Généralité sur les systèmes dissipatifs passifs

Acier de construction pour les éléments de structure

Généralité sur les systèmes dissipatifs passifs

Le phénomène d’amortissement dans un système mécanique est déclenché par une dissipation d’énergie dans la structure vibrante. Le terme dissipation signifie que l’énergie mécanique se transforme en d’autres formes d’énergies ce qui résultera à une atténuation ou une suppression de cette dernière. Le type d’énergie en fonction de laquelle l’énergie impulsive se transformera dépend du type de mécanisme, mais néanmoins dans la plupart des systèmes dynamiques, une part importante de celle-ci se transforme en chaleur, les vibrations dans un système mécanique résultent d’un transfert alternatif entre énergie cinétique et potentielle, sans dissipation, perdure (Fig. 2.1 a). En présence de dissipation, et c’est le cas de tout système réel, les amplitudes du mouvement convergent jusqu’à l’équilibre dynamique dans le cas d’un système forcé, jusqu’à l’équilibre statique dans le cas d’un système libre.

La figure 2.1 montre l’allure des fonctions temporelles de l’amplitude de poutres non amorties et amorties par des dispositifs visqueux et à frottement [7], dans le cas d’un amortissement visqueux la force résistante est proportionnelle et opposée à la vitesse (Fig. 2.1 b), ainsi le mouvement d’amortissement pur prend théoriquement un temps infini pour disparaître totalement. Donc, l’amortissement visqueux crée une forme proportionnelle et opposée à a vitesse alors qu’un frottement sec crée une force constante mais change de signe à chaque demi-cycle et donc s’oppose à la vitesse. La décroissance des amplitudes est linéaire et l’amortissement peut être obtenu plus rapidement (Fig. 2.1c).

Dispositifs d’extrusion de plomb (LED)

L’extrusion du plomb a été identifiée comme un mécanisme efficace pour la dissipation d’énergie dans les années 70. L’amortisseur d’extraction de plomb (Lead Extrusion Devises (LED)) représente une autre classe des amortisseurs, qui utilise les propriétés de dissipation hystérétique du métal. Le processus d’extrusion consiste à forcer un piston de plomb à travers un trou ou un orifice, changeant ainsi sa forme. Les LED ont été appliquées à un certain nombre de structures. Le premier dispositif est constitué d’un tube à parois épaisses et d’un axe coaxial avec un piston. Il y a une construction dans le tube entre les têtes de piston et l’espace entre les têtes de piston est rempli avec du plomb. L’axe central s’étend au-delà d’une extrémité du tube. Quand l’excitation externe s’est produite, le piston se déplace le long du tube et le plomb est forcé pour expulser dans les deux sens par l’orifice formé par la constriction du tube. Le deuxième type de LED est similaire au premier, sauf que l’orifice d’extrusion est constitué par un gonflement sur l’axe central plutôt que par une constriction dans le tube.

L’axe (la tige) est soutenu par un appui qui sert également à maintenir le plomb en place ; Pendant que l’axe se déplace, le plomb doit expulser à travers l’orifice formé par le gonflement et le tube. Semblable à la plupart des dispositifs de frottement, le comportement hystérétique de LED est rectangulaire. Les caractéristiques principales de ces dispositifs sont leur comportement hystérétique rectangulaire, leur relation effort déformation stable et qui n’est pas affectée par le nombre de cycles de chargement ; il n’est influencé par aucun facteur environnemental ; la fatigue n’est pas un problème majeur, la vitesse de déformation a un effet mineur et les effets de vieillissement sont insignifiants. Ils ont une longue vie et ne doivent pas être remplacés ou réparés après une excitation sismique puisque le plomb dans l’amortisseur revient à son état non déformé après l’excitation [5].

L’amortisseur de Pall

Un exemple des amortisseurs qui emploie également le frottement de Coulomb pour absorber l’énergie lors d’un événement séismique est le dispositif de frottement proposé par Pall et Marsh (1982) et Pall et al. (1987). C’est un dispositif qui peut être situé à l’intersection des contreventements en croix dans le cadre comme le montre la figure. 2.8. Une fois la charge séismique est appliquée, le croisillon de tension induit un glissement au niveau du frottement. Par conséquent, les quatre liens forcent le croisillon de compression à glisser. De cette manière, l’énergie est absorbée dans les deux croisillons quoiqu’ils soient conçus pour être efficaces dans la traction seulement. Le dispositif est conçu pour empêcher le glissement sous les charges de service normales. Filiatrault et Cherry (1987) et d’Aiken et al. (1988) montrent l’efficacité de ces dispositifs en prouvant une augmentation importante de la capacité de dissipation d’énergie et en réduisant le déplacement inter-étage par rapport aux cadres de résistance de moment sans de tels dispositifs. Filiatrault et Cherry (1990) ont développé une méthode de conception pour estimer la répartition des charges optimales de glissement pour les amortisseurs de frottement de Pall. Le critère de conception est de réduire au minimum un index relatif d’exécution dérivé utilisant des concepts d’énergie. Le dispositif a été utilisé dans plusieurs bâtiments au Canada, l’Inde, les Etats-Unis et la Chine [8].

Amortisseur viscoélastique fluide

Les dispositifs viscoélastiques fluides, qui fonctionnent en cisaillant les fluides viscoélastiques, ont des comportements qui ressemblent à ceux des dispositifs viscoélastiques solides, sauf que les amortisseurs viscoélastiques fluides ne montrent pas la rigidité quand les charges statiques sont appliquées. Ces dispositifs peuvent être modelés avec le modèle de Maxwell (Figure 2.12), qui se compose d’un ressort et d’un amortisseur. La réponse cyclique des dispositifs à fluide viscoélastique dépend généralement de la fréquence et de l’amplitude du mouvement et de la température de fonctionnement (y compris l’élévation de température due à l’excitation) Figure 2.12 : Modèle de Maxwell Différentes approches ont été développées ayant le même concept afin d’améliorer la réponse des bâtiments sous les charges séismiques et le vent. Une approche de conception des amortisseurs visqueux est d’absorber l’énergie par la transformation de l’énergie mécanique en chaleur pendant qu’un piston mobile déforme une substance épaisse et fortement visqueuse, telle qu’un gel de silicone.

La figure (2.13a) illustre un tel amortisseur, qui a trouvé l’application en tant que composant dans les systèmes d’isolation sismique. Bien que ces dispositifs pourraient également être déployés dans la superstructure, une alternative, et peut- être plus efficace, le concept de construction comporte le développement du mur d’amortissement visqueux illustré dans la figure (2.13b). Le système de mur d’amortissement visqueux a été déve loppé par la société de construction de Sumitomo au Japon. Le dispositif se compose d’un récipient extérieur en acier fixé au plancher inférieur, rempli d’un fluide fortement visqueux. Une plaque en acier (mur) mobile à l’intérieur du récipient et pendu au plancher supérieur (figure.2.13 b).Les forces d’amortissement visqueux sont induites par la vitesse relative entre les deux planchers. Arima et al. (1988) ont effectué des essais expérimentaux sur un cadre en acier à grande échelle de 4 étages avec et sans les murs d’amortissement visqueux. Les résultats de cadre muni des murs visqueux ont indiqué des réductions de réponse de 66 à 80%. Un bâtiment en béton armé à 4 étages avec les murs d’amortissement visqueux a été construit à Tsukuba, Japon en 1987 et a été depuis contrôlé pour la réponse sismique. Des réductions dans les réponses d’accélération entre 33 à 75 % ont été observées lors de l’utilisation des murs d’amortisseur visqueux. Les murs d’amortissement visqueux installés dans le bâtiment de cadre en acier d’une hauteur de 78 m dans la ville de Shizuoka, Japon, ont fournis de 20 à 35% d’amortissement pour le bâtiment et ont réduits la réponse de 70 à 80.

Table des matières

Chapitre 1. Introduction générale.
1.1. Introduction.
1.2. Présentation de l’ouvrage.
1.2.1. Règlements utilisés.
1.2.2. Mode de construction.
1.2.3. Acier de construction pour les éléments de structure
1.3.4. Le béton.
1.2.5. Pré-dimensionnement.
1.2.6. Dimensionnement des éléments.
1.2.7. Systèmes de contreventements.
Chapitre 2. Généralité sur les systèmes dissipatifs passifs
2.1 Introduction
2.2. Contrôle passif avec dissipateurs
2.3. Amortisseur métallique
2.3.1. Le dispositif EDU
2.3.2. Dispositifs d’extrusion de plomb (LED)
2.3.3. Le dispositif d’amortissement et de rigidité supplémentaire (ADAS)
2.3.4. Amortisseur de plaques triangulaire (TADAS).
2.3.5. Entretoise à flambement empêché (buckling restrained brace – BRB)
2.4. Les amortisseurs à friction
2.4.1. L’amortisseur de Sumitomo
2.4.2. L’amortisseur de Pall
2.4.3. Amortisseur boulonné encoché (Slotted-bolted damper)
2.4.4. La contrainte de dissipation d’énergie (EDR)
2.5. Amortisseur viscoélastique.
2.5.1. Amortisseur viscoélastique fluide
2.5.2. Amortisseur viscoélastique solide
2.6. Amortisseur à fluide visqueux
2.7. Conclusion
Chapitre 3. Généralité sur les amortisseurs à fluide visqueux
3.1. Introduction
3.2. Méthode statique non linéaire (du spectre de capacité
3.3. L’amortissement dans les structures
3.3.1 Amortissement visqueux élastique
3.3.2 Amortissement hystérétique
3.3.3 Amortissement visqueux équivalent
3.3. Identification des propriétés mécaniques des amortisseurs FVD
3.4. Modèle analytique
3.4.1. Amortisseur à fluide visqueux linéaire
3.5.2. Amortisseur à fluide visqueux non-linéaire
3.6. Contrôle passif par isolation à la base
3.6.1. Appareil d’appuis en élastomère fretté à amortissement faible (LDRB)
3.7.Coclusion
Chapitre 4. L’impact de la non-linéarité des FVD sur un bâtiment métallique
4.1. Introduction
4.2. Description du dispositif dissipatif et des excitations sismiques.
4.3. Analyse des réponses temporelles pour la structure R+4.
4.3.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps.
4.3.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps.
4.3.3. Variation des sollicitations en fonction du temps.
4.3.4. La variation du taux d’amortissement ξd en fonction du coefficient Cd
4.4. Analyse des réponses temporelles pour la structure R+6.
4.4.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps.
4.4.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps.
4.4.3. Variation des sollicitations en fonction du temps.
4.4.4. La variation du taux d’amortissement ξd en fonction du coefficient Cd
4.5. Analyse des réponses temporelles pour la structure R+8.
4.5.1. Variation du déplacement et accélération en fonction du temps.
4.5.2. Variation de l’effort tranchant à la base en fonction du temps.
4.4.3. Variation des sollicitations en fonction du temps.
4.5.4. La variation du taux d’amortissement ξd en fonction du coefficient Cd
4.6. La variation du taux d’amortissement en fonction de α, Cd et la hauteur de la structure
4.7. Conclusion
Conclusion générale
Références bibliographiques

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