Essais & Simulations n°113

Dossier

Dossier Essais et Modelisation centaine de capteurs (jauges sur les aciers de renforcement, capteurs de déplacement et accéléromètres) de manière à pouvoir suivre et contrôler son endommagement et son comportement pendant les essais. L’évolution de l’endommagement de la maquette est évaluée par deux critères (figure 7) : • la baisse de fréquence de résonance de la maquette due à son endommagement progressif, en particulier au niveau des nœuds de la structure, • l’augmentation du déplacement relatif entre les deux planchers du bâtiment (interstorey drift ratio = Di / hi avec pour Bandit hi = 3 300 mm) Figure 8 : Baisse de fréquence et augmentation du drift pour les runs 24 à 37 (essais sismiques dans la direction Ox sur maquette renforcée par PTMS) (figure 8). Les séquences d’essais sismiques mono axiales selon X puis selon Y Figure 9 : Maquette Bandit pendant un essai sismique sur la table Azalée (2012) se sont parfaitement déroulées et ont permis de montrer l’efficacité du procédé de renforcement PTMS mis au point par l’Université de Sheffield (figure 9). Cette phase d’essais a été complétée par une dernière session d’essais triaxiaux où la maquette Bandit a subi des sollicitations sismiques croissantes avec une accélération maximale imposée sur la table Azalée de 0,6 g lors du dernier essai. Ces essais spectaculaires ont été l’occasion d’accueillir à Tamaris divers partenaires européens du projet : Istanbul Technical University, University of East London, University of Girona. La R&D menée au laboratoire pour le pilotage des moyens d’essais, vers les essais hybrides Outre les campagnes de grande ampleur menées sur des structures à grande échelle, une énergie particulière est employée pour mettre au point des essais sismiques représentatifs sur des portions de bâtiment. Les essais « hybrides » à ce titre proposent une stratégie innovante permettant de reproduire les sollicitations dynamiques subies par un sous-système et appliquées par un environnement avec lequel il interagit (le reste du bâtiment, le sol, etc.). Le point central de la démarche consiste à découper le système de référence en une sous-structure numérique Snum (dont le comportement est bien connu) et une sous-structure expérimentale exp qui sera testée physiquement sur table vibrante. La consigne à appliquer au système expérimental est calculée comme le résultat de la simulation de la sous-structure numérique, résolue en temps réel (figure 10). La réalisation d’essais « hybrides » est un défi expérimental à plus d’un titre ; une stratégie de pilotage évoluée permettant le dialogue entre Sexp et Snum est à mettre en œuvre pour le contrôle du système expérimental et des techniques de calcul avancées doivent être élaborées pour permettre la résolution des modèles de Snum en temps réel. Exemple de programme de recherche couplant l’approche expérimentale et la simulation Un point crucial de la démarche suivie au laboratoire concerne l’utilisation et le développement des simulations numériques, pour améliorer la compréhension et la prédiction des comportements sismiques des ouvrages et des équipements. Ces approches numériques sont dans certains programmes de recherches menées en complément des campagnes expérimentales, à la fois dans la phase de préparation des essais (pour prédire le comportement, et ainsi éventuellement affiner le dimensionnement de la maquette, ajuster les excitations sismiques en fonction des modes identifiés de déformation, préparer le pilotage du moyen d’essai, et orienter/confirmer les objectifs scientifiques et expérimentaux…), mais également en cours de campagne expérimentale (par exemple lors d’un comportement inattendu du spécimen), et bien entendu, pour tirer parti de l’ensemble des mesures acquises pendant les essais (ie mesures de déplacement, d’accélération, de déformation …). Pour réaliser ces simulations, le code de calcul Cast3M, outil numérique développé notamment au CEA est largement utilisé, car il permet Figure 10 : Schéma de principe des essais hybrides et du dialogue entre l’expérimental et la simulation numérique. Essais & Simulations • AVRIL 2013 • PAGE 48

Dossier Essais et Modelisation Figure 11 : Spectres de réponses horizontal et vertical utilisés pour tester la maquette Enistat (projet européen Series, 2013) de prendre en compte, par exemple, les interactions sol-structure ou fluide-structure ainsi que les non linéarités de matériaux. Le rôle et le potentiel des simulations dans les différentes phases d’un programme de recherche est illustré sur le projet Enistat, dont la campagne expérimentale vient de s’achever (février 2013). La maquette Enistat est de type bâtiment conventionnel (représentatif du bâti européen) à Figure 12 : Mode 1 de la maquette Enistat issu de l’analyse modale, intégrant la modélisation de la table Azalée (le maillage en grisé indique la position de référence). Figure 13 : Mode 2 de la maquette Enistat issu de l’analyse modale, intégrant la modélisation de la table Azalée (le maillage en grisé indique la position de référence). l’échelle ½ ; elle a été testée sur la table vibrante Azalée. La campagne est l’objet d’une collaboration avec Metu (Middle East Technical University, Istanbul), l’ENS-Cachan, et la société Shöck. Outre les essais relatifs aux niveaux sismiques de l’EC8 (figure 11), l’objectif réside dans l’évaluation du comportement de rupteurs thermiques implantés sur la maquette entre un plancher et des voiles. En amont de la campagne expérimentale, des calculs prédictifs ont été réalisés afin de bien appréhender le comportement sismique du spécimen. Dans un premier temps, une analyse modale a permis de déterminer les modes prépondérants de la maquette (figures 12 et 13). Cette phase permet d’identifier les fréquences importantes de l’ensemble, et de confirmer que les signaux sismiques d’excitation sont adaptés (ie portent une énergie significative à ces fréquences). Un modèle numérique (maillage, et définition de lois de comportement des aciers et du béton) a été réalisé à l’aide du code Cast3M Une série de calculs (linéaires et non-linéaires) a permis de reproduire numériquement la séquence expérimentale envisagée. La figure 14 présente le faciès d’endommagement prédits par ces calculs, en tenant compte de l’historique du chargement sismique. La campagne expérimentale s’est achevée fin février 2013, et les mesures expérimentales ainsi que les observations confirment les calculs prédictifs. Qualification sismique d’équipements Le laboratoire, (bien qu’essentiellement tourné vers la R&D) réalise, pour le besoin des installations du CEA et parfois d’industriels, des essais sismiques de qualification d’équipements importants pour la sûreté. Les moyens d’essais s’ouvrent aussi vers l’extérieur pour tous les domaines, pas seulement celui du nucléaire. Ainsi, des essais de qualification de tenue aux séismes ont été réalisés sur divers équipements (par exemple des armoires électriques, des aéroréfrigérants, empilements de fûts de stockage, etc.). Enfin des essais d’environnement mécanique sur des équipements devant tenir à des sollicitations sévères telles que transports routiers, tout-terrain, transport ferroviaire, maritime ou aéroporté ont pu aussi être réalisés au laboratoire. Figure 14 : Faciès d’endommagement prédit par les simulations réalisées avec Cast3M, en tenant compte du cumul d’endommagement au cours de la campagne expérimentale (plusieurs essais). L’indicateur de dommage (représenté sur l’échelle entre 0 et 1) correspond à la fissuration. La diversité et la richesse des recherches menées au laboratoire EMSI et sur la plateforme Tamaris s’inscrivent désormais dans la dynamique du pôle scientifique de Saclay. Avec ses partenaires historiques, le CEA, EDF, l’ENS de Cachan, le CNRS et l’Ecole Centrale Paris ont créé en décembre 2012 l’Institut Seism (Seismology and Earthquake engineering for rISk assessMent Paris-Saclay Research Institute). Ce nouvel Institut regroupe les compétences dans l’étude et la gestion des risques sismiques dans le cadre de l’Idex2 de Paris-Saclay. La complémentarité des moyens, de l’expertise et des visions des partenaires, sera un fort moteur d’innovation. Seism s’appuiera, dans un premier temps, sur une trentaine de chercheurs issus des organismes fondateurs, sur une douzaine de chercheurs en formation ainsi que sur les moyens expérimentaux et numériques de ses membres, et notamment la plateforme Tamaris. Dans le cadre d’un partenariat étroit avec des centres de recherche, des universités, des industriels européens et différents organismes techniques, Seism a l’ambition de devenir à terme un centre de référence. Il participera également à la formation par la recherche et jouera un rôle dans la diffusion de la connaissance via l’enseignement. C. Berge-Thierry (catherine.bergethierry@cea.fr) et T. Chaudat (thierry. chaudat@cea.fr) Essais & Simulations • AVRIL 2013 • PAGE 49