Comportement sismique des ponts

Plusieurs ponts ont subi des dommages importants ou se sont effondrés lors des tremblements de terre de San Fernando en 1971, de Whittier Narrows en 1987, de Loma Prieta en 1989 et de Northridge en 1994 (Housner 1994, Mitchell et al. 1991, Priestley 1988). Des révisions importantes ont été apportées aux codes parasismiques après ces tremblements de terre. Des dommages très sévères au niveau de l’autoroute Hanshin et du chemin de fer de Shinkansen ont aussi été observés lors du séisme de Kobe en 1995 (Anderson et al. 1996). Les dommages et ruptures observés lors de ces évènements sismiques sont attribuables le plus souvent : (a) aux déficiences au niveau du taux d’armature de cisaillement, de son ancrage et/ou l’espacement entre ces armatures dans les colonnes; (b) au taux excessif d’armature longitudinale dans la zone de rotule plastique, causant la rupture en cisaillement dans le chevêtre (la rupture en cisaillement est survenue à cause du pourcentage d’acier

inadéquat empêchant la formation de la rotule plastique dans la colonne); (c) à la rupture en cisaillement-friction au niveau des appuis (piles, culées) où le taux d’armature de cisaillement était inadéquat; (d) à des longueurs d’assise de tabliers insuffisantes, notamment pour les ponts à travées simples et les ponts en biais (Anderson et al. 1996). Dans le cas des piles de ponts, les deux modes de rupture les plus observés sont la rupture en flexion et la rupture en cisaillement (Priestley et al. 1994).

1.1.1 Rupture par manque d’armature de confinement

L’armature transversale, en plus d’augmenter la résistance au cisaillement, permet de confiner le noyau de béton de l’élément et de prévenir ainsi le flambement des barres d’armatures longitudinales. Une des principales causes d’effondrement des ponts suite aux tremblements de terres à l’ouest des États-Unis et au Japon est le manque de confinement dans la zone de la rotule plastique. Les études effectuées sur les causes des dommages des ponts lors des tremblements de terre de San Fernando et de celui de Loma Prieta pointent le manque d’armatures transversales au niveau des zones de rotule plastique. (Mitchell et al. 1991)

Figure 1.1 Flambement des barres longitudinales Tirée d’Anderson et al. (1996)

Dans le calcul sismique des piles de ponts, ces dernières doivent démontrer, le cas échéant, un certain niveau de ductilité pour éviter une rupture prématurée par cisaillement ou une dégradation significative de la résistance. L’armature transversale permet d’atteindre une telle demande en ductilité et ce en prévenant le flambement d’armature longitudinale, la défaillance en cisaillement et l’éclatement du béton du noyau central.

Wehbe (1999) a réalisé une étude analytique et expérimentale portant sur le comportement et la ductilité des colonnes rectangulaires de ponts en béton armé avec des taux de confinement moyens. Dans son approche, il examine les colonnes sous une charge axiale constante en plus d’une charge cyclique latérale selon leurs axes forts. Les résultats du modèle analytique et du modèle expérimental ont été comparés afin de déterminer l’effet de la quantité de l’armature transversale sur la capacité de ductilité des colonnes. Les résultats obtenus ont démontré que la quantité d’armature transversale et la charge axiale appliquée sont deux paramètres importants affectant la résistance et le comportement cyclique des colonnes soumises aux charges latérales. D’après les résultats des analyses, afin d’éviter une rupture prématurée ou un déplacement latéral excessif des colonnes avec une capacité portante réduite, des spécifications concernant l’armature transversale minimale, l'espacement des armatures transversales ainsi que l’ancrage de l’armature longitudinale doivent être rigoureusement rencontrées. Pour qu'une colonne rectangulaire de pont en béton armé puisse avoir une ductilité en déplacement donnée, μΔ, Wehbe (1999) propose de satisfaire une quantité minimale d'armature transversale, établie par l’équation 1.1:

A = 0,1μ∆ , 0,12s h 0,5 + 1,25 + 0,13s h ρ

, − 0,01 (1.1)

Où :

s ∶ Espacement de l’armature transversale;

h ∶ Largeur de noyau de la colonne centre à centre de l’armature de confinement; A ∶ Aire brute de la section de la colonne;

P ∶ Charge axiale;

f ∶ Limite élastique de l’acier transversal; ρ ∶ Pourcentage d’acier d’armature longitudinale;

f , : Résistance de béton fréquemment utilisée pour les colonnes des ponts, soit 27,6 MPa.; f , : Résistance d’acier d’armature fréquemment utilisée pour les colonnes, soit 414 MPa; μ∆: Ductilité en déplacement = 10,0 pour une zone de sismicité élevée.

1.1.2 Rupture par manque d’armature longitudinale

Lors du tremblement de terre de San Fernando en Californie aux États-Unis en 1971, une des causes de rupture des ponts a été le manque de capacité en ductilité des colonnes (Mitchell et al. 1991). Il est donc important de définir la demande sismique et ensuite le pourcentage d’acier d’armature longitudinale dans les colonnes, notamment dans la zone de la rotule plastique pour s’assurer de la ductilité des éléments.

Lehman et Moehle. (1998) ont étudié l’influence du pourcentage d’armature longitudinale sur la capacité des colonnes. Ils ont effectué une série d’analyses expérimentales sur trois colonnes circulaires ayant un pourcentage d’acier d’armature longitudinale de 0,75%, 1,5% et 3%, soumis aux charges latérales. Les auteurs ont exploré la possibilité de diminuer le pourcentage d’acier d’armature longitudinale de 1% à 0,7% pour la norme Caltrans «California Department of transportation ». Ils ont démontré que la capacité de déplacement diminue lorsque le pourcentage d’acier d’armature longitudinale diminue. Cependant, d’après leurs résultats, une corrélation raisonnable a été observée pour les trois modèles étudiés.

Lopez et al. (2004) ont mené une étude expérimentale visant à étudier l’effet du pourcentage d’acier d’armature sur la capacité de ductilité en courbure des colonnes en béton armé. Ils ont utilisé des colonnes rectangulaires conçues selon les exigences de renforcement sismique de l’ACI (ACI 318-08). L’étude a démontré que la capacité de ductilité en courbure augmente légèrement quand la colonne est renforcée avec un pourcentage d’acier d’armature longitudinale minimale. D’après leurs justifications de ce phénomène, si la rupture se produit

par la rupture de l’acier d’armature longitudinale en tension, La réduction de l’acier en compression cause une augmentation dans la profondeur de zone de béton comprimé et augmente la capacité en courbure de la section.

1.1.3 Rupture par cisaillement

La résistance au cisaillement d’une section en béton armé est constituée de la résistance du noyau de béton en plus de la résistance des armatures transversales. La présence et la configuration des armatures transversales sont donc importantes afin de fournir une résistance suffisante en cisaillement. La rupture soudaine avant le développement de la rotule plastique a été observée dans certains cas. La figure 1.2 montre une rupture en cisaillement d’une colonne lors du tremblement de terre de Whittier Narrows en Californie aux États-Unis en 1987. Les colonnes courtes, ayant un ratio cisaillement/moment élevé, sont plus affectées par la rupture en cisaillement.

Figure 1.2 Rupture en cisaillement Tirée d’Anderson et al. (1996)

1.2 L’isolation sismique de la base : Principe fondamental et caractéristiques