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9ème Colloque National AFPS 2015 – IFSTTAR
Méthode d’estimation de la vulnérabilité sismique des
ponts à poutres isostatiques en béton armé
Abderrahmane Kibboua*, — Mounir Naïli*, — Djillali Benouar**
* Centre National de Recherche Appliquée en Génie Parasismique (CGS)
01, rue Kaddour Rahim, BP 252, Hussein-Dey 16040, Alger, Algérie
akibboua@cgs-dz.org
** Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (USTHB)
BP 32, El Alia 16111, Bab Ezzouar, Alger, Algérie
RÉSUMÉ. Dans cet article, on se propose d’adapter la méthode de Kubo-Katayama développée au Japon pour l’évaluation de
la vulnérabilité sismique des ponts à poutres isostatiques en Algérie. Cette méthode, qui considère que le mode de rupture
des ponts est induit par la chute des poutres et donc du tablier, est utilisée comme premier niveau de décision (first
screening) pour l’évaluation de la vulnérabilité des ponts routes existants. C’est une approche qualitative, d’application
pratique dont le choix repose sur le fait qu’elle soit tout à fait applicable aux réseaux de ponts en Algérie dans la mesure où
les typologies de ponts algériens figurent parmi les typologies japonaises. Les critères utilisés dans cette procédure sont
destinés à être utilisés seulement dans le cadre d’une évaluation préliminaire de la vulnérabilité au séisme des ponts.
ABSTRACT. In this article, we try to adapt the Kubo-Katayama’s method developed in Japan to assess the seismic vulnerability
of simply supported beam bridges with multiple girders in Algeria. This method which considers that the failure mode of the
bridges is induced by the falling off the girders and then the bridge deck is used as a first level of decision (first screening)
for the vulnerability assessment of existing bridge structures. It is a qualitative approach, simple and efficient method,
selected to carry out this study because it is completely applicable to Algerian bridge networks as long as the Algerian
bridge typologies appear among the Japanese ones. The criteria used in this procedure are intended to be only used for the
preliminary evaluation of the seismic vulnerability of existing bridge structures.
MOTS-CLÉS : vulnérabilité sismique, pont à poutres isostatiques, chute des poutres, approche qualitative.
KEYWORDS: seismic vulnerability, simply supported beam bridges, falling off girders, qualitative approach.
2 9ème Colloque National AFPS 2015 – IFSTTAR
1. Introduction
Des séismes récents tels que ceux de Loma Priéta, Kobe, Izmit,…etc. ont renforcé l’évidence que les ponts
restent très vulnérables et que leur mise hors d’usage empêche l’acheminement des secours vers les zones
sinistrées. Ainsi, l’étude des dommages subis à la suite des derniers séismes aux États-Unis (San Fernando 1971,
Loma Prieta 1989, Northridge 1994), au Japon (Kobé 1995), au Canada (Saguenay 1988), (El-Asnam 1980,
Costa Rica 1991, et Kocaeli 1999) a permis de mieux comprendre la nature des mouvements sismiques, leur
effet sur les éléments structuraux des ponts et des sols de fondations et enfin les dommages pouvant survenir
(Mitchell et Tinawi 1992 ; Priestley et al., 1994 ; Anderson et al., 1996 ; Yashinski 1998 ; Kawashima 2000 ;
Saatcioglu et al.,2001 ; Priestley et al., 1996). Au niveau des structures, l’expérience a démontré que les
dommages subis par les ponts et les viaducs les plus fréquemment observés sont : (i) la perte d’appuis des
travées, (ii) la rupture des colonnes et des piles, (iii) la rupture des culées servant de murs de soutènement, et (iv)
l’effondrement ou l’affaissement du remblai situé aux accès des ponts. Il est reconnu que la dissipation de
l’énergie induite par les vibrations sismiques dépend des principaux éléments structuraux d’un pont, soient : le
tablier, le système d’appuis, les piles, les culées et les fondations. Par ailleurs, la nature du sol et les effets de
sites qui en résultent contribuent grandement à augmenter la vulnérabilité sismique des ouvrages.
2. Evaluation de la vulnérabilité sismique des ponts
A l’instar des pays à forte sismicité, l’Algérie possède un patrimoine non loin d’être négligeable d’ouvrages
de génie civil, particulièrement de ponts dont la période d’exploitation date de plusieurs années. La plupart de
ces ouvrages ont été construits avant l’avènement des règles de calcul et de conception vis-à-vis des sollicitations
sismiques. De plus, particulièrement dans le nord de l’Algérie, le niveau des sollicitations sismiques dont il faut
tenir compte pour des fins d’évaluation a considérablement augmenté au cours des dernières années. Or,
l’Algérie n’est pas un territoire à l’abri de séismes majeurs. Depuis trois siècles, on y a dénombré plusieurs
séismes importants, dont le plus récent est celui qui a frappé les régions d’Alger et de Boumerdes le 21 mai
2003.
Dans l’éventualité d’un autre séisme majeur en Algérie, l’intégrité structurale de plusieurs ponts ne pourrait
être assurée, d’autant plus que ces ouvrages d’un certain âge présentent des configurations géométriques et
mécaniques très similaires à ceux qui ont subi des dommages lors de séismes en Californie (San Fernando, 1971,
San Francisco, 1989, et Northridge, 1994). On doit toutefois reconnaître que la situation californienne ne peut
être transposée directement au nord de l’Algérie, à cause des différences relatives aux conditions géologiques et
aux mouvements des sols.
Les gestionnaires des grandes villes d’Algérie expriment certaines inquiétudes concernant le maintien en
service des ponts situés sur des axes routiers critiques après une catastrophe majeure causée par un séisme. La
circulation des véhicules d’urgence devrait en effet être assurée. De plus, dans le cas d’une telle situation, il
serait souhaitable de disposer d’une technique fiable pour réparer et rétablir la fonction des piles de ponts
endommagés.
En Algérie, peu d’études sur la vulnérabilité aux séismes des ponts ont été entreprises et plusieurs ponts
peuvent présenter des déficiences vis-à-vis des sollicitations sismiques importantes (Kibboua et al., 2013). De ce
fait, l’évaluation de la vulnérabilité parasismique des ponts constitue aujourd’hui une préoccupation majeure
pour les maîtres d’ouvrages (Kibboua, 2012).
3. Méthode d’évaluation de la vulnérabilité sismique
Dans le cadre de ce travail, nous avons utilisé la méthode Japonaise pour l’estimation de la vulnérabilité aux
séismes des ponts à poutres isostatiques. La méthodologie adoptée se base sur l’approche développée par Kubo-
Méthode d’estimation de la vulnérabilité des ponts 3
Katayama (Kubo et Katayama, 1977), qui permet d’évaluer la vulnérabilité des ponts dont le mode de rupture
prépondérant est induit par la chute des poutres et donc du tablier (Figure 1).
Figure 1. Chute des poutres de ponts isostatiques
Le choix de cette méthode se justifie par le fait qu’elle soit tout à fait applicable aux réseaux de ponts en
Algérie dans la mesure où les typologies de ponts algériens figurent parmi les typologies japonaises. Elle est
utilisée comme premier niveau de décision (first screening) pour l’évaluation de la vulnérabilité des ponts.
L’organigramme d’évaluation des dommages par cette méthode est illustré sur la Figure 2.
Figure 2. Organigramme de l’analyse de la vulnérabilité des ponts (Méthode de Katayama)
PGA
Evaluation par la Méthode de
Katayama
Séisme de scénario
Enquête sur le terrain
Appréciation par catégorie
- Type de sol
- Potentiel de liquéfaction
- Type de poutre
- Type d’appui
- Hauteur max. de culée / colonne
- Nombre de travées
- Largeur mini. d’assise du tablier
- Échelle d’intensité sismique
- Type de fondation
- Matériaux de culée / colonne
Inspection des plans et
spécifications
4 9ème Colloque National AFPS 2015 – IFSTTAR
Dans la méthode de Katayama, onze (11) rubriques susceptibles d’affecter la probabilité de chute des
poutres, et par conséquent celle des tabliers sont examinées. Chaque rubrique consiste en un nombre de
catégories sélectionnées, selon le cas du pont étudié et sans calcul fastidieux. Le tableau 1 expose les critères
d’appréciation de l’analyse de la vulnérabilité des ponts.
Tableau 1. Appréciation de l’analyse de la vulnérabilité des ponts
Rubriques
Catégories
Appréciation
par catégorie
Type de sol
Dur: roche légèrement / non détériorée
0,5
Moyen: roche détériorée / modérément détériorée
1,0
Meuble: sol / diluvial sédimentaire
1,5
Très meuble: sol / Alluvial sédimentaire
1,8
Potentiel de liquéfaction
Non liquéfiable
1,0
Liquéfaction possible: 0 ≤ PL < 15
1,5
Liquéfaction: 15 ≤ PL
2,0
Type de poutre
Arc
1,0
Continue
2,0
Simple
3,0
Type d’appui
Avec dispositif spécifique (prévention contre la chute des
poutres)
0,6
Ordinaire (avec calcul et conception Claire)
1,0
Deux appuis existent (pouvant agir en direction axiale)
1,15
Autres (sans support, etc.)
1,1
Système antisismique
Système de prévention contre la chute des poutres
0.6
Appui parasismique
0.9
Hauteur max. de
culée/pile
Inférieure à 5 m
1,0
5 à 10 m
1,35
Supérieure à 10m
1,7
Nombre de travées
1 travée
1,0
2 travées ou plus
1,75
Largeur min. de l’assise
du tablier de pont
Largeur: 70 cm ou plus
0,8
Étroite: Inférieure à 70 cm
1,2
Sans assise: 0 cm
1,1
Échelle d’intensité
sismique (MSK)
MSK < 7,885
1,0
7,885 ≤ MSK < 8,680
2,1
8,680 ≤ MSK < 9,475
2,4
9,475 ≤ MSK < 10,270
3,0
10,270 ≤ MSK
3,5
Type de fondation
Pieux
1,4
Autres
1,0
Matériaux de la culée /
pile
Béton non armé ou maçonnerie
1,4
Béton armé ou autre
1,0
L’appréciation par catégorie montrée au tableau 1 est donnée à chaque catégorie en tant que facteur de poids
statistique (coefficient de pondération).
Méthode d’estimation de la vulnérabilité des ponts 5
Le résultat peut être alors déterminé par substitution des données à l’équation suivante :
N
j
M
k
jk
jki
j
i
Xy 1 1
)(
[1]
Où :
- yi : seuil de degré de dommage du ième pont ;
- N : nombre de toutes les rubriques ;
- Mj : nombre de catégories du jème rubrique ;
- δi (jk) : variable (δi (jk) = 1; quand les caractéristiques du ième pont correspondent à la catégorie K dans la
rubrique, δi (jk) = 0; autrement) ;
- Xjk : appréciation par catégorie (kème catégorie du jème rubrique) ;
-
N
1j
: symbole de multiplication de 1 à la Nème valeur.
La valeur du seuil pour l’estimation du degré de dommage des ponts est basée sur 30 échantillons de ponts
endommagés observés suite à 3 séismes ayant dévasté le Japon (1923 Kanto, 1948 Fukui, 1964 Niigata). Dans
cet article, le séisme de Boumerdes est pris comme référence vis-à-vis de la pathologie de chute des travées de
tabliers, afin de calibrer les paramètres de pondération des différents seuils de dommage tel qu’illustré sur le
Tableau 2.
Tableau 2. Définition des degrés de dommage des ponts (original-calibré)
Classe de degré de dommage
Valeur de seuil
originale
(Japon)
Valeur de
seuil modifiée
(Algérie)
A
- Probabilité élevée de chute du tablier
- Déplacements permanents
importants
- Ouvrage à condamner et
reconstruction requise
yi ≥ 30
yi ≥ 30
B
- Probabilité modérée de chute du
tablier
- Déplacements permanents moyens
- Réouverture du pont à la circulation
différée pour nécessité de réparation
26 ≤ yi ≤30
22 ≤ yi ≤ 30
C
- Probabilité faible de chute du tablier
- Déplacements permanents faibles
- Usage possible après inspection
essentiellement
yi < 26
yi < 22
6 9ème Colloque National AFPS 2015 – IFSTTAR
4. Application de la méthode
L’objectif de l’évaluation de la vulnérabilité sismique des ponts est d’identifier les ouvrages les plus
vulnérables sur une base de données facilement accessibles. Cet objectif est atteint par le biais de l’appréciation
de chaque rubrique susceptible d’affecter la probabilité de chute des poutres. La méthodologie modifiée et
calibrée pour les ponts Algériens a été utilisée pour analyser la vulnérabilité aux séismes de plus de 100 ponts
route de la capitale (CGS, 2006). Pour illustrer cette méthodologie, deux ouvrages sont pris comme cas d’étude.
Il s’agit de ponts à poutres isostatiques, préfabriquées en béton précontraint.
6.1. Pont Sebaou (wilaya de Boumerdes)
Le calcul et l’évaluation des dommages sur le pont Sebaou (figure 3) sont décrits dans les tableaux 3 et 4.
Figure 3. Vue du pont Sebaou
Tableau 3. Description du pont Sebaou
Rubrique
Catégorie
Appréciation
par catégorie
Type de poutre
Sim
p
le
3,0
Type d’appui
Appui et système de prévention
contre la chute des
poutres
0,6
Hauteur max. culée et pile
5 à 10
m
1,35
Nombre de travées
2 travées ou plus
1,75
Largeur min. assise du tablier
Largeur: 70 cm ou plus
0,8
Type de fondation
Autres
1,0
Matériaux culée et colonne
Béton armé ou autre
1,0
Méthode d’estimation de la vulnérabilité des ponts 7
Le sol du site est alluvial du fait que le pont traverse un oued. La liquéfaction a eu lieu lors du séisme de
Boumerdes comme le montre la figure 4. L’indice du potentiel de liquéfaction (PL) est estimé à plus de 15. Les
conditions géologiques et sismiques du sol servant d’assiette pour le pont sont données au tableau 4. L’intensité
sur l’échelle MSK du site est de 9. Ceci indique que la valeur est comprise entre 8,5 et 9,5. Il a été donc
sélectionné 3 catégories d’échelles d’intensité sismique appelées Cas 1, Cas 2 et Cas 3 (voir Tableau 4).
Figure 4. Mouvement du sol latéral au niveau d’une colonne du pont Sebaou
Tableau 4. Conditions géologique et sismique du pont Sebaou
Rubrique
Catégorie
Appréciation
par catégorie
Type de sol
Très meuble: Sol / dépôt alluvionnaire
1,8
Potentiel de
liquéfaction
Liquéfaction: 15 ≤ PL
2,0
Échelle
d’intensité
sismique
(MSK)
MSK = 9
Cas 1: 7,885 ≤ MSK < 8,680
2,1
Cas 2: 8,680 ≤ MSK < 9,475
2,4
Cas
3:
9,475 ≤
MSK
<
10,270
3,0
L’appréciation totale de chaque cas est de 25,7 (Cas 1), 29,4 (Cas 2) et 36,7 (Cas 3) respectivement. Par
conséquent, la classe du degré de dommage évaluée selon la méthode de Katayama est jugée « B » (probabilité
modérée) ou « A » (probabilité élevée). Le rapport des dommages réels observés sur le pont Sebaou indique que
des poutres ont subi un déplacement longitudinal de l’ordre de 50 cm sans chute de tablier (voir Figure 5). Si
aucun système de prévention n’avait été appliqué, ou si l’assise du tablier avait été plus étroite, ou si l’intensité
sismique avait été plus élevée, les poutres seraient tombées.
8 9ème Colloque National AFPS 2015 – IFSTTAR
Figure 5. Déplacement d’une poutre et mouvement latéral d’une pile du pont Sebaou
Donc, le degré de dommage du pont de Sebaou est évalué et affecté à la classe « B » (probabilité modérée)
qui est très proche de la classe « A » selon les dommages constatés.
6.2. Pont M’Khadria (wilaya d’Ain Defla)
Le calcul et l’évaluation des dommages sur le pont M’Khadria (figure 6) sont décrits dans les tableaux 5 et 6.
Figure 6. Vue du pont M’Khadria
Méthode d’estimation de la vulnérabilité des ponts 9
Tableau 5. Description du pont M’Khadria
Rubrique
Catégorie
Appréciation
par catégorie
Type de poutre
Sim
p
le
3,0
Type d’appui
Appui et système de prévention
contre la chute des
poutres
0,6
Hauteur max. culée et pile
5 à 10
m
1,35
Nombre de travées
2 travées ou plus
1,75
Largeur min. assise du tablier
Largeur: 70 cm ou plus
0,8
Type de fondation
Pieux
1,4
Matériaux culée et pile
Béton armé ou autre
1,0
L’intensité sur l’échelle MSK du site est calculée avec la formule proposée dans le cadre du projet RISKUE
(RISK-UE, 2003) qui relie l’accélération maximale du sol à l’échelle MSK comme suit :
303.0 12.2Alog
I10
[2]
Avec,
I : Intensité sur l’échelle MSK
A : Accélération maximale du sol.
L’intensité du site sur l’échelle MSK est de 8.28 du fait que l’ouvrage est de groupe 3 et se situe en zone III.
Donc le coefficient de l’accélération de zone vaut A = 0.25g (RPOA-2008). Cette valeur est comprise entre
7.885 et 8.68 selon le tableau 6.
Le sol du site d’implantation est alluvial du fait que le pont traverse un Oued. La liquéfaction pourrait
éventuellement survenir en cas de séisme. L’indice du potentiel de liquéfaction (PL) est estimé à 1.5. Les
conditions géologiques et sismiques du sol servant d’assiette pour le pont sont données ci-dessous au tableau 6.
Tableau 6. Conditions géologique et sismique du pont M’Khadria
Rubrique
Catégorie
Appréciation
par catégorie
Type de sol
Très meuble: Sol / dépôt alluvionnaire
1,8
Potentiel de
liquéfaction
Liquéfaction: 15 ≤ PL
1.5
Échelle
d’intensité
sismique
(MSK)
7.885<MSK < 8.68
2.1
Les appréciations de chaque catégorie ont été évaluées donnant ainsi une appréciation totale de 27. Par
10 9ème Colloque National AFPS 2015 – IFSTTAR
conséquent, la classe du degré de dommage du pont est évaluée et affectée à la classe « B » (probabilité modérée
de chute de poutre). Néanmoins, la valeur 27 étant proche de 30, le pont peut basculer de probabilité modérée
« B » vers la probabilité élevée « A » en cas de fortes sollicitations sismiques.
7. Conclusion
L’approche d’évaluation de la vulnérabilité des ponts exposée dans cet article est simple et pratique. Elle a
été utilisée dans le cadre de l’étude du microzonage sismique de la wilaya d’Alger pour estimer la vulnérabilité
au séisme de 148 ponts à poutres sous chaussée. De celle-ci, il a été constaté que 126 ponts représentant (86.1%)
avaient un degré de dommage affecté à la classe C représentant une probabilité faible (cf. Tableau 2), 19 (12,9%)
ponts avaient une probabilité modérée et affectés à la classe B et enfin 3 (2%) ponts avaient une probabilité
élevée et affectés à la classe A. Elle permet également aux gestionnaires et ingénieurs des travaux publics
d’avoir un outil simple pour estimer la vulnérabilité sismique des ponts - routes existants. Cependant, il est
important de souligner que les critères utilisés dans cette méthode, sont destinés à être utilisés seulement dans le
cadre d’une évaluation préliminaire de la sécurité des ponts vis-à-vis du mode de rupture par chute de poutres
ou de tablier.
D’autres analyses, plus élaborées peuvent être utilisées pour les ponts dont la sécurité est jugée douteuse par
les méthodes simplifiées.
Les résultats d’évaluation de cette analyse de vulnérabilité peuvent être utilisés d’une part, dans le cadre
d’une politique de gestion et de la planification de programmes de protection sismique du patrimoine, et d’autre
part, pour le développement des stratégies de mitigation ou d’atténuation du risque sismique.
8. Bibliographie
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RPOA-2008., Règles Parasismiques applicables au domaine ders Ouvrages d’Art, Document Technique Réglementaire,
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