Des 2672 ponts à portées multiples de la province de Québec, plus de 60 % sont de type poutre longitudinale en béton armé ou en acier. De par leur âge avancé et le manque de dispositions de dimensionnement parasismique, ces ponts peuvent être vulnérables aux futurs événements sismiques. Dans le but de réduire le risque sismique et de prévenir l'in-terruption du réseau des transports, ce qui engendrerait de graves conséquences pour la province de Québec, cette étude propose le remplacement des appareils d'appui conven-tionnels habituellement utilisés au Québec par des isolateurs sismiques en caoutchouc naturel. La vulnérabilité de classes typiques de ponts réhabilités avec les dispositifs d'iso-lation sismique est évaluée à partir du développement de courbes de fragilité. Des analyses non linéaires temporelles avec des modèles analytiques détaillés ont été conduites autant pour les configurations typiques des ponts continus (MSC) que pour des ponts simplement appuyés (MSSS) à portées multiples. La comparaison entre la fragilité des ponts tels que construits et des ponts isolés a aussi été menée. Les courbes de fragilité pour les ponts réhabilités constituent un outil puissant pour l'évaluation de l'impact d'une méthode de réhabilitation sur la performance des différentes classes des ponts et soutiennent la décision de priorisation pour la réhabilitation des structures déficientes. En utilisant les principes de l'analyse statistique des essais, une étude analytique de sensibilité a révélé que les para-mètres qui influencent le plus la réponse des composantes critiques des ponts du type MSC et MSSS sont : la rigidité effective des isolateurs sismiques, la rigidité des culées et l'écart entre le tablier et les culées, et aussi des variations dé la géométrie des différentes classes de ponts et la variabilité du contenu fréquentiel des tremblements de terre. Cette étude de sensibilité semble indiquer que la variation des propriétés de certains paramètres tels que l'amortissement structural, la masse du pont et l'angle de biais peut avoir un impact sur la réponse des ponts considérés et ces paramètres doivent être examinés attentivement lors de l'évaluation de la vulnérabilité sismique des portfolios de ponts de types MSC et MSSS. Une étude comparative pour évaluer l'impact de l'isolation sismique dans la réponse des composantes critiques des ponts en béton armé de types MSC et MSSS a été réalisée en utilisant une série de tremblements de terre artificiels compatibles avec un aléa sismique de risque uniforme avec une probabilité de dépassement de 2 % en 50 ans. L'utilisation d'isolateurs sismiques s'est montrée efficace pour la réduction de la demande en courbure dans les colonnes, mais elle a un impact négatif sur la demande en déformation au niveau des murs des culées, considérant qu'aucun dispositif spécial n'est mis en place pour tenir compte des écarts minimaux pour les ponts isolés. Des résultats d'essais réalisés sur des isolateurs sismiques carrés de différents facteurs de forme et tailles ont été utilisés pour tenir compte de l'incertitude dans leurs propriétés mécaniques. Des essais de stabilité ont été réalisés sur des isolateurs sismiques moyennement élancés et un modèle par éléments finis, calibré sur les résultats expérimentaux, a permis la détermination des états limites de capacité des isolateurs sismiques en caoutchouc naturel. La comparaison de la fragilité des composantes clés du système a été effectuée et les résultats révèlent que, grâce à l'isolation sismique, une diminution significative de la probabilité de dommage pour les colonnes et les fondations a été observée. Cependant, à cause du manque d'écart suffisant entre les tabliers et les murs en aile des culées, la probabilité de dommage de cette composante a été augmentée et elle contrôle la fragilité du système pour toutes les classes de ponts évaluées. Généralement, les ponts en béton armé sont plus vulnérables que les ponts en acier. Ceci est dû à la plus grande masse de la superstructure impliquée dans la réponse sismique. Les résultats de cette recherche peuvent être utilisés pour établir des cartes de risque régionales, comme aide à la priorisation pour la réhabilitation, et ils constituent la base des analyses des coûts et bénéfices pour la réhabilitation.

Les courbes de fragilité sont utilisées pour évaluer la vulnérabilité sismique des ponts à travées multiples dans la province du Québec. Les courbes de fragilité sont un outil probabiliste pour évaluer la vulnérabilité d'une structure. Elles expriment la probabilité qu'un pont puisse atteindre un état d'endommagement spécifique produit par un événement sismique. En raison de leur aspect probabiliste, les courbes de fragilité permettent de tenir compte des incertitudes sur certaines propriétés des ponts ou sur l'excitation sismique. L'histoire de l'activité sismique dans la province du Québec démontre la nécessité de tenir compte des effets sismiques dans l'évaluation et la rénovation des ponts existants. Les dommages causés par les tremblements de terre au cours des dernières décennies ont montré que la vulnérabilité sismique d'un réseau de transport est principalement liée aux ponts. Le réseau de ponts au Québec est âgé de plus de 30 ans. Au moment où il a été conçu et construit, la technologie et les connaissances dans le domaine sismique étaient loin de leur état actuel. La méthode d'évaluation des risques sismiques utilisant les courbes de fragilité est d'abord utilisée pour estimer la vulnérabilité sismique d'un pont routier spécifique. Le pont étudié est le pont Chemin des Dalles situé à Trois-Rivières au Québec sur l'autoroute 55. Les données des essais dynamiques sur place sont utilisées pour calibrer un modèle tridimensionnel non linéaire par éléments finis avec le logiciel OpenSees. Une série de 180 accélérogrammes artificiels compatibles avec l'est du Canada est utilisée pour représenter les incertitudes liées à l'aléa sismique. Des analyses temporelles sont effectuées avec ces accélérogrammes et leurs résultats ont été utilisés pour effectuer une régression linéaire dans l'espace log-normal afin de définir les modèles probabilistes de demande sismique des composantes du pont. Les états limites des composantes du pont, par exemple les culées, les appareils d'appui ou les poteaux sont choisis en fonction des types d'endommagements observés sur les ponts qui ont subi des tremblements de terre passés. Des informations ont également été trouvées dans la littérature pour définir les états limites pour les culées et les appuis élastomériques. En plus de ces données, des analyses de mécanique d'endommagement ont permis de définir les états limites pour les poteaux. Finalement, un ensemble de courbes de fragilité pour le pont tel que construit est développé par combinaison de la demande et des modèles de capacité en utilisant la méthode d'échantillonnage de Monte Carlo. Même si l'évaluation d'un pont spécifique est une source précieuse d'information, celle-ci est limitée à la singularité de la structure. Pour permettre l'évaluation de l'ensemble du réseau routier au Québec, pas uniquement un mais l'ensemble des ponts doit être pris en compte. Les ponts au Québec ont été construits pendant 300 ans. En utilisant la base de données de Transports Québec, 2672 ponts à travées multiples ont été identifiés. La population des ponts à travées multiples du réseau est présentée, et un pont moyen de référence est défini. Ensuite, avec quatre accélérogrammes différents de la série, des analyses déterministes temporelles sont effectuées sur ce pont, illustrant la variabilité de l'aléa sismique. En utilisant le pont de référence moyen et l'accélérogramme qui a le plus d'effets, trois types de piliers de pont sont testés afin de vérifier l'importance de ce paramètre sur la réponse du pont. Deux types de culée seat-type sont également examinés, un type avec des fondations superficielles et l'autre avec des fondations profondes avec pieux. Deux types de fondation des piliers sont examinés : une fondation superficielle avec semelles et une fondation profonde avec pieux. Conformément à la classification des sols dans le CAN/CSA-S6-06, relative à la classification figurant dans le CNBC 2005, quatre types de sols sont utilisés pour évaluer leur influence sur le comportement du pont de référence. La description de la totalité des ponts du réseau se poursuit avec leur classement et la détermination des paramètres importants pour une analyse sismique. Pour classer les ponts dans des classes ou portefeuilles, les ponts à travées multiples sont séparés selon le type de système structural et le type de matériau. D'autres paramètres liés à la géométrie, au matériau et à certaines de leurs variantes sont évalués afin de mieux décrire chaque classe de pont. Une analyse de variance, ANOVA, est réalisée pour déterminer les paramètres importants définissant les incertitudes pour chaque classe de pont typique. Un modèle numérique tridimensionnel non linéaire par éléments finis est développé pour chaque classe de ponts, et ces modèles sont ensuite soumis à une série d'accélérogrammes. Les réponses de certains éléments du pont sont analysées et une régression linéaire est effectuée afin de développer les modèles probabilistes de demande sismique (PSDM). L'ensemble des PSDM est comparé aux états limites prédéfinis des composantes du pont, qui définissent les modèles probabilistes de capacité sismiques (PSCM), afin de développer les courbes de fragilité de la totalité du pont.

Abstract: Highway bridges have great values in a country because in case of any natural disaster they may serve as lines to save people’s lives. Being vulnerable under significant seismic loads, different methods can be considered to design resistant highway bridges and rehabilitate the existing ones. In this study, base isolation has been considered as one efficient method in this regards which in some cases reduces significantly the seismic load effects on the structure. By reducing the ductility demand on the structure without a notable increase of strength, the structure is designed to remain elastic under seismic loads. The problem associated with the isolated bridges, especially with elastomeric bearings, can be their excessive displacements under service and seismic loads. This can defy the purpose of using elastomeric bearings for small to medium span typical bridges where expansion joints and clearances may result in significant increase of initial and maintenance cost. Thus, supplementing the structure with dampers with some stiffness can serve as a solution which in turn, however, may increase the structure base shear. The main objective of this thesis is to provide a simplified method for the evaluation of optimal parameters for dampers in isolated bridges. Firstly, performing a parametric study, some directions are given for the use of simple isolation devices such as elastomeric bearings to rehabilitate existing bridges with high importance. Parameters like geometry of the bridge, code provisions and the type of soil on which the structure is constructed have been introduced to a typical two span bridge. It is concluded that the stiffness of the substructure, soil type and special provisions in the code can determine the employment of base isolation for retrofitting of bridges. Secondly, based on the elastic response coefficient of isolated bridges, a simplified design method of dampers for seismically isolated regular highway bridges has been presented in this study. By setting objectives for reduction of displacement and base shear variation, the required stiffness and damping of a hysteretic damper can be determined. By modelling a typical two span bridge, numerical analyses have followed to verify the effectiveness of the method. The method has been used to identify equivalent linear parameters and subsequently, nonlinear parameters of hysteretic damper for various designated scenarios of displacement and base shear requirements. Comparison of the results of the nonlinear numerical model without damper and with damper has shown that the method is sufficiently accurate. Finally, an innovative and simple hysteretic steel damper was designed. Five specimens were fabricated from two steel grades and were tested accompanying a real scale elastomeric isolator in the structural laboratory of the Université de Sherbrooke. The test procedure was to characterize the specimens by cyclic displacement controlled tests and subsequently to test them by real-time dynamic substructuring (RTDS) method. The test results were then used to establish a numerical model of the system which went through nonlinear time history analyses under several earthquakes. The outcome of the experimental and numerical showed an acceptable conformity with the simplified method. / Résumé: Les ponts routiers ont une grande valeur dans un pays parce qu’en cas de catastrophe naturelle, ils peuvent servir comme des lignes pour sauver des vies. Étant vulnérable sous des charges sismiques importantes, on peut considérer différentes méthodes pour concevoir des ponts routiers résistants et également pour réhabiliter des ponts existants. Dans cette étude, l'isolation de la base a été considérée comme une méthode efficace qui peut réduire significativement les effets des charges sismiques sur la structure. En réduisant la demande en ductilité sur la structure sans une augmentation notable de force, la structure est conçue pour rester élastique sous des charges sismiques. Le problème associé aux ponts isolés, particulièrement avec des appuis en élastomère, peut être leurs déplacements excessifs sous les charges de service et de séisme. Ceci peut défier l’objectif d'utiliser des appuis en élastomère pour les ponts typiques de petite portée où les joints de dilatation et les dégagements peuvent aboutir à une augmentation significative des frais d'exploitation et de maintenance. Ainsi, supplémenter la structure avec des amortisseurs d’une certaine rigidité peut servir de solution, ce qui peut cependant augmenter l’effort tranchant transmis à la sous-structure. Cette étude a pour but de fournir une méthode simplifiée afin d’évaluer les paramètres optimaux des amortisseurs dans les ponts isolés. Dans cette thèse, premièrement, basé sur une étude paramétrique, quelques directions sont données pour l'utilisation de dispositifs d'isolation simples, dont les appuis en élastomère, afin de réhabiliter des ponts existant avec une haute importance. Les paramètres comme la géométrie du pont, les clauses des normes et le type de sol sur lequel la structure est construite ont été appliqués sur un pont typique de deux portées. Il est conclu que les paramètres mentionnés peuvent déterminer l'emploi d'isolement de la base des ponts routiers. À la deuxième phase, basé sur le coefficient de réponse élastique des ponts isolés, une méthode de conception simplifiée d’amortisseur pour des ponts routiers réguliers isolés à la base a été présentée dans cette étude. En sélectionnant des objectifs pour la réduction du déplacement et la variation de l’effort tranchant, la rigidité et l'amortissement exigés d'un amortisseur hystérétique peuvent être déterminés. L’étude s’est poursuivie par une modélisation numérique d’un pont à deux portées pour vérifier l'efficacité de la méthode. Pour un modèle numérique d'un pont isolé typique, la méthode a été utilisée pour identifier des paramètres linéaires équivalents pour un certain déplacement et effort tranchant désigné. Par la suite, assumant un amortisseur de type hystérétique, les paramètres non linéaires de l’amortisseur ont été calculés et utilisés. La comparaison des résultats du modèle numérique sans amortisseur et avec l'amortisseur a démontré que la méthode proposée est suffisamment précise. Par la suite, un nouvel amortisseur hystérétique simple en acier a été conçu. Cinq spécimens ont été fabriqués de deux différents grades d’acier et ont été testés en combinaison avec un isolateur à l’échelle réelle dans le laboratoire de structures de l'Université de Sherbrooke. La procédure comprenait la caractérisation des spécimens par des tests cycliques en contrôle de déplacement et par la suite la réalisation d’essais par la méthode de sous-structuration dynamique en temps réel. Les résultats des essais ont été utilisés pour établir un modèle numérique du système qui a subi des analyses temporelles non linéaires sous plusieurs séismes. Le résultat des essais expérimentaux et numériques montrent une conformité acceptable avec la méthode simplifiée.