Interaction dynamique non-linéaire sol-structure, Dynamic nonlinear soil-structure interaction

´ECOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
´« ECOLE CENTRALE PARIS »
`THESE
pr´esent´ee par
Esteban Patricio SAEZ ROBERT
pour l’obtention du
GRADE DE DOCTEUR
Sp´ecialit´e : Mod´elisation num´erique, Dynamique des Sols
Laboratoire d’accueil : M´ecanique des Sols, Structures et Mat´eriaux
SUJET: DYNAMIC NONLINEAR SOIL-STRUCTURE INTERACTION
Soutenue le: 20 mars 2009
devant un jury compos´ee de:
M. BISCH Philippe Pr´esident
Mme. MODARESSI Ar´ezou Directrice de Th`ese
M. PAOLUCCI Roberto Rapporteurs
M. PITILAKIS Kyriazis
Mme. FOERSTER Evelyne Examinateurs
M. LOPEZ-CABALLERO Fernando
M. CLOUTEAU Didier Invit´e
2009-ECAP0012
tel-00453297, version 1 - 4 Feb 2010tel-00453297, version 1 - 4 Feb 2010Avant-propos
´Cette th`ese a ´et´e r´ealis´ee au laboratoire de M´ecanique des Sols, Structures et Mat´eriaux de l’Ecole
Centrale de Paris. Elle a ´et´e partiellement financ´ee par une bourse CONICYT du Gouvernement
chilien ainsi que partiellement par une bourse accord´ee par la Direction de la recherche du BRGM.
Je tiens ainsi `a remercier tout d’abord ma directrice de th`ese, Ar´ezou MODARESSI, pour son
encadrement soign´e, ses encouragements et ses conseils pr´ecieux dans l’orientation de mon travail. Je
remercie tout particuli`erement Fernando LOPEZ-CABALLERO, pour tout l’int´erˆet qu’il a port´e sur
cette th`ese et son aide tout au long de ce travail. Je remercie ´egalement Didier CLOUTEAU, qui par
`ses conseils et sa disponibilit´e, a tr`es largement contribu´e a` ma th`ese. A Etienne BALMES, j’adresse
aussi mes remerciement pour sa collaboration efficace.
Jevoudraisaussiexprimermagratitude`aMessieursRobertoPAOLUCCIetKyriasisPITILAKIS,
qui m’on fait l’honneur d’accepter la lourde tˆache d’ˆetre rapporteurs de ma th`ese. Je remercie ´egale-
ment M. Philippe BISCH et Mme. Evelyne FOERSTER qui ont aimablement accept´e d’examiner
mon travail.
Enfin je tiens `a associer `a ces remerciements tous les membres du laboratoire MSSMAT, pour leur
aide et les moments agr´eables que nous avons pass´es ensemble au cours des ces ann´ees. Je pense
particuli`erement `a Alex, Am´elie, Anne-Sophie, Cristian, Denis, Elsa, Florent, Ghizlane, Hormoz,
Isabelle, Jean-Louis, Madhia, Michael, Nad`ege, Pierre, Pauline, Quang Anh, Rachele, R´egis, Reza,
Sofia, St´ephane, Tammam et autres qui ont contribu´e a` faire de mon passage `a l’ECP une excellente
exp´erience personnelle et scientifique.
tel-00453297, version 1 - 4 Feb 2010tel-00453297, version 1 - 4 Feb 2010Abstract
The dynamic interaction of the soil with a superstructure (DSSI) has been the subject of numerous
investigations assuming elasticity of both, superstructure and soil foundation behavior. Nevertheless,
the effect of DSSI may differ between elastic and inelastic systems. Thus, the current interaction
methodologies based on elastic response studies could not be directly applicable to structures ex-
pected to behave inelastically during severe earthquakes. Additionally, the soil is known to exhibit
inelastic behavior even for relatively weak to moderate ground motions. Consequently, ignoring these
characteristics in studying DSSI could lead to erroneous predictions of structural damage.
Themain purposeof this work is to develop a general strategy to address thefullDSSI problem in
the context of the seismic vulnerability analysis of structures. Thus, realistic Finite Elements models
are constructed and applied in a practical way to deal with these issues. These models cover a large
range of soil conditions and structural typologies under several earthquake databases. Some modeling
strategies are introduced and validated in order to reduce the computational cost. Therefore, an
equivalent 2D model is developed, implemented in GEFDyn and used in the large parametric study
conducted. Severalindicatorsforbothstructuralandsoilresponsesaredevelopedinordertosynthesize
their behavior under seismic loading. Additionally, a vulnerability assessment strategy is presented in
terms of measures of information provided by a ground motion selection.
According to the investigation conducted in this work, there is in general a reduction of seismic
demand or structural damage when non-linear DSSI phenomenon is included. This reduction can
be associated fundamentally to two phenomena: radiative damping and hysteretic damping due to
non-linear soil behavior. Both effects take place simultaneously during the dynamic load and it is ex-
tremelydifficulttoseparatethecontributionofeachpartinreducingseismicdemand. Indeed,effective
motion transmitted to the superstructure does not correspond to the free field motion because of the
geometrical and inertial interactions as well as the local modification of soil behavior, specially due
to the supplementary confinement imposed by the superstructure’s weight. A series of strong-motion
severitymeasures,structuraldamagemeasuresandenergydissipationindicatorshavebeenintroduced
and studied for this purpose. Nevertheless, results are erratic and consequently, generalization was
extremely difficult.
Despite these difficulties, the results illustrate the importance of accounting for the inelastic soil
behavior. The major part of the studied cases show beneficial effects such as the decrease of the
maximumseismicstructuraldemand. However,thenon-linearDSSIcouldincreaseor decreasetheex-
pected structural damage depending on the type of the structure, the input motion, and the dynamic
soil properties. Furthermore, there is an economic justification to take into account the modification
effects due to inelastic soil behavior.
Keywords: dynamic soil-structure interaction, non-linear behavior, finite elements, coupled for-
mulation, structural damage, ductility demand, seismic vulnerability
tel-00453297, version 1 - 4 Feb 2010tel-00453297, version 1 - 4 Feb 2010R´esum´e
L’interaction dynamique entre le sol et les structures (IDSS) a fait l’objet de nombreuses ´etudes
sous l’hypoth`ese de l’´elasticit´e lin´eaire, bien que les effets de l’IDSS puissent ˆetre diff´erents entre un
syst`eme ´elastique et un syst`eme in´elastique. De fait, les m´ethodologies usuelles d´evelopp´ees a` partir
des´etudes´elastiques peuventnepasˆetre adapt´ees aux baˆtiments conc¸us pourdissiperdel’´energie par
de l’endommagement lors de s´eismes s´ev`eres. De plus, il est bien connu que la limite d’´elasticit´e du
sol est normalement atteinte mˆeme pour de s´eismes relativement faibles. En cons´equence, si les effets
in´elastiques de l’ISS sont n´eglig´es, les ´etudes d’endommagement sismique des bˆatiments peuvent ˆetre
tr`es inexactes.
L’objectif de ce travail est de d´evelopper une strat´egie g´en´erale pour l’´etude du probl`eme de
l’IDSS non-lin´eaire dans le contexte de l’analyse de la vuln´erabilit´e sismique des bˆatiments. Ainsi, des
mod`eles d’´el´ements finisr´ealistes sontd´evelopp´ees etappliqu´ees `adesprobl`emes d’IDSSnon-lin´eaires.
Les mod`eles couvrent une large gamme des conditions pour le sol et des typologies de baˆtiments
soumis `a plusieurs base de donn´ees sismique. Une strat´egie de mod´elisation a ´et´e d´evelopp´ee et
valid´ee afin de r´eduire significativement le couˆt num´erique. Pour cela, un mod`ele 2D ´equivalent a ´et´e
d´evelopp´e, implant´e dans GEFDyn et utilis´e pour effectuer un importante ´etude param´etrique. De
nombreux indicateurs de comportement non-lin´eaire de la structure et du sol ont ´et´e propos´es pour
synth´etiser leur fonctionnement lors du chargement sismique. De surcroˆıt, une strat´egie d’´evaluation
de la vuln´erabilit´e sismique bas´ee sur l’information apport´ee par une base des donn´ees sismiques a´et´e
d´evelopp´ee.
De fac¸on, g´en´erale, les r´esultats ont mis en´evidence uner´eduction dela demandesismiquelorsque
les effets in´elastiques del’IDSSsontprisencompte. Cetter´eductionestli´ee fondamentalementa`deux
ph´enom`enes : l’amortissement par radiation et l’amortissement hyst´er´etique du sol. Ces deux effets
ont lieu simultan´ement pendantle mouvement sismique. Il est alors tr`es difficile d’isoler l’influence de
ces deux ph´enom`enes. En effet, le mouvement effectif transmis `a la structure n’est pas le mˆeme que
celuienchampslibreduauxeffets d’interaction, ainsiqu’a`lamodification locale ducomportementdu
sol fortement li´e aux poids du bˆ