Comparative Study between Nonlinear Static Analysis by Progressive Push and Incremental Dynamic Analysis in Road Bridges // Etude comparative entre l’analyse statique non linjéaire par poussé progressive et celle dynamique incrémentale dans les ponts routiers

Abstract

Face aux défis croissants auxquels sont confrontées les infrastructures dans les zones sismiques, l’évaluation du comportement sismique des ponts constitue un enjeu crucial pour garantir la sécurité et la résilience de ces ouvrages essentiels. La capacité des ponts à résister aux sollicitations sismiques dépend largement de la précision des modèles analytiques employés pour simuler leur réponse. Cette thèse porte sur l’évaluation du comportement sismique des ponts à poutres-caissons via une étude comparative entre deux méthodes d’analyse non linéaire : l’analyse statique non linéaire pushover et l’analyse dynamique incrémentale (IDA). Une technique pushover proposée a été développée, intégrant explicitement les effets de torsion et les modes supérieurs de vibration, souvent négligés dans les approches conventionnelles. Cette amélioration permet une modélisation plus réaliste du comportement non linéaire des ponts à géométries complexes, notamment ceux avec des piles de hauteur irrégulière, tout en réduisant significativement le temps de calcul et les besoins en ressources numériques, faisant de cette méthode un outil efficace pour la conception parasismique moderne. Un pont de référence a été modélisé et analysé via la méthode pushover conventionnelle, puis avec la technique proposée, dont les résultats ont été comparés à ceux de l’IDA utilisant plusieurs signaux sismiques. Les résultats montrent que la technique pushover proposée fournit des estimations précises du facteur de comportement sismique (R) et de ses composantes dans le sens latérale, tout en réduisant considérablement le temps de calcul, confirmant ainsi sa robustesse et sa pertinence, surtout pour les géométries complexes. La technique proposée a également été appliquéepour estimer le facteur R dans la direction latérale à diverses configurations géométriques de ponts à poutres-caissons avec des hauteurs de piles égales et inégales, mettant en évidence l’impact significatif de la géométrie sur les composantes du facteur R, notamment la sur-résistance et la ductilité. Les ponts avec des piles de hauteurs inégales nécessitent une évaluation spécifique en raison de la complexité accrue de la réponse sismique. Cette étude souligne la nécessité de réviser les valeurs normatives du facteur R dans les codes de conception pour mieux refléter le comportement réel des ponts à poutres-caissons, et recommande l’adoption de la technique pushover proposée comme outil fiable et efficient pour les ingénieurs en génie parasismique.

Amid increasing challenges faced by infrastructure in seismic regions, assessing the seismic behavior of bridges is vital to ensuring their safety and resilience. The ability of bridges to withstand earthquake forces heavily relies on the accuracy of analytical models used to simulate their response under various seismic loads. This thesis focuses on the seismic behaviour assessment of box-girder bridges through a comparative study between two nonlinear analysis methods: static nonlinear pushover analysis and Incremental Dynamic Analysis (IDA). An improved pushover technique was developed that explicitly incorporates torsional effects and higher vibration modes, which are often overlooked in conventional methods. This enhancement allows for a more realistic modelling of the nonlinear behaviour of bridges with complex geometries, especially those with irregular pier heights, while significantly reducing computation time and resource requirements, making it an effective tool for modern seismic design. A reference bridge was modelled and analysed using the conventional pushover method and then the proposed pushover technique, with results compared against IDA performed using multiple seismic records. The results demonstrated that the proposed pushover technique provides accurate estimates of the seismic behaviour factor (R) and its components in the transverse direction, while drastically reducing computation time, confirming its robustness and applicability, particularly for complex geometries. The proposed technique has also been applied to estimate the R-factor in the transverse direction at various geometric configurations of box-girder bridges with equal and unequal pier heights, highlighting the significant impact of geometry on the components of the R factor, notably over-strength and ductility. Bridges with irregular pier heights require specific assessment due to the increased complexity of seismic response. This study emphasizes the need to revise the normative R values in design codes to better reflect the actual behavior of box-girder bridges and recommends adopting proposed pushover technique as a reliable and efficient tool for seismic engineers.

في ظل التحديات المتزايدة التي تواجه البنية التحتية في المناطق الزلزالية، يُعتبر تقييم السلوك الزلزالي للجسور أمراً حيوياً لضمان سلامة هذه المنشآت الحيوية. تعتمد قدرة الجسور على مقاومة الزلازل بشكل كبير على دقة النماذج التحليلية المستخدمة لتقييم استجابتها تحت الأحمال الزلزالية المختلفة. تناولت هذه الأطروحة تقييم السلوك الزلزالي للجسور ذات العوارض الصندوقية من خلال دراسة مقارنة بين طريقتين من طرق التحليل غير الخطي: التحليل الستاتيكي(السكوني) غير الخطي (بوشوفر) والتحليل الديناميكي التدريجي.(IDA) تم تطوير تقنية بوشوفر مقترحة تأخذ في الاعتبار تأثيرات الدوران وأنماط الاهتزاز العليا، التي عادة ما يتم إهمالها في الطرق التقليدية، مما يتيح تمثيلاً أدق للسلوك غير الخطي للجسور ذات الهندسة المعقدة، خاصةً الجسور ذات الأعمدة غير المنتظمة الارتفاع. هذه التقنية تقدم نموذجًا أكثر واقعية وفعالية من حيث تقليل زمن الحسابات ومتطلبات الموارد مقارنةً بالطرق التقليدية، مما يجعلها أداة قوية وعملية لتحليل وتصميم الجسور في المناطق الزلزالية. تمت دراسة جسر مرجعي وتم تحليل استجابته باستخدام التقنية التقليدية للبوشوفر، ثم مقارنة النتائج مع التقنية المقترحة والنتائج المرجعية من تحليل IDA باستخدام عدة إشارات زلزالية. أظهرت النتائج أن التقنية المقترحة تقدم تقديرات دقيقة لعامل السلوك الزلزالي (R) ومكوناته في الاتجاه العرضي، مع تقليل ملحوظ في وقت الحساب، مما يؤكد جدواها وموثوقيتها، خاصة في حالة الجسور ذات التكوينات الهندسية المعقدة. كما تم تطبيق التقنية المقترحة لتقدير معامل R في الاتجاه العرضي على عدة تكوينات هندسية مختلفة للجسور ذات الأعمدة المتساوية وغير المتساوية الارتفاع، حيث بينت الدراسة تأثير الخصائص الهندسية على مكونات عامل السلوك الزلزالي مثل المقاومةالزائدة والليونة، مع ملاحظة أن الجسور ذات الأعمدة غير المتساوية تتطلب تقييمًا خاصًا نظراً لتعقيد الاستجابة الزلزالية. تُبرز هذه الدراسة الحاجة إلى إعادة تقييم القيم المعيارية لعامل السلوك الزلزالي في الكودات الوطنية والدولية لتعكس السلوك الفعلي للجسور ذات العوارض الصندوقية بشكل أفضل، مع توصية باعتماد التقنية المقترحة كأداة فعالة في التصميم الزلزالي.