CALCULS SISMIQUES AU LAPP. Calculs sismiques au LAPP

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René Gamache
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1 Calculs sismiques au LAPP

2 Calculs sismiques Pourquoi? Comment?

3 1 Pourquoi des calculs sismiques? 2 Généralités sur les séismes 3 Contexte 4 Spécificités des études 5 Les difficultés rencontrées

4 1 Pourquoi? Pourquoi faire des calculs sismiques? Pour assurer la sécurité des personnes Pour évaluer et prévenir les risques de détérioration des équipements

5 1 Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences du CERN? 2 Généralités sur les séismes 3 Contexte 4 Les méthodes d analyse 5 Les difficultés rencontrées

6 2 Généralités sur les séismes Séisme de CHI-CHI (Taiwan) 21 septembre 1999 Magnitude locale : 7.3

7 2 Généralités sur les séismes A faible profondeur (0-2 km, 600 bars), la résistance est faible (manque de cohésion), les roches se déforment de manière continue, pas de séisme. A plus grande profondeur (>25 km soit 7.5 k bar), la température est élevée et les roches fluent de manière visqueuse. Les roches sont ductiles.

8 2 Généralités sur les séismes Contrainte tectonique Déformation élastique lente Rupture sismique rapide Pour des profondeurs comprises entre 2 et 25 kilomètres, la résistance augmente, la roche se déforme élastiquement puis subit une rupture soudaine, c est le séisme. Les roches sont fragiles.

9 2 Généralités sur les séismes

10 2 Généralités sur les séismes

11 2 Généralités sur les séismes Annecy : magnitude 5.2

12 3 Contexte 1 Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences du CERN? 2 Généralités sur les séismes 3 Contexte 4 Les méthodes d analyse 5 Les difficultés rencontrées

13 3 Contexte Calorimètres Contexte : LHCb

14 3 Contexte Epaisseur des détecteurs : 1 m pour HCAL et 0.4 m pour ECAL Gantry 10 m Supports posés sur des rails Contexte : LHCb

15 3 Contexte Problématique Des structures très élancées juste posées sur leur bases Une demande du CERN de prendre en compte des aléas sismiques Des normes imposées : PS 92 et Eurocode 8

16 3 Contexte Problématique Les premières simulations montrent que si les supports de détecteurs sont seulement posés sur les rails il y a risque de basculement. Nous avons donc proposé de rajouter une structure fixée au sol qui puisse servir de point d appui haut pour les calorimètres Nous regardons actuellement la possibilité d assurer ces liaisons par le biais d amortisseurs pour dissiper une part de l énergie.

17 3 Contexte Les différentes étapes Engagement vis à vis de la collaboration en septembre 2002 Début des études de principe avec l aide du LPSC (Emmanuelle Vernay et Alain Garrigue) 2 nd semestre 2002 Organisation d une formation «dynamique avancée» à Annecy en janvier 2003 Ellaboration des premiers modèles de calcul qui ont conduit à une modification des choix de conception en octobre 2003 Présentation d une configuration validée par le CERN en janvier 2004 Etude d amélioration du comportement (amortisseurs) en cours

18 1 Pourquoi des calculs sismiques? 2 Généralités sur les séismes 3 Contexte 4 Les méthodes d analyse 5 Les difficultés rencontrées

19 4 Méthodes d analyse Analyse modale spectrale (méthode imposée par les normes) Analyse modale (recherche des modes propres) Réponse sismique Analyse harmonique Analyse modale (recherche des modes propres) Réponse harmonique Analyse temporelle modale Analyse modale (recherche des modes propres) Réponse transitoire modale Analyse temporelle Réponse transitoire intégration directe Analyse statique équivalente Réponse statique linéaire

20 4 Méthodes d analyse Analyse modale (recherche de mode propre) On effectue une analyse modale pour identifier les modes propres de la structure (en tous cas ceux qui apportent une contribution significative à la réponse de la structure) le nombre de modes retenu et déterminé par : les normes qui indiquent que l on doit se limiter à un domaine d étude de 0 à 33 Hz L évaluation de la somme des masses modales par direction qui doit être au moins de 90 % de la masse totale Cette étape peut se traiter avec samcef field (utiliser la méthode frontale). Nécessaire à : Analyse spectrale modale (normes) Analyse harmonique Analyse transitoire modale

21 4 Méthodes d analyse Analyse modale spectrale (méthode imposée par les normes) Etude de la réponse sismique (analyse linéaire): A partir des modes propres calculés précédemment on calcul la réponse du système pour chaque mode et chaque direction puis on effectue une recombinaison pour obtenir une réponse globale qui se post-traite comme une analyse statique linéaire Les données d entrée principales sont : Les modes propres calculés avec dynam L amortissement de l ensemble de la structure Le spectre de calcul Cette étape peut se traiter pour le moment avec Samcef (module repdyn/specres)

22 4 Méthodes d analyse Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes Spectre de calcul en temps 4,00E+03 3,50E+03 accélération (mm.s-2) 3,00E+03 2,50E+03 2,00E+03 1,50E+03 1,00E+03 5,00E+02 0,00E+00 0,00000E+00 5,00000E-01 1,00000E+00 1,50000E+00 2,00000E+00 2,50000E+00 3,00000E+00 T(s) Spectre de calcul Les différents points de la courbes sont les réponses maximales en accélération d oscillateurs simples (masse ressort) couvrant toute la gamme de fréquence (ou période) soumis à un séisme typique (caractérisé notamment par son accélérogramme) Par exemple un oscillateur de fréquence propre 2 Hz (période 0.5s) soumis au séisme aura comme accélération maximale 3.03 m.s-2 (hypothèse: dans ce cas le coefficient d amortissement =2%)

23 4 Méthodes d analyse Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes

24 4 Méthodes d analyse Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes Spectre de calcul en fréquence 4,00E+03 3,50E+03 accélération (mm.s-2) 3,00E+03 2,50E+03 2,00E+03 1,50E+03 1,00E+03 5,00E+02 0,00E F (Hz) Spectre de calcul

25 4 Méthodes d analyse Accélérogramme Séisme d izmit 17 août 1999

26 4 Méthodes d analyse Analyse harmonique Etude de la réponse harmonique (analyse linéaire): A partir des modes propres calculés précédemment on calcul les réponses du système (déplacement, vitesse, accélération) à une excitation de type sinusoïdale à différentes fréquences. Les données d entrée principales sont : Les modes propres calculés avec dynam L amortissement de l ensemble de la structure Cette étape peut se traiter pour le moment avec Samcef (module repdyn/specres)

27 1 Pourquoi des calculs sismiques? 2 Généralités sur les séismes 3 Contexte 4 Les méthodes d analyse 5 Les difficultés rencontrées

28 5 Difficultés Modélisation géométrique des structures et éléments finis Problème : Choix d un modèle volumique milieu continu (éléments paraboliques)car passage «assez rapide» de CATIA à Samcef Field permettant des itérations. => beaucoup de ddl : 15 mn de calcul en statique mais qq heures pour l analyse modale (le maillage pourrait être assez grossier pour l analyse modale mais doit être plus fin pour la réponse dynamique) => prise en compte de chaque ensemble séparément (ECAL, HCAL, Gantry) Stratégie :? modélisation du comportement du gantrypour l étude des calorimètres? Validation des méthodes sur des modèles simples.

29 5 Difficultés Modélisation géométrique des structures et éléments finis Modélisation du gantry par des ressorts

30 5 Difficultés Prise en compte du comportement (données d entrée) Problème : Choix des donnée d entrée pour les calorimètres (assemblages plomb/scintillateurs) Modélisation des liaisons entre éléments (amortisseurs) => utilisation des données constructeurs pour la simulation!! Stratégie :? essais mécaniques sur les modules? Dialogue avec constructeur et support Samtech pour définir les paramètres? Etudetemporelle non linéaire en utilisant les accélérogrammes

31 5 Difficultés Prise en compte du comportement (données d entrée) Théorie (mod linéaire): Modèle constructeur (non linéaire) :? t? F? Kd? C d?? t? F? Kd? C d? 00 M d 00 M d

32 5 Difficultés Choix des méthodes d analyse Problème : Comportement particulier des détecteurs qui sont posés sur les rails : =>Initialement problème de RDM tant que les pieds ne décollent pas. Ensuite, en théorie problème de contact, donc non linéaire!!!=> analyse modale spectrale inutilisable. Stratégie : =>Dimensionner le système pour garantir le non-décollement =>Utiliser un modèle statique équivalent en vérifiant le non-décollement(vérification des réactions)

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