Influence of spatial variability on seismic soil-structure interaction
Influence de la variabilité spatiale en interaction sismique sol-structure
Résumé
Classical analysis of seismic soil-structure interaction phenomena for the design of civil engineering structures and lifelines are based on two simplifying assumptions~: lateral homogeneity of the soil underneath the foundation and representation of the ground motion (free field) as a pulse train of vertically or obliquely incident plane waves. For large structures founded on flexible spread footings, these hypotheses are not valid any longer. Furthermore, data recorded after the installation of dense seismograph arrays have shown that seismic ground motions can have a strong spatial variability, even over short distances and irrespective of deterministic wave passage effects. We develop in this thesis some theoretical tools for the modelization and numerical analysis of the influence of the free field and soil spatial varibilities on the structural response. A probabilistic approach is chosen, and the structural response of interest is given by an integral formulation which considers these two aspects simultaneously. Relevancy of numerical implementations are enhanced by introducing a spectral reduction of the random dimension of the fluctuating part -- large or small -- of the uncertain soil mechanical parameters through its Karhunen-Loeve expansion. This technique is applied to the free field as well. The numerical results obtained for various realistic cases display some specific features whose consideration seems essential in the process of industrial design. Notably, some usefull trends and sensitivity of the structural response with the free field and soil spatial variabilities are derived.
Les études des phénomènes d'interaction sismique sol-structure pour le dimensionnement d'ouvrages en génie civil sont fondées sur deux hypothèses simplificatrices fortes : l'homogénéité latérale du sol sous la fondation, et la représentation du mouvement sismique par des ondes planes à incidences verticales ou inclinées. Pour de grands ouvrages reposant sur des radiers flexibles étendus, ces hypothèses ne sont plus valides, d'autant que les observations in situ des ondes sismiques font apparaître une variabilité spatiale importante même sur de courtes distances et indépendamment de l'effet du passage d'onde. Dans ce travail sont développés les outils de modélisation et d'analyse numérique permettant de tenir compte de cette variabilité ainsi que de celle des caractéristiques mécaniques du sol. Une approche probabiliste est retenue, et leur influence est directement reliée à la réponse de la structure au séisme par une formulation intégrale incorporant ces deux aspects simultanément. Pour une mise en oeuvre numérique efficace, la dimension aléatoire des fluctuations - grandes ou petites - aléatoires des caractéristiques mécaniques du sol est réduite par l'introduction du développement de Karhunen-Loeve de l'opérateur de raideur dynamique associé. Cette technique est aussi appliquée au champ sismique incident. Les résultats obtenus pour des cas complexes réalistes permettent de mettre en évidence certains phénomènes dont l'appréhension apparaît indispensable dans le cadre d'une étude industrielle. Ils donnent notamment quelques indications utiles sur la sensibilité de la réponse de la structure à la variabilité spatiale du mouvement sismique ou des paramètres du sol.