Interaction Sol-Structures (ISS) Notions de Base

La résolution de tout problème de mécanique nécessite une bonne connaissance de ses conditions aux limites. Pour bien comprendre, il est facile d’imaginer, qu’une structure élancée de type poutre encastrée à une extrémité, se comporte de manière totalement différente qu’une poutre dont l’encastrement est remplacé par une rotule avec ressort. Sa rigidité et ses fréquences propres s’en trouvent réduites alors que ses déplacements peuvent être amplifiés. Le même raisonnement peut être effectué pour un immeuble reposant sur une fondation. La connaissance de la fondation et du sol sous-jacent est essentielle pour bien déterminer le comportement réel de la structure.

Parallèlement nous pouvons montrer que la présence de la structure influence elle aussi le comportement du sol, c’est à dire le comportement qu’il aurait en champ libre. En effet, prenons par exemple deux structures, l’une encastrée dans un solide rocher, l’autre reposant sur un sol plus souple. La structure encastrée dans le rocher ne va pas influencer le champ libre. Le sol étant très rigide, le fait d’y ajouter une structure ne change rien à son comportement. La masse de la structure ne change rien non plus puisque les efforts d’inerties engendrés par la structure sur la roche rigide n’ont pas d’effet sur celui-ci. Par contre, pour la structure reposant sur le sol souple, trois phénomènes vont intervenir: le fait d’excaver et d’inclure une fondation rigide va modifier le champ libre. Le fait d’inclure la masse de la structure va induire des efforts d’inerties supplémentaires à la base de la structure et donc dans le sol. Enfin, lors du chargement dynamique du sol, l’énergie amenée par le mouvement de la structure est dissipée une, par un amortissement matériel du aux non linéarités du sol et de la fondation et deux, par le rayonnement des ondes dans le massif du sol semi-infini.

Ainsi, une influence existe aussi bien du sol sur la structure que de la structure sur le sol. C’est pour cela que nous parlons de problèmes d’interactions entre le sol et la structure.

En revanche, ce phénomène noté généralement (ISS), est souvent négligé par les ingénieurs malgré son influence sur l’analyse du comportement et le design des bâtiments [9]. En effet, la répartition des efforts dans les membrures peut être différente suite à une analyse qui tient compte de l’Interaction sol-structure, ce qui influe sur la sécurité du bâtiment. De plus, l’utilisation normale « sans ISS » peut être affectée par des problèmes de fissurations causées par les tassements différentiels. Finalement, les coûts de construction sont influencés par les sections et les fondations choisies, qui elles-mêmes, sont influencées par la répartition des efforts découlant de l’interaction sol-structure.

Notion de l’Interaction Sol-Structure (ISS) 

Nous avons évoqué au paragraphe précédent que le comportement de la structure sur sol rigide n’est pas le même que si le sol était souple. En réalité, le sol n’est pas parfaitement rigide ; lors d’un séisme, le sol et la superstructure se mettent à vibrer simultanément et interagissent l’une avec l’autre ; la vibration de la superstructure entraîne des forces sur la fondation qui sont transmises au sol et modifient sa réponse etc. Le phénomène de la modification de la réponse du sol (de la structure) par la présence de la structure (du sol) s’appelle interaction sol – structure .

Les composantes de l’interaction

Il existe deux types d’interaction, cinématique et inertielle dont on doit tenir en compte dans le dimensionnement de la fondation. Généralement, le terme interaction sol-structure ne désigne dans l’esprit des ingénieurs que la part inertielle ; il convient de garder à l’esprit que l’interaction cinématique peut dans certaines configurations être significative, même si parfois elle peut être négligée.

Interaction cinématique
Si on s’intéresse au mouvement de la fondation, les déformations du sol sont transmises à celle-ci et engendrent un mouvement de la superstructure, même en l’absence de superstructure le mouvement de la fondation est différent du mouvement du champ libre du fait des différences de rigidité entre la fondation et le sol encaissant, le champ d’ondes incident est réfléchi et diffracté par la fondation et donc modifie le mouvement total du sol au voisinage de celle-ci, Ce phénomène est connu sous le nom d’interaction cinématique. Cette interaction induit un filtrage parfois significatif du mouvement sismique lors de son transfert au bâtiment mais occasionne des rotations d’ensemble de la fondation dont les effets sur l’ouvrage doivent être étudiés. La réponse de la fondation sans superstructure au mouvement sismique incident fournit au concepteur les efforts d’inertie nécessaires au dimensionnement de l’ouvrage. Enfin, dans le cas de fondations superficielles et d’ondes à incidence verticale, il n’y a pas d’interaction cinématique et le mouvement de la fondation sans superstructure est égal au mouvement du sol sans ouvrage.

Interaction inertielle
La définition de l’interaction inertielle réside dans le fait d’inclure la masse de la structure, va induire des efforts d’inerties et de moments supplémentaires à la base de la structure et donc dans le sol, ce qui aura pour conséquence de modifier encore une fois le champ de déplacement. Par ailleurs, le mouvement induit sur la fondation développe des oscillations de la superstructure et donc donne naissance à des forces d’inertie qui sont retransmises à la fondation sous forme de forces et de moments.

Amortissement dans le sol

La résolution dynamique d’un problème d’interaction sol-structure doit prendre en compte l’amortissement dans le sol qui est devisé en deux types : l’amortissement matériel et l’amortissement géométrique ou radiatif.

Amortissement matériel
Ce type d’amortissement correspond à la dissipation sous forme de chaleur dans la structure d’une partie de l’énergie injectée dans cette dernière. Dans la pratique il faut faire une distinction entre l’amortissement interne ou structural qui se produit dans les matériaux à l’occasion des déformations qu’ils subissent, et les amortissements externes qui correspondent à des frottements divers et se résument essentiellement à ceux qui interviennent le long des interfaces de contact entre la structure et les éléments non structuraux lorsqu’il en existe. En fonction de la nature du sol, l’amortissement dépend de la fréquence, de l’amplitude des déformations, de l’état de contraintes, de la teneur en eau et de l’indice des vides.