Chatzigogos, Charisis (2007) A rational approach for the seismic behavior of shallow foundations : consideration of a performance-based criterion in the design. PhD thesis LMS, LMS, EP/X p.346.

Alternative Locations: http://www.imprimerie.polytechnique.fr/Theses/Files/Chatzigogos.pdf

Abstract

The objective of this thesis is to contribute to the study of shallow foundations under seismic excitation and to offer new tools for the treatment of related problems in engineering practice, with a particular focus on performance-based design. The undertaken research was organized following four axes of approach:
a. Identification of the main characteristics of the problem by examining real foundation seismic failure. This effort led to the creation of a database of approximately 200 structures of all types that suffered a seismic failure at the foundation level.
b. Theoretical approach for the determination of the seismic bearing capacity of shallow foundations. The problem of a circular footing on a heterogeneous purely cohesive soil was treated with the kinematic approach of the Yield Design theory. The established solutions suggest a significant extension of the design procedures incorporated in the European earthquake-resistant design norms by introducing three-dimensional footing geometry and soil heterogeneity.
c. Experimental approach for the validation of the established theoretical results. A project with the French Central Laboratory of Bridges and Highways (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) was undertaken, focusing on the determination of the bearing capacity of the configuration treated in the theoretical approach through centrifuge tests.
d. Development of a tool for efficient non-linear dynamic soil-structure interaction analyses. A new macroelement model has been developed comprising two coupled non-linear mechanisms: the irreversible soil behavior via a bounding surface hypoplastic model and the uplift that may take place in the soil-foundation interface via a phenomenological non-linear elastic model.
The perspective of these contributions is to enrich the existing design norms by orienting them towards the promising performance-based design philosophy.

Table of content

Table des matières
Présentation……...………………………………………………………………………………1
1 Introduction 5
1.1 Ruptures sismiques des fondations 5
1.1.1 Séismes « historiques » du génie parasismique géotechnique 5
1.1.2 Description des ruptures sismiques de fondations 8
1.1.3 Points récapitulatifs 13
1.2 Conception parasismique des fondations superficielles basée sur les déplacements 15
1.2.1 Le modèle de Newmark (1965) 15
1.3 Méthodes d¢interaction dynamique sol-structure 19
1.3.1 De la source sismique à l¢échelle de la structure 19
1.3.2 Les méthodes de sous-structures 20
1.3.3 Les méthodes directes 22
1.3.4 Les méthodes hybrides et le concept du macroélément pour l¢IDSS 22
1.3.5 Résumé 24
2 Analyse à la rupture 27
2.1 Revue des méthodes de résolution du problème de la capacité portante des fondations superficielles 27
2.1.1 Généralités 27
2.1.2 Méthodes analytiques et numériques. Méthodes mixtes 28
2.1.3 Méthodes empiriques et expérimentales 38
2.1.4 Remarques finales 42
2.2 Résumé de l¢approche cinématique du Calcul à la Rupture 43
2.2.1 Introduction du principe de puissances virtuelles 43
2.2.2 Introduction de la résistance du matériau constitutif 45
2.2.3 Mise en oeuvre de l¢approche cinématique par l¢extérieur 47
2.3 Semelles filantes : Rappel de résultats existants 49
2.3.1 Introduction 49
2.3.2 Traitement dans le cadre de la formulation classique 49
2.3.3 Surface ultime globale 51
2.3.4 Vérification expérimentale 54
2.3.5 Adaptation aux Normes Européennes 55
2.4 Forces d¢inertie dans le sol 60
2.4.1 Création de la sollicitation sismique 60
2.4.2 Description de 60
2.4.3 Valeur critique de 61
2.4.4 Dimensions de la fondation 64
2.5 Capacité portante sismique des fondations circulaires 66
2.5.1 Introduction 66
2.5.2 Capacité portante des semelles circulaires : Rappel des résultats connus 66
2.5.3 Formulation du problème de la capacité portante sismique des fondations circulaires - 74
2.5.4 Mécanismes virtuels de rupture 81
2.5.5 Résultats 96
2.6 Coefficients de sécurité 128
2.6.1 Généralités 128
2.6.2 Application à la formulation de la capacité portante sismique 128
2.6.3 Résumé 133
2.7 Outil numérique pour le traitement du problème 134
2.7.1 Généralités 134
2.7.2 Installation 134
2.7.3 Définition de la géométrie 134
2.7.4 Définition du critère de résistance du sol et de l¢interface sol-semelle 135
2.7.5 Type de superstructure et de problème 136
2.7.6 Procédure de calcul 137
2.7.7 Résultats 140
2.7.8 Définition du Facteur de Sécurité global (Problèmes a.ii et b. iii) 141
3 Approche expérimentale 145
3.1 Préparation des essais 145
3.1.1 Besoin d¢une approche expérimentale 145
3.1.2 Travaux expérimentaux existants – Définition des objectifs des essais 146
3.1.3 Planification des essais 148
3.1.4 Premiers éléments d¢élaboration des essais 148
3.2 Première séance d¢essais 151
3.2.1 Description de la configuration testée 151
3.2.2 Présentation des résultats 156
3.3 Deuxième séance d¢essais 165
3.3.1 Configurations testées 165
3.3.2 Présentation des résultats 170
3.3.3 Conclusion...………………………………………………………………………..181
4 Développement du macroélément 185
4.1 Introduction et état de connaissances 185
4.1.1 Généralités 185
4.1.2 Développements initiaux 185
4.1.3 Les premiers modèles de macroélément 186
4.1.4 Prise en compte du décollement à l¢interface sol-fondation 193
4.1.5 Le macroélément de Crémer (2001) 195
4.1.6 Modèles de macroéléments divers 200
4.2 Présentation du modèle de macroélément 207
4.2.1 Cadre général 207
4.2.2 L¢idée principale du modèle 208
4.2.3 Non-linéarité géométrique – modèle élastique non-linéaire pour la description du décollement 213
4.2.4 Non-linéarité matérielle – modèle de plasticité 217
4.2.5 Paramètres du modèle. Couplage plasticité - décollement 219
4.3 Mise en oeuvre numérique et comportement en chargement quasi-statique 223
4.3.1 Introduction 223
4.3.2 Mise en œuvre numérique 223
4.3.3 Réponse du modèle sous chargements quasi-statiques monotones et cycliques 228
4.4 Extension aux chargements dynamiques 241
4.4.1 Éléments introductifs 241
4.4.2 Application numérique 243
4.4.3 Conclusion - 250
Conclusions et perspectives - 251
Références bibliographiques - 255
ANNEXES - 265
Annexe 1.I - 267
Annexe 2.I - 273
Annexe 2.II - 281
Annexe 2.III - 291
Annexe 2.IV - 295
Annexe 2.V - 311
Annexe 3.I - 315

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