Étude numérique et expérimentation du comportement dynamique des ponts avec isolateurs et amortisseurs sismiques

Alors que les infrastructures de ponts au Québec sont vieillissantes, les prescriptions relatives à la conception parasismique sont de plus en plus sévères dans la norme canadienne sur le calcul des ponts routiers. Dans ce contexte, il devient primordial de développer des techniques de réhabilitation et de conception parasismique rentables et efficaces. Ce mémoire traite de l'isolation sismiqu et de l'emploi d'autres systèmes de protection parasismique comme une solution envisageable, tant pour les ponts existants que pour les nouveaux ponts. On propose l'utilisation du logiciel SAP2000, simple d'emploi et largement connu, pour exécuter des analyses temporelles non-linéaires permettant de prédire le comportement des ponts équipés avec des systèmes de protection parasismiques. On étudie la réponse des ponts dans leur direction longitudinale. Afin de valider les résultats numériques et d'évaluer la performance des systèmes de protection parasismique, une méthode expérimentale par essais hybrides en temps réel est exécutée. Elle comprend trois séries d'essais, examinant, respectivement, trois ponts équipés avec trois types d'appareils. Le premier pont à l'étude est équipé avec des isolateurs à friction avec systèmes de recentrage automatique, aussi dotés d'une importante capacité de dissipation d'énergie. Ce pont est aussi pourvu d'appareils d'appuis glissants sur ses autres supports, fournissant une capacité additionnelle de dissipation d'énergie. Les deux autres ponts à l'étude sont équipés de deux types innovateurs de systèmes visqueux, soit les amortisseurs visqueux et les transmetteurs de chocs sismiques. Dans un essai hybride, seuls les appareils de protection parasismique sont physiquement testés au laboratoire. Pour un essai hybride en temps réel, le montage expérimental doit aussi comprendre un vérin hydraulique à haute performance, pour imposer les oscillations dynamiques. Le vérin impose, en temps réel, la commande en déplacement dont la valeur est obtenue d'une analyse temporelle non-linéaire exécutée numériquement en parallèle. L'algorithme d'intégration impliqué dans cette méthode expérimentale a été développé récemment à l'École Polytechnique de Montréal. Il s'agit d'une variante à l'algorithme Rosenbrock-W, et l'intégration numérique est effectuée par l'outil Simulink de MathWorks et par l'ordinateur XPC Target. La sous-structure numérique, dans les simulations hybrides en temps réel, est composée des piles du pont étudié et des propriétés additionnelles d'amortissement de la structure. La réponse non-linéaire éventuelle de ces composantes est considérée dans le modèle de la sous-structure numérique.

Abstract

With the aging of bridge infrastructures in the province of Quebec and the seismic design provisions becoming progressively more severe with every new edition of the Canadian bridge design code, there is an increased need for innovative techniques to achieve time- and cost-effective seismic retrofit and construction of bridge structures. This paper discusses the application of seismic base isolation and of other seismic protective devices as a solution for new or existing bridges. Simple non-linear time-history analyses performed with the commercially available computer program SAP2000 are proposed to assess the dynamic behavior of seismically protected bridges. The response of the bridge structures is studied along their longitudinal direction. In order to gain experimental validation and to evaluate the performance of the seismic protective devices, real-time dynamic sub-structuring (RTDS) tests were carried out on three bridge structures equipped with three different devices. The first bridge was equipped with seismic isolators with self-centering and friction energy dissipation capabilities. It also included bearing units with sliding interfaces providing additional energy dissipation capacity. The other two bridges were equipped with two innovative viscous seismic protective devices: seismic damping units and shock transmission units. In the RTDS tests, the seismic protective units were physically tested in the laboratory using a high performance dynamic actuator imposing, in real time, the displacement time histories obtained from numerical simulations being run in parallel. The integration scheme used in the test program was the Rosenbrock-W variant, recently developed at École Polytechnique of Montreal, and the integration was performed using the MathWorks's Simulink and XPC target computer environment. The numerical sub-structure included the bridge columns and the additional energy dissipation properties. The nonlinear response of these components was accounted for in the numerical models. The tests were run under various ground motions and the influence of modeling assumptions such as damping and initial stiffness was investigated. For the shock transmission units, vehicle braking load simulations were also carried out. This first test series of this kind to be carried out in Canada was a success, and the test results could be compared to the numerical predictions. The results obtained show that simple numerical modeling techniques can lead to an accurate prediction of the displacement response of bridge structures equipped with the seismic protective systems studied. The study also showed that successful hybrid testing requires adequate mechanical characterization of the protective systems to accurately identify their response under various loading conditions.