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Influence de l’interaction avec une couche de fondation . 62

1.5.4 Prise en compte de la r´ eponse dynamique de l’ouvrage et du sol de

1.5.4.1 Influence de l’interaction avec une couche de fondation . 62

La majorit´e des ´etudes simplifi´ees d’estimation du mouvement sismique d’un barrage

consid`erent que l’ouvrage repose directement sur un rocher rigide. Si cette hypoth`ese

est peut-ˆetre acceptable pour des barrages en remblai, g´en´eralement construits sur un

rocher compact, elle parait inadapt´ee au cas des digues, situ´ees en principe dans des

vall´ees alluviales. Les travaux de Idriss et al. (1974) montrent l’int´erˆet de prendre en

compte l’interaction entre un barrage et sa fondation dans certains cas. En effet, l’acc´

e-l´eration maximale peut ˆetre consid´erablement diminu´ee (jusqu’`a une r´eduction de 50%

de l’acc´el´eration en crˆete sur un cas pr´esent´e par l’auteur entre le calcul coupl´e - o`u la

r´eponse dynamique de l’ouvrage est coupl´ee `a celle de sa fondation - et celui o`u le calcul

est d´ecoupl´e - le barrage repose sur un rocher rigide sollicit´e par le mouvement calcul´e

en surface de la fondation en champ libre). L’effet important de la dissipation d’´energie

par radiation dans une fondation flexible est aussi mis en ´evidence par Abouseeda et

Da-koulas (1998). Pour les situations consid´er´ees, l’hypoth`ese d’une fondation rigide conduit

`

a une surestimation de 35% de l’acc´el´eration maximale en crˆete et de 50% des d´

efor-mations maximales par rapport au cas d’une fondation flexible. N´eanmoins, en cas de

forte sollicitation (comportement non-lin´eaire), l’amortissement hyst´er´etique d´evelopp´e

`

a la base du barrage est moins important dans le cas d’une fondation flexible (car les

d´eformations sont moins importantes), ce qui compense en partie l’effet«b´en´efique» de

la radiation d’´energie dans la fondation. Ce ph´enom`ene est aussi observ´e par Bycroft et

Mork (1988).

Plusieurs param`etres pourraient influencer le degr´e d’interaction entre un barrage et

sa fondation. Selon Idriss et al.(1974), le rapport entre la profondeur de la couche de sol

et la largeur `a la base du barrage est un bon indicateur de cette interaction. Sur les 5

configurations ´etudi´ees, plus ce rapport est petit, plus l’interaction entre le barrage et sa

couche de fondation est importante. Les r´esultats de Finn et Khanna (1966) montrent

que la r´eponse dynamique est fortement li´ee aux p´eriodes de r´esonance du barrage et de

la couche de fondation. Selon Finn et Reimer (1970), l’interaction entre le barrage et la

couche de fondation peut-ˆetre reli´ee `a la valeur de la p´eriode de r´esonance du syst`eme

relativement `a la p´eriode pr´edominante d’excitation.

Bien que l’influence de la flexibilit´e de la fondation d’un barrage sur son mouvement

sismique a ´et´e r´ev´el´ee d`es les ann´ees 1960’s, tr`es peu d’abaques ou de formulations

sim-plifi´ees la prennent en compte. A notre connaissance, seules deux m´ethodes simplifi´ees

d’estimation de la r´eponse sismique int`egrent la pr´esence d’une fondation flexible : la m´

e-thode propos´ee par Sarma (1979) et celle d´evelopp´ee par Papadimitriouet al.(2014). Ces

deux approches sont d´etaill´ees ci-apr`es, dans les parties 1.5.4.2 et 1.5.4.3 respectivement.

1.5 L’analyse simplifi´ee de la r´eponse sismique des barrages

1.5.4.2 M´ethode et abaques de Sarma

Sarma (1979) propose une solution th´eorique au mouvement sismique d’un barrage

reposant sur une couche de sol. Les ´equations du mouvement obtenues sont utilis´ees

pour calculer la r´eponse maximale de diff´erents ouvrages sollicit´es par plusieurs

enregis-trements r´eels afin de d´evelopper des abaques. Les travaux de Sarma (1979) concernent

toute la chaine de calculs permettant l’estimation des d´eplacements irr´eversibles par

une approche pseudo-dynamique, seuls les d´eveloppements permettant l’´evaluation de la

r´eponse dynamique du syst`eme barrage-couche de fondation sont pr´esent´es ici.

La r´esolution analytique propos´ee repose sur de nombreuses hypoth`eses :

• Le barrage est assimil´e `a une section triangulaire (ouvrage infiniment long), sym´

e-trique par rapport `a l’axe vertical et constitu´e de mat´eriaux homog`enes ;

• La fondation du barrage est mod´elis´ee par une couche de sol homog`ene

horizon-tale pouvant avoir des propri´et´es ´elastiques diff´erentes de celles du barrage, sans

variations lat´erales ;

• La couche de sol de fondation du barrage repose sur un rocher rigide semi-infini o`u

la sollicitation sismique est impos´ee ;

• Les mat´eriaux du barrage et de la couche de sol se comportent de mani`ere

visco-´elastique, la seule source de dissipation d’´energie provient de l’amortissement

vis-queux ;

• L’amortissement visqueux ne d´epend pas de la fr´equence, il est identique dans le

barrage et dans sa fondation ;

• Une approche «shear beam » est utilis´ee pour la r´esolution (voir hypoth`eses

asso-ci´ees dans le paragraphe 1.5.3.1).

La situation ainsi consid´er´ee est synth´etis´ee sur la figure 1.24. Sous l’ensemble des

hypo-th`eses effectu´ees, la r´eponse sismique du syst`eme ´etudi´e ne d´epend plus que d’une seule

dimension et peut ˆetre calcul´ee analytiquement.

Vd ρd Vc ρc Hd Hc Amortissementς y

Approche en cisaillement simple

Rocher rigide

accélérogramme au rocher

Figure 1.24 – Situation consid´er´ee par Sarma (1979).

La r´esolution analytique permet d’estimer `a chaque profondeur y le mouvement

sis-mique (acc´el´eration temporelle) comme la somme des contributions des diff´erents modes

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propres de r´esonance du syst`eme barrage/couche de sol - Sarma (1979) propose de

consi-d´erer les modes ayant une fr´equence de r´esonance inf´erieure `a 20 Hz. Deux param`etres

sans dimension sont mis en ´evidence dans le calcul :

m “ V

d

ρ

d

V

c

ρ

c

(1.36)

q V

d

H

c

V

c

H

d

“ t

c

t

d

(1.37)

o`uV

d

est la vitesse des ondes de cisaillement ´elastiques dans le barrage,H

d

est la hauteur

du barrage, V

c

est la vitesse des ondes de cisaillement ´elastiques dans la couche de sol,

H

c

l’´epaisseur de la couche de sol, t

d

est le temps de trajet des ondes S dans le barrage

et t

c

le temps de trajet des ondes S dans la couche de sol.

Le param`etremest un indicateur du contraste d’imp´edance entre le remblai et la couche

de sol, tandis que le param`etre q repr´esente le contraste des temps de trajet entre le

remblai et la couche de sol.

La pr´esence de la fondation conduit n´ecessairement `a diminuer les fr´equences de r´

eso-nance des diff´erents modes par rapport au cas o`u l’ouvrage repose directement sur un

rocher consid´er´e rigide. L’expression de p´eriode de r´esonance du mode n obtenue par

Sarma (1979) est :

T

dcn

“ 2πH

d

s

a

n

V

d

(1.38)

o`u ¯a

n

est le coefficient respectant l’´equation :

J

0p

as

nq

J

1p

as

nq

mtanpqas

nq

(1.39)

avec J

0

et J

1

les fonctions de Bessel d’ordre 0 et 1 respectivement.

En particulier, le cas n “ 1 donne la p´eriode fondamentale du syst`eme. Sans pr´esence

de fondation (q “ 0), la valeur de as

1

permet de retrouver l’´equation (1.35) du cas

d’un barrage reposant directement sur un rocher rigide. De la mˆeme mani`ere, lorsque

l’´epaisseur du barrage tend vers 0, la solution obtenue par Sarma (1979) converge vers

celle associ´ee `a une couche de sol horizontale.

Les hypoth`eses sur lesquelles reposent la m´ethode peuvent conduire `a de nombreuses

interrogations. Tout d’abord, Ambraseys (1960) montre que l’approximation de la section

d’un barrage `a un triangle est acceptable lorsque la largeur de la crˆete repr´esente moins

de 10% de la largeur totale. Cette situation est finalement peu fr´equente, notamment

lorsque l’on consid`ere des digues. Des variations lat´erales et verticales des propri´et´es des

mat´eriaux peuvent ˆetre attendues, surtout pour des couches de fondation ´epaisses.

L’hy-poth`ese d’un rocher rigide parait tr`es p´enalisante, la dissipation d’´energie par radiation

1.5 L’analyse simplifi´ee de la r´eponse sismique des barrages

n’´etant pas repr´esent´ee. Un amortissement visqueux uniforme, identique dans la couche

de fondation et le barrage, peut ˆetre une approximation grossi`ere, notamment en pr´

e-sence d’un contraste de rigidit´e important entre le barrage et la fondation. Finalement,

comme expliqu´e dans le paragraphe 1.5.3.1, l’approche «shear beam » peut conduire `a

une surestimation de l’acc´el´eration en crˆete.

Enfin, `a l’aide du mod`ele th´eorique d´evelopp´e, Sarma (1979), d´eduit des abaques

permettant de pr´edire l’acc´el´eration maximale en crˆete de digue ainsi que l’acc´el´eration

maximale de blocs potentiels de glissements. Pour diff´erentes valeurs demetql’´evolution

des sollicitations maximales est repr´esent´ee en fonction de la p´eriode de r´esonance

fonda-mentale du syst`eme barrage/couche de sol (comme dans le cas d’un spectre de r´eponse).

Pour cela, diff´erentes configurations de barrages et couche de fondation sont consid´er´ees

(le choix des valeurs de m et q permet de repr´esenter des ´epaisseurs de couche de sol

´egales au maximum `a deux fois la hauteur du barrage). 8 enregistrements de s´eismes

forts sont utilis´es. Afin de consid´erer la r´eponse des ouvrages en cas de forte sollicitation

et pour combler le d´eficit de dissipation d’´energie li´e `a l’hypoth`ese d’un rocher rigide,

un amortissement visqueux de 20% est utilis´e. L’application directe des abaques soul`eve

de nouvelles interrogations, notamment vis-`a-vis de l’amortissement tr`es fort pouvant

potentiellement conduire `a des r´esultats non conservatifs. Par ailleurs le choix des

para-m`etres m etq ne permet pas de couvrir l’ensemble des configurations de digues pouvant

ˆetre rencontr´ees en France (dans le cas o`u l’´epaisseur des s´ediments est tr`es ´epaisse

notamment).

La m´ethode propos´ee par Sarma (1979) pr´esente le grand int´erˆet de fournir une

solution analytique simple `a l’estimation de la r´eponse dynamique d’un barrage reposant

sur une couche de sol. Les formulations d´evelopp´ees ne d´ependent a priori pas de la

hauteur du barrage et sont donc applicables pour des digues moins hautes. Cependant

elle est bas´ee sur des hypoth`eses fortes, et notamment l’approche «shear beam », la

pr´esence d’un rocher rigide `a la base de la couche de sol ainsi qu’un amortissement

visqueux identique dans le barrage et dans la couche de sol (qui plus est tr`es fort pour le

d´eveloppement des abaques). Les abaques d´evelopp´es ont l’avantage d’ˆetre encore plus

simples `a appliquer. N´eanmoins, les situations choisies pour les d´evelopper sont plus

´eloign´ees du contexte des digues (surtout si ces derni`eres reposent sur des couches de sol

´epaisses) sollicit´ees par des s´eismes mod´er´es (l’amortissement choisi ´etant de 20%).