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Modélisation 1D-3Composantes de la réponse sismique d'une colonne de sol
multicouche à comportement non linéaire.
1Directional-3Component seismic response modelling of a multilayer nonlinear soil profile.
Santisi d’Avila M.P.
Université de Nice Sophia Antipolis, Laboratoire J. A. Dieudonné, Parc Valrose, 06108 Nice, France
Lenti L., Semblat J.-F.
Université Paris-Est, IFSTTAR, 58 Bd. Lefebvre 75015 Paris, France
RÉSUMÉ : On propose une approche « 1D-3C » qui permet de modéliser la propagation unidirectionnelle (1D) simultanée des trois
composantes (3C) d’un séisme, pour étudier la réponse sismique d’un sol horizontal multicouche, en utilisant une rhéologie du sol 3D
non linéaire. Une loi de comportement élasto-plastique cyclique, de type Masing-Prandtl-Iwan, qui utilise uniquement la courbe de
réduction du module de cisaillement pour caractériser le sol, a été implémentée dans un modèle aux éléments finis. La réponse
sismique des profils de sol dépend de la polarisation du signal d’entrée, des propriétés élastiques et dynamiques du milieu et du
contraste d’impédance entre les couches. La propagation d’un signal 3C induit un état multiaxial de contrainte et une interaction entre
les composantes qui réduit la résistance du sol et augmente les effets non linéaires. Différents profils de sol dans la région de Tohoku
(Japon) ont été soumis aux signaux sismiques enregistrés sur rocher affleurant ou en profondeur, pendant le séisme de Tohoku en
2011. La réponse sismique non linéaire de chaque profil de sol a été comparée dans les deux cas de superposition des effets de la
propagation indépendante des trois composantes du signal (1D-1C) et 1D-3C.
ABSTRACT: We propose a one-directional three-component (1D-3C) approach to model the unidirectional (1D) propagation of a
three component (3C) earthquake for seismic response analyses of horizontal multilayer soils, considering a 3D nonlinear constitutive
behaviour for soils. An elasto-plastic cyclic constitutive behaviour of the Masing-Prandtl-Iwan type, using just the shear modulus
decay curve for soil characterization, is implemented in a finite element scheme. Seismic response of soil profiles appears dependent
on incident wave polarization, elastic and dynamic properties of medium and seismic impedance contrast between soil layers.
Propagating a 3C signal induces a multiaxial stress interaction decreasing soil strength and increasing nonlinear effects. Soil profiles
in the Tohoku area (Japan) are loaded by seismic signals recorded at outcrops or downhole, during the 2011 Tohoku earthquake. The
nonlinear seismic response of each soil profile, represented in terms of acceleration, hysteresis loops and stress and strain profiles with
depth, is compared in both cases of superposition of three one-component propagation effects (1D-1C) and 1D-3C.
MOTS-CLÉS: amplification des ondes sismiques, propagation des ondes en milieu non linéaire, mouvement fort.
KEYWORDS: seismic wave amplification, nonlinear wave propagation, strong motion.
1 INTRODUCTION
Les ondes sismiques qui se propagent dans les couches de sol
superficielles, peuvent réduire la résistance du sol et augmenter
les effets non linéaires. Le comportement non linéaire du sol
peut amplifier ou réduire la réponse dynamique en surface, en
fonction du taux de dissipation d'énergie.
Les modèles de propagation unidirectionnelle (1D) des ondes
sont un moyen d'évaluer facilement le mouvement de terrain en
surface, dans le cas de séismes forts. De nombreuses études ont
été dédiées à la modélisation de la propagation unidirectionnelle
des ondes de cisaillement pour des profils de sol multicouche,
en considérant une seule composante du mouvement
(polarisation 1C) et en utilisant comme rhéologie un modèle
linéaire équivalent (Schnabel et al. 1972; Bardet et al. 2000),
non linéaire pour sol sec (Bardet et al. 2001) ou non linéaire
pour sol saturé (Lee et Finn 1978). Cela pour analyser les effets
de site sismiques.
Le trajet de chargement tridimensionnel (3D) influence l'état de
contrainte dans le sol et donc sa réponse sismique. Considérer
un trajet de chargement 3D signifie représenter le comportement
3D non linéaire cyclique du sol, qui induit un couplage des trois
composantes du mouvement, dont on est obligé de tenir compte
(Li et al. 1992; Santisi d’Avila et al. 2012). Li (1992) a utilisé la
loi de comportement 3D plastique cyclique de Wang et al.
(1990), en termes de contraintes effectives, pour prendre en
compte la pression interstitielle dans le sol dans un modèle 1D
de propagation des ondes, aux éléments finis. Ce modèle
rhéologique complexe nécessite un grand nombre de paramètres
pour caractériser le sol.
Dans cette recherche, le comportement non linéaire du sol est
représenté par un modèle de type Masing-Prandtl-Ishlinskii-
Iwan (MPII), suggéré par Iwan (1967) et appliqué par Joyner
(1975) et Joyner et Chen (1975) dans une formulation aux
différences finies. L'implémentation de la loi de comportement
non linéaire cyclique MPII dans un schéma de type éléments
finis (code SWAP_3C) est présentée par Santisi d’Avila et al.
(2012). La caractéristique principale de la formulation proposée
est de résoudre le problème local déformation-contrainte en 3D,
pour la simulation de la propagation unidirectionnelle des ondes
sismiques dans le sol, en utilisant la rhéologie de type MPII, qui
dépend seulement de propriétés mesurables en laboratoire. La
fiabilité du modèle proposé, de propagation 1D-3C, a été
évaluée en comparant les enregistrements à trois composantes
du séisme de Tohoku en 2011 avec les signaux numériques
(Santisi d'Avila et al. 2013).
Santisi d’Avila et al. (2012) ont analysé l'importance de la prise
en compte les trois composantes (3C) du séisme. Ils ont analysé
l'influence de différents paramètres sur la réponse du sol en
utilisant des signaux incidents synthétiques. En analysant la
propagation unidirectionnelle (1D) d'une onde incidente et en
passant d'une à trois composantes, on observe, pour une
déformation de cisaillement maximale fixée, une réduction du
module de cisaillement et de la résistance du sol et une
augmentation de la dissipation. La forme des boucles
d'hystérésis ne varie pas à chaque cycle, pour un chargement à
