Etude du comportement des micropieux sous chargement sismique

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XVème Congrès Français de Mécanique Nancy, 3 – 7 Septembre 2001 522 ETUDE DU COMPORTEMENT DES MICROPIEUX SOUS CHARGEMENT SISMIQUE Marwan Sadek, Isam Shahrour Laboratoire de Mécanique de Lille (URA 1441) USTL - EUDIL, 59 655 Villeneuve d’Ascq cedex Résumé : Cette communication comporte une analyse à l'aide de la méthode des éléments finis du comportement sismique des micropieux utilisés comme éléments de fondation. Elle est composée de deux parties qui concernent respectivement les micropieux isolés et les groupes de micropieux. L’analyse des résultats obtenus montre que la superstructure induit un effet inertiel très important. Un effet de groupe est également observé ; il se traduit par une importante réduction des efforts induits par le chargement sismique dans les micropieux faiblement espacés. Abstract : This paper includes a three-dimensional finite element analysis of the seismic behavior of micropiles used as foundations. It is composed of two parts which concern the seismic behavior of single micropiles and groups of micropiles, respectively. Analysis of results of numerical simulations shows that the presence of the superstructure induces a significant inertial effect. A 'positive' group effect is observed; it induces a reduction of the seismic-induced forces in micropiles with low spacing. Mots clés : effet de groupe, éléments finis, effet inertiel, micropieux, tridimensionnel 1 Introduction Les micropieux sont utilisés comme ...

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Extrait

XVème Congrès Français de Mécanique

Nancy, 3 – 7 Septembre 2001

1

522

E

TUDE DU COMPORTEMENT DES MICROPIEUX SOUS CHARGEMENT

SISMIQUE

Marwan Sadek, Isam Shahrour

Laboratoire de Mécanique de Lille (URA 1441)

USTL - EUDIL,

59 655 Villeneuve d’Ascq cedex

Résumé :

Cette communication comporte une analyse à l'aide de la méthode des éléments finis du comportement sismique

des micropieux utilisés comme éléments de fondation. Elle est composée de deux parties qui concernent

respectivement les micropieux isolés et les groupes de micropieux. L’analyse des résultats obtenus montre que la

superstructure induit un effet inertiel très important. Un effet de groupe est également observé ; il se traduit par

une importante réduction des efforts induits par le chargement sismique dans les micropieux faiblement espacés.

Abstract :

This paper includes a three-dimensional finite element analysis of the seismic behavior of micropiles used as

foundations. It is composed of two parts which concern the seismic behavior of single micropiles and groups of

micropiles, respectively. Analysis of results of numerical simulations shows that the presence of the

superstructure induces a significant inertial effect. A 'positive' group effect is observed; it induces a reduction of

the seismic-induced forces in micropiles with low spacing.

Mots clés :

effet de groupe, éléments finis, effet inertiel, micropieux, tridimensionnel

1 Introduction

Les micropieux sont utilisés comme éléments de fondation pour des ouvrages récents ou

pour la réparation des ouvrages ayant subi des dommages sismiques (Bruce et al. 1997). Leur

comportement sismique a été étudié à l'aide des essais réalisés en centrifugeuse (Benslimane

et al. 1998, Juran et al. 1999) qui ont montré l'existence d'un effet de groupe qui se traduit par

une réduction des efforts induits par le chargement sismique dans les micropieux.

Dans cette communication, on propose d'étudier le comportement sismique des

micropieux à l'aide d'une modélisation tridimensionnelle par éléments finis. L'analyse est

effectuée par le programme de calcul par éléments finis PECPLAS (Shahrour 1992, Ousta

1998). L’accent sera mis sur l’interaction inertielle et sur l’effet de groupe.

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2

2 Micropieux isolés

2.1 Présentation de l'exemple

L'étude réalisée concerne l'analyse du comportement d'un micropieu flottant de 10 m de

longueur ayant une section carrée de 0,25m de coté, implanté dans une couche de sol

homogène de 15 m de hauteur. Le micropieu supporte une superstructure ayant une masse de

10 tonnes. Le comportement du système sol-micropieu-structure est supposé élastique avec un

amortissement de type Rayleigh. La superstructure est modélisée par un système à un seul

degré de liberté composé d’une colonne de hauteur H

st

=1 m et d'une masse concentrée placée

en tête de la colonne. Les caractéristiques du système sont résumées dans le tableau 1. La

fréquence fondamentale de la couche du sol est égale à f

1

= 0,67 Hz ; la rigidité et la

fréquence de la superstructure sont égales à K

st

= 23440 kN/m et f

st

= 2,4 Hz.

Le calcul est effectué avec un chargement sismique appliqué à la base du massif de sol

sous forme d’une accélération harmonique composée de 15 cycles avec une fréquence égale à

la fréquence fondamentale du massif (0,67 Hz) et une amplitude a

g

= 0,2g.

Le maillage retenu est illustré dans la figure 1. Il comporte 5771 éléments à 20 noeuds. Les

frontières latérales du massif du sol sont placées à une distance X

d

= 240D

p

de l'axe du

micropieu (D

p

désigne la largeur de la section du micropieu).

Matériau

Masse

volumique

(kg/m

3

)

Module de

Young

(MPa)

Coefficient

de Poisson

Coefficient

d’amortissement

(%)

Rigidité à la

flexion

(MN.m

2

)

Sol

1700

8

0,45

5%

Micropieu

2500

24000

0,3

5%

7,813

Colonne

(Superstructure)

2500

2000

0,3

5%

0,651

TAB. 1 :

Propriétés du système sol-micropieu-structure

120

15

17

(5771 éléments; 26988 noeuds )

FIG.

1 :

Maillage utilisé dans la modélisation numérique

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3

2.2 Discussion des résultats

La figure 2a montre les accélérations en différents points du système sol-micropieu-

structure : en tête du micropieu (A), au niveau de la masse (B), sur deux points de la surface

(C) et (D) situés aux frontières du massif. Ces accélérations sont comparées à l’accélération

en champ libre. On remarque que les accélérations aux points (C) et (D) sont identiques à

l'accélération en champ libre, ce qui signifie que les dimensions du domaine sont suffisantes

pour la modélisation du problème. On observe une amplification de l’ordre de 15 de

l’accélération de la superstructure, qui est de 16% supérieure à l’amplification en tête du

micropieu.

La figure 2b donne l’enveloppe de la déformée du micropieu et celle du mouvement de sol

en

champ libre. On constate que le micropieu suit le mouvement de sol sauf dans la zone

située à proximité de la surface du sol où on note que le micropieu subit un déplacement

supérieur à celui du sol en champ libre.

L’enveloppe du moment fléchissant est présentée dans la figure 2c. On note que le moment

fléchissant présente des valeurs élevées dans la partie supérieure du micropieu (M

max

= 308

kN.m) en comparaison avec les valeurs du moment dans la partie centrale du micropieu

(M

max

=115 kN.m) ; ceci signifie la présence d'un effet inertiel dominant dans le micropieu.

-20

-10

0

10

20

0

5

10

15

20

25

A (tête de micropieu)

B (superstructure)

C (frontière)

D (frontière)

champ libre

a/ a

g

Temps (sec)

D

a

g

A

C

B

FIG. 2a :

Exemple de référence – Accélération en différents points du système

5

9

1

3

1

7

0

8

16

24

32

40

z / D

p

U / U

g

champ libre

micropieu

structure

a

m

st

=10 tons

z

L

p

0

100

200

300

400

0

10

20

30

40

z / D

p

b

M (kN.m)

FIG.2b :

Enveloppe du déplacement latéral

FIG.2c :

Enveloppe du moment fléchissant

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4

3 Groupe des micropieux

Dans cette section on présente les résultats des simulations réalisées pour trois groupes de

micropieux (1*3, 3*3 et 3*5). Les micropieux sont connectés en tête par un chevêtre qui n’est

pas en contact avec le sol. La masse de la superstructure est donnée par m

st

=10Np (Np

désigne le nombre de micropieux dans le groupe). La fréquence fondamentale de la

superstructure est fixée à f

st

=1,38 Hz.

La figure 3 donne l’enveloppe du moment fléchissant de l'élément extérieur du groupe de

trois micropieux pour différents espacements (S/D

p

= 3,5 et 7). On constate un accroissement

du moment fléchissant en tête avec l'augmentation de l'espacement entre micropieux. En effet,

le moment fléchissant croit de 46% lorsque l’espacement S croit de 3D

p

à 7D

p

. La même

tendance est observée pour le micropieu central (tableau 2). L’augmentation du moment

fléchissant avec l’espacement peut être attribuée à un effet de structure qui résulte de

l'encastrement des micropieux dans le chevêtre. Des Résultats similaires ont été observés sur

des essais en centrifugeuse (Juran et al. 1999).

L’influence du nombre de micropieux sur les efforts induits par le chargement sismique est

illustrée dans la figure 4. On constate une augmentation du moment fléchissant avec

l’augmentation du nombre de micropieux. En effet, l'augmentation du nombre de micropieux

de 3*3 à 3*5 induit un accroissement de 87 % du moment maximal dans le micropieu du coin.

Un effet de groupe ‘positif’ est observé pour l’interaction cinématique : le moment fléchissant

dans la partie centrale du micropieu décroît de 20 % quand le nombre de micropieux croit de

3*3 à 3*5. Ces résultats sont en accord

avec ceux obtenus par Juran et al. (1999).

La figures 5a, 5b et le tableau 2 illustrent l’influence de la position du micropieu sur les

efforts induits par le chargement sismique. On note que le micropieu du coin supporte une

partie importante des charges sismiques en comparaison avec les autres micropieux, en

particulier avec celui placé au centre du groupe : le moment fléchissant maximal du micropieu

du centre est de l’ordre de 40 % de celui du coin (44 % pour le groupe 3*3 et 37 % pour le

groupe 3*5 ).

groupe (1*3)

groupe

(3*3)

groupe

(3*5)

S/D

p

=3

S/D

p

=5

S/D

p

=7

S/D

p

=3

S/D

p

=3

Micropieu

du centre

M (kN.m)

140

195

205

84

126

Micropieu

du coin

M (kN.m)

177

240

260

192

332

TAB. 2 :

Moments fléchissants maximaux induits dans les groupes de micropieux

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5

m

st

=30

tons

z

L

p

0

7

5

1

5

0

2

2

5

3

0

0

-8

0

8

16

24

32

40

S/D =3

S/D =5

S/D =7

M (kN.m)

z / D

p

S

S

1

2

0

90

180

270

360

0

8

16

24

32

40

groupe de 3*3 micropieux

groupe de 3*5 micropieux

M (kN.m)

z / D

p

FIG.3 :

Influence de l’espacement

entre micropieux

FIG.4 :

Influence du nombre

de micropieux

0

5

0

1

0

0

1

5

0

2

0

0

0

8

16

24

32

40

M (kN.m)

z / D

p

2

3

1

a

0

9

0

1

8

0

2

7

0

3

6

0

0

8

16

24

32

40

centre (No. 1)

extrémite (No.2)

coin (No. 3)

M (kN.m)

z / D

p

b

2

3

1

FIG.5 :

Influence de la position du micropieu dans le groupe

4 Conclusion

Cette communication a comporté une analyse du comportement sismique des micropieux à

l'aide d'une modélisation tridimensionnelle par éléments finis. Les simulations numériques

montrent que lors d'un chargement sismique, les micropieux suivent le mouvement du sol. La

présence de la superstructure induit un effet inertiel significatif, qui se traduit par des efforts

importants dans la partie supérieure des micropieux, en comparaison avec ceux induits par

l’interaction cinématique.

Un effet de groupe est observé pour les micropieux, qui se traduit par une réduction des

efforts induits dans le micropieux lorsque leur espacement décroît. Les résultats des

simulations numériques montrent également que le micropieu placé au coin du groupe

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supporte une partie importante de la charge sismique en comparaison avec les autres

micropieux.

Références

Bruce A. and Juran I., 1997 Drilled and grouted micropiles: state-of-practice review,

U.S.

Federal Highway Administration

, Publication No. FHWA-RD-96-017.

Benslimane A., Juran I., Hanna S., Drabkin S., Perlo S., Frank R. 1998

Seismic Retrofitting

Using Micropile Systems: Centrifugal Model Studies,

Fourth International Conference on

Case Histories in Geotechnical Engineering, St Louis, Missouri

March

8-15

.

Juran I., Benslimane A., Hanna S. 1999

Seismic behavior of micropile systems-Centrifuge

test results

, Preliminary report- FHWA Contract No DTFH61-96-00021.

Ousta R. 1998

Etude du comportment sismique des micropieux

, Thèse de doctorat à

l’Université des sciences et technologies de Lille, France.

Shahrour I. PECPLAS: A finite element software for the resolution of earthwork problems,

Actes du Colloque International “Géotechnique & Informatique”, Edition Presse ENPC,

Paris,

pp. 327-334, 1992.