Nonlinear Dynamic Soil-Structure Interaction in Earthquake Engineering

Ce travail détaille une approche de calcul pour la résolution de problèmes dynamiques qui combinent des discrétisations en temps et dans le domaine de Laplace reposant sur une technique de sous-structuration. En particulier, la méthode développée cherche à remplir le besoin industriel de réaliser des calculs dynamiques tridimensionnels pour le risque sismique en prenant en compte des effets non-linéaires d'interaction sol-structure (ISS). Deux sous-domaines sont considérés dans ce problème. D'une part, le domaine de sol linéaire et non-borné qui est modélisé par une impédance de bord discrétisée dans le domaine de Laplace au moyen d'une méthode d'éléments de frontière ; et, de l'autre part, la superstructure qui fait référence pas seulement à la structure et sa fondation mais aussi, éventuellement, à une partie du sol présentant un comportement non-linéaire. Ce dernier sous-domaine est formulé dans le domaine temporel et discrétisé avec la méthode des éléments finis (FE). Dans ce cadre, les forces liées à l'ISS s'écrivent sous la forme d'une intégrale de convolution en temps dont le noyau est la transformée de Laplace inverse de la matrice d'impédance de sol. Pour pouvoir évaluer cette convolution dans le domaine temporel à partir d'une impédance de sol définie dans le domaine de Laplace, une approche basée sur des Quadratures de Convolution (QC) est présentée : la méthode hybride Laplace-Temps (L-T). La stabilité numérique de son couplage avec un schéma d'intégration de type Newmark est ensuite étudiée sur plusieurs modèles d'ISS en dynamique linéaire et non-linéaire. Finalement, la méthode L-T est testée sur un modèle numérique plus complexe, proche d'une application sismique de caractère industriel, et des résultats satisfaisants sont obtenus par rapport aux solutions de référence.The present work addresses a computational methodology to solve dynamic problems coupling time and Laplace domain discretizations within a domain decomposition approach. In particular, the proposed methodology aims at meeting the industrial need of performing more accurate seismic risk assessments by accounting for three-dimensional dynamic soil-structure interaction (DSSI) in nonlinear analysis. Two subdomains are considered in this problem. On the one hand, the linear and unbounded domain of soil which is modelled by an impedance operator computed in the Laplace domain using a Boundary Element (BE) method; and, on the other hand, the superstructure which refers not only to the structure and its foundations but also to a region of soil that possibly exhibits nonlinear behaviour. The latter subdomain is formulated in the time domain and discretized using a Finite Element (FE) method. In this framework, the DSSI forces are expressed as a time convolution integral whose kernel is the inverse Laplace transform of the soil impedance matrix. In order to evaluate this convolution in the time domain by means of the soil impedance matrix (available in the Laplace domain), a Convolution Quadrature-based approach called the Hybrid Laplace-Time domain Approach (HLTA), is thus introduced. Its numerical stability when coupled to Newmark time integration schemes is subsequently investigated through several numerical examples of DSSI applications in linear and nonlinear analyses. The HLTA is finally tested on a more complex numerical model, closer to that of an industrial seismic application, and good results are obtained when compared to the reference solutions.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF

Calcul des opérateurs d'impédance en Interaction Sol-Structure: méthode éléments de frontière accélérée par méthode multipôle rapide

International audienceLes effets de site, qu’ils soient d’origine topographique ou lithologique, influencent la propagation des ondes sismiques et peuvent provoquer une amplification ou atténuation du mouvement sismique, ainsi que la modification de son spectre. Ce travail concerne le développement d’une stratégie de calcul numérique pour la prise en compte des effets de sites dans les calculs d’Interaction Sol-Structure. Il repose sur une nouvelle stratégie de couplage des éléments finis aux éléments de frontière accélérés par la méthode multipôle rapide

PRENOLIN project. Results of the validation phase at sendai site

One of the objectives of the PRENOLIN project is the assessment of uncertainties associated with non-linear simulation of 1D site effects. An international benchmark is underway to test several numerical codes, including various non-linear soil constitutive models, to compute the non-linear seismic site response. The preliminary verification phase (i.e. comparison between numerical codes on simple, idealistic cases) is now followed by the validation phase, which compares predictions of such numerical estimations with actual strong motion data recorded from well-known sites. The benchmark presently involves 21 teams and 21 different non-linear computations. Extensive site characterization was performed at three sites of the Japanese KiK-net and PARI networks. This paper focuses on SENDAI site. The first results indicate that a careful analysis of the data for the lab measurement is required. The linear site response is overestimated while the non-linear effects are underestimated in the first iteration. According to these observations, a first set of recommendations for defining the non-linear soil parameters from lab measurements is proposed. PRENOLIN is part of two larger projects: SINAPS@, funded by the ANR (French National Research Agency) and SIGMA, funded by a consortium of nuclear operators (EDF, CEA, AREVA, ENL)

Application d’une Méthode de Balance Harmonique aux Jonctions Elastomères

Projecte fet en col.laboració amb EADS Innovation WorksLa méthode de Balance Harmonique est une méthode fréquentielle de calcul de solutions périodiques de systèmes dynamiques non-linéaires. Cette méthode est aujourd’hui bien maîtrisée pour des modèles phénoménologiques à faible nombre de degrés de liberté et pour des nonlinéarités localisées aux interfaces (lois de contact, frottement, raideur non-linéaire). La simulation de modèle éléments finis de grande taille ainsi que la prise en compte de non-linéarités matérielles deviennent désormais des enjeux importants pour l’application de cette méthode sur des cas industriels. Cette étude a donc pour but de réaliser la simulation d’un dispositif amortissant industriel défini sous logiciel Eléments Finis et intégrant des éléments élastomériques à comportement nonlinéaire. L’effet Payne qui introduit une dépendance en amplitude du module dynamique est marqué. La grande taille du modèle, rendant impossible l’application directe de la méthode de Balance Harmonique, a tout d’abord nécessité des techniques de simplification de la géométrie, de simplification de maillage et de sous-structuration (statique) amenant à un système réduit de l’ordre de 1600 degrés de liberté. Des outils spécifiques ont été développés pour extraire des certains paramètres d’entrée de la méthode (matrices de masse et de raideur) d’un logiciel Eléments Finis. Une première simulation sans prise en compte de la dépendance en amplitude des parties viscoélastiques a ensuite été réalisée avec la méthode de Balance Harmonique et a permis de montrer une bonne corrélation avec un calcul fréquentiel linéaire réalisé avec un code de calcul standard. La prochaine étape est désormais la modélisation des effets non-linéaires en prenant en compte la dépendance en amplitude du module dynamique

Application d’une Méthode de Balance Harmonique aux Jonctions Elastomères

Projecte fet en col.laboració amb EADS Innovation WorksLa méthode de Balance Harmonique est une méthode fréquentielle de calcul de solutions périodiques de systèmes dynamiques non-linéaires. Cette méthode est aujourd’hui bien maîtrisée pour des modèles phénoménologiques à faible nombre de degrés de liberté et pour des nonlinéarités localisées aux interfaces (lois de contact, frottement, raideur non-linéaire). La simulation de modèle éléments finis de grande taille ainsi que la prise en compte de non-linéarités matérielles deviennent désormais des enjeux importants pour l’application de cette méthode sur des cas industriels. Cette étude a donc pour but de réaliser la simulation d’un dispositif amortissant industriel défini sous logiciel Eléments Finis et intégrant des éléments élastomériques à comportement nonlinéaire. L’effet Payne qui introduit une dépendance en amplitude du module dynamique est marqué. La grande taille du modèle, rendant impossible l’application directe de la méthode de Balance Harmonique, a tout d’abord nécessité des techniques de simplification de la géométrie, de simplification de maillage et de sous-structuration (statique) amenant à un système réduit de l’ordre de 1600 degrés de liberté. Des outils spécifiques ont été développés pour extraire des certains paramètres d’entrée de la méthode (matrices de masse et de raideur) d’un logiciel Eléments Finis. Une première simulation sans prise en compte de la dépendance en amplitude des parties viscoélastiques a ensuite été réalisée avec la méthode de Balance Harmonique et a permis de montrer une bonne corrélation avec un calcul fréquentiel linéaire réalisé avec un code de calcul standard. La prochaine étape est désormais la modélisation des effets non-linéaires en prenant en compte la dépendance en amplitude du module dynamique

Interaction sol-structure non-linéaire en analyse sismique

The present work addresses a computational methodology to solve dynamic problems coupling time and Laplace domain discretizations within a domain decomposition approach. In particular, the proposed methodology aims at meeting the industrial need of performing more accurate seismic risk assessments by accounting for three-dimensional dynamic soil-structure interaction (DSSI) in nonlinear analysis. Two subdomains are considered in this problem. On the one hand, the linear and unbounded domain of soil which is modelled by an impedance operator computed in the Laplace domain using a Boundary Element (BE) method; and, on the other hand, the superstructure which refers not only to the structure and its foundations but also to a region of soil that possibly exhibits nonlinear behaviour. The latter subdomain is formulated in the time domain and discretized using a Finite Element (FE) method. In this framework, the DSSI forces are expressed as a time convolution integral whose kernel is the inverse Laplace transform of the soil impedance matrix. In order to evaluate this convolution in the time domain by means of the soil impedance matrix (available in the Laplace domain), a Convolution Quadrature-based approach called the Hybrid Laplace-Time domain Approach (HLTA), is thus introduced. Its numerical stability when coupled to Newmark time integration schemes is subsequently investigated through several numerical examples of DSSI applications in linear and nonlinear analyses. The HLTA is finally tested on a more complex numerical model, closer to that of an industrial seismic application, and good results are obtained when compared to the reference solutions.Ce travail détaille une approche de calcul pour la résolution de problèmes dynamiques qui combinent des discrétisations en temps et dans le domaine de Laplace reposant sur une technique de sous-structuration. En particulier, la méthode développée cherche à remplir le besoin industriel de réaliser des calculs dynamiques tridimensionnels pour le risque sismique en prenant en compte des effets non-linéaires d'interaction sol-structure (ISS). Deux sous-domaines sont considérés dans ce problème. D'une part, le domaine de sol linéaire et non-borné qui est modélisé par une impédance de bord discrétisée dans le domaine de Laplace au moyen d'une méthode d'éléments de frontière ; et, de l'autre part, la superstructure qui fait référence pas seulement à la structure et sa fondation mais aussi, éventuellement, à une partie du sol présentant un comportement non-linéaire. Ce dernier sous-domaine est formulé dans le domaine temporel et discrétisé avec la méthode des éléments finis (FE). Dans ce cadre, les forces liées à l'ISS s'écrivent sous la forme d'une intégrale de convolution en temps dont le noyau est la transformée de Laplace inverse de la matrice d'impédance de sol. Pour pouvoir évaluer cette convolution dans le domaine temporel à partir d'une impédance de sol définie dans le domaine de Laplace, une approche basée sur des Quadratures de Convolution (QC) est présentée : la méthode hybride Laplace-Temps (L-T). La stabilité numérique de son couplage avec un schéma d'intégration de type Newmark est ensuite étudiée sur plusieurs modèles d'ISS en dynamique linéaire et non-linéaire. Finalement, la méthode L-T est testée sur un modèle numérique plus complexe, proche d'une application sismique de caractère industriel, et des résultats satisfaisants sont obtenus par rapport aux solutions de référence

Application d’une Méthode de Balance Harmonique aux Jonctions Elastomères

Projecte fet en col.laboració amb EADS Innovation WorksLa méthode de Balance Harmonique est une méthode fréquentielle de calcul de solutions périodiques de systèmes dynamiques non-linéaires. Cette méthode est aujourd’hui bien maîtrisée pour des modèles phénoménologiques à faible nombre de degrés de liberté et pour des nonlinéarités localisées aux interfaces (lois de contact, frottement, raideur non-linéaire). La simulation de modèle éléments finis de grande taille ainsi que la prise en compte de non-linéarités matérielles deviennent désormais des enjeux importants pour l’application de cette méthode sur des cas industriels. Cette étude a donc pour but de réaliser la simulation d’un dispositif amortissant industriel défini sous logiciel Eléments Finis et intégrant des éléments élastomériques à comportement nonlinéaire. L’effet Payne qui introduit une dépendance en amplitude du module dynamique est marqué. La grande taille du modèle, rendant impossible l’application directe de la méthode de Balance Harmonique, a tout d’abord nécessité des techniques de simplification de la géométrie, de simplification de maillage et de sous-structuration (statique) amenant à un système réduit de l’ordre de 1600 degrés de liberté. Des outils spécifiques ont été développés pour extraire des certains paramètres d’entrée de la méthode (matrices de masse et de raideur) d’un logiciel Eléments Finis. Une première simulation sans prise en compte de la dépendance en amplitude des parties viscoélastiques a ensuite été réalisée avec la méthode de Balance Harmonique et a permis de montrer une bonne corrélation avec un calcul fréquentiel linéaire réalisé avec un code de calcul standard. La prochaine étape est désormais la modélisation des effets non-linéaires en prenant en compte la dépendance en amplitude du module dynamique

Extension de l'application de la méthode Laplace-temps à l'interaction sol-fluide-structure non-linéaire : application aux études de barrages

International audienceOn présente ici l'extension de la méthode hybride BEM-FEM de type Laplace-temps, déjà utilisée avec succès en interaction sol-structure (ISS), aux problèmes d'interaction sol-fluide-structure (ISFS). Elle permet notamment de mieux prendre en compte des non-linéarités dans la structure, avec une représentation détaillée des interactions sol-structure et fluide-structure (IFS), dans le cadre d'études sismiques numériques de type « best-estimate ». Les approches de représentation de l'ISFS, globale ou séparée entre ISS et IFS, sont comparées dans une application industrielle sur des barrages