Interaction dynamique sol-structure des fondations sur pieux : étude expérimentale et numérique

The dynamic response of a structure supported by pile foundations is a complex Soil-Structure Interaction (SSI) problem. Under earthquake loading, the piles are subjected to loadings due to the deformation imposed by the soil (kinematic interaction) and to the inertial forces transmitted by the superstructure (inertial interaction). The design of deep foundations under seismic loadings is often carried out by means of conservative methods that aim to assure zero damage of the foundation. Most of these methods consider the behavior of the foundation as linear elastic. As a result, the capability of the foundation to dissipate energy during seismic loading due to nonlinear mechanisms is neglected. This approach was justified in the past due to the lack of information about the nonlinear behavior of foundations and the absence of adapted numerical tools. Such limitations are becoming more and more obsolete, as a relevant number of experimental and numerical results are now available as well as new design methods (Pecker et al. 2012). In this Ph.D, the behavior of single piles and pile groups under seismic loading is studied using both experiments and finite element calculations. Dynamic centrifuge tests are carried out with a multilayered soil profile, several foundation configurations and a series of earthquakes and sinusoidal base shakings. Nonlinear finite element calculations are also performed and compared to experimental results to investigate the ability of current computational models to satisfactorily reproduce the nonlinear response of foundations. A novel macroelement for pile group foundations under seismic loading is developed and numerically validated. It allows taking into account the group effects and their variation with the loading frequency (pile-soil-pile interaction) as well as the nonlinearity developed in the system. Finally, the macroelement model for pile groups is used to perform an Incremental Dynamic Analysis (IDA) of the main pylon of a cable-stayed bridge.La réponse dynamique d’une structure supportée par des fondations profondes constitue un problème complexe d’Interaction Sol-Structure (ISS). Sous chargement sismique, les pieux sont soumis à la sollicitation imposée par le sol (interaction cinématique) et aux forces d’inertie transmises par la superstructure (interaction inertielle). Le dimensionnement des fondations profondes soumises à des sollicitations sismiques est souvent réalisé au moyen de méthodes conservatrices visant à assurer que les fondations ne soient pas endommagées. La plupart de ces méthodes considèrent le comportement de la fondation élastique linéaire et par conséquent la capacité de la fondation à dissiper de l’énergie du fait des mécanismes non-linéaires est négligée. Cette approche était justifiée dans le passé en raison du manque d’informations sur le comportement non-linéaire des fondations et de l’absence d’outils numériques adaptés. De telles limitations deviennent de plus en plus obsolètes, puisqu’un nombre pertinent de résultats expérimentaux et numériques sont maintenant disponibles, ainsi que de nouvelles méthodes de conception (Pecker et al. 2012). Dans cette thèse, le comportement des pieux isolés et des groupes de pieux sous chargement sismique est étudié avec une approche couplant l’expérimental et le numérique. Des essais dynamiques en centrifugeuse sont effectués avec un sol stratifié, plusieurs configurations de fondations et une série de séismes et sollicitations sinusoïdales. Des calculs non-linéaires aux éléments finis sont également effectués et comparés aux résultats expérimentaux afin d’étudier la capacité des modèles numériques à reproduire de manière satisfaisante la réponse non-linéaire des fondations. Un nouveau macroélément pour les groupes de pieux sous chargement sismique est proposé et validé numériquement. Le macroélément permet de prendre en compte les effets de groupe et leur variation avec la fréquence de sollicitation (interaction pieu-sol-pieu) ainsi que la non-linéarité développée dans le système. Le nouveau macroélément est enfin utilisé pour effectuer une analyse dynamique incrémentale (IDA) du pylône centrale d’un pont à haubans