67: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.5 Fonctions d'impedance des fondations filantes sur

un bicouche

Le but ici est d'etudier l'influence du fait de considerer que la fondation repose sur

un sol forme de deux couches de natures differentes sur la variation des fonctions de de-

placement et par consequent d'impedance. Les couches sont de hauteur 7.5m chacune. La

couche superieure est telle que Vs= 200 m/s, v — 0.33, p = 1800 Kg/m3 et £ = 0.05. Ces

caracteristiques correspondent a un sol granulaire. La couche en bas correspond a un sol

coherent. Ses caracteristiques sont telles que Vs= lOOm/s, v = 0.45, p = 1600 Kg/m3 et

£ = 0.05.

Afin de comparer les resultats obtenus pour le sol bicouche avec ceux d'un seule

couche, sur les figures 3.7 et 3.8, on presente les parties reelles et imaginaires des fonctions

de deplacement d'un bicouche, d'un sol granulaire monocouche de hauteur 15m et d'un

sol coherent monocouche aussi de hauteur 15m.

Dans le cas d'une vibration horizontale (figure 3.8), les valeurs des parties reelles et

imaginaires des fonctions de deplacement sont presque egales aux valeurs de la couche

superieure. On peut done conclure que la modelisation de la couche superieure uniquement

aurait pu etre suffisante pour la determination des valeurs des fonctions de deplacement.

Dans le cas ou la vibration est verticale (figure 3.7), on constate clairement l'influence

de la couche inferieure sur les valeurs des parties reelles et imaginaires. Son effet est plus

important a basses frequences. Entre 3 et 9Hz, l'impact de la couche du sol coherent sur

la partie reelle des fonctions de deplacement est inverse. A partir de 5Hz, les valeurs de la

partie imaginaire sont presque egales a celles de la couche superieure. Pour des frequences

situees entre 0.5 et 5Hz, l'energie dissipee (Fzv) dans le bicouche est inferieure a celle

dissipee si le sol etait purement granulaire, elle est superieure a celle dissipee dans un sol

purement coherent.

54

Page 68: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.0E08 -I

2.5E08 -

2.0E03 -

> 1.5E08-UL

1.0E08 -

5.0E09 -

\ V

"V N»

0 2 4

—m— bicouche

- - + - V s = 1CDmfe

* Vs=200mfe

~——'*—^-^^^ , _ ^

6 8 10 12

f(Hz)

~ _+ 1

14

5.0E-O3

4.5E-08

4.0E-08

3.5E08 -

3,0&0e -

<N 2.5E-08

2.0E08

1.5E-08

1.0E08 -

5.0E-09

0.0E+00

- bicouche

-Vs =200^5

~Vs=100mfe

K 6 8 10 12 14

f(Hz)

FlG. 3.7 - Fondation sur bicouche : Vibration verticale

55

Page 69: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.0E-08 -|

2.5E-08 -

2.0E-C6 •

£ 1.5E-03 -LL

1.0E-08 -

5.0E-00 -

\

l a ^ - * - * _

' 0 2

\

' 4

\ " ' " ' ' • • • • • ,

-*—1-

' e s

ft Hz)

—*— bicouche

—•—Vs=200nVs

.~*_Vs = 100rrfs

'"'*--.-..

^ f c = - — - = ^ = 5 ^

' 10 12

,M

' 14

sz L l _

S.OE-OS -|

7.0E-0S -

6.0E-03 -

5.0E-O3 -

4.0E-03 -

3.0E-08 •

2.0&O3 -

1.0&08 -

O.OB-00 -

\ :-f

I

i

1 1 r

• * - — -

1—

—m— bicouche

—*— Vs=200mfe

~*_Vs=100mfc

— -£&•—j. . , , , , . , , . , . < w m i

i

6 8

f[Hz)

10 12 14

FIG. 3.8 - Fondation sur bicouche : Vibration horizontale

56

Page 70: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.6 Comparaison des fonctions de deplacement obtenus

avec Vs constante ou variable

L'objectif de cette section est de determiner les parties reelles et imaginaires des

fonctions de deplacement d'une fondation superficielle reposant sur un sol homogene de

de largeur 20m et de hauteur 15m. Les calculs sont menes dans deux situations differentes

selon que la vitesse de cisaillement du sol est independante ou variable avec la profondeur.

On note que les caracteristiques mecaniques decrits ulterieurement correspondent a des

sols typiques.

3.6.1 Caracteristiques geometriques du modele de calcul

On utilise Les memes caracteristiques geometriques dans les cas ou la vitesse de

cisaillement est constante ou variable. La figure 3.9 montre la grille, la fondation et les

frontieres du modele. Le maillage est compose d'une grille de 40 x 30 mailles avec une

fondation de largeur 2m modelisee par des elements structuraux de type poutre. Des

frontieres visqueuses sont situees aux limites de la grille . On rappelle que les valeurs

des contraintes exercees par ces frontieres sont calculees automatiquement par FLAC. On

applique a la fondation des chargements sinusoi'daux d'amplitude unitaire et de pulsation

variable. Deux cas sont envisages selon que la vibration est verticale ou horizontale.

3.6.2 Calcul avec Vs constante

Dans cette partie, on considere que le module de cisaillement est constant sur toute

la profondeur. On envisage trois cas de calcul. Chaque cas correspond a un type de sol.

Le premier est un sol argileux dont Vs — 100 m/s, v = 0.45 et p = 1600 Kg/m3. Le

deuxieme est un sol sableux, ses caracteristiques sont telles que Vs = 200 m/s, v = 0.33

et p = 1800 Kg/m3. Le troisieme est un sol granulaire de Vs — 300 m/s, u= 0.33 et p =

2000 Kg/m3.

La figure 3.10 est un exemple de variation du deplacement vertical Uy au cours du temps

de chargement. La cartographie 3.11 montre les iso-contours du deplacement Uy.

57

Page 71: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

JOB TITLE:

FLAC (Version 4.00)

LEGEND

3-May-07 11:13 step 421

-1.111E+00«x« 2.111E+01 -1.861E+01 «y< 3.611E+00

Busm plut r ,

_ > HI

!:;:.;:n:U :.;..: j . h : . L L i ^

< ; - • • • : • ; • ; • j . i . . | . . . , . . . . . . . . . . . . : . . . . , . . . ; . : < •

V ;

=f; 4 fil:J::i:l:i:L;LLL!: L i i:.:.L: •:::.:: | ; M '' ; 0 . • : . ; . . ; .

f^~^;^^^^i

D 3 J ] D J S U 11I

f l f f - l

|--; :i.4..--+T.:-i-:- :i :;.|

; • • : ; • • : : : : • : : d ; : : : : ' • : ' j ?

,.«i, , ^

. D U D

, -D. t fD

.-a an

.-13H

.-1HE

FlG. 3.9 - modele de calcul avec Vs variable

JOB TITLE:

FLAC (Version 4.00)

LEGEND

19-Apr-C7 11:19 step 3158

5 000 I '•'

4000 i I | !,

i i i 1 ' !

'J 000 j Ii

2 000 ,

1.000 ' I ' I l l

• 1 .ODD

1 ,

•j.dot; '

• t . M Q •, • ,

10 20 30 «J Su 60 70 uu

l 1 0 . .02 ,

FIG. 3.10 - Variation du deplacement Uy

58

Page 72: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

JOB TITLE:

FLAC(Veisitm4.00)

LEGEND

19-Apr-07 11:23 step 1275

-1.111E+00«X« 2.111E*01 -1.861E+01 <y< 3.611E+00

m

- < • >1i.i

03B B&n i n n i.4tn l a s

. Dxnn

_-n.*cn

.-can

.-1.211

.-uau

FIG. 3.11 - Cartographie du deplacement Uy

Les fonctions de deplacement, dans le cas ou la vitesse de cisaillement est constante,

sont presentees sur les figures 3.12 et 3.13. Chaque figure renferme trois courbes qui

correspondent a trois types de sols differents. La figure 3.12 correspond a une vibration

verticale alors la figure 3.13 correspond a une vibration horizontale.

Lorsque le module de cisaillement est constant sur toute la profondeur, les courbes des

parties reelles et imaginaires des fonctions de deplacement sont en generate identiques.

La courbe correspondant a un sol argileux montre des valeurs legerement inferieures qui

peut etre du au coefficient de poisson est egal a 0.45 alors qu'il est egal a 0.33 pour les

deux autres types de sol (figures 3.12 et 3.13). Ces resultats confirment en generale ceux

de Gazetas G. [27] qui presente une seule courbe pour la meme valeur du coefficient de

Poisson. C'est a dire pour une valeur bien determines de la frequence adimensionnelle a0,

les valeurs des fonctions de deplacement sont egales.

59

Page 73: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Resultats de calcul dans le cas d'une vibration verticale

Fonctions de emplacement tys constante): F1vx G

1.0 -I

0.5 •

" ^ " ^ s ^ ^ *— 0,0 0.5 1,0 1.5 2.0 2.5 3j0

3 0 = w B / V s

-»*- • Vs = 100mfe

—*— V5=200nls

_ _ *

3.5

Fonctions de deplacement tys constante): F2yx G

1,5 -I

1,0 -

0.5 -L^_ * - • = = . . . . i ,

0,0 05 1,0 1.5 2,0 2,5 3,0

a0= w B / V s

-*. vs=100mte

—#--Vs=200m<s

—« Vs=300rrfs

t

3,5

F I G . 3.12 - V, constante : vibration verticale

60

Page 74: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Resultats de calcul dans le cas d'une vibration horizontale

Fonctions de defacement: F1h x G

1.0

D.D

-Hfe~~\&= loom's

-+-Vfe=200nys

~iu~\£=3D0mfe

0J] 05 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3S

a0=wB/Vs

Fonctions de deplacement: F2h x G

30

« i

20

IS

if l

o A

00

Vs=100m&

• Vs=200mfe

• Vs=3D0mfe

0.0 Dj5 10 1.5 2 0 2,5 3,0 3,5

a0 = vfB/Vs

F I G . 3.13 - V, cons tan te : v ib ra t ion hor izonta le

61

Page 75: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.6.3 Calcul avec Vs variable

Dans une couche sol, la vitesse des ondes de cisaillement augmente avec la profondeur

(eq. 3.13). Cette augmentation est directement reliee a l'augmentation de la contrainte

effective (a )1/4. Pour simplifier, la vitesse des ondes de cisaillement dans une couche de

sol est generalement normalisee par une contrainte de 100 KPa pour eliminer 1'erFet de la

profondeur [11].

v' = VA{m^ (3-13)

Pour des raisons de simplification, on considere que le sol est non sature avec a =

a (a — pZ, Z est la profondeur du sol).

On envisage trois cas de calcul. Chaque cas correspond a un type de sol. Le premier

est un sol argileux dont Vs\ = lOOm/s, v = 0.45 et p = 1600%/m3. Le deuxieme est un

sol sableux, ses caracteristiques sont telles que Vs\ = 200m/s, v = 0.33 et p = 1800kg/rri3.

Le troisieme est un sol granulaire grossier de Vs\ = 300m/s, v — 0.33 et p = 2000kg/m3.

Chaque sol est divise en cinq couches de hauteur 3m chacune. Vs est constante pour

chacune de ces couches. Sa valeur correspond a la valeur moyenne au milieu de la couche.

La figure 3.14 montre les differentes valeurs de la vitesse de cisaillement en fonction de

la profondeur "z". Etant donne que le module de cisaillement "G" est lie a la vitesse

de cisaillement par la formule 3.1, la variation des valeurs de "G" est illustree par la

deuxieme figure du graphique 3.14.

62

Page 76: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Variation de la vitesse de cisaillemeni Vs

100 300 300 400

-10

-15

i

I %

VrlCmfe)

-20 J 3 » - Vs 1=200 mfe Vs 1=200 mfe -Vs1=300rT/s

0.0B-00

- 5 •

-10 •

-15 -

-20 -

<

t

Z(m)

Var ia t ion d u m o d u l e de c isa i l lem

5,0EtO5 1.0B-06 1.5E+06

H •

i>

i i

|

< •

* >

- 4 — Vs1=200mte — Vs1=200n/s *••

ent G

2,OB-OB

1

\

Vs1=300mfe

2 . 5 & 0 6

1

G(N/m2)

._t

I 4 i

FlG. 3.14 - Variation de la vitesse et du module de cisaillement

63

Page 77: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Les fonctions de emplacement, dans le cas ou la vitesse de cisaillement est constante,

sont presentees sur les figures 3.15 et 3.16. Chaque figure renferme trois courbes qui

correspondent a trois types de sols differents. La figure 3.15 correspond a une vibration

verticale alors la figure 3.16 correspond a une vibration horizontale.

D'apres la figure 3.15, on remarque que pour des faibles frequences (a0 < 0.5), les courbes

de la partie reelle des fonctions de deplacement sont ecartees Tune de l'autre. Les valeurs

de la partie imaginaire (figure 3.16)du sol argileux sont legerement differentes des valeurs

des deux sols granulaires. Quand la frequence adimensionnelle ao est presque egale a 0.6,

les valeurs de la partie imaginaire des fonctions de deplacement augmentent pour consti-

tuer un pic relatif a la premiere frequence propre des ondes de cisaillement (figures 3.15

et 3.16). Les trois courbes des parties imaginaires sont identiques a partir de a0 = 2.5.

Les graphiques correspondant a un sol argileux montrent des valeurs legerement infe-

rieures. Ceci est peut etre du au coefficient de poisson qui est egal a 0.45 alors qu'il est

egal a 0.33 pour les deux autres types de sol.

64

Page 78: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Resultats de calcul dans le cas d'une vibration verticale

Fonctions de emplacement ft/s variable) :F1vx G

1,0

0.5

"*-»

— Vs 1 = 100 rrfs

— Vs 1=200 m<s

— Vs 1=300 FTVS

0 , 0 -j , , —r-Jr- ~ - i r - ••r-

0.0 0,5 1.0 1.5 2,0 25 3.0 3.5

aO = wB / Vs 1

Fonctions de deplacernent (Vs variable): F2VM G

1.0

0,5

0.0

—*—Vs1=100mfe

—#—Vs1=200nv's

—M~~~ Vs 1 =300rri/s

0,0 0.5 1 JO 1,5 2,0 2 5 3,0 3,5

aO = wB / Vs 1

FlG. 3.15 - Vs variable : vibration verticale

65

Page 79: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Resultats de calcul dans le cas d'une vibration horizontale

Fonctions de emplacement: F1h K G

10

0;5

00

•Vs1 = 100mfe

•Vs1=2D0mfe

Vs1=3D0mfe

xr =*==* 0,0 Dj5 10 1,5 2,0 2,5 3,0 3;5

a0= wB/Vs1

Fonctions de deplacement: F2h x G

1j5

10

D;5 J

00

,_lfc_Vs1 = 100mfe

—*-Vs 1=2D0mfe

-Vs1=300m&

0,0 0.5 10 1j5 20 2j5 30 3j5

a0=wB/Vs1

F I G . 3.16 - V, variable : vibration horizontale

66

Page 80: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.6.4 Comparaison des resultats obtenus pour des vitesses de ci-

saillement constantes ou variables

La comparaison des resultats obtenus avec une vitesse de cisaillement constante et

ceux obtenus avec une vitesse variable permet d'aboutir aux conclusions suivantes :

- Dans tous les cas, a basses frequences, les parties reelles F\v et F\h des fonctions

de deplacement sont plus importantes avec un module de cisaillement variable. Ce qui

se traduit par une deformation plus grande. Par consequent, le sol est moins rigide.

- L'observation des courbes des parties imaginaires des fonctions de deplacement

(figures 3.12, 3.15 3.13 et 3.16) montre que la dissipation des ondes dans le sol diminue

pour s'annuler lorsque la frequence de vibration tend vers 0. Ceci traduit le comporte-

ment elastique du sol (nullement dissipatif) lorsque le chargement est quasi-statique.

- Les valeurs des parties imaginaires F2v et F2h pour un sol de module de cisaille­

ment constant sont inferieures aux valeurs de ces parametres dans le cas d'un sol avec

G variable. On deduit alors que dans le premier cas, l'energie dissipee est sous estimee

et l'amortissement est plus important. En termes d'impedances, a basses frequences,

l'amortissement par radiation est nul. On a alors des faibles valeurs de l'amortissement

dans ce domaine qui renetent l'energie perdue par amortissement interne (par hystere­

sis).

- L'influence du coefficient de Poisson est plus clair si on considere des modules de

cisaillement variables avec la profondeur. La courbe relative a un sol argileux s'ecarte

encore plus des deux autres courbes (figures 3.15 et 3.16).

- L'utilisation d'une vitesse de cisaillement variable avec la profondeur a induit une

augmentation considerable des valeurs de la partie reelle des fonctions de deplacement

surtout pour des faibles frequences. Dans la suite, on comparera les trois types de sol

67

Page 81: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

deux a deux. C'est-a-dire avec G variable et G constant afin de quantifier la difference

due a la variation ou non des vitesses de cisaillement. On considere seulement le cas

d'une vibration horizontale, le cas d'une vibration verticale est presente en annexe du

rapport.

Dans le cas d'un sol sableux (figure 3.17), l'ecart maximal dans le calcul de Fih est

de 54.16%, l'ecart minimal est egale a 3.29%. Pour F^h, le maximum est de 58.82%,

le minimum est 7.05%. l'ecart maximal dans le calcul de la partie reelle des fonctions

de deplacement d'un sol argileux (figure 3.18) est egale a 50.22%, l'erreur minimale est

de 8.59%. Pour la partie imaginaire, l'ecart maximal est de 53.59%, le minimum est de

16.23%. Finalement pour le sol granulaire grossier (figure 3.19), l'ecart maximal dans le

calcul de F\h est de 55.83%, l'ecart minimal est egale a 16.23%. Pour F^h, le maximum

est de 61.73%, le minimum est 0.03%.

Le developpement de ces calculs nous a permis d'apprehender l'effet de la variation

de la vitesse de cisaillement avec la profondeur. Les courbes de comparaison des sols

deux a deux mettent en evidence l'importance de considerer une vitesse variable dans

l'estimation des fonctions de deplacement et par la suite des fonctions d'impedance des

fondations filantes.

68

Page 82: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

G X SI

u_

1.0

0.5 A

0.0

-*— Vs1=100m's

Vs = 100rrfe

fe~**~*-*fv„

1 1 1 1 1 1 1

0,0 0 5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

a 0 = w B / V s 1

15

CD 1 J M x sz

"• 05 H

Vs1 = 100m£

Vs=100m/s

O p 1 1 1 1 1 r

0.0 0.5 1.0 15 2.0 2.5 3.0 3.5

30 = w B / V s 1

F I G . 3.17 - Sol argileux : Vibration horizontale

69

Page 83: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.0

0.5

-*— Vs 1=200m/s

•^-Vs=200nys

- s

0 ,0 1 i 1 1 1 1 r

0.0 0j5 1.0 15 2.0 2.5 3.0 3.5

3 0 = w B / V s 1

CD x

2.0

1.5

1.0 ^

0.5

0.0

-*—Vs 1=200^5

-^ -Vs=200m£

0.0 0j5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

3 0 = w B / V s 1

FlG. 3.18 - Sol sableux : Vibration horizontale

70

Page 84: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.0 -,

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sz 0.5 H

0.0

—•— Vs 1 =300 mi's

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^ 0 = w B / V s 1

FIG. 3.19 - Sol granulaire grassier : Vibration horizontale

71

Page 85: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

3.6.5 Influence du type du sol choisi sur les fonctions de depla-

cement

Afin d'etudier l'influence du choix du type de sol sur les valeurs des fonctions de

deplacement, on a trace la variation des parties reelles et imaginaires sur les figures 3.20

et 3.2f en fonctions de la vitesse de cisaillement du sol. Chaque courbe correspond a

une frequence de calcul qui varie entre 0.4 et 45Hz. Les vitesses Vs\ varient entre 100

m/s(sol argileux) et 300 m/s (sol granulaire grossier). On considere uniquement le cas

d'une vibration verticale de la fondation.

On constate que lors du passage d'un sol argileux de Ki=100m/s a un sol granulaire

fin de vitesse Vrsi=200m/s, l'innuence est plus claire que lorsque la vitesse augmente de

200m/s a 300m/s qui correspond a un sol granulaire grossier.

72

Page 86: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Fonctions de deplacement: F1v

I.5E-08

*— f=0.4Hz

—- f=45Hz

O.OB-00 T

150 200 300

Fonctions de deplacemant: F2v

-•—f=0.4Hz

— f = 4 5 H z

1.0E08

5.0E09 -J

0.0B-00

^-""^mm.

100 150 200

¥®1(in/sJ

250 300

FlG. 3.20 - Influence du type de sol sur les fonctions de deplacement Fv

73

Page 87: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Fonctionsde emplacement: F1vx G

o , o - « -, — • — - — » * » ««<•••«••«• - ' — f — r 100 150 200 250 300

VslfiiV's)

Fonctions de d ep la ce ment: F2v x G

—•— f=0.4Hz

— f=0,4Hz

0.0 H 1 1 1 .

100 150 200 250 300

Vs1(m/s)

FIG. 3.21 - Influence du type de sol sur les fonctions de deplacement Fvx G

74

Page 88: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Chapitre 4

INFLUENCE DE LTNTERACTION

SOL-STRUCTURE SUR LE

COMPORTEMENT DYNAMIQUE

D'UN PYLONE

Dans ce chapitre, on s'interesse a l'influence des impedances des fondations evaluees

precedemment sur le comportement dynamique d'un pylone a treillis reposant sur quatre

pieds. II s'agit de mettre en oeuvre un modele pratique permettant la prise en compte de

l'interaction dynamique sol structure.

4.1 Modele de calcul du pylone

4.1.1 Caract6ristiques g^ometriques

Le pylone de hauteur 10m est modelise en utilisant le logiciel ADINA. II est constitue

par 144 elements de type poutre et 130 elements de type treillis (figure 4.1). Les conduc-

teurs sont de diametre D=35mm et de portee L=150m. La distance entre deux appuis a

la base de pylone est egale a 4m. La fondation tetrapodes (figure 1.7) sous le pylone est

modelisee par des impedances (ressorts et amortisseurs). Les valeurs des impedances sont

75

Page 89: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

deduites des courbes des fonctions de deplacement determinees en utilisant FLAC.

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FlG. 4.1 - Modele de calcul du pylone

4.1.2 Caracteristiques mecaniques

L'acier est de densite p = 7850Kg/m3, et de module d'Young E = 2 x 10nPa.

Sous chaque pied du pylone, on a introduit trois impedances dans les trois directions des

translations. Les valeurs des impedances correspondent a deux cas de calcul selon qu'on

considere un sol argileux ou sableux. Dans les deux cas, la vitesse de cisaillement est

variable avec la profondeur.

En exploitant les resultats des figures 3.15 et 3.16, les equations 2.11 et 2.12 per-

mettent de determiner les valeurs des impedances.

76

Page 90: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Pour un sol (argileux) dont Ki=100m/s

- Kv = 2.9 x WN.m-1 et Cv = 0.12 x WN.s.m-1

- Khy = 1.8x WN.m-1 et Chy = 0.60 x lO^ . s .m- 1

- Kft l = 1.8 x l O ^ . m " 1 et Chx = 0.60 x lO^.s-m" 1

Pour un sol (sableux) dont V^i=200m/s

- Kv = 9 x l O ^ . m " 1 et Cv = 0.36 x lO^ . s .m- 1

- Khy = 5.8 x l O ^ . m - 1 et Chy = 0.29 x lQ7N.s.m~l

- Khx = 5.8 x l O ^ . m - 1 et Chx = 0.29 x lO^ . s .m- 1

4.1.3 Charges appliquees au pylone

Le pyldne est soumis outre a son poids propre, a la charge du vent qui se divise en

deux parties : une moyenne P\ et une turbulente P^. Le vent sollicite la structure pendant

lOmn.

A une hauteur de Z = 10 m,

La vitesse moyenne du vent U = 25 m/s;

Z0 = 0.05;

La vitesse de frottement est egale a 1.887 m/s;

L'intensite turbulente /„ = 0.18;

Pi = 0.5p a D L u{Zf = 1025.39 N;

-P2 =p Cd D L u(Z) u(t)= 82.03x u(t) N avec u(t) est une fonction temporelle presentee

sur le graphique 4.2.

77

Page 91: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

FIG. 4.2 - Charge du vent turbulent

4.2 Result at s de calcul

Ann d'evaluer la difference entre le fait de considerer un pylone avec une fondation

rigide et un pylone calcule avec des impedances, on precede a une comparaison des reac­

tions d'appui.

Dans le cas ou les appuis sont rigides, les reactions sont extraites directement des sorties

ADINA. Cependant, avec des appuis elastiques, les reactions d'appui sont deduites des

valeurs des deplacements multiplies par les normes des impedances. Les resultats sont

recapitules dans le tableau 4.1.

78

Page 92: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Appuis

rigides

Impedances

(Ki=200m/s)

Comparaison / appui rigide

Impedances

(Ki=100m/s)

Comparaison / appui rigide

appui 1

appui2

appui 1

appui2

appuil

appui2

appuil

appui2

appuil

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11.51%

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18811

11.84%

9.26%

Ry(N)

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4311

2713

3943

7.72%

8.10%

2340

3508

20.41%

18.64%

RAN)

3033

4245

2704

3962

10.84%

7.09%

2332

3536

23.11%

16.69%

TAB. 4.1 - Comparaison des reactions d'appui

- La difference vis a vis de l'utilisation des appuis rigides est d'autant plus impor-

tante que le sol est deformable. En effet l'mfluence des impedances est plus prononcee

pour un sol argileux (Vsi = 100 m/s) que pour un sol granulaire (Ki = 200 m/s et 300

m/s ) .

- On constate d'apres les valeurs obtenues que l'utilisation des impedances au lieu

des appuis fixes aux pieds du pylone influencent les reactions de manieres significatives.

Neanmoins, une etude plus approfondie est necessaire pour conclure au sujet de l'impact

de la prise en compte de l'interaction dynamique sol-structure sur le comportement des

pylones et par consequent les lignes de transport de l'energie electrique. En effet, dans

notre cas de calcul, le pylone considere n'est pas elance. Pour ramener les frequences

propres du systeme a celle de la force excitatrice, on a introduit une masse en tete du

pylone augmentant ainsi son poids.

79

Page 93: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

4.3 Conclusion

L'etude bibliographique de Finteraction dynamique sol-structure en general et des

impedances en particulier a permis de faire un bilan de l'etat des connaissances sur les

notions utilisees dans ce rapport et de distinguer les differents types de pylones ainsi que

leurs fondations.

L'objectif de ce travail est l'estimation des fonctions de deplacement des fondations

filantes. Une simulation numerique de ces fonctions nous a permis d'aboutir a ce but tout

en evaluant, dans une etape preliminaire, l'infiuence des impedances sur le comportement

dynamique des supports electriques. Les principales conclusions sont :

- Les resultats obtenus grace a des simulations numeriques du sol et de la fonda-

tion sont en accord avec des travaux anterieurs qui utilisent d'autres methodes de calcul.

- La mise en place des elements aux frontieres aux limites du modele dans FLAC a

permis d'eviter les problemes de reflexion des ondes dans le sol. Ces elements presentent

l'avantage de faciliter la modelisation d'un milieu semi infini tel que le sol en cas de

chargements dynamiques.

- Plusieurs cas de calculs ont ete consideres. On a pu calculer les fonctions de de-

placement des fondations a la surface du sol ou enfouies dans celui-ci. On a pu aussi

determiner les impedances d'une fondation sur un sol monocouche ou bicouche.

- Le calcul des fonctions de deplacement est etabli dans le domaine temporel tout

en faisant varier la frequence de l'excitation. Les resultats sont presentes sous forme

adimensionnelle simple a manipuler.

- La prise en compte de la variation du module de cisaillement G avec la profondeur

reflete mieux la realite d'un sol homogene. En plus, les resultats obtenus avec cette ap-

proche sont differents des calculs avec une vitesse de cisaillement constante. Les valeurs

80

Page 94: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

des parties reelles et imaginaires des fonctions de deplacement sont plus importantes.

Les valeurs des impedances avec G variable sont inferieures a celles avec G constante.

Ceci veut dire que le sol est moins rigide, les deformations sont plus grandes, l'amor-

tissement est plus faible et que l'energie dissipee est plus importante.

- Le pylone utilise pour etudier l'effet de l'interaction sol structure est un cas par-

ticulier qui pourrait etre generalise en considerant une structure plus elancee et plus

rigide.

- Dans cette etude, on s'est limite au cas des fondations filantes et on a utilise des

impedances calculees par metre lineaire et multipliees par la largeur de la fondation. II

demeure plus interessant de considerer le cas des fondations isolees en passant a une

modelisation 3D notamment quand une structure a plusieurs fondations ponctuelles.

- Pour faire suite a ce travail, les differents types de fondations des pylones peuvent

etre etudies. On pourrait aussi considerer le cas de comportements non lineaires dus a

l'arrachement des fondations.

- Les impedances influencent le comportement de la superstructure d'autant plus

que celle ci est plus rigide et massive et que le sol est plus deformable. II apparait done

que Peffet de l'interaction sol structure ne doit pas etre neglige dans la determination

du comportement dynamique des pylones.

81

Page 95: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

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85

Page 99: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Annexe A

Travaux anterieurs

A.l Contribution de Kausel : figures A. l , A.2, A.3 et

A.4

A.2 Contribution de Dominiguez : figures A.5 et A.6

A.3 Contribution de Gazetas : figures A.7 et A.8

A.3.1 Fondation de forme quelconque : abaques des tableaux 2.7

et 2.8

A.3.2 Fondation filante a la surface du sol : Figures A.7 et A.8

86

Page 100: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

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Sources

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F I G . A.3 - Vibration de balancement [15]

89

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F I G . A.6 - Vibration verticale - amortissement [15]

92

Page 106: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

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FIG. A.7 - Vibration horizontale - coefficient de rigidite

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FIG. A.8 - Vibration horizontale - coefficient d'amortissement

93

Page 107: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

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FlG. A.9 - Vibration verticale - fonctions de deplacement [15]

94

Page 108: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

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FIG. A.10 - Vibration horizontale - fonctions de displacement [15]

95

Page 109: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

Annexe B

Comparaison des calculs avec Vs

variable ou constante : vibration

verticale

96

Page 110: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.0-1

CD

> 0 . 5 •{

0.0

*™ Vs1=100rrys

Vs=100nVs

»™sfc — {

0,0 05 1.0 1,5 2.0 2.5 3.0 3.5

a0= w B / V s 1

CD x

1,0

0,5 A

0,0

~*~Vs1 = 100m's

Vs=100mfe

0.0 0,5 1,0 15 2,0 2,5 3,0 3.5

a 0 = w B / V s 1

FlG. B.l - Sol argileux : Vibration verticale

97

Page 111: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.0

tD

> 0.5 4

0.0

-+-Vs1=200rrVs

-*-Vs=200m/s

"%.

~1L. Tfcu

~-J~-f—^- i | f.

0,0 0.5 1.0 1,5 2.0 2.5 3j0 3.5

a 0 = w B / V s 1

1.5 •,

tD 1 .0-X >

"- 0.5 -

0.0 -

- ~ * — V s 1=200 rrfs

—•— Vs=100m&

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~*—'—1 1 1 1 1 1 1 1

0.0 0 5 1,0 1.5 2.0 2.5 3,0 3,5

a 0 = w E / V s 1

FlG. B.2 - Sol sableux : Vibration verticale

98

Page 112: mmm UNIVERSITE DE lai SHERBROOKE

1.0 n

> 0,5

-*-Vs1=300rT/s

-^-Vs=300irv"s

NX o.o i 1 1 r

0.0 0.5 1,0 1.5 2.0 2,5 3.0 3j5

aO = wB / Vs 1

1.0

CD x >

C-i

0.0

"i /A % ^

•i^fsfk^!^ ~*k,.

-*-~-Vs1=300m's

-*—Vs=3Q0mfe

— i 1 1 1 1 1 i

0,0 0,5 1.0 1.5 2.0 2,5 3j0 3,5

aO= w B / V s 1

FIG. B.3 - Sol granulaire grossier : Vibration verticale

99