Types de fondations et modélisation de l’ISS pour les piles de ponts

Les fondations sont des éléments structuraux situés au niveau du sol qui reprennent les charges gravitaires et sismiques (Priestley, Seible et Calvi, 1996). La résistance aux sollicitations sismiques dépend du type et de la géométrie des fondations, des caractéristiques du sol et de l’ISS. On distingue principalement trois types de fondations pour les ponts : superficielles, superficielles sur pieux et pile-pieux.

Les fondations superficielles sont utilisées sur sols rigides et les fondations superficielles à pieux sont plutôt employées pour des sols assez mous ou des sols stratifiés présentant un risque de liquéfaction (Priestley, Seible et Calvi, 1996). Ces types de fondations peuvent être modélisés très facilement comme un unique point relié à des ressorts qui représentent les rigidités horizontale, verticale et rotationnelle du sol. Pour un modèle en deux dimensions il suffit de considérer trois ressorts [Figure 1.12], pour un modèle en trois dimensions il faut introduire six ressorts. Les résistances du sol sont estimées comme suit :

 pour la direction verticale on considère l’appui vertical de la charge sur le sol,

 pour la direction horizontale on prend en compte la pression du sol sur les faces latérales de la fondation et la friction sur ces mêmes faces ainsi que sur la face inférieure,

Il y a quelques différences pour les fondations superficielles sur pieux : la résistance rotationnelle et la résistance horizontale sont bien plus élevées. Dans le cas où le nombre de pieux est élevé et où ceux-ci sont proches les uns des autres, il faut prendre en compte l’effet de groupe et faire appel à un géotechnicien pour l’étude.

Figure 1.12 Fondations superficielles et fondations superficielles sur pieux. (Tiré de Priestley, Seible et Calvi, 1996)

Les fondations de type pile-pieux [Figure 1.13] sont utilisées en présence de sols de très mauvaise qualité comme les sables ou les sols saturés en eau (Priestley, Seible et Calvi, 1996). Les pieux peuvent être directement coulés dans le sol si celui-ci est assez stable (mis en place par battage), sinon il faut recourir à des coffrages. Cette solution est couramment employée car elle est économique. On distingue deux catégories principales : soit la colonne présente le même diamètre sur toute sa hauteur, soit le caisson situé dans le sol a un diamètre

plus important. Quel que soit le cas, la flexibilité de cet élément doit être modélisée correctement dans le cadre d’une analyse dynamique d’ouvrage. Lorsque l’on peut déterminer le module d’Young E du sol, on modélise l’ISS par une série de ressorts horizontaux comme c’est illustré sur la Figure 1.13 (b). Ce type de modèle donne une bonne approximation des mouvements de la pile mais ne représente pas l’ISS dynamique puisque les effets d’inertie ou de viscosité du sol ne sont pas pris en compte.

Figure 1.13 Fondations pile-pieux. (Tiré de Priestley, Seible et Calvi, 1996)

Une approche alternative pour modéliser les effets de la flexibilité du sol sur la pile est le modèle équivalent de fixité [Figure 1.13 (c)] où l’on détermine la profondeur équivalente d’encastrement df. Au dessus de cette profondeur on considère la pile comme une console

verticale sans les effets du sol. Cependant, il faut faire attention au moment maximal réel qui se développe bien plus près de la surface que la profondeur df. Pour obtenir les caractéristiques de déformation du sol en fonction du chargement sismique il faut passer par des modèles non linéaires.

Lors du tremblement de terre de Loma Prieta en 1989, une des causes majeures de rupture des colonnes a été le manque de confinement à leur base. La Figure 1.14 met en évidence l’augmentation de longueur effective de la colonne sous l’effet des déformations. À chaque cycle de chargement, cette longueur augmente encore et combinée avec les effets P-Δ on assiste à une augmentation du moment maximal développé dans la colonne (Mitchell, Tinawi et Sexsmith, 1991). Il apparaît qu’un système de pieux surmonté d’une semelle rigide est plus approprié pour les régions à forte sismicité.

Figure 1.14 Moment maximal développé dans la colonne en fonction du type de fondation.

Jeremic, Kunnath et Xiong (2004) ont comparé les comportements d’un même modèle de pont, typique de ceux que l’on peut trouver sur l’autoroute I 880, en considérant ou non l’ISS. Il apparaît que lors d’un déplacement imposé, la période augmente très vite pour le modèle encastré (non linéarités) alors que la réponse du modèle ISS est essentiellement élastique. Dans un cas réel c’est une hypothèse à ne pas négliger.

L’interaction fondation structure est bénéfique sous certaines conditions : s’il n’y a pas de déformation permanente significative dans la structure ou si les courbes de dissipation d’énergie hystérétiques sont plus petites que celles du modèle encastré (moins de dommages à la structure). Si aucune des deux conditions ci-dessus ne sont respectées : les effets de l’ISS sont négatifs (Jeremic, Kunnath et Xiong, 2004).

Le type de fondation d’un ouvrage est fonction de la nature du sol, de fait il n’y aurait probablement pas le même type de fondations pour un emplacement de catégorie A et pour un emplacement de catégorie E. Ainsi il apparaît difficile d’inclure l’étude de l’ISS dans le cadre de cette étude : il serait plus difficile de comparer les résultats puisqu’il y aurait une autre variable que la classe de site.