Étude des effets de site dus aux conditions topographiques et géotechniques par une méthode hybride éléments finis/éléments frontières - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2005

Étude des effets de site dus aux conditions topographiques et géotechniques par une méthode hybride éléments finis/éléments frontières

Khoa Van Nguyen
  • Function : Author

Abstract

The purpose of this dissertation is to develop the boundary element method (BEM) and the coupled finite element/boundary element method (FEM/BEM) for elastodynamics a poroelastodynamics, and to study the local site effects and the dynamic soil-structure interaction using these methods. The first part is devoted to theoretical problems. The time-dependant formulations of the BEM and the FEM/BEM enable us to study (semi-)infinite domains. Particularly, the FEM/BEM can also take account of the complex material behaviours. However, these formulations have some numerical difficulties, which may restrict their applicability seismic calculations. These are the numerical stability of the time-marching procedure, the dramatic increase in computing time with the number of time steps and the truncation effect of the half-space. Some techniques, which are intended to improve the performances of these methods, are then presented. An analytical transient fundamental solution is proposed for the application of the BEM to the poroelastodynamics, using two assumptions: the acceleration, relative to the skeleton, of the pore fluid is neglected and the fluid and solid particles are incompressible. This approximate solution in terms of displacements and pore pressures is appropriate for soils under seismic motion. All of these formulations are validated and integrated into the computer code HYBRID. The applications of the BEM and the FEM/BEM in seismic calculations are presented in the second part. The principal characteristics and the physical phenomena of local site effects (i.e. effects of surface topography and alluvial basin geometry on seismic ground motion) are presented. It is theoretically shown that the local site effects may considerably enhance the destruction potential of seismic motion, because they amplify the ground motion, increase the duration of the earthquake and cause differential motions, Parametric studies are carried out and illustrate the important influence on the ground surface motion of several factors the frequency content of the excitation, the impedance ratio sediment/bedrock, the geometry of the relief or the basin (width, depth or height, slope and form), the thickness of sedimentation, the multi-layer effect and the pore water saturation. A study of the dam/foundation interaction shows that it is necessary to consider the effect of the foundation flexibility in seismic calculations of earth dams.
Ce travail de thèse a pour but de développer la méthode des éléments frontières (BEM) et la méthode hybride éléments finis/éléments frontières (FEM/BEM) pour l'élastodynamique et la poroélastodynamique, et d'appliquer ces méthodes aux études d'effets de site sismiques et d'interaction dynamique sol-structure. La première partie du mémoire aborde les problèmes théoriques. Les formulations, en domaine temporel, de la BEM et de la FEM/BEM peuvent tenir compte du caractère ouvert des espaces (semi-)infinis. En particulier, la FEM/BEM peut également prendre en compte des comportements matériels complexes. Ces formulations ont cependant des difficultés numériques pouvant limiter leur applicabilité en pratique il s'agit de la stabilité numérique du schéma temporel, de l'augmentation rapide du temps de calcul avec le nombre de pas de temps et de l'effet de la troncature de l'espace semi-infini. Des techniques, destinées à améliorer les performances de ces méthodes, sont alors proposées. Pour l'application de la BEM en poroélastodynamique, une expression a de la solution fondamentale temporelle est proposée, en faisant deux hypothèses l'accélération relative, par rapport au squelette, du fluide interstitiel est négligée et les constituants du milieu (grains solides et fluide) sont incompressibles. Cette solution approchée, en termes de déplacements et de pressions interstitielles, est adéquate pour les sols sous sollicitations sismiques. Toutes les formulations sont validées et intégrées dans le code de calcul HYBRID. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'application de la BEM et de la FEM/BEM aux calculs sismiques. Les phénomènes physiques et les caractéristiques principales des effets de site bidimensionnels, dus aux conditions topographiques et géotechniques, sont présentés. On prouve théoriquement que les effets de site peuvent considérablement aggraver le potentiel destructeur du mouvement sismique, car ils amplifient le mouvement, prolongent la durée du séisme et provoquent des mouvements différentiels. Des études paramétriques sont effectuées et montrent l'influence significative sur le mouvement sismique en surface de plusieurs facteurs le contenu fréquentiel de l'excitation, le contraste d'impédance sédiment/substratum, la géométrie du relief ou du bassin (largeur, profondeur ou hauteur, pente, forme), l'épaisseur de la sédimentation, l'effet multicouche et la saturation en eau interstitielle. Une étude, portant sur l'interaction dynamique barrage/fondation, démontre la nécessité de tenir compte de l'effet de flexibilité de la fondation dans les calculs sismiques des barrages en terre.
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Dates and versions

pastel-00001839 , version 1 (03-05-2010)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00001839 , version 1

Cite

Khoa Van Nguyen. Étude des effets de site dus aux conditions topographiques et géotechniques par une méthode hybride éléments finis/éléments frontières. Sciences of the Universe [physics]. Ecole des Ponts ParisTech, 2005. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00001839⟩
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