Essais & Simulations n°113

Dossier

Dossier Essais et Modelisation sés sur l’utilisation de cames, comme ceux présentés par (Van Laak et al. 1994), ou (Suzuki et al. 1991). Une mention spéciale doit être faite pour le fameux «bumpy-road « et pour le système plus récent «crank-case– fly-wheel-based» développé à l’université de Cambridge (Madabhushi et al. 1998) pour l’originalité de la ressource énergétique. Ces systèmes ont l’inconvénient d’avoir une bande passante étroite et d’être pollués par les hautes fréquences dues aux jeux mécaniques. Les systèmes purement électriques comme celui proposé par (Arulanandan et al. 1982) basé sur un empilement de cellules piézoélectriques posent des difficultés liées à l’utilisation de la haute tension. On peut aussi noter un dispositif électromagnétique présenté par (Fujii,1991) avec des performances limitées en déplacement. Les systèmes électro-hydrauliques sont actuellement les plus utilisés comme par exemple ceux de Ketcham et al. (1988, 1991), Kutter et al. (1994) et Van Laak et al. (1998). Ces dispositifs font appel à des technologies de haut niveau et difficiles à mettre en œuvre. On peut citer le problème du stockage de l’énergie hydraulique, la réalisation d’un contrôle-commande à haute fréquence et le comportement non linéaire des circuits. Malgré cela ils sont souples d’emploi et permettent la simulation à la base du modèle de sinus ou de signaux larges bandes tels que des signaux modulés linéairement en fréquences ou de vrais séismes adaptés. Pour pouvoir réaliser l’ensemble de ces signaux nous avons souhaité que le simulateur de séismes puisse travailler dans une bande de fréquence comprise entre 20 et 250Hz. Installation du simulateur sur la centrifugeuse de l’IFSTTAR Figure 2. Centrifugeuse de l’IFSTTAR Le simulateur de séismes est mis en place sur la nacelle de la centrifugeuse (figure 2). La centrifugeuse géotechnique de l’IFSTTAR (Corté et Garnier, 1986) a un rayon (distance de l’axe de la machine au plancher de la nacelle) de 5,50m, une capacité maximum de 2 tonnes et une accélération centrifuge maximum de 200G. Quelques modifications sur la machine ont été nécessaires afin de disposer dans la nacelle de la puissance hydraulique nécessaire, pour refroidir l’installation et pour installer les racks électroniques. Principe du simulateur Les tables sismiques classiques sont installées sur des massifs de réaction importants pour filtrer les vibrations parasites. Cette solution n’est pas envisageable dans une centrifugeuse, car elle limiterait de façon drastique la charge utile. Par ailleurs la centrifugeuse a son propre mode de vibration qu’il ne faut pas exciter pendant l’essai. Le découplage du simulateur et de la nacelle est donc très important pour la sécurité de la machine. La conception mécanique du simulateur (Perdriat et al., 2002) élimine une partie des forces de réaction indésirables. L’équilibrage dynamique est réalisé par la mise en action réciproque du modèle et des contrepoids d’équilibrage. Le modèle et les contrepoids ont la même masse, leur centre de gravité sont à la même hauteur par rapport au plancher de Figure 3. Principe de l’installation la nacelle et leurs mouvements sont en parfaite opposition de phase. Installation hydraulique L’installation hydraulique (figure 3) comprend deux équipements principaux : une centrale hydraulique et un surpresseur. La centrale hydraulique installée dans le grenier du bâtiment abritant la centrifugeuse assure une pression de 15MPa. Après le passage dans les joints tournants la pression de l’huile est portée à 30MPa grâce au surpresseur installé sur les contre-poids de la centrifugeuse et alimenté en 380VAC au travers des contacts électriques de puissance. L’huile est ensuite acheminée vers le simulateur par des Figure 4. Vue d’ensemble de la table vibrante embarquée tuyaux rigides le long des bras de la centrifugeuse et par des flexibles pour le passage sur la nacelle. La table vibrante Le système comprend deux paliers hydrauliques. Les paliers sont mis en pression avant le lancement de l’essai. La réserve d’énergie hydraulique indispensable pour réaliser l’essai est stockée dans des accumulateurs gonflés par le surpresseur. Le mouvement horizontal est généré par deux servo-vérins. Le simulateur (figure 4) est proche de celui du laboratoire canadien C-Core (Perdriat et al., 2002). Des sinus et des séismes réels peuvent être programmés et appliqués sur le modèle. Les caractéristiques principales du simulateur sont données dans le tableau II. Electronique de contrôle-commande L’ensemble de l’électronique de contrôle-commande du simulateur, comprenant l’électronique de pilotage des servo-vérins, et le système « Star Matrix » de Data Physics est installé sur le pivot de la centrifugeuse, près de l’axe de la machine afin de diminuer l’accélération centrifuge qu’il subit. L’ensemble de cette électronique est piloté par un PC au Figure 5. Conteneur lamellaire Essais & Simulations • AVRIL 2013 • PAGE 42

Dossier Essais et Modelisation Désignation Masse totale Charge utile Dimension de la table Force de vibration maximum travers une liaison fibre-optique et un contact tournant depuis la salle de commande située à une vingtaine de mètres. Conteneur laminaire Afin de réaliser des essais avec le simulateur sur des modèles réduits de sol, le LCPC a étudié et réalisé un conteneur laminaire de type Equivalent Shear Beam (ESB). Ce conteneur (figure 5) est capable de simuler la réponse d’un sol d’extension latérale infinie pour tester les structures géotechniques avant la liquéfaction du sol. Principes de conception Valeur 2000kg 400kg L=1m, l=0,5m, h=0,6m 220kN Niveau de G centrifuge 20 à 80 Niveau de G sismique 40 Maximum kh (Gcentrifuge/Gsismique) Déplacement maximum Vitesse maximale Durée maximum d’un essai Réponse en fréquence (tremblement de terre) Réponse en fréquence (sinus) 0,5 5mm 1m/s Pour concevoir ce conteneur nous avons respecté au mieux les règles préconisées par Zeng et Schofield (1996). Les faces du conteneur perpendiculaires à la direction du séisme (faces d’extrémité) doivent se comporter comme des poutres en cisaillement, assurer une rigidité statique et une rigidité dynamique équivalente au cisaillement du sol afin d’être en cohérence avec la déflection et la fréquence propre du sol et assurer la transmission du déplacement d’une face à la face opposée de façon à ce que le volume de sol ne change pas. Elles doivent également avoir un état de surface telles qu‘elles aient les mêmes caractéristiques de frottement que le sol. 1s 20 à 250Hz 20 à 200Hz Tableau II. Caractéristiques principales du simulateur de séismes de l’IFSTTAR Les faces du conteneur parallèles à la direction du séisme (faces latérales) doivent quant à elles présenter le minimum de frottement avec le sol (mécanisme 2d), assurer la rigidité statique, et maintenir une condition de déformation nulle. Description du conteneur laminaire Ce conteneur laminaire dont les caractéristiques principales sont données dans le tableau III comporte une plaque de base en aluminium sur laquelle sont superposés quinze cadres rectangulaires en aluminium. Entre chaque cadre un joint en caoutchouc est collé. Il assure l’étanchéité et le cisaillement entre deux cadres. Dans les angles quatre tirants amovibles maintiennent les cadres en position pendant le transport et la manipulation. Ils sont enlevés quand le conteneur est installé dans le simulateur de séisme. Deux portiques fixés sur les faces latérales du conteneur réduisent la déformation de celles-ci. Des roulements, entre le conteneur et les portiques, permettent le déplacement libre des cadres dans la direction du séisme. Conception des cadres Chaque cadre (figure 6) est constitué de quatre tubes de section rectangulaire, en aluminium (deux pour les faces latérales et deux pour les faces d’extrémité) et de quatre coins rigides en aluminium. L’ensemble est assemblé et collé pour former le cadre. Chaque cadre possède sur les tubes latéraux deux traversées de cloison pour le passage des fils des capteurs instrumentant le sol. La face intérieure Résumé Cet article rappelle les lois de similitude applicables en centrifugation, décrit la centrifugeuse géotechnique et le simulateur de séismes acquis par le LCPC1 (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) en 2006. Il présente également les nouveaux équipements développés pour réaliser les essais sismiques, en particulier le conteneur laminaire de type « Equivalent Shear Beam » conçu pour simuler une masse infinie de sol avant liquéfaction. Masse Dimensions Nombre de voies synchrones Fréquence d’échantillonnage par voie Tenue aux G centrifuges 16kg 210mm x 190mm x 350mm 32 50kHz à 1,2MHz 100G Tableau IV. Caractéristiques de Caremba Figure 6. Conception des cadres des tubes d’extrémité sont recouverts d’une plaque rugueuse afin d’assurer une condition limite de frottement avec le sol. Un simulateur de séismes 1-D, un conteneur laminaire de type ESB et une centrale d’acquisition viennent compléter la panoplie des équipements et matériels de l’IFSTTAR pour les essais de modélisation en centrifugeuse. La simulation de tremblements de terres de référence sur des ouvrages géotechniques place IFSTTAR dans le domaine du risque sismique. Depuis 2006 afin d’améliorer cet équipement IFSTTAR a réalisé un nouveau conteneur assurant l’étanchéité entre les lames pour les essais avec sols saturés sable ou argile. La première chaîne développée en interne « Caremba » a été remplacée par une chaîne du commerce de 50kHz de fréquence utile. Enfin depuis sa réception en 2006 il a été préparé plus de deux cents conteneurs avec lesquels le shaker a appliqué environ 6 000 simulations de tremblements ; vrais séismes connus comme Kobe ou Mexico, séismes locaux moins connus pour des clients particuliers ou essais sinus. François Derkx 1 , Luc Thorel 2 , Jean-Louis Chazelas 2 , Sandra Escoffier 2 , Gérard Rault 2 , Stéphane Buttigieg 1 , Louis-Marie Cottineau 2 , Jacques Garnier 2 1 - Université Paris-Est, IFSTTAR, CO- SYS-LISIS, 75732 Paris, France 2 - PRES Unam, IFSTTAR, GERS-TC, 44344 Bouguenais, France Essais & Simulations • AVRIL 2013 • PAGE 43