Comportement sous impact des écrans de filets pareblocs

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1 Comportement sous impact des écrans de filets pareblocs M-A. CHANUT L. DUBOIS CETE de Lyon 9 novembre 2011 Crédit photo : Arnaud Bouissou/MEDDTL Ministère de l'écologie, du Développement durable, des Transports et du Logement

2 Plan de la présentation Introduction ETAG27 Exploitation analytique Modélisation du comportement dynamique sous impact Développements futurs et perspectives 16 t Geobrugg (classe 8, 5000 kj) protection passive contre les chutes de blocs ouvrages métalliques flexibles (100 à 8000 kj) 2

3 Introduction Contexte : marquage CE des écrans de filets : ETAG27 (en vigueur depuis le 1 er février 2008, au moins jusqu'au 1 er juillet 2013) station d'essais de chutes de blocs de l'ifsttar à Montagnole (73) outil numérique complémentaire aux essais expérimentaux Objectifs de la modélisation numérique : justification du dimensionnement des structures de protection : freins, ancrages, capacité d'arrêt, vulnérabilité fonctionnelles, etc. orientations recherche et développement : fonctionnement mécanique des écrans de filets tests de dispositifs innovants (vers des énergies de plus en plus élevées) tests selon différentes configurations : impact après rebond, terrain naturel incliné et vertical, impact au droit d'un poteau, impact dans un module latéral, chute d'un arbre, influence de la température, etc. => la modélisation numérique permet de nombreux tests à moindre coût 3

4 ETAG27 essais initiaux : essais d'impact à échelle réelle sur kits de 3 modules et essais mécaniques d'identification sur les différents composants (filets, freins, poteaux, câbles) définition d'un niveau d'énergie de service (SEL), d'un niveau d'énergie maximal (MEL 3 x SEL), et de la classification associée spécifications pour les essais d'impact (avec écarts maximaux tolérés) : impact au centre du module fonctionnel central (trajectoire verticale ou inclinée) vitesse d'impact supérieure à 25 m/s (moyenne sur le dernier mètre) forme spécifique du bloc (proche du "petit rhombicuboactèdre") masse volumique du bloc comprise entre 2500 kg/m 3 et 3000 kg/m 3 hauteur nominale supérieure à 3 fois la dimension du bloc 4

5 ETAG27 conditions de réussite de l'essai au SEL (2 lâchers successifs) : premier lâcher au SEL : - bloc arrêté sans avoir touché le sol avant l'allongement maximal - hauteur résiduelle supérieure à 70 % de la hauteur nominale - aucune rupture parmi les câbles, freins et poteaux - ouverture des mailles du filet inférieure à 2 fois l'ouverture initiale second lâcher au SEL (sans maintenance entre les deux lâchers) : - bloc arrêté sans avoir touché le sol avant l'allongement maximal conditions de réussite de l'essai au MEL : - bloc arrêté sans avoir touché le sol avant l'allongement maximal diagnostic et mesures : vitesse du bloc, allongement maximal, efforts transmis à au moins 3 ancrages, hauteur résiduelle avec bloc retenu, course des freins 5

6 Écrans certifiés 14 écrans de filets de 5 fabricants certifiés à ce jour (ayant obtenu l'agrément Technique Européen) Vidéo 5000 kj Geobrugg 6

7 Stations d'essais 7

8 Essais réalisés à Montagnole 14 essais SEL ou MEL réalisés à Montagnole entre décembre 2009 et avril 2011 pour 2 fabricants français 8

9 Mesures disponibles caractéristiques géométriques : allongement maximal S m (+ temps de freinage t s ) et hauteur résiduelle h R courbe de l'allongement du filet en fonction du temps au cours de l'impact courbes des efforts transmis aux ancrages en fonction du temps au cours de l'impact paramètres des essais : hauteur nominale h N comprise entre 4,2 m et 6,2 m énergie d'impact E c comprise entre 330 kj et 5000 kj vitesse instantanée au moment de l'impact V i comprise entre 25,25 m/s et 29,21 m/s écrans des deux fabricants de conception très différente (position du filet par rapport aux poteaux, filet, frein, nature et articulation des poteaux) 9

10 Force d'impact peut-on calculer un effort statique résistant maximal équivalent agissant sur le bloc (force d'impact F max ) à partir du principe fondamental de la dynamique? (m : masse du bloc) peut-on écrire la décélération maximale a max pour un impact vertical sous la forme suivante? (b m : constante positive) blocs non-équipés d'accéléromètres exploitation des courbes de l'allongement du filet en fonction du temps 11/04/11 10

11 Force d'impact peut-on utiliser les points expérimentaux bruts (toutes les 10 ou 20 ms) ou des ajustements des courbes? Allongement S régression polynomiale (degré 5) Décélération Vitesse instantanée 11/04/11 11

12 Force d'impact quelle régression choisir? existence d'un seul essai dans la bibliographie avec mesure directe de la décélération par un accéléromètre et courbe de l'allongement en fonction du temps disponible : Geobrugg RX025 spécial bloc sphérique en BFUP (m = 825 kg) E c = 255 kj a max = -124,1 m/s 2 à t amax = 292 ms ajustements : par régression polynomiale (degrés 4, 5 et 6) par une série trigonométrique de Fourier 11/04/11 12

13 Force d'impact courbe expérimentale n = 5 : écart 2 % sur a max écart 1 % sur t amax 11/04/11 13

14 Force d'impact a max (n = 5) en fonction de l'énergie d'impact (Montagnole) SEL1+MEL 50 m/s 2 SEL2 11/04/11 14

15 Force d'impact (a max g) en fonction de (V i / t s ) (Montagnole) 11/04/11 15

16 Force d'impact force d'impact en fonction de l'énergie d'impact (Montagnole) 11/04/11 16

17 Travail de la force de freinage force d'impact en fonction de l'énergie d'impact (absence de rotation) phase de «faible résistance» : très grands déplacements, grandes rotations comportement en flexion (hors plan) SEL2 SEL1 phase de «haute résistance» : traction, plastifications et ruptures localisées comportement membranaire (dans le plan) 11/04/11 17

18 Efforts transmis aux ancrages pour les écrans de filets de HC câbles de rives inférieure et supérieure isotropie géométrique 11/04/11 18

19 Efforts transmis aux ancrages pour les écrans de filets de GTS câble de rive inférieure orthotropie géométrique anisotropie de déformation diffusion des efforts sur une plus grande largeur 11/04/11 19

20 Applications directes notes de justification en pseudo-statique des fabricants : sousestimation de l'ordre de 30 % à 40 % de F max modèles analytiques actuels : faible représentativité car basés sur des hypothèses simplistes fausses (raideur constante du filet au cours du temps) de plus : observation fréquente à Montagnole : dissymétrie du comportement sous impact des écrans de filets peu de données expérimentales fiables disponibles (diffusion des efforts dans les ouvrages impactés) recours à des modélisations numériques tridimensionnelles continues (éléments finis : Suisse, Italie, INSA de Lyon) ou discrètes (éléments distincts : CETE de Lyon) 20

21 Modélisation : état des lieux État des lieux : thèse de François Nicot (CETE de Lyon - EI Montagne) : modélisation par éléments distincts pose les bases des équations mécaniques régissant la déformation du filet sous impact code de calculs dédié à un ouvrage spécifique demande plus large : BESOIN D'UN OUTIL DE CALCUL GENERAL position du filet par rapport aux poteaux maille du filet technologie des freins amont aval 21

22 Modélisation : filets et freins anneaux entrecroisés (4 contacts) filet en câble à maille losangique filet en câble tricoté avec agrafes fusibles écrasement d'un profilé en aluminium déformation d'une bande métallique autour d'un axe ressort frottement d'un câble entre deux plaques 22

23 Modélisation : outil développé Unifier les calculs de déformation des écrans de filets sous impact Conception d'un modèle générique d'écrans : Modèle physique Filet Poteaux Ancrages Haubans Câbles de rives Dissipateurs d'énergie Nœuds Liaisons Modèle générique 23

24 Modélisation : outil développé Principe de l'outil générique de modélisation des écrans de filets : noyau de calcul de déformations sous impact UNIQUE Type A Écrans Type B Écrans Type C Écrans MODELE GÉNÉRIQUE Fonctions SPÉCIFIQUES de génération d'une instance de modèle générique RÉSULTATS : déformée, efforts dans les ancrages, activation des dispositifs de freinage, arrêt du bloc Calcul UNIQUE des déformations du filet 24

25 Modélisation : outil développé Algorithme de calcul des déformations du filet sous impact : algorithme incrémental et itératif résolution de la relation fondamentale de la dynamique classique pour chaque nœud prise en compte de la loi de comportement du filet via l'interaction entre deux mailles prise en compte des dispositifs de freinage des câbles introduction des critères de rupture des mailles ou des câbles 25

26 Modélisation : outil développé Fonctionnalités actuelles du module de calcul développé : traitement des écrans avec un filet en aval des poteaux réalisation de lâchers successifs de blocs dans le filet : en particulier possibilité de simuler les essais MEL et SEL exploitation des résultats : accès à toutes les grandeurs géométriques (allongement, hauteur résiduelle, etc.) et mécaniques (courses des freins, efforts dans les ancrages, etc.) visualisation de la simulation visualisation des mailles rompues 26

27 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Simulation effectuée : écran de filets : filet de type aval, 3 modules, à anneaux 6 contacts projectile : 810 kg, largué de 42,1m de hauteur, rayon = 0,375 m Données initiales identiques : même niveau d'énergie E = 330kJ hauteur nominale du filet identique H N = 4,18 m 27

28 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Résultats : comparaison grandeurs cinétiques / géométriques SEL 1 Essai Simulation Écarts Vitesse impact filet 28,78 m/s 28,78 m/s 0 Temps allongement max 228 ms 202 ms -11% Allongement max 4,16 m 3,82 m -8% Hauteur résiduelle 2,60 m 2,77 m +6% SEL 2 Essai Simulation Écarts Vitesse impact filet 28,73 m/s 28,73 m/s 0 Temps allongement max 146 ms 120 ms -18% Allongement max 2,28 m 2,15 m -6% Hauteur résiduelle Non mesurée 2,71m x 28

29 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Résultats : comparaison courses des freins Course (m) Essai SEL 1 / SEL 2 Simulation SEL 1 / SEL 2 Frein prolongateur amont supérieur 1 0 / 0 0 / 0 Frein prolongateur amont inférieur 1 0 / 0 Frein prolongateur amont supérieur 2 0,11 / 0,27 0,15 / 1,5 Frein prolongateur amont inférieur 2 0,19 / 0,21 Frein prolongateur amont supérieur 3 0,11 / 0,22 0,16 / 0 Frein prolongateur amont inférieur 3 0,19 / 0,17 Frein prolongateur amont supérieur 4 0 / 0 0 / 0 Frein prolongateur amont inférieur 4 0 / 0,05 Frein prolongateur latéral supérieur g 0,36 / 0,13 0,08 / 0 Frein prolongateur latéral inférieur g 0,17 / 0,08 Frein prolongateur latéral supérieur d 0,36 / 0,13 0,22 / 0 Frein prolongateur latéral inférieur d 0,17 / 0,05 29

30 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Résultats : comparaison courses des freins écran réel : un frein commun aux deux câbles / Simulation : un frein pour chaque câble symétrie de l'écran numérique / Dissymétries logique de l'écran réel (réglage de l'écran, dispositifs de dissipation d'énergie non identiques, couple de serrage des plaques métalliques) SEL 1 : même ordre de grandeur des courses de freins des prolongateurs amont prolongateurs latéraux : plus sollicités que dans la réalité freins non activés pendant la simulation <=> non déclenchés lors de l'essai 30

31 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Résultats SEL 1 : comparaison allongement du filet en fonction du temps 31

32 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Résultats SEL 2 : comparaison allongement du filet en fonction du temps 32

33 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Résultats : visualisation interaction bloc / filet 33

34 Modélisation : confrontation essai / simulation numérique Conclusion : bonne concordance des résultats entre simulation numérique et essai Montagnole visualisation de la simulation numérique : fonctionnement cohérent du filet 34

35 Modélisation : développements futurs / perspectives Intégrer la deuxième classe de géométrie des filets : type amont Comparer les technologies de filets et analyser l'intérêt de chacune Essais de traction sur filets pour accéder à la loi de comportement du filet (INSA Lyon) Essais sur les dispositifs de freinage absorbeurs d'énergie (INSA Lyon) etc. 35

36 FIN Ministère de l'écologie, du Développement durable, des Transports et du Logement

37 ANNEXES Principe de l'outil générique de modélisation des écrans de filets : 37

38 ANNEXES Principe de l'outil générique de modélisation des écrans de filets : 38

39 ANNEXES Méthode des éléments distincts : (idem F. Nicot) Discrétisation de la structure Résolution de la relation fondamentale de la dynamique classique Loi de comportement du filet : 39

40 ANNEXES Méthode des éléments distincts : (idem F. Nicot) Discrétisation de la structure Résolution de la relation fondamentale de la dynamique classique Loi de comportement du filet Loi comportement des câbles : (nouveau) 40

41 ANNEXES Méthode des éléments distincts : (idem F. Nicot) Discrétisation de la structure Résolution de la relation fondamentale de la dynamique classique Loi de comportement du filet Loi comportement des câbles : (nouveau) Critères de rupture des mailles ou des câbles (nouveau) 41

42 ANNEXES Principe de l'algorithme de calcul de l'impact du bloc dans le filet : pour chaque pas de temps 10-6 s calcul de la position du projectile détermination des nœuds venant en contact avec le projectile et calcul de la position des nœuds en contact avec le projectile calcul des efforts développés dans les câbles de rives calcul de la position des nœuds du filet qui ne sont pas en contact avec le projectile détermination de nouveaux nœuds venant en contact avec le projectile calcul des efforts s'exerçant dans les haubans 42

43 ANNEXES Résultats : comparaison efforts transmis aux ancrages 43

44 ANNEXES Résultats : comparaison efforts transmis aux ancrages 44

45 ANNEXES Résultats : comparaison efforts transmis aux ancrages 45

46 ANNEXES Résultats : comparaison efforts transmis aux ancrages Effort maximal(kn) Essai Simulation (terme de cisaillement de l'ancrage) Ancrage latéral gauche Ancrage amont lié à un poteau de la nappe centrale => même ordre de grandeur 146, ,5 149 Ancrage latéral droit 154,3 181 Essai : dans la direction du frein Simulation : terme de cisaillement 46

47 ANNEXES Résultats : comparaison efforts transmis aux ancrages 47

48 ANNEXES Résultats : comparaison efforts transmis aux ancrages Extrait de l'essai réalisé à Montagnole 48