Contrôle sismique d un bâtiment expérimental sur table vibrante par amortisseurs élastomères

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Jean Boudreau
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1 Séminaire du CEISCE 18 Juin 2010 Bromont (Qc) Contrôle sismique d un bâtiment expérimental sur table vibrante par amortisseurs élastomères Olivier GAURON Olivier GIRARD Patrick PAULTRE Centre de Recherche en Génie Parasismique (CRGP)

2 Plan d étude 1. Introduction : principe du système de contrôle à base d amortisseurs en caoutchouc naturel. 2. Bâtiment de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique 3. Étude numérique des performances de contrôle sous intensité sismique pleine 4. Essais expérimentaux sur table sismique: Analyse modale de la structure avec et sans amortisseurs Essais sous excitations sismiques réduites 5. Conclusions et perspectives

Objectif: prouver numériquement et expérimentalement que le système de contrôle -réduit les efforts linéaires d un facteur comparable

3 Principes du système de contrôle étudié Remplacement du SFRS conventionnel par un système en série {chevron + VED} Effets de l introduction des amortisseurs sur le comportement dynamique de la structure : Allongement de la période + Gain d amortissement Objectif: prouver numériquement et expérimentalement que le système de contrôle -réduit les efforts linéaires d un facteur comparable à Rd (ici Rd=3) -sans amplification des déplacements (Rd=3) Comportement élastique du système {chevron + VED} config. poutre faible config. poutre forte

4 Amortisseurs en caoutchouc naturel fibré Comportement hystérétique du caoutchouc naturel fibré (F80): Vue d un amortisseur expérimental Influence de la déformation sur les propriétés viscoélastiques équivalentes du F80: Module de cisaillement Taux d amortissement

5 Plan d étude 1. Introduction : principe du système de contrôle à base d amortisseurs en caoutchouc naturel. 2. Bâtiment de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique 3. Étude numérique des performances de contrôle sous intensité sismique pleine 4. Essais expérimentaux sur table sismique: Analyse modale de la structure avec et sans amortisseurs Essais sous excitations sismiques réduites 5. Conclusions et perspectives

6 Bâtiment expérimental de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique (1/4) t (s) üg (g)0.4 Bâtiment en acier de 3 étages Fixé à la table vibrante du Laboratoire de Structures Dimensions: 2m x 2m x H 5.66m Masse totale: 7273 kg (plaques d acier de 1 aux étages + plaques additionnelles) Masses sismiques aux étages étage 1: 1926 kg étage 2: 1915 kg étage 3: 1736 kg SFRS dans la direction principale: chevrons concentriques classiques (poutre forte), section HSS 38x38x3.2 Période propre expérimentale: T = s (f = 8.95 Hz) => Échelle réduite 1/3

Bâtiment expérimental de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique (2/4)

accéléromètre uniaxial sur la table => Mesure des accélérations absolues et

et un plancher + 1 potentiomètre fixé entre la table et ses fondations =>

série par groupe de 4 au centre des membrures des chevrons (6 membrures

7 Bâtiment expérimental de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique (2/4) Instrumentation du bâtiment: 6 accéléromètres triaxiaux (2 par plancher) + 1 accéléromètre uniaxial sur la table => Mesure des accélérations absolues et relatives 3 potentiomètres fixés entre une structure de support indépendante et un plancher + 1 potentiomètre fixé entre la table et ses fondations => Mesure des déplacements relatifs 24 jauges de déformation, connectées en série par groupe de 4 au centre des membrures des chevrons (6 membrures instrumentées) => Mesure des efforts dans les chevrons Acquisiteur NI + logiciel NI Labview 6.0

Bâtiment expérimental de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique (3/4) Étude du bâtiment dans 2 configurations: Référence (sans VED) Amortie (avec VED) Configuration amortie: -Insertion des

8 Bâtiment expérimental de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique (3/4) Étude du bâtiment dans 2 configurations: Référence (sans VED) Amortie (avec VED) Configuration amortie: -Insertion des amortisseurs à l horizontale, avec 3 LVDT mesurant leur déformation. Étages 1 et 2 -Seules les connexions sont modifiées, Étage 3 pas les membrures des chevrons. => Facilite un cas de réhabilitation sismique

9 Bâtiment expérimental de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique (4/4) Cas de chargement pour le dimensionnement de la structure de référence (chevrons classiques, Rd=3): 1- Flambement des membrures en compression 2- Plastification des membrures en tension suite au flambement (dimensionnement à la capacité)

10 Plan d étude 1. Introduction : principe du système de contrôle à base d amortisseurs en caoutchouc naturel. 2. Bâtiment de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique 3. Étude numérique des performances de contrôle sous intensité sismique pleine 4. Essais expérimentaux sur table sismique: Analyse modale de la structure avec et sans amortisseurs Essais sous excitations sismiques réduites 5. Conclusions et perspectives

11 Étude numérique des performances de contrôle (1/2) Modèle numérique (MATLAB) de la structure de référence (linéaire) Modèle numérique (MATLAB) de la structure amortie (pseudo-linéaire)

12 Étude numérique des performances de contrôle (2/2) Performances de contrôle sismiques jugées par comparaison des réponses de la structure amortie et de référence (réponse linéaire) pour une même excitation. 8 tremblements de terre artificiels étudiés (Atkinson) compatibles avec le spectre UHS de Montréal mis à l échelle de la structure. Résultats numériques (moyenne des 8 séismes sous intrensités de dimensionnement): u % T ved (T ref ) 0.191s (0.112s) x ved (x ref ) 8.03% (0.32%) d % ü % F ax,1-77.0% déplacements M % efforts V %

13 Plan d étude 1. Introduction : principe du système de contrôle à base d amortisseurs en caoutchouc naturel. 2. Bâtiment de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique 3. Étude numérique des performances de contrôle sous intensité sismique pleine 4. Essais expérimentaux sur table sismique: Analyse modale de la structure avec et sans amortisseurs Essais sous excitations sismiques réduites 5. Conclusions et perspectives

14 Essais expérimentaux sur table sismique (1/3) Essais d analyse modale Essais sismiques Comportement dynamique non linéaire et effet des amortisseurs Performances de contrôle sismiques (validation des résultats numériques) Limitation principale des essais sur table sismique = sécurité des individus et du matériel. => intensités d excitation réduites pour: -conserver la structure élastique -respecter le moment de renversement max de la table Comportement non linéaire du caoutchouc naturel fibré F80 Performances expérimentales attendues moindres par rapport aux prévisions numériques

15 Essais expérimentaux sur table sismique (2/3) Essais d analyse modale par balayage fréquentiel du 1er mode propre: sur la structure de référence (linéaire) sur la structure amortie (non linéaire) à 3 intensités (0.005g, 0.010g, et 0.015g) Fonctions de réponse en fréquence (FRF) expérimentales: Facteur d amplification dynamique Déphasage f 1 (Hz) T 1 (s) R d,max Structure de référence g g g

16 Essais expérimentaux sur table sismique (3/3) Essais sismiques à 3 niveaux d intensités réduites déterminés en fonction du moment de renversement max généré par la structure de référence sur la table sismique. Évolution des performances de contrôle moyennes avec l intensité d excitation: Extrapolation des résultats expérimentaux aux fortes intensités d excitation XP (intensité 3) u % d % ü % F ax,1-37.4% M % V % Num % -34.2% -78.2% -77.0% -75.0% -76.6%

17 Plan d étude 1. Introduction : principe du système de contrôle à base d amortisseurs en caoutchouc naturel. 2. Bâtiment de 3 étages à l échelle 1/3 sur table sismique 3. Étude numérique des performances de contrôle sous intensité sismique pleine 4. Essais expérimentaux sur table sismique: Analyse modale de la structure avec et sans amortisseurs Essais sous excitations sismiques réduites 5. Conclusions et perspectives

18 Conclusions et perspectives L étude a proposé un système innovateur de contrôle structural des bâtiments multiétagés face aux séismes, permettant des économies significatives. L étude numérique a prouvé l efficacité du système, confirmée par les essais expérimentaux malgré des intensités d excitation réduites. Prolongements du projet: essais sismiques à plus fortes intensités sur la structure amortie. caractérisation plus exhaustive du matériau amortissant. Étude du système de contrôle face aux vents.

19 MERCI de votre attention QUESTIONS?

20 Étude numérique des performances de contrôle (1/3) Modèle numérique (MATLAB) de la structure de référence Analyse modale expérimentale et recalage du modèle: Fréquence (Hz) Amortissement Déformée XP num XP num (MAC) Mode % 0.28% Mode % 0.32% Mode % 0.44% 0.989

21 Étude numérique des performances de contrôle (2/3) Modèle numérique (MATLAB) de la structure amortie Modèle viscoélastique équivalent pour les amortisseurs: modèle linéaire viscoélastique Propriétés du caoutchouc F80 = propriétés à la déformation maximum => Le modèle amorti est itératif (pseudo linéaire) Module de cisaillement Taux d amortissement

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