La présence de matériaux meubles dans les couches géologiques de subsurface modifie le mouvement sismique observé. Cette amplification (ou dé-amplification) du mouvement sismique est due aux contrastes de propriétés entre sols raides et sols meubles superficiels. La géométrie des couches sédimentaires ou le relief topographique influencent également ces «effets de site sismiques». Cet article décrit les phénomènes physiques liés aux effets de site sismique, détaille les méthodes permettant de les caractériser et de les modéliser. Il rappelle comment se fait la prise en compte des effets de site dans les études d’ingénierie, que ce soit de façon détaillée ou forfaitaire, et les possibilités de mitigation.
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Emmanuel JAVELAUD
: Docteur ès sciences de l’ingénieur du Tokyo Institute of Technology, Ingénieur de l’ENSG-Nancy - Ingénieur EDF - EDF-CEIDRE-TEGG (Aix-en-Provence, France)
Jean-François SEMBLAT
: Docteur de l’École Polytechnique, Ingénieur en Chef des Travaux Publics de l’État - IFSTTAR (Champs-sur-Marne, France)
INTRODUCTION
La présence de matériaux meubles dans les couches géologiques de subsurface modifie le mouvement sismique. Cette modification est essentiellement fonction de la nature des matériaux constituant les formations superficielles, de leur géométrie et de l’amplitude du mouvement sismique.
L’évaluation de la réponse des formations superficielles à une sollicitation sismique est fondamentale en génie parasismique pour déterminer les caractéristiques du mouvement sismique en surface.
La connaissance du mouvement sismique en surface est requis pour nombre d’applications pratiques telles que :
le dimensionnement des fondations sous sollicitation sismique ;
l’évaluation des risques éventuels de liquéfaction sous nappe et de tassement induit hors nappe ;
et la justification des structures.
Le mouvement sismique en surface est également nécessaire comme donnée d’entrée pour les analyses d’interaction sol-structure.
Cet article a pour but de présenter l’influence des effets de site sismiques sur le mouvement sismique en champ libre, en termes d’amplitude et de fréquence. Il s’attache tout d’abord à détailler les phénomènes en jeu en les illustrant d’exemples réels. Il présente ensuite le comportement des sols lorsqu’ils subissent des sollicitations sismiques et les reconnaissances géotechniques pour l’étude des effets de site.
Cet article détaille également, à partir d’exemples analytiques simples, les paramètres qui concourent aux phénomènes d’amplification ou d’amortissement (dé-amplification) des ondes sismiques.
La prise en compte des effets de site sismiques dans les codes de construction du bâti courant est ensuite replacée dans le cadre des approches simplifiées ou détaillées existantes. Cela permet d’introduire les évolutions potentielles dans les générations de codes futures.
Enfin, ce travail présente une méthode de protection parasismique des ouvrages en agissant sur les différentes composantes des effets de site sismique.
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L’étude des sols au laboratoire met en exergue un comportement fortement non-linéaire sous sollicitations mécaniques.
Les essais classiques de mécanique des sols sous chargement monotone permettent de tracer les courbes contraintes-déformations de cisaillement (ou distorsion) et de définir les différents domaines de comportement du sol (figure 9).
Comportement élastique du sol en deça du seuil de distorsion γél
Le comportement du sol est élastique linéaire en deçà du seuil de distorsion γél.. C’est le cas lors de sollicitations sismiques de faibles amplitudes (très petites déformations) comme celles engendrées par les essais géophysiques.
Le comportement du matériau est élastique linéaire lorsque la distorsion est proportionnelle à l’amplitude du chargement selon un rapport égal au module de cisaillement G0.
Il présente deux caractéristiques essentielles :
réversibilité : l’accroissement de distorsion produit par un incrément de contrainte est intégralement, et instantanément, récupéré lorsqu’on effectue une décharge d’amplitude équivalente ; un comportement élastique est caractérisé par le fait qu’après décharge, il ne subsiste aucune déformation résiduelle.
linéarité : la contrainte est proportionnelle à la déformation.
Pour une sollicitation de cisaillement simple
La relation liant la distorsion γ à la contrainte de cisaillement τ s’écrit :
La théorie de l’élasticité linéaire isotrope nous donne ainsi :
( 1 )...
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(1) -
SEMBLAT (J.-F.), JAVELAUD (E.) -
Dynamique des sols, vibrations et séismes.
-
Polycopié du cours à l’École Nationale Supérieure de Géologie de Nancy (2016-2017).
(2) -
SEMBLAT (J.-F.), PECKER (A.) -
Waves and vibrations in soils : Earthquakes, Traffic, Shocks, Construction Works.
-
IUSS Press (2009).
(3) -
STEIN (S.), WYSESSION (M.) -
An introduction to seismology, earthquakes and earth structure.
-
Blackwell publishing (2012).
(4) -
PECKER (A.) -
Dynamique des sols.
-
Presses de l’École Nationale des Ponts et Chaussées (1984).
NF EN 1998-5 AFNOR (septembre 2005), Calcul des structures pour leur résistance au séisme. Partie 5 : Fondations, ouvrages de soutènements et aspects géotechnique.
Décret n° 2010-1254 du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique.
Décret n° 2010-1255 du 22 octobre 2010 portant délimitation des zones de sismicité du territoire français.
Arrêté du 22 octobre 2010 relatif à la classification et aux règles de constructions parasismiques applicables aux bâtiments de la classe dite « à risque normal ».
Arrêté du 19 juillet 2011 modifiant l’arrêté du 22 octobre 2010 relatif à la classification et aux...
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Bibliographie & annexes
English
Caractérisation des sols in situ et en laboratoire
