Développement d’un macro-élément de fondations sous charge dynamique : Application au cas des sols renforcés par inclusions rigides

Development of a macro-element of foundations under dynamic load : Application in the case of soils reinforced by rigid inclusions

• Auteur / Autrice : Yuxiang Shen
• Direction : Jean-François Semblat, Sébastien Burlon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides et des solides, acoustique
• Date : Soutenance le 18/12/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Établissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau ; 1970 -....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Terrasol (SETEC)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles (Palaiseau ; 2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Pecker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Semblat, Stéphane Grange, Panagiotis Kotronis, Jesús Pérez-Herreros, Ioannis Anastasopoulos, Sandra Escoffier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Grange, Panagiotis Kotronis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fondations (construction)

Génie parasismique

Constructions -- Dynamique

Matériaux -- Essais dynamiques

Interaction sol-structure

Génie civil

Mots clés libres

Macro-élément

Fondation

Inclusions rigides

Interaction dynamique soil-structure

Capacité portante

ASIRI+

Chargement sismique

Macro-Element

Foundation

Rigid inclusion

Dynamic soil-structure interaction

Bearing capacity

ASIRI+

Seismic loading

Résumé

La réponse dynamique d'une fondation renforcée par inclusions rigides représente un problème complexe d'interaction sol-structure (ISS). Cependant, le nombre d’études s’intéressant à ce type de fondations reste encore limité, et il est nécessaire d’explorer davantage les phénomènes d’ISS impliqués dans leur réponse sous l’action des séismes et d’améliorer les méthodes d’analyse correspondantes.Sur la base des connaissances acquises à partir des études expérimentaux et numériques disponibles à ce jour, ce travail de recherche s’intéresse aux phénomènes d’interaction sol-structure dynamique des fondations renforcées par inclusions rigides. L'étude vise à fournir une meilleure compréhension du comportement sismique de ce type de fondation en utilisant plusieurs approches complémentaires comprenant dives modèles numériques, stratégies de résolution et approches analytiques. Les effets des phénomènes d’interaction inertiel et cinématique à la fois sur la réponse globale de la fondation et sur la réponse des différents éléments du système (i.e., inclusions rigides, matelas de répartition, etc.) sont examinés en détail.La capacité portante sismique des fondations renforcées par inclusions rigides est étudiée en utilisant l'approche cinématique par l'extérieur dans le cadre de la théorie du calcul à la rupture. Une approche analytique permettant d’explorer plusieurs mécanismes de rupture de la fondation est proposée et validée par des analyses numériques en éléments finis.L'évolution des facteurs de réduction associés à l'excentrement et l’inclinaison de la charge ainsi qu’à l'inertie du sol est également explorée pour plusieurs configurations de renforcement en termes du taux de substitution.Un nouveau macro-élément pour les fondations renforcées par inclusions rigides sous chargement sismique est développé et validé numériquement. Il permet la modélisation de la réponse linéaire et non-linéaire de la fondation, incluant les mécanismes de décollement, de glissement et de perte de la capacité portante. Ce modèle est ensuite utilisé pour conduire une étude paramétrique à l'aide d'un modèle de structure simplifiée et l'analyse dynamique incrémentale d'une tour R+22, démontrant l'efficacité et l'utilité de l'approche proposée dans une démarche de conception parasismique basée sur la performance.Cette recherche est menée dans le cadre du Projet National français ASIRI+ et du projet ANR ASIRIplus_SDS.

The dynamic response of a rigid inclusion-reinforced foundation represents a complex Soil-Structure Interaction (SSI) problem. Considering the limited existing studies, there is a clear necessity to explore the SSI phenomena involved in the response of such foundations under seismic conditions and to enhance the corresponding design methodologies.Building upon insights gained from a limited number of dynamic experimental and numerical studies, this research focuses on the dynamic soil-structure interaction phenomena of foundations reinforced by rigid inclusions. The study aims to provide a better understanding of the seismic behaviour of such foundations using several complementary approaches, including various numerical models, resolution strategies, and analytical analyses. The effects of inertial and kinematic interaction phenomena on the response of both the overall foundation and individual elements within the system (e.g., rigid inclusions, load transfer platform, etc.) are examined in detail.The seismic bearing capacity of foundations reinforced by rigid inclusions is further investigated, using the kinematic exterior approach within the framework of yield design theory. A multi-subsystem analytical approach based on the kinematic exterior approach is introduced and validated through FEM analyses. The evolution of the reduction factors associated with load eccentricity, load inclination, and soil inertia is also explored for several configurations of the reinforcement in terms of coverage area ratio.A novel macro-element for rigid inclusion-reinforced foundations under seismic loading is developed and numerically validated. It allows the modelling of both the linear and non-linear response of the foundation, including uplift, sliding and loss of bearing capacity mechanisms. The validated macro-element model is used to perform a parametric study using a lumped mass model and the Incremental Dynamic Analysis (gls{IDA}) of a 22-storey building, demonstrating the effectiveness and usefulness of the proposed approach in a performance-based design approach.This research is conducted within the framework of the French National project ASIRI+ and French National Research (ANR) project ASIRIplus_SDS.