Essais & Simulations n°113

Dossier

Dossier Essais et Modelisation Préface Répondre aux défis des essais sismiques Des événements très récents nous ont montrés combien un tremblement de terre pouvait affecter les bâtiments et les équipements basés près de l’épicentre, avec des conséquences dramatiques pour la population. Afin de minimiser ces risques, de nombreuses équipes dans le monde travaillent depuis des années sur les effets produits par les séismes et les moyens de réduire le risque sismique. Ce dossier est consacré à la partie consacrée aux essais et aux simulations des séismes sur les ouvrages (ponts, bâtiments) ainsi que sur les équipements, afin de vérifier leur tenue et leur fonctionnement après la secousse. Le secteur du nucléaire est celui qui utilise des normes très sévères pour la construction des bâtiments et la qualification des équipements : • L’article d’Ifsttar nous présente un moyen d’essai unique en France, permettant de simuler un tremblement de terre sur un modèle réduit. En effet, les fondations et les bâtiments ont une taille et une masse telles qu’il est impensable de les tester à l’échelle 1. • Le laboratoire d’études de mécanique sismique du CEA nous décrit les études de R&D et les moyens que les équipes utilisent pour estimer la vulnérabilité des constructions de génie civil sous chargement sismique. • Sopemea nous explique comment sont simulés les essais de séisme sur table vibrante pour qualifier les équipements de sureté par l’application de normes d’essais françaises ou internationales dans le secteur nucléaire. • L’Estech (laboratoire d’essai de l’ESA situé au Pays-Bas) nous expose un moyen d’essai Hydra (Table hydraulique triaxiale) réalisé pour des programmes spatiaux, mais capable aussi d’effectuer des essais sismiques. Ce dossier a ainsi pour ambition de montrer aux lecteurs les difficultés et les défis techniques à réaliser pour qu’un séisme, aussi imprévisible soit-il, soit le moins dommageable possible pour les infrastructures et les équipements. Bernard Colomiès Directeur Techniques et expertises Sopemea Essais & Simulations • AVRIL 2013 • PAGE 40

Dossier Essais et Modelisation Moyen d’essai Simulation de tremblement de terre sur modèles réduits centrifugés Les catastrophes naturelles provoquent des dommages importants aux populations et aux infrastructures existantes. Bien que la France ne présente pas de risques sismiques majeurs (excepté dans les DOM-TOM), l’ingénierie française est néanmoins concernée et s’investit fortement dans le domaine du risque sismique. Ce domaine de recherche est l’une des priorités de l’IFST- TAR en particulier en ce qui concerne les problèmes d’interactions sol-structure où les essais dynamiques sont dorénavant opérationnels. Afin d’améliorer ses connaissances sur la tenue des structures géotechniques face à un tremblement de terre, le LCPC a complété ses équipements d’essais sur modèles réduits centrifugés (Garnier et al, 1999) avec des dispositifs dédiés aux essais sismiques. Réaliser des essais sismiques dans une centrifugeuse donne, du fait de la macro-gravité (N.G), la bonne représentation du champ de contraintes dans le modèle réduit, ce qui n’est pas le cas pour les tables sismiques traditionnelles à 1-G (pesanteur de la terre). De plus la modélisation en centrifugeuse permet des études paramétriques, avec de grands déplacements pouvant aller jusqu’à la rupture de la structure géotechnique. Grâce aux crédits attribués dans le cadre du contrat quatriennal (2001-2004) entre le LCPC et les ministères de la recherche et de l’équipement, une consultation européenne a été lancée en octobre 2003 pour la fourniture d’un simulateur de séismes embarqué en centrifugeuse. Le financement a été complété par une dotation de la Région des Pays de la Loire et par la Commission Européenne dans le cadre du programme QUAKER. Le marché a été attribué à la Société Actidyn Systèmes en janvier 2004 et le simulateur de séismes a été livré au LCPC en 2006. Rappel du principe d’essai sur modèle réduit centrifugé Le principe des expérimentations sur modèle réduit centrifugé (figure 1), établi au 19ème siècle (Philips, 1869), consiste à réaliser un modèle à l’échelle 1/N, puis à le soumettre à une accélération centrifuge N fois supérieure à la pesanteur terrestre. On reproduit ainsi les mêmes états de contraintes entre deux points homologues du modèle et de l’ouvrage en vraie grandeur ou prototype. L’expérimentation proprement dite ne commence donc que lorsque l’accélération centrifuge nécessaire au respect des lois d’échelle est atteinte. Figure 1. Principe des expérimentations sur modèle réduit centrifugé Le simulateur de séismes Les caractéristiques du simulateur de séismes ont été déduites des lois de similitude et des facteurs d’échelle qui doivent être respectés pour réaliser un essai de modélisation en centrifugeuse (Corté, Longueur, déplacement Accélération centrifuge et sismique Contrainte, pression Temps Fréquence Vitesse 1989). Ce dispositif 1-D simule des séismes sur le modèle réduit embarqué où la fréquence et l’accélération sismiques sont multipliées par N, alors que le temps est divisé par N et que la vitesse est la même que pour le prototype en vraie grandeur. Le prototype (p) en vraie grandeur et le modèle à échelle réduite (m) sont liés par les lois de similitudes, déduites des équations d’équilibre. Les facteurs d’échelle principaux x*=xM/ xP utilisés dans cette étude sont énumérés dans le tableau I dans lequel N est l’accélération centrifuge. Dispositifs existants L*=1/N g*=N σ*=1 T*=1/N F*=N V*=1 Tableau I. Lois de similitude Plusieurs familles de systèmes (Chazelas, 1999) ont été recensées. Les systèmes à choc, présentés par (Coe et al., 1985) sont constitués d’un marteau hydraulique qui vient frapper une plaque mobile à la base du conteneur. Les systèmes entièrement mécaniques généralement ba- Essais & Simulations • AVRIL 2013 • PAGE 41