Guide méthodologique Ponts en zone sismiquepiles.cerema.fr/IMG/pdf/Guide_EC8-2_2012-02-28_cle7fd967.pdf · Ponts en zone sismique Conception et dimensionnement selon l’Eurocode

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Févr ier 2012

Guide méthodologique

Ponts en zone sismique Conception et dimensionnement selon l’Eurocode 8

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Guide méthodologique

Ponts en zone sismique Conception et dimensionnement selon l’Eurocode 8

Document édité par le Sétra dans la collection « les outils ».Cette collection regroupe les guides, logiciels, supportspédagogique, catalogue, données documentaires et annuaires.

Collection les outi ls

Ponts en zone sismique– Conception et dimensionnement selon l’Eurocode 8– Guide méthodologique

– 4 – février 2012

Ce guide a été réalisé par un groupe de travail Sétra/CETE Méditerranée sur la base du précédent Guide Sétra/SNCF « Ponts courants en zone sismique – Guide de conception », publié en janvier 2000 et rédigé par un groupe de travail Sétra/CETEs/SNCF animé par Monsieur Pierre Corfdir, et auquel avaient participé Messieurs Alain Chabert, Alain Conte, Van-Tho Doan, Kian Gavtache, Michel Kahan, Vu Le Khac, Frédéric Légeron, Jacques Resplendino, Rémi Tardy, Pierre Peyrac et Michel Lebas.

Les rédacteurs de la présente version du guide sont :

Pascal Charles, Sétra puis EDF

David Criado, CETE Méditerranée

Denis Davi, CETE Méditerranée

Aurélie Vivier, Sétra puis Systra

Jean-Paul Deveaud, Sétra

Anthony Hekimian, CETE Méditerranée

La rédaction de ce document a été enrichie des observations et avis de Messieurs :

Philippe Bisch (Séchaud et Metz), Benjamin Blasco (Sétra), Emmanuel Bouchon (Sétra), Alain Capra (VINCI Construction), Jean-Christophe Carlès (CETE Méditerranée), Florent Imberty (Razel), Daniel Le Faucheur (Sétra), Serge Montens (Systra), Alain Pecker (Géodynamique et Structure), Jean-François Semblat (LCPC) et des discussions avec Darius Amir-Mazahéri (DAM Design, animateur du groupe reflet national de l’Eurocode 8-2).

Ponts en zone sismique – Conception et dimensionnement selon l’Eurocode 8 – Guide méthodologique

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Sommaire Notations .......................................... ............................................ 10

Majuscules latines............................................................................................................................................10

Minuscules latines............................................................................................................................................11

Majuscules grecques ........................................................................................................................................12

Minuscules grecques ........................................................................................................................................12

1 Introduction ....................................... ................................... 15

1.1 Final i té du gu ide .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Textes concernant la protect ion parasismique des po nts .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.1 Introduction........................................................................................................................................15

1.2.2 Décrets et arrêtés ...............................................................................................................................16

1.2.3 Normes de calculs : les Eurocodes et leurs annexes nationales ........................................................19

1.2.4 Les guides existants............................................................................................................................20

1.3 Responsabi l i tés part icul ières du maît re d ’ouvrage .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Générali tés sur les phénomènes sismiques ........... ................ 23

2.1 Act ion s ismique.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.1 Généralités.........................................................................................................................................23

2.1.2 Différentes représentations de l’action sismique en un site donné ....................................................28

2.2 Princ ipes de base du calcu l dynamique des st ructure s .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.1 Introduction........................................................................................................................................35

2.2.2 Quelques rappels de dynamique ........................................................................................................35

2.2.3 Méthodes d’analyse............................................................................................................................36

2.2.4 Généralités sur le comportement sismique des structures de génie civil ...........................................44

3 Conception des ponts en zone sismique .............. .................. 56

3.1 Général i tés sur le comportement s ismique des ponts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.2 Déf in i t ion du n iveau de protect ion – Exigences de b ases f ixées par l ’Eurocode 8-2 58

3.3 Dif férentes st ratégies de concept ion parasismique d es ponts .. . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.1 Conception élastique ou à ductilité limitée ........................................................................................59

3.3.2 Conception ductile .............................................................................................................................59

3.3.3 Conception basée sur le principe d’isolation sismique et l’utilisation de dispositifs amortisseurs ...60

3.3.4 Récapitulatif et domaines d’emploi....................................................................................................61

3.4 Princ ipes généraux de concept ion .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.4.1 Implantation de l'ouvrage, reconnaissance des sites.........................................................................62

3.4.2 Répartition des travées / Implantation des appuis .............................................................................64

3.4.3 Appuis ................................................................................................................................................65

3.4.4 Tablier................................................................................................................................................66

3.5 Choix de st ructure .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.5.1 Ouvrages de type tablier sur piles .....................................................................................................67


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3.5.2 Ouvrages monolithiques de type ouvrages enterrés, ponts cadres et portiques (sur semelles superficielles) 68

3.6 Choix du système d ’appui de l ’ouvrage .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.6.1 Introduction........................................................................................................................................68

3.6.2 Comportement d’un tablier de pont reposant sur des appareils d'appui en élastomère fretté sous séisme longitudinal ......................................................................................................................................................71

3.6.3 Comportement d’un tablier de pont reposant sur des appareils d'appui fixes sous séisme longitudinal 71

3.6.4 Critère de choix entre appareil d'appui fixe / appareil d'appui en élastomère fretté ........................71

3.7 Concept ion des p i les, des culées et des fondat ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.7.1 Les piles .............................................................................................................................................74

3.7.2 Les culées ...........................................................................................................................................75

3.7.3 Fondations .........................................................................................................................................76

3.8 Disposit ions construct ives .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4 Analyse sismique ................................... ............................... 79

4.1 Préambule : cho ix d ’une st ratégie de concept ion par asismique et méthodes d’analyse associées .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.1.1 Comportement élastique ou comportement ductile ............................................................................79

4.1.2 Valeurs du coefficient de comportement et application .....................................................................79

4.1.3 Utilisation de dispositifs amortisseurs ...............................................................................................83

4.1.4 Influence de la prépondérance du 1er mode de vibration sur le choix de la méthode d’analyse........83

4.1.5 Synthèse .............................................................................................................................................84

4.2 Déterminat ion des act ions sismiques .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.2.1 Zonage réglementaire et accélération de référence agr......................................................................86

4.2.2 Accélération de calcul ag ...................................................................................................................88

4.2.3 Définition des classes de sol ..............................................................................................................89

4.2.4 Coefficient topographique..................................................................................................................93

4.2.5 Définition de l’action sismique de calcul...........................................................................................93

4.3 Combinaisons d 'act ions .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.3.1 Directions principales de sollicitations et repère géométrique .......................................................104

4.3.2 Combinaisons des directions............................................................................................................106

4.3.3 Combinaisons des effets des actions sismiques................................................................................107

4.3.4 Variabilité spatiale de l’action sismique..........................................................................................107

4.4 Const ruct ion du modèle de calcul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.4.1 Choix du modèle structurel ..............................................................................................................109

4.4.2 Masses..............................................................................................................................................111

4.4.3 Raideurs ...........................................................................................................................................113

4.4.4 Amortissement..................................................................................................................................134

4.5 Méthodes class iques d’analyse .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

4.5.1 Principes ..........................................................................................................................................135

4.5.2 Analyse statique simplifiée...............................................................................................................136

4.5.3 Analyses monomodales ....................................................................................................................136

4.5.4 Analyses multimodales.....................................................................................................................147


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4.5.5 Calcul des efforts dans les appuis....................................................................................................148

4.5.6 Calcul des efforts dans les fondations profondes.............................................................................150

4.5.7 Prise en compte de l'action dynamique des terres sur les murs : méthode de Mononobe-Okabe....154

4.5.8 Prise en compte d’un comportement inélastique par le biais d’un coefficient de comportement q >1158

4.6 Méthodes d ’analyse avancées .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

4.6.1 Principes et domaine d’emploi.........................................................................................................159

4.6.2 Prise en compte d’un comportement non-linéaire ...........................................................................160

4.6.3 Analyses en poussée progressive (Push-Over).................................................................................167

4.6.4 Modélisation des dispositifs antisismiques ......................................................................................182

4.6.5 Analyses dynamiques temporelles non-linéaires..............................................................................189

5 Dimensionnement et véri fications de résistance ..... ............. 195

5.1 Calculs just i f icat i fs de l ’ouvrage .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

5.1.1 Vérification de la résistance des sections ........................................................................................195

5.1.2 Tablier..............................................................................................................................................209

5.1.3 Appuis ..............................................................................................................................................210

5.1.4 Fondations .......................................................................................................................................215

5.2 Organes d ’appui des tab l iers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219

5.2.1 Généralités.......................................................................................................................................219

5.2.2 Appareils d'appui fixes.....................................................................................................................220

5.2.3 Appareils d'appui glissants ..............................................................................................................220

5.2.4 Appareils d'appui en élastomère fretté.............................................................................................220

5.2.5 Repos d’appui ..................................................................................................................................225

5.2.6 Butées...............................................................................................................................................226

5.2.7 Attelages sismiques de travées indépendantes .................................................................................229

5.2.8 Justification des dispositifs antisismiques – Amortisseurs...............................................................229

5.3 Disposit ions construct ives .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

5.3.1 Introduction......................................................................................................................................230

5.3.2 Rôle des dispositions constructives parasismiques ..........................................................................231

5.3.3 Choix des matériaux.........................................................................................................................233

5.3.4 Étendue des zones concernées par les dispositions constructives de l'Eurocode 8-2 ......................233

5.3.5 Recommandations générales vis-à-vis des dispositions constructives .............................................237

5.3.6 Tableau synthétique des dispositions constructives parasismiques .................................................249

5.4 Équipements .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

5.4.1 Conceptions des zones d’about / joints de chaussées.......................................................................253

5.4.2 Équipements.....................................................................................................................................260

5.4.3 Drainage ..........................................................................................................................................260

6 Ponts-cadres et portiques .......................... ......................... 262

6.1 Int roduct ion .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

6.2 Déterminat ion des paramètres .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

6.2.1 Coefficients sismiques ......................................................................................................................262

6.3 Combinaisons et vér i f icat ions .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262


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6.3.1 Combinaisons...................................................................................................................................262

6.3.2 Vérifications ..........................................................................................................................................263

6.4 Soll ic i tat ions dues au séisme .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

6.4.1 Sollicitations verticales dues au séisme ...........................................................................................263

6.4.2 Sollicitations horizontales dues au séisme .......................................................................................263

6.5 Conclus ion .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

7 Annexes ............................................ .................................. 270

7.1 Annexe 1: Exemple de d imensionnement d 'un pont dal l e en zone sismique 270

7.2 Annexe 2 : Exemple de dimensionnement d 'un pont mix te sur néoprènes en zone sismique .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

7.3 Annexe 3 : Exemple de dimensionnement d 'un pont ca i sson BP en zone s ismique 270

7.4 Annexe 4 : Approches, méthodes de calcu l et technol og ies in troduites ou normal isées pour la 1 è r e fo is dans le cadre de l ’Eurocode 8 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271


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Avant-propos Le long processus d’écriture et de validation des Eurocodes étant maintenant terminé, les Eurocodes sont entrés dans leur phase opérationnelle. La conception et le dimensionnement des ouvrages d’art sont déterminés par les Eurocodes 0 pour les bases de calcul, 1 pour les charges, 2, 3, 4 et 5 pour les matériaux utilisés habituellement en ouvrages d’art et 7 pour les aspects géotechniques. La grande nouveauté des Eurocodes réside dans l’Eurocode 8, entièrement consacré à la conception parasismique et placé au même niveau que les principaux autres Eurocodes. Les anciennes règles PS 92 et notamment le guide AFPS 92 pour la conception parasismique des ponts sont rendus obsolètes par ces normes. Les différents textes réglementaires (décret de 1991 et arrêté « pont » du 15 septembre 1995) ont été révisés de façon à faire référence à l’Eurocode 8.

Le zonage sismique de la France a dans le même temps été revu, d’une part pour être en conformité avec les définitions et catégories de l’Eurocode 8, mais aussi afin de prendre en compte la philosophie plus probabiliste des Eurocodes. Ainsi, au lieu de définir les niveaux de séisme à prendre en compte dans les différentes régions de France sur la base du retour d’expérience et de l’histoire, ceux-ci sont désormais associés à une période de retour de référence, plus ou moins pondérée en fonction de l’importance du pont et de sa durée d’utilisation prévue. De ce fait, le nombre de régions concernées par le séisme a singulièrement augmenté pour couvrir quasiment tout le territoire métropolitain à l’exception du bassin parisien et du bassin aquitain.

Les anciennes règles AFPS 92 avaient nécessité la publication d’un guide par le Sétra en 2000 (Ponts courants en zone sismique) dont l’objet était d’expliquer la conception parasismique, et de permettre l’application pratique des règles aux ouvrages d’art. L’utilité de ce guide n’est plus à démontrer, mais sa remise à jour vis-à-vis de l’Eurocode 8 et du nouveau zonage sismique est devenue indispensable, tout en conservant les principes de fond établis par un groupe de travail commun Sétra - SNCF. De plus, bon nombre de règles et de dispositions pratiques qu’il contenait pouvaient s’appliquer également aux ouvrages non courants. La remise à jour de l’ancien guide a donc été réalisée d’une part par mise en cohérence avec les prescriptions de l’Eurocode 8 et d’autre part en généralisant l’emploi aux ouvrages non courants. L’Eurocode 8 propose de plus des méthodes plus sophistiquées d’analyse (méthode en poussée progressive, analyse temporelle, utilisation de dispositifs antisismiques…), qui s’appliquent a priori sur des ouvrages à plus fort enjeu ou irréguliers. L’explication de ces méthodes sur des cas concrets est également une avancée du présent guide.

Ce guide devrait permettre aux ingénieurs et concepteurs de dimensionner les ouvrages d’art pour le séisme, en appliquant avec discernement les nouveaux textes. Sa remise à jour a été réalisée par un groupe de travail plus restreint que pour le précédent guide. Nous tenons donc à saluer le travail qui avait été fait à l’époque par les différents ingénieurs.


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Notations La liste suivante n'est pas exhaustive. D'autres notations peuvent être introduites localement dans le texte.

Majuscules lat ines AEk Valeur caractéristique de l’action sismique pour la période de retour de référence AEd Valeur de calcul de l’action sismique (= γI.AEk) Ac Aire de la section de béton As Aire de la section des armatures de béton armé Asp Section transversale de la barre en forme de spirale ou de frette Asw Section transversale totale des frettes ou des bielles/tirants dans la direction transversale unique de

confinement At Section transversale d'une barre B Largeur du tablier E Module de young Ec Module de Young du béton Ecm Module d'élasticité sécant du béton Ed Effets des actions en situation sismique de calcul, Poussée des terres calculée Ei Sollicitation issue du mode i EM Module pressiométrique Fhc Effort provenant de l’accélération de la culée calculé avec kh Fhe Effort provenant de l’accélération de la masse des terres reposant sur la semelle calculé avec kh Fhp Effort d’inertie dû à l’accélération de la masse de la pile sous séisme horizontal Fht Effort transmis par le tablier sous séisme horizontal FRd Résistance de calcul Fvc Effort provenant de l’accélération de la culée calculé avec kV Fve Effort provenant de l’accélération de la masse des terres reposant sur la semelle calculé avec kv Fvp Effort d’inertie dû à l’accélération de la masse de la pile sous séisme vertical Fvt Effort transmis par le tablier sous séisme vertical Gk Valeur caractéristique de la charge permanente Gmax Module de cisaillement moyen à faibles déformations H Hauteur de la pile I Inertie Jcr Inertie fissurée (« cracked ») Jeff Rigidité effective des éléments ductiles en béton armé Jun Inertie brute non fissurée (« uncracked ») Keff Rigidité effective Keff,u Raideur effective ultime Keq Raideur élastique équivalente K i Raideur élastique d’une ligne d’appui i L Longueur totale du tablier continu Lg Distance au-delà de laquelle les mouvements du sol peuvent être considérés comme entièrement

indépendants Lh Longueur de calcul des rotules plastiques L i Distance projetée sur l’horizontal entre l’appui considéré et un point de référence L lim Longueur de tablier au-delà de laquelle la variabilité de l'action spatiale doit être prise en compte Lp Longueur de rotule plastique Ls Distance entre la rotule plastique et le point de moment nul Lv Distance entre la section de rotule plastique et la section de moment nul M Masse totale Ma Masse additionnelle d’eau entraînée MEd Moment de calcul dans la situation sismique de calcul MEd,i Valeur maximale du moment de calcul dans la situation sismique de calcul à l'emplacement prévu de

la rotule plastique de l'élément ductile i


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Mo Moment de sur-résistance MRd Valeur de calcul de la résistance de la section à la flexion MRd,i Résistance à la flexion de calcul de la section de la rotule plastique de l'élément ductile i MRd,req Moment résistant requis final calculé MRd

b Moment plastique du pied de pile MRd

T Moment plastique de la tête de pile M t Moment de torsion statique Mu Moment ultime My Moment à la limite élastique NEd Effort normal de calcul dans la situation sismique de calcul NSPT Nombre de coups par essai de pénétration normalisé Pk Valeur caractéristique de précontrainte après toutes pertes PNCR Probabilité de référence de dépassement en 50 ans de l’action sismique de référence pour l’exigence

de non-effondrement Q Action variable Q1k Valeur caractéristique de la charge due au trafic Q2 Valeur quasi-permanente des actions de longue durée S Paramètre de sol Sd(T) Spectre de calcul (pour l’analyse élastique) SDe(T) Spectre de réponse élastique en déplacement Sdiff Effets des déformations différées (retrait, fluage…) Se(T) Spectre horizontal de réponse élastique à l’accélération au niveau du sol, («spectre de réponse

élastique») ST Coefficient d’amplification topographique Sth Effets des actions thermiques caractéristiques Sve(T) Spectre vertical de réponse élastique à l’accélération au niveau du sol T Période de vibration d’un système linéaire à un seul degré de liberté TB Limite inférieure des périodes correspondant au palier d’accélération spectrale constante TC Limite supérieure des périodes correspondant au palier d’accélération spectrale constante TD Valeur définissant le début de la branche à déplacement spectral constant Teff Période effective du système d'isolation Teff,u Période équivalente TL vie théorique de l'ouvrage TNCR Période de retour de référence de l’action sismique de référence pour l’exigence de non-effondrement TR Période de retour de l'événement TRc Période de retour (en construction) VEd Effort tranchant de calcul dans la situation sismique de calcul VRd Valeur de calcul de la résistance de la section à l'effort tranchant Vs,max Vitesse des ondes de cisaillement X Axe longitudinal horizontal du pont Y Axe transversal horizontal du pont Z Axe vertical

Minuscules latines ag Accélération de calcul au niveau d’un sol de classe A agc Valeur de calcul de l'accélération en phase de construction agR Accélération maximale de référence au niveau d’un sol de classe A avg Accélération de calcul du sol suivant la direction verticale b Dimension de la section transversale du noyau en béton perpendiculaire à la direction du confinement

considérée, mesurée aux nus extérieurs de la frette bmin Plus petite dimension du noyau en béton cu Résistance au cisaillement du sol non drainé d Épaisseur effective de la section. da Moyenne des déplacements transversaux de toutes les têtes de piles sous l'effet de l'action sismique

transversale, ou sous l'action d'une charge transversale de répartition similaire dbd Déplacement de calcul de l'isolateur correspondant au déplacement de calcul du système d'isolation dcd dbL Diamètre de la barre longitudinale


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dcd Déplacement de calcul du système d'isolation dd Déplacement atteint pendant le chargement ddiff Déplacement dû aux effets différés dE Déplacement sismique (dû uniquement à l'action sismique de calcul) dEd Déplacement sismique de calcul deg Déplacement effectif dû à la variation spatiale du déplacement sismique deq Déplacement global équivalent des Déplacement sismique effectif de l'appui dû à la déformation de la structure dg Déplacement de calcul du sol dG Déplacement dû aux effets de longue durée des actions permanentes et quasi-permanentes dT Déplacement dû aux mouvements thermiques du Déplacement ultime cible dy Déplacement à la limite élastique f Fréquence propre d’un système linéaire à un seul degré de liberté fc Résistance en compression du béton fck Valeur caractéristique de la résistance du béton fcm Valeur moyenne de la résistance en compression du béton fcm,c Valeur moyenne de la résistance en compression du béton confiné f t Résistance à la traction f tk Contrainte plastique maximale caractéristique des armatures longitudinales fy Limite d'élasticité fyk Limite élastique caractéristique des armatures longitudinales fym Limite d'élasticité probable des armatures de confinement fys Limite d’élasticité de l'armature longitudinale fyt Limite élastique caractéristique de l'acier des armatures transversales g Accélération de la pesanteur h Profondeur de la section transversale dans le sens de la flexion de la rotule plastique kh Coefficient sismique horizontal kv Coefficient sismique vertical lm Longueur minimale d'appui assurant la transmission en toute sécurité de la réaction verticale lov Valeur du repos d’appui minimal p Probabilité de dépassement pE Pourcentage du déplacement sismique de calcul pl Pression limite pT Pourcentage du mouvement thermique q Coefficient de comportement qc Paramètre de sol CPT ri Coefficient de réduction de la force locale requis au droit de l'élément ductile i rmax Valeur maximale de ri rmin Valeur minimale de ri s Jeu de l'attelage sL Espacement (longitudinal) maximal sT Espacement entre les axes des frettes ou des épingles supplémentaires tc Durée de construction de l'ouvrage

Majuscules grecques ∆d Différence maximale des déplacements transversaux de toutes les têtes de piles sous l'effet de

l'action sismique transversale, ou sous l'action d'une charge transversale de répartition similaire

ΣAL Somme des aires des barres maintenue(s) par chaque brin d'armature transversale

Minuscules grecques α Rapport entre l’accélération de calcul du sol et l’accélération de la pesanteur ou Coefficient

d’efficacité du confinement αs Rapport de portée d'effort tranchant de la pile (= Ls/d ) γI Coefficient d'importance de l'ouvrage


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γIS Coefficient de fiabilité γR Facteur de réduction des efforts γM Coefficient partiel des matériaux γc Coefficient partiel pour le béton γs Coefficient partiel pour l’acier γeff Amplitudes de déformation de cisaillement effective dans chaque couche de sol γmax,t Valeur maximale de la déformation de cisaillement dans la couche de sol en champ libre γ0 Coefficient de sur-résistance ou surcapacité γBd1 Coefficient de sécurité complémentaire vis à vis des ruptures fragiles par effort tranchant γR,p Coefficient de sécurité pour les rotules plastiques δ Paramètre dépendant du rapport ft/fy εsy Déformation limite élastique des armatures εcu,c Déformation relative ultime du béton confiné en compression εc1 Déformation relative en compression du béton au pic de contrainte fc εcu Déformation relative ultime du béton en compression εsu Déformation plastique ultime pour l'acier η Coefficient de correction d'amortissement θy Rotation limite élastique θp,u Capacité de rotation plastique θd Rotation atteinte par l'articulation pendant le chargement µd Coefficient de ductilité global en déplacement µφ Coefficient de ductilité locale (ou demande de ductilité locale) en courbure µθ Coefficient de ductilité en rotation à la corde (rotation de l'articulation) µ Masse linéique du tablier ν Coefficient de Poisson νs,30 Valeur moyenne de la vitesse de propagation des ondes S dans la couche supérieure de 30 m

de sol, pour une distorsion inférieure ou égale à 10-5 ξ Pourcentage d'amortissement visqueux ξeq Amortissement global équivalent ρ Masse volumique ρL Pourcentage d'armatures longitudinales ρw Pourcentage d'armatures transversales σe Pression effective de confinement φ Angle de biais ψT Angle balayé en plan par la tangente à l'axe de l'ouvrage (ouvrage courbe) ψi Angle formé par les tangentes à la ligne moyenne de l'ouvrage aux appuis n° 0 (culée) et i ψ2 Coefficient de combinaison pour la valeur quasi-permanente de l'action thermique ψ21 Coefficient de combinaison correspondant aux valeurs quasi permanentes des charges dues au

trafic ω Pulsation propre d’un système linéaire à un seul degré de liberté ωwd Rapport mécanique des armatures de confinement


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Chapitre 1

Introduction


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1 Introduction

1.1 Finalité du guide L’objectif de ce guide est de fournir un document de conception et de justification des ouvrages d’art tenant compte des nouveaux textes parus ces dernières années (Eurocode 8, révision des décrets de 1991 et de l’arrêté Pont de 1995, nouveau zonage sismique). Par souci de commodité, l’ensemble des textes relatifs à la protection parasismique des ouvrages est repris dans le guide de manière à en faire un document autonome (à l'exception du zonage complet du territoire). Les règles de justification reposent donc sur les différentes parties de l'Eurocode 8 pour la conception des ouvrages au séisme, adaptées spécifiquement au cas des ouvrages d'art avec de nombreux commentaires explicatifs.

Son architecture repose sur la démarche logique du projeteur. Il présente la réglementation (chapitre 1), puis les principes généraux de dynamique des structures et de modélisation de l’action sismique (chapitre 2), développe les principes généraux de la conception parasismique (chapitre 3), les différents types d’analyse possible (chapitre 4), l’ensemble des règles de justification et les dispositions constructives (chapitre 5). Le chapitre n°6, quant à lui, précise le cas particulier des ponts cadres et portique. Enfin, les annexes proposent trois exemples d’application quasiment complets (annexes 7.1, 7.2, 7.3), et un tableau synthétique (annexe 7.4) des principales évolutions apportées par l’Eurocode 8 par rapport aux règles PS92 en lien avec les chapitres du guide concernés.

Le présent guide couvre uniquement le champ de la conception des ouvrages neufs. Si certaines approches ou méthodes d’analyses peuvent être déclinées au diagnostic et au renforcement des ponts existants, cette problématique particulière nécessite cependant un ajustement spécifique de nombreux paramètres (tels que la définition de l’aléa de référence, du niveau de performance requis, des états-limites de référence, des coefficients de sécurités matériaux, etc.) sortant du champ couvert par le présent document. Le lecteur pourra trouver des éléments d’appréciation sur les ouvrages existants dans le guide du Sétra « Diagnostic et renforcement sismiques des ponts existants ».

1.2 Textes concernant la protection parasismique des ponts

1.2.1 Introduction

La norme NF EN 1998 et NF EN 1998 NA [ 4] [ 5] [ 6] renvoie à chaque État membre de l’union européenne la responsabilité de définir la classification des ouvrages, le zonage et les paramètres qualifiant l'action sismique.

En France, cela s’est traduit par la publication à partir de 2010 de deux décrets généraux et de plusieurs arrêtés traitant plus spécifiquement des règles de dimensionnement parasismiques applicables aux différents types de structures de génie civil, notamment les ponts :

- Décret n°2010-1254 du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique [ 1];

- Décret n°2010-1255 du 22 octobre 2010 portant délimitation des zones de sismicité du territoire français [ 2] ;

- Arrêté du 26 octobre 2011 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux ponts de la catégorie dites "à risque normal" [ 3].

Ce nouveau corpus normatif (Eurocode 8) et législatif (Décrets et Arrêtés) permet d’intégrer les dernières avancées scientifiques et technologiques relatives à la connaissance et à la prise en compte du risque sismique (définition et représentation de l’aléa sismique, comportement dynamique des structures sous sollicitations sismiques, etc.) dans la conception et le dimensionnement des ouvrages d’art.


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1.2.2 Décrets et arrêtés

1 .2 .2 .1 Déc re t n °20 10 -1 25 4 du 2 2 oc to b re 20 10 re la ti f à la p rév en t io n du r i sque s i s mique

Ce décret fixe le cadre général pour l’application des règles de construction parasismiques en France. Il définit notamment les dénominations relatives aux ouvrages dits "à risque normal" et aux ouvrages dits "à risque spécial". Par rapport aux anciennes pratiques (Décret n°91-461 du 14 mai 1991 et anciennes règles PS92), le décret a remplacé le terme « catégories d’ouvrage à risque normal ou spécial » de la partie réglementaire du Code de l’Environnement par « classes d’ouvrage à risque normal ou spécial », tandis que les « classes d’importances A, B, C et D » sont respectivement remplacées par les « catégories d’importances I, II, III et IV ». Art. 1er. − La partie réglementaire du code de l’environnement est modifiée comme suit : I. – A l’article R. 563-2, le mot : « catégories » est remplacé par le mot : « classes ». II. – L’article R. 563-3 est remplacé par les dispositions suivantes : « Art. R. 563-3. − I. – La classe dite “à risque normal” comprend les bâtiments, équipements et installations pour lesquels les conséquences d’un séisme demeurent circonscrites à leurs occupants et à leur voisinage immédiat. « II. – Ces bâtiments, équipements et installations sont répartis entre les catégories d’importance suivantes : « 1° Catégorie d’importance I : ceux dont la défaillance ne présente qu’un risque minime pour les personnes ou l’activité économique ; « 2° Catégorie d’importance II : ceux dont la défaillance présente un risque moyen pour les personnes ; « 3° Catégorie d’importance III : ceux dont la défaillance présente un risque élevé pour les personnes et ceux présentant le même risque en raison de leur importance socio-économique ; « 4° Catégorie d’importance IV : ceux dont le fonctionnement est primordial pour la sécurité civile, pour la défense ou pour le maintien de l’ordre public. »

Commentaires :

Le Code de l’Environnement définit les ouvrages « à risque spécial » comme suit :

« La classe dite "à risque spécial" comprend les bâtiments, les équipements et les installations pour lesquels les effets sur les personnes, les biens et l'environnement de dommages même mineurs résultant d'un séisme peuvent ne pas être circonscrits au voisinage immédiat desdits bâtiments, équipements et installations.»

L’ensemble des ouvrages d’art, hormis les ponts-canaux, relève du risque normal. Attention toutefois, en dehors des ponts-canaux, les ouvrages couvrant ou intégrés dans des structures relevant de classements spéciaux peuvent sortir du domaine normal. Leur classement relève d’une analyse au cas par cas.

Le zonage sismique de la France est désormais défini au niveau communal et non plus cantonal. La dénomination des zones est modifiée (les anciennes dénominations de zones 0, Ia , Ib, II et III sont remplacées par les dénominations de zones 1, 2, 3, 4 et 5) : Art. 1er. III. – L’article R. 563-4 est remplacé par les dispositions suivantes : « Art. R. 563-4. − I. – Pour l’application des mesures de prévention du risque sismique aux bâtiments, équipements et installations de la classe dite “à risque normal”, le territoire national est divisé en cinq zones de sismicité croissante : « 1° Zone de sismicité 1 (très faible) ; « 2° Zone de sismicité 2 (faible) ; « 3° Zone de sismicité 3 (modérée) ; « 4° Zone de sismicité 4 (moyenne) ; « 5° Zone de sismicité 5 (forte). « II. – La répartition des communes entre ces zones est effectuée par décret. » V. – Le I de l’article R. 563-5 est remplacé par les dispositions suivantes : « I. – Des mesures préventives, notamment des règles de construction, d’aménagement et d’exploitation parasismiques, sont appliquées aux bâtiments, aux équipements et aux installations de la classe dite “à risque normal” situés dans les zones de sismicité 2, 3, 4 et 5, respectivement définies aux articles R. 563-3 et R. 563-4. Des mesures préventives spécifiques doivent en outre être appliquées aux bâtiments, équipements et installations de catégorie IV pour garantir la continuité de leur fonctionnement en cas de séisme. »


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1 .2 .2 .2 Déc re t n °2 01 0 -1 25 5 du 2 2 o c to b re 2 01 0 po r t an t dé l imi t a t i o n des zo nes de s i s mic i t é du t e r r i t o i re f r a nça i s

Outre la dénomination des zones, le Décret n°2010-1255 du 22 octobre 2010 portant délimitation des zones de sismicité du territoire français modifie également profondément leur étendue et leur localisation géographique.

Le nombre de communes concernées par le risque sismique (zones 2 à 5 selon la nouvelle dénomination) subit ainsi une augmentation significative, puisqu’il passe de 5 000 communes environ en zone sismique en 1991 (soit 17% du territoire) contre plus de 20 000 avec le nouveau zonage (soit 66% du territoire). Ce nouveau zonage est basé non plus sur une approche déterministe mais sur une approche probabiliste, conforme aux règles de calcul de l’Eurocode 8.

Art. 1er. − Il est inséré, après l’article R. 563-8 du code de l’environnement, un article D. 563-8-1 ainsi rédigé : « Art. D. 563-8-1. − Les communes sont réparties entre les cinq zones de sismicité définies à l’article R. 563-4 conformément à la liste ci-après, arrêtée par référence aux délimitations administratives, issues du code officiel géographique de l’Institut national de la statistique et des études économiques, en vigueur à la date du 1er janvier 2008. … »

Le zonage détaillé ne peut-être donné de manière exhaustive dans le présent guide, compte-tenu du nombre de communes. Néanmoins la nouvelle carte de l'Aléa sismique de la France est fournie au paragraphe 4.2.1.

Comme indiqué précédemment, le nouveau zonage réglementaire définit cinq zones de sismicité croissante basées sur un découpage communal. La zone 5 regroupant les îles antillaises, correspond au niveau d’aléa le plus élevé du territoire national. La métropole et les autres DOM présentent quatre zones sismiques, de la zone 1 de très faible sismicité (bassin aquitain, bassin parisien…) à la zone 4 de sismicité moyenne (fossé rhénan, massifs alpin et pyrénéen).

1 .2 .2 .3 A r rê té du 26 o c to bre 2 01 1 re la t i f à la c la ss i f i ca t io n e t aux règ les de co ns t ruc t io n pa ra s i smiq ue a pp l i ca b les aux po n t s de l a ca tég o r ie d i t es "à r i sque no r ma l "

Article 1

II. « Sont visés par le présent arrêté les ponts, incluant les passerelles, nouveaux définitifs » ;

L’Arrêté précise, en la déclinant au cas des ponts, la définition des quatre catégories d’importance des ouvrages de la classe dite "à risque normal" telles que définies par le Décret n°2010-1254 du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique : Article 2

« Pour l’application du présent arrêté, les ponts de la classe dite « à risque normal » sont classés comme suit : En catégorie d’importance I : les ponts qui n’appartiennent pas au domaine public et ne desservant pas d’établissement recevant du public et ne sont rangés ni en catégorie d’importance III ni en catégorie d’importance IV. En catégorie d’importance II : les ponts qui n’appartiennent pas au domaine public mais qui desservent un établissement recevant du public, ainsi que les ponts qui appartiennent au domaine public et ne sont rangés ni en catégorie d’importance III ni en catégorie d’importance IV. En catégorie d’importance III : - les ponts qui appartiennent au domaine public et qui portent, franchissent ou longent au moins une des voies terrestres ci-après : - autoroutes mentionnées à l’article L. 122-1 du code de la voirie routière ; - routes express mentionnées à l’article L. 151-1 du code de la voirie routière ; - voies à grande circulation définies à l’article L.110-3 du code de la route ; - liaisons ferroviaires à grande vitesse mentionnées au décret du 1er avril 1992 susvisé ; - les pont-canaux qui n’appartiendraient pas à la classe à risque spécial ; - les ponts situés dans les emprises des ports maritimes et fluviaux, à l’exclusion des ports de plaisance ; - les ponts des pistes d’aérodrome et les ponts de voies de circulation d’aéronefs situés aux abords des pistes d’aérodrome qui ne sont pas rangés en catégorie d’importance IV. En catégorie d’importance IV :


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- les ponts des pistes d’aérodrome ayant un code lettre C, D, E ou F au sens de l’arrêté du 10 juillet 2006 relatif aux caractéristiques techniques de certains aérodromes terrestres utilisés par les aéronefs à voilure fixe ; - les ponts des voies de circulation d’aéronefs et situés aux abords d’une piste, ayant un code lettre C, D, E ou F au sens de l’arrêté du 10 juillet 2006 cité ci-dessus ; - les ponts dont l’utilisation est primordiale pour les besoins de la sécurité civile, de la défense nationale ainsi que pour le maintien de l’ordre public. Le classement en catégorie d’importance IV est prononcé par le préfet chaque fois que l’ouvrage constitue un point essentiel pour l’organisation des secours. Tout pont nouveau définitif de catégorie d’importance II ou III dont l’endommagement pourrait provoquer des dommages à un bâtiment, un équipement ou une installation de catégorie d’importance IV reçoit le classement de pont de catégorie d’importance IV. »

L’Arrêté fixe également toutes les règles de construction à appliquer, notamment les compléments nécessaires apportés par l’administration française à l’Eurocode 8 et à son annexe nationale (accélérations de référence et de calcul, coefficients d’importance associés aux différentes catégories, paramètres des spectres de réponse…) :

Article 3

« Les ponts de catégorie d’importance I ou en zone de sismicité très faible (zone 1) ne sont pas soumis à l’application des règles parasismiques définies à l’article 4 du présent arrêté ». Article 4

I. - Les règles de construction à appliquer aux ponts nouveaux définitifs, mentionnées à l'article 3 du présent arrêté, sont celles de la norme NF EN 1998-2, dites "règles Eurocode 8" accompagnée du document nommé « annexe nationale » s’y rapportant.

Ces règles doivent être appliquées au moyen d’un coefficient d’importance γI (au sens de la norme NF EN 1998-2) attribué à chacune des catégories d’importance de pont. Les valeurs des coefficients d’importance γI sont données par le tableau suivant

Catégories d’importance de pont Coefficient d’importance γI II 1 III 1,2 IV 1,4

II. – Le mouvement dû au séisme à partir duquel les règles de construction doivent être appliquées, est représenté par un spectre de réponse élastique en accélération, dénommé par la suite « spectre de réponse élastique ». Le spectre de réponse élastique est caractérisé par les paramètres suivants :

a) l'accélération maximale de référence au niveau d’un sol de type rocheux (classe A au sens de la norme NF EN 1998-1), dénommée agr, résultant de la situation du pont par rapport à la zone sismique d’implantation, telle que définie par les articles R.563-4 et D.563-8-1 du code de l’environnement. Les valeurs des accélérations agr, exprimées en mètres par seconde au carré, sont données par le tableau suivant :

Zones de sismicité agr

2 (Faible) 0,7

3 (Modérée) 1,1

4 (Moyenne) 1,6

5 (Forte) 3

b) l’accélération horizontale de calcul au niveau d’un sol de type rocheux (classe A au sens de la norme NF EN 1998-1), ag, est

égale à agr multipliée par le coefficient d’importance γI défini au I du présent article soit ag = γI.agr c) la nature du sol, en ce qui concerne les composantes horizontales du séisme, par l’intermédiaire du paramètre de sol, S. Les

valeurs du paramètre de sol, S, résultant de la classe de sol (au sens de la norme NF EN 1998-1) sous le pont sont données par le tableau suivant :


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Classes de sol S (pour les zones de sismicité 2 à 4) S (pour la zone de sismicité 5)

A 1 1

B 1,35 1,2 C 1,5 1,15 D 1,6 1,35

E 1,8 1,4

Les modalités d’utilisation du paramètre de sol, S, sont définies dans la norme NF EN 1998-1. La nature du sol n’est pas prise en compte pour l’évaluation de la composante verticale de l’action sismique.

d) TB et TC, qui sont respectivement la limite inférieure et supérieure des périodes correspondant au palier d’accélération spectrale constante et TD qui est la valeur définissant le début de la branche à déplacement spectral constant ; Les valeurs de TB, TC et TD, à prendre en compte pour l’évaluation des composantes horizontales du mouvement sismique, exprimées en secondes sont données par le tableau suivant :

Pour les zones de sismicité 2 à 4 Pour la zone de sismicité 5 Classes de sol

TB TC TD TB TC TD

A 0,03 0,2 2,5 0,15 0,4 2

B 0,05 0,25 2,5 0,15 0,5 2

C 0,06 0,4 2 0,2 0,6 2

D 0,1 0,6 1,5 0,2 0,8 2

E 0,08 0,45 1,25 0,15 0,5 2

e) les paramètres des spectres de réponse élastiques verticaux à employer pour l’utilisation de la norme NF EN 1998-2 :

Zone de sismicité avg / ag TB TC TD

2 (faible) à 4 (moyenne) 0,9 0,03 0,20 2,5

5 (forte) 0,8 0,15 0,40 2

III. Dans le cadre de l’analyse de la liquéfaction, telle que définie dans l’annexe B de la norme NF EN 1998-5 septembre 2005, par convention, la magnitude à utiliser pour les études est donnée par le tableau suivant :

Zones de sismicité Magnitude conventionnelle

3 (modérée) 5,5

4 (moyenne) 6,0

5 (forte) 7,5

En zones de sismicité 1 et 2 (sismicité très faible et faible), l’analyse de la liquéfaction n’est pas requise. Les modalités pratiques d’utilisation de ces différents paramètres, conformément aux prescriptions de l’Eurocode 8, font l’objet du §4.2 du présent guide.

1.2.3 Normes de calculs : les Eurocodes et leurs annexes nationales

Les normes de calcul à utiliser sont les Eurocodes et leurs annexes nationales. L’Eurocode 8 fait en effet référence à tous les Eurocodes matériaux et de charges avec lesquels il est totalement compatible. Il est à noter que l’Eurocode 8 n’est pas un texte unique, mais est composé de 5 textes européens, ayant chacun une annexe nationale. Pour les ponts neufs, seuls les Eurocodes 8 parties 1 [ 4] (chapitres relatifs aux règles générales et actions sismiques), 2 (Ponts) [ 5], et 5 (Fondations, ouvrages de soutènement et aspects géotechniques) [ 6] sont utiles.

Mis à part les Eurocodes, d’autres normes sont utiles pour la conception parasismique, notamment pour les appareils d’appui et les dispositifs antisismiques : norme NF EN 15129 "Dispositifs antisismiques" [ 7].


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1.2.4 Les guides existants

Bien que les règles PS92 ne soient plus utilisables et soient remplacées par l’Eurocode 8, nous rappelons quand même les différents guides traitant de la conception parasismique des ponts (en référence aux anciennes règles PS92), qui peuvent, dans certains cas où l’Eurocode 8 reste muet ou incomplet, s’avérer particulièrement utiles :

� Guide AFPS 92 pour la protection parasismique des ponts [ 8] ;

� Guide Sétra/Sncf « Ponts courants en zones sismiques – Guide de conception » de janvier 2000 (obsolète et remplacé par le présent guide) [ 9] .

On cite également les différents guides et documents, publiés ou à paraître, compatibles avec l’application de l’Eurocode 8 :

� Guide AFPS « Dispositions constructives parasismiques des ouvrages en acier, béton, bois et maçonnerie – Nouvelle édition conforme aux Eurocodes » de 2011 [ 10] ;

� Cahier technique AFPS n°26 « Méthodes en déplacement : Principe – Codification – Application » [ 13] ;

� Guide AFPS/Sétra « Dispositifs antisismiques pour les ponts», à paraître [ 11];

� Guide Sétra « Diagnostic et renforcement sismique des ponts existants », à paraître [ 12].

1.3 Responsabilités particulières du maître d’ouvrage

Le Maître d’ouvrage doit assurer l’étude de faisabilité et définir, dans le programme, les objectifs de l’opération et les besoins qu’elle doit satisfaire, ainsi que les contraintes et exigences relatives à la réalisation et à l’utilisation de l’ouvrage.

De ce fait, il doit définir les conditions administratives et techniques. Autrement dit, il doit fixer, en liaison avec les autorités compétentes (tant à l’échelon central (ministère) qu’à l’échelon local (préfecture)), la catégorie d’importance des ouvrages à réaliser et par conséquent le niveau d’aléa qu'il faut considérer (associé implicitement à la notion de période de retour).

Dans le cas des ouvrages ferroviaires, il doit définir également les dispositions à adopter pour assurer l’exploitation des installations vis-à-vis d’une action sismique minorée (exigences de minimisation de dommages associées à un niveau de séisme « de service »).

Il appartient également au Maître d’ouvrage de faire réaliser les investigations sismologiques, géologiques et géotechniques, pour définir les aléas sismiques (détection des zones de failles, micro zonage, caractérisation des sols de fondation et détermination des effets de site, des risques de liquéfaction et autres effets induits…). C’est à lui également de retenir, sur les conseils de son maître d’œuvre, le choix d’un parti architectural et donc de la régularité structurelle de l’ouvrage qui influence de façon très significative son comportement sismique, ainsi que les exigences de comportement (essentiellement élastique, ductilité limitée ou ductile) des éléments structurels.

Le Maître d’ouvrage intervient donc à tous les stades de la conception parasismique de l’ouvrage :

- caractérisation de l’aléa sismique (y compris effets de site et effets induits) et définition du niveau de protection requis (cf. §3.2 et 4.2.2) lors de l’élaboration du programme d’ouvrage d’art,

- choix de la meilleure implantation au regard des différents aléas sismiques (cf. §3.4), parti architectural, géométrie et régularité structurelles (cf. §3.5) lors des phases d’études préliminaires,

- choix de la stratégie de conception parasismique (cf. §3.3) lors de l’élaboration du projet…


– 21 –

En particulier, en ce qui concerne les premiers points, notons que les niveaux d’aléa et les exigences de base spécifiés dans l’Eurocode 8 correspondent à un minimum réglementaire imposé par la norme. Il appartient au Maître d’ouvrage, s’il le juge nécessaire, de fixer un niveau plus sécuritaire en fonction de l’importance qu’il attribue à son ouvrage et des enjeux associés. De la même façon, il lui appartient d’imposer ou non la justification explicite de minimisation des dommages sous séisme dit « de service » ou encore la prise en compte d’un niveau sismique au cours des phases de construction conformément aux spécifications de l’annexe informative A de l’Eurocode 8-2 (cf. §4.2.1).

Enfin, en phase d’exploitation, des campagnes de maintenance, de surveillance et d’entretien des ouvrages doivent être menées régulièrement à l’initiative du maître d’ouvrage. Cette obligation revêt notamment un caractère essentiel dans le cas des ponts équipés de dispositifs antisismiques de type isolateurs ou amortisseurs parasismiques. Enfin, en cas d’évènement sismique majeur, il est encore une fois de la responsabilité du maître d’ouvrage de procéder à l’inspection des dommages éventuels sur l’ouvrage et ses équipements, puis de décider ou non de sa réouverture à la circulation.


– 22 –

Chapitre 2

Généralités sur les phénomènes sismiques


– 23 –

2 Généralités sur les phénomènes sismiques

2.1 Action sismique

2.1.1 Générali tés

Le calcul sismique a pour objectif de déterminer la réponse d'un ouvrage à un mouvement tellurique transmis par le sol au niveau de ses fondations ; le terme "réponse" signifiant les sollicitations, déplacements, vitesses, accélérations et forces d’inertie résultantes subis par l'ouvrage. Ce calcul, qui relève du domaine de la dynamique des structures, se révèle délicat du fait de l'aspect aléatoire de l'excitation.

2 .1 .1 .1 O r ig ine des sé i smes

Un séisme est une libération brutale de l'énergie potentielle accumulée dans les roches par le jeu des mouvements relatifs des différentes parties de l'écorce terrestre (les plaques lithosphériques – cf. Figure 1). Lorsque les contraintes dépassent un certain seuil, une rupture d'équilibre se produit et donne naissance aux ondes sismiques qui se propagent et atteignent la surface du sol, mettant ce dernier en vibration.

Figure 1 : Carte des plaques tectoniques

Il existe trois types de mouvements entre les plaques (cf. Figure 2) :

o les zones de divergence : remontée de magma qui durcit et forme alors la croûte océanique. La croûte nouvellement formée s'éloigne de part et d'autre de la dorsale : c'est la divergence.

o les zones de convergence : c'est la cause majeure des séismes.

o zone de subduction : convergence entre une plaque océanique et une plaque continentale, ou océanique qui conduit à l'enfoncement de la plaque la plus dense sous l’autre.

o zone de collision : convergence entre deux plaques continentales qui se traduit par le plissage de la plaque la plus faible.

o les zones de coulissage : lors des mouvements de divergence et de convergence, les mouvements sont sensiblement perpendiculaires à la frontière des plaques. Lorsque le phénomène devient parallèle à cette frontière, il s'agit de coulissage. Cela se traduit par une forte sismicité.


– 24 –

Figure 2 : Principes de mouvements des plaques

Nous avons évoqué précédemment les séismes inter-plaques (mouvements entre les plaques tectoniques). De nombreux séismes sont également dus aux mouvements intra-plaques. En effet, même à l'intérieur des plaques tectoniques, des failles peuvent jouer (réajustement des contraintes de la croûte terrestre) et provoquer des séismes. Ils sont généralement moins violents. C'est ce type de séismes que l'on rencontre en France métropolitaine. Les séismes peuvent également être provoqués par l'activité volcanique et l'activité humaine (mise en eau de barrages…).

2 .1 .1 .2 Fo y er e t ép i cen t re

Le foyer ou hypocentre représente la zone de la faille où s’est produite la rupture et d’où les ondes sismiques commencent à se propager. L'épicentre correspond à la projection de l’hypocentre à la surface du sol. En général, il est associé au mouvement sismique le plus élevé. La détermination de sa position est un problème complexe et donne des résultats plus ou moins précis car la libération d'énergie n'est ni un événement ponctuel, ni instantané.

Figure 3 : Définition du foyer et de l'épicentre

Plusieurs méthodes existent, par exemple la méthode des cercles (report de la distance entre les stations de mesures et l'épicentre).

a) les failles normales (divergence) b) les failles inverses (convergence) c) les failles en décrochement (vue de dessus)


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Figure 4 : Principe de la méthode des cercles

2 .1 .1 .3 Ondes s i s miques

A partir du foyer, la secousse sismique se propage dans le sol sous forme d'ondes de divers types [ 17] [ 18] .

2 .1 .1 .3 .1 Ond es de vo lum e

Il existe deux types d'ondes dites de volume :

� Ondes longitudinales ou primaires (P) : ces ondes se propagent suivant des cycles de compression-décompression du sol. Elles se propagent plus rapidement que les autres types d'ondes et sont généralement peu destructrices.

� Ondes transversales ou secondaires (S) : ces ondes s'accompagnent, sans changement de volume, d'un cisaillement dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation.

Les ondes S sont plus lentes que les ondes P dans un rapport variant de 1,5 à 2 suivant le coefficient de Poisson.

Figure 5:Schémas de propagation des ondes longitudinales et transversales (réf. [ 18])

2 .1 .1 .3 .2 Ond es d e su r f a ce

Les ondes de volume qui arrivent à la surface de la terre produisent des ondes de surface qui sont de deux types :

� Ondes de Love (L) : Ce sont des ondes de cisaillement qui se produisent quand le massif comporte dans sa partie superficielle une superposition de couches horizontales de caractéristiques différentes.

Station 2

Station 1

Station 3

Epicentre

X


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Figure 6 : Schéma de propagation des ondes de Love (réf. [ 18])

� Ondes de Rayleigh (R) : Elles se propagent le long de la surface libre limitant un massif semi-infini. Ce sont des ondes pour lesquelles les points du sol décrivent des ellipses dans le plan vertical de propagation.

Figure 7:Schéma de propagation des ondes de Rayleigh (réf. [ 18])

Les ondes de cisaillement (S) et (L) sont plus dangereuses pour les constructions que les ondes P. Les ondes S et P se propagent généralement quasi-verticalement.

2 .1 .1 .4 Do nnées qua n t i f ia n t le mo uv e men t s i s mique

Les mouvements sismiques qui intéressent l'ingénieur sont ceux qui se produisent à la surface du sol ou à son voisinage immédiat.

2 .1 .1 .4 .1 Do nnées re la t i ves a ux co nséq uences e t à la rep résen ta t i o n d e l 'e f fe t s i sm iq ue su r un s i t e

De nombreuses échelles d'intensité ont été proposées pour apprécier l'effet du séisme sur les constructions. Le Tableau 1 présente une description abrégée de l'échelle EMS 98 (European Macroseismic Scale 1998 [ 15]) actuellement utilisée en Europe qui se substitue à l'échelle MSK (Medvedev, Sponheuer et Karnik).

L'EMS 98 comporte aussi 12 niveaux et prend en compte une classification plus détaillée des dégâts en fonction de la nature des constructions.

Intensité Définition Effets

I Imperceptible Secousse imperceptible. Sans effet. Aucun dégât.

II Rarement perceptible

Secousse ressentie uniquement par quelques personnes au repos dans les maisons. Sans effet. Aucun dégât.

III Faible Secousse ressentie à l'intérieur des habitations par quelques personnes. Les objets suspendus

oscillent légèrement. Aucun dégât.

IV Largement observé Secousse ressentie à l'intérieur des habitations par de nombreuses personnes et à l'extérieur par

quelques unes. Quelques dormeurs sont réveillés. La porcelaine, les fenêtres, les portes et la vaisselle vibrent. Sans dégâts.


– 27 –

V Fort Secousse ressentie à l'intérieur des habitations par la plupart des personnes et à l'extérieur par

quelques personnes. Les bâtiments tremblent dans leur ensemble. Les petits objets sont déplacés. Quelques bâtiments fortement et très fortement vulnérables subissent des dégâts légers.

VI Dégâts légers Secousse ressentie à l'intérieur et à l'extérieur des habitations par la plupart des personnes. De nombreuses personnes sont effrayées et se précipitent dehors. Bris de vaisselle. De nombreux

bâtiments fortement et très fortement vulnérables subissent des dégâts légers.

VII Dégâts

La plupart des personnes sont effrayées et essaient de se précipiter dehors. Les meubles se déplacent et beaucoup d'objets tombent des étagères. De nombreux bâtiments fortement et très

fortement vulnérables subissent des dégâts sensibles à importants et quelques bâtiments moyennement vulnérables subissent des dégâts légers.

VIII Dégâts importants La plupart des personnes éprouvent des difficultés à se tenir debout. Les meubles peuvent se

renverser. Quelques bâtiments très fortement vulnérables s'effondrent et de nombreux bâtiments moyennement vulnérables subissent des dégâts sensibles à importants.

IX Destructions Des personnes peuvent être projetées au sol. De nombreux monuments ou colonnes tombent. De

nombreux bâtiments très fortement vulnérables s'effondrent et de nombreux bâtiments moyennement vulnérables subissent des dégâts très importants.

X Destructions importantes

De nombreux bâtiments fortement vulnérables s'effondrent. De nombreux bâtiments peu vulnérables subissent des dégâts sensibles et modérés.

XI Catastrophe De nombreux bâtiments moyennement vulnérables subissent des dégâts très importants et quelques

uns s'effondrent. De nombreux bâtiments très peu vulnérables subissent des dégâts sensibles à modérés

XII Catastrophe généralisée

Pratiquement tous les bâtiments même ceux très peu vulnérables sont détruits. Les effets du tremblement de terre ont atteint le maximum concevable.

Tableau 1 : Échelle d'intensité EMS 98

2 .1 .1 .4 .2 Do nnées i ns t rum en ta les : Ma g n i tud es

La magnitude, définie en 1935 par Richter, pour mesurer l'énergie des séismes, est fonction de l'amplitude maximum qu'enregistrerait un sismographe étalon placé à 100 km de l'épicentre. Cette mesure n'est fiable qu'à très courte distance et est maintenant appelée magnitude locale ML.

Un séisme émet plusieurs ondes différentes (cf. §2.1.1.3), la magnitude dépend du type d’ondes reçues par le sismographe et lues par le sismologue. Ainsi on définit plusieurs magnitudes :

– La magnitude locale ML se calcule à partir de l'amplitude maximale des ondes P. Elle est calculée pour des séismes se produisant à proximité des stations sismologiques c’est à dire à moins de quelques centaines de kilomètres ;

– La magnitude des ondes de surface MS se calcule à partir de l'amplitude des ondes de surface. Elle est calculée pour des séismes se produisant à plus de 2000 kilomètres des stations sismologiques ;

– La magnitude des ondes de volume MB se calcule à partir de l'amplitude de l'onde P qui arrive au début du sismogramme. Elle est calculée pour des séismes se produisant à plus de 2000 kilomètres des stations sismologiques ;

– La magnitude de moment MW ou de Kanamori [ 16] se calcule à partir du moment sismique. Bien que moins immédiate à estimer, cette magnitude est directement reliée à une quantité physique, elle-même, associée à l'énergie émise par le tremblement de terre. Cette échelle de magnitude est la plus employée de nos jours.

Les séismes de magnitude inférieure à 3 – 3,5, même proches de la surface donnent rarement, même à l'épicentre, une intensité supérieure à II (cf. §2.1.1.4.1) et ne sont donc pas ressentis par l'homme.

En France, on enregistre environ 1500 séismes par an, dont plus d'une dizaine de magnitude supérieure à 4, dont la provenance vient de la France ou de pays limitrophes.

2 .1 .1 .5 S i s mo g ra phe

Cet instrument mesure les mouvements du sol lors d'un séisme. Le résultat de l'enregistrement est le sismogramme. Ce dernier est appelé accélérogramme si l'instrument de mesure est un accéléromètre.


– 28 –

Les enregistrements donnent pour chacune des trois composantes, l'accélération en fonction du temps soit a(t) ; les vitesses v(t) et les déplacements d(t) s'en déduisent par intégrations successives (Figure 2).

Figure 8 : Enregistrement du séisme de Nice (2001)

Actuellement on utilise surtout des sismomètres électromagnétiques et des accéléromètres. Ils ne mesurent pas le mouvement du sol mais la vitesse de mouvement du sol.

Figure 9 : Exemples de sismomètres

2.1.2 Dif férentes représentations de l ’action sismique en un si te donné

2 .1 .2 .1 Év a lua t io n de l ’ a l éa s i s mique

L'aléa est la probabilité d'atteindre ou de dépasser un certain niveau d'un phénomène naturel au cours d'une période donnée.

L'évaluation de l'aléa sismique sur un site donné consiste à déterminer les mouvements sismiques les plus agressifs dont l'occurrence sur le site est considérée comme possible. Cette définition est de nature probabiliste car la notion d'occurrence possible est toujours liée à la fixation d'un seuil de probabilité au-dessous duquel le risque est jugé acceptable.

L’ancien zonage, qui datait de 1985, était basé sur une approche de type statistique déterministe : nombre et importance des séismes passés sur une zone définie et données tectoniques. Les données nécessaires pour ces études sont relatives à la sismicité instrumentale pour les périodes très récentes ou relatives à la sismicité


– 29 –

historique d'une région pour des périodes lointaines. Ces dernières sont généralement difficiles à obtenir et souvent peu fiables, particulièrement en ce qui concerne les localisations d'épicentre. Le territoire était divisé selon les limites cantonales. Cinq zones de sismicité étaient définies 0, Ia, Ib, II et III.

L’évolution des connaissances scientifiques et de la réglementation parasismique à l’échelle européenne (Eurocode 8) a nécessité une réévaluation du zonage en se basant sur une approche de type probabiliste : prise en compte des périodes de retour des séismes sur la zone ainsi que de la sismicité des zones voisines. De plus, contrairement au précédent zonage qui était basé sur des limites cantonales, ces limites seront désormais communales.

Figure 10 : Ancien et nouveau zonage sismique de la France

2 .1 .2 .2 Zo na g e s i s mi que

L'ensemble du territoire français est réparti en cinq zones de sismicité croissante, définies par le décret n°2010-1255 du 22 octobre 2010 portant délimitation des zones de sismicité du territoire français :

Ces zones sont notées zones 1 à 5 et correspondent respectivement au niveaux d’aléa très faible, faible, modéré, moyen et fort (cf. Figure 10 ci-dessus).

A l'échelle locale, le niveau de sismicité à prendre en compte est désormais défini commune par commune. La législation parasismique en vigueur (décrets et arrêtés associés) définit les dispositions permettant de satisfaire aux exigences de comportement représentant le niveau de protection minimal requis par la Puissance Publique. Cette législation définit des valeurs d’accélération dites de "référence", qui traduisent un choix résultant d'un compromis entre l'aléa sismique et le surcoût économique des mesures de protection. L'aléa sismique est la combinaison de l'accélération réglementaire (accélération sur la zone en considérant le sol rigide, agr) avec le coefficient (S) correspondant à la classe de sol, c'est à dire à la qualité du sol, ainsi que le cas échéant avec un coefficient topographique (ST) correspondant aux conditions de relief. Les aspects socio-économiques, relatifs à l’importance stratégique de l'ouvrage et aux conséquences de son éventuel


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effondrement, sont également pris en compte par un coefficient d'importance (γI), qui pondère l'accélération issue de l'aléa.

2 .1 .2 .3 Accé lé rog ra mmes

L'action du séisme sur une structure peut être modélisée par des accélérogrammes (enregistrements réels ou accélérogrammes artificiels construits à partir de spectres de réponses par des méthodes statistiques).

L'accélérogramme est une représentation de l'accélération du mouvement sismique en fonction du temps. Elle est définie par des courbes qui fluctuent de manière irrégulière autour de la valeur nulle et dont la durée est très variable, de l'ordre de quelques secondes à quelques dizaines de secondes.

Les principales caractéristiques d'un accélérogramme sont :

- sa durée totale ou plutôt la durée de la plage des mouvements significatifs ;

- ses maxima d'accélération, de vitesse et de déplacement (Amax , Vmax, Dmax).

Accélération

-0,10-0,08-0,06-0,04-0,020,000,020,040,060,080,10

0,00 20,00 40,00 60,00 80,00

Temps (s)

Acc

élér

atio

n/g

Figure 11 : Séisme de Nice 2001 (issu de la station NALS du Réseau Accélérométrique Permanent)

2 .1 .2 .4 Spec t res de répo nses

Schématiquement, les spectres de réponse sont obtenus de la façon suivante :

On considère une collection d'oscillateurs viscoélastiques linéaires dont les périodes propres balaient une plage de valeurs couramment rencontrées dans les structures de génie civil (Figure 13). Chacun des oscillateurs simples est caractérisé par sa masse m, sa raideur k, sa pulsation propre ω (ou sa période propre T ou sa fréquence propre f) et son pourcentage d'amortissement critique ξ tels que :

m

k=ω , k

mT π2= ,

Tf

1=

Chaque oscillateur est soumis à une force p(t), fonction du temps, et l'équation du mouvement s'écrit:

)(2 2 tpumumum =++ ωξω &&&

u(t) désigne l'abscisse de la masse de l'oscillateur relativement à sa base.

Dans le cas d'un déplacement d'appui de l'oscillateur par un séisme, la force p(t) est calculée à partir de l'accélération imposée à l'appui γg(t) = üg(t) (Figure 12).

p(t) = - m γg(t)


– 31 –

Figure 12 : Oscillateur simple

La résolution de l'équation différentielle ci-avant, en utilisant l'intégrale de Duhamel, donne le déplacement u(t) et le déplacement maximal Uimax de chaque oscillateur par rapport à un repère lié aux fondations.

( ) ( ) ( )( )∫ −= −−1

0

)( sin1 ττωτω

τξω dtepm

tu Dt

D

(intégrale de Duhamel)

avec 21 ξωω −=D ( )ξω,max fU i =

En faisant varier numériquement de manière régulière la période de l'oscillateur, on trace une courbe donnant les déplacements maximaux, en fonction des périodes propres, appelée spectre de réponse en déplacement (SDe). On définit également les spectres de pseudo-vitesse Sv et de pseudo-accélération Se.

Sv (pseudo-vitesse) = ω SDe

Se (pseudo-accélération) = ω² SDe

Nota : Le terme "pseudo" provient du fait que ( )TSe n'est égal à l'accélération totale (par rapport à un référentiel absolu galiléen) de la masse que si l'amortissement est parfaitement nul (il est en général faible).

En faisant varier le taux d'amortissement ξ, un ensemble de spectres de réponse peut être établi.

Figure 13 : Oscillateurs de périodes variées et de taux d'amortissement ξ, constant

Pour un oscillateur simple, l'effort maximal vaut alors :

eDeDeDe mSSmSm

kmkSF ==== 2ω

u

mi

ug x

y

K i, ξ

T1 < T2< T3 < ··· < Ti < ··· < Tn

m

ki

γg(t)


– 32 –

Figure 14 : Allure générale des spectres de réponse élastiques (EC8-1, figure 3.1)

Examinons quelques cas :

• Si la structure est infiniment rigide, l'effort dans l'oscillateur est égal à la force d'inertie maximale, soit la masse de la structure m multipliée par l'accélération maximale du sol (( ) SaTS ge == 0 ). • À l'opposé, une structure infiniment souple se déformera sans effort ( ( ) 0=∞=TSe ). • Entre ces cas extrêmes, le spectre en pseudo-accélération ( )TSe mesure l'amplification dynamique de l'oscillateur de période T.

2 .1 .2 .4 .1 Sp ec t res co ns t ru i t s à pa r t i r d e p lus ieu rs a ccé lé ro g rammes

Les spectres de réponse construits à partir des accélérations mesurées au cours de séismes présentent souvent des irrégularités et ne sont pas directement exploitables dans les calculs, comme le montre la figure suivante. Par ailleurs, on ne dispose pas forcément de mesures enregistrées sur le site considéré. Il convient donc de déterminer un spectre de calcul qui sera l'enveloppe d'un ensemble de spectres correspondants à des accélérogrammes enregistrés sur des sites comparables du point de vue de la nature du sol.


– 33 –

Figure 15 : Construction d'un spectre de réponse à partir d'un accélérogramme naturel

2 .1 .2 .4 .2 Sp ec t res rég lemen ta i res

La plupart des règlements parasismiques sont basés sur la définition des spectres de réponse élastiques et des spectres de calcul pour l'analyse élastique. Les spectres de l'Eurocode 8 tiennent compte forfaitairement du comportement non-linéaire des structures étudiées au travers de leur coefficient de comportement. Ces spectres, fonction du type de sol, de l'amortissement de l'ouvrage, de la sismicité du site et du niveau de sécurité acceptable sur le plan du risque sismique (notion de catégorie d'importance) constitue, dans la grande majorité des cas, la donnée de base pour le calcul sismique.

différentes fréquences comportement linéaire

fréquence (Hz)

Se

(m/s

²)

Se = 11,33 m/s² Se = 7,00 m/s²

Se = 2,31 m/s²

t (s) t (s) t (s)

acc

(m/s

²)

amax = 3,66 m/s²

amin =- 2,62 m/s²

temps (s) a

ccé

léra

tion

(m

/s²)

ξ=5%

Accélérogramme

Spectre de réponse


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Spectres réglementaires EC8-2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

T (s)

Se

(m/s

²)

Zone aléa faible

Zone aléa modéré

Zone aléa moyen

Zone aléa fort

Figure 16 : Spectres réglementaires de réponse élastique horizontale (γI = 1, ξ=5%, sol classe A)

2 .1 .2 .4 .3 In f l uence d u s i t e su r le sp ec t re d 'un sé ism e

L'observation montre que l'intensité avec laquelle un séisme est ressenti en un lieu donné dépend, dans une large mesure, de la nature des terrains traversés par les ondes sismiques et des conditions locales.

Il est souvent constaté que les ouvrages édifiés sur un sol meuble subissent des dommages plus importants que ceux situés sur un sol rocheux. Ce phénomène peut s'expliquer par le fait que les couches de sols meubles se comportent comme un oscillateur qui amplifie l'excitation appliquée à la base par le rocher.

Le premier mode de vibration d'une couche de terrain meuble homogène d'épaisseur h reposant sur un sol rocheux est un quart de sinusoïde dont la période est:

sl V

h

GhT

44 == ρ

Avec ρ, G et Vs la masse volumique, le module de cisaillement et la vitesse de propagation des ondes transversales de cette couche superficielle d'épaisseur h. La valeur de G est à ajuster en fonction du niveau d'accélération du séisme.

Il convient donc d'adapter le spectre de réponse à la nature du sol. Les sols meubles présentent une amplification plus importante des accélérations, du côté des grandes périodes, que les sols durs. (Figure 17).


– 35 –

Figure 17 : Prise en compte de l'action sismique sur les sols (V. DAVIDOVICI : Génie Parasismique - EN PC)

2.2 Principes de base du calcul dynamique des structures

2.2.1 Introduction

Les séismes provoquent des mouvements du sol qui excitent les ouvrages par déplacement de leurs appuis et donc entraîne la mise en mouvement du tablier (le tablier représentant l'essentiel de la masse de l'ouvrage). Cette mise en mouvement induit des forces inertielles dans la structure auxquelles elle doit être capable de résister.

Ces mouvements sont plus ou moins amplifiés dans la structure. Le niveau d'amplification dépend essentiellement des masses et des raideurs des diff�

Documents

Guide méthodologique Ponts en zone sismiquepiles.cerema.fr/IMG/pdf/Guide_EC8-2_2012-02-28_cle7fd967.pdf · Ponts en zone sismique Conception et dimensionnement selon l’Eurocode