Les technologies d’isolation sismique

Conception conventionnelle à base fixe (Stratégie d’encaisser le coup)

Les conceptions conventionnelles à base fixe consistent à dimensionner la structure afin que l’énergie induite par les secousses du séisme soit dissipée par déformations inélastiques dans des zones présélectionnées qui ont un comportement ductile et stable : les rotules plastiques. La structure de l’ouvrage peut ainsi se déformer dans le domaine inélastique, au niveau des rotules plastiques, sans dégradation importante de celles-ci et endurer plusieurs cycles de chargements, permettant la dissipation d’énergie cherchée. En dimensionnant la structure de cette manière, on diminue de 2 à 5 fois la demande en force qui serait appliquée à la structure si elle demeurait dans le domaine élastique.

Conception avec des technologies parasismiques (Stratégie d’éviter le coup)

Les conceptions avec des technologies parasismiques consistent à ajouter des éléments à la structure de l’ouvrage afin qu’elle ne soit pas trop endommagée par les forces provoquées par le séisme. L’accès à des méthodes de calcul plus poussées grâce aux outils informatique, le développement d’installations d’essais de simulateurs sismiques avec notamment des tables vibrantes, ainsi que la fin de la guerre froide qui a entraîné un transfert des technologies militaires vers le secteur civil, ont permis le développement rapide de ces technologies récentes. Les premières applications en Amérique du Nord remontent seulement à la fin des années 80, mais sont aujourd’hui une composante très importante de l’isolation sismique (Guizani, 2007). Les principales technologies parasismiques utilisées actuellement sont : l’usage d’amortisseurs sismiques, l’usage de transmetteurs de chocs sismiques et l’isolation sismique de la base. L’isolation sismique de la base est l’une des principales méthodes de cette catégorie. L’objectif de celle-ci consiste à isoler l’ouvrage du sol afin d’esquiver les effets du séisme, tout en limitant le déplacement horizontal de la structure, lequel reste cependant, le cas échéant, bien supérieur à celui des ouvrages à conception conventionnelle.

Principaux systèmes de l’isolation sismique de la base

De nombreux systèmes d’isolation sismique sont appliqués aux ponts et aux bâtiments dans le monde. La présence d’isolateurs sismique permet, en réduisant et en concentrant la distribution de l’énergie sismique, de réduire le transfert de l’énergie sismique à l’ouvrage ce qui limite les dommages occasionnés par les séismes et augmente ainsi les chances de survie et de préservation de la fonctionnalité de l’ouvrage après le séisme (Priestley et al., 2007).

Un système d’isolation sismique se compose de trois éléments principaux :

un appui capable de transmettre les charges verticales avec une faible rigidité horizontale : c’est l’élément principal d’un isolateur sismique;

un mécanisme de dissipation d’énergie (amortisseur sismique) : il permet de contrôler la déformation de l’isolateur et ainsi le déplacement de la superstructure qu’il protège. Dans le cas des isolateurs sismiques à base d’élastomère munis ou non de noyau de plomb, c’est le comportement hystérétique, du noyau de plomb au sein de l’isolateur (LRB) et/ou de l’élastomère (HRB) qui est à l’origine de la dissipation d’énergie;

un système de retenue (fusible), au besoin : afin de minimiser les déplacements en service (avec des charges de service pouvant résulter du vent ou de freinage), il convient pour l’isolateur sismique d’avoir une rigidité initiale suffisamment élevée. Certains systèmes peuvent nécessiter un système de retenu, rigide en service, mais qui cède au-delà d’un certain niveau de force bien aiguillé.

Pour effectuer l’isolation sismique de la base sur une structure, il existe notamment les systèmes à base de glissement et ceux à base d’élastomères. Ce sont ces derniers qui nous intéressent en premier lieu dans la présente étude. Celle-ci vise à simuler et explorer lesvariations couplées de leurs comportements hystérétiques et thermodynamiques (Guizani, 2007).

Propriétés mécaniques des matériaux composant les isolateurs sismiques

Propriétés mécaniques de l’acier

L’acier est un alliage métallique à base essentiellement de fer (Fe) et de carbone (C). Le carbone se trouve dans des proportions de 0,02 % à 2 % dans l’alliage et lui confère les propriétés qui définissent l’acier. Au-delà de 2% il s’agit d’un autre alliage à base de fer et de carbone : la fonte. L’acier est également composé de plusieurs autres éléments pouvant intervenir sous forme d’impuretés ou d’éléments d’additions, lesquels modifient les propriétés mécaniques et chimiques de celui-ci. Le module élastique de l’acier à la température ambiante peut être estimé entre 195 et 205 GPa et son coefficient de Poisson à 0,28. Sa masse volumique est d’environ 7850 kg/m³. Sous faibles déformations, son comportement peut être idéalisé par un comportement parfaitement élastique (loi de hooke).

Propriétés mécaniques du plomb

Le plomb (Pb) est un membre du système cristallin cubique et sa structure cristalline est cubique face centrée (CFC). Le plomb possède un comportement élasto-plastique. Le point de fusion du plomb est de 327°C pour des puretés supérieures à 99,94% et de 326°C pour des puretés supérieures à 99,90% (ASM, 1979). Le module élastique du plomb à la température ambiante peut être estimé entre 17 et 18 GPa. Le module de cisaillement est compris entre 5,4 et 7,6 GPa et peut être évalué à 6 GPa. Le coefficient de Poisson est de 0,44 et sa masse volumique est d’environ 11360 kg/m³. La limite élastique à température ambiante est d’environ 10 Mpa (Buckle et al., 2006). Il faut noter que les propriétés élastiques ne peuvent pas être connues avec exactitude même pour des plombs purs de par la difficulté de définir des comportements élastiques pour des matériaux comme le plomb. De plus les propriétés chimiques sont affectées par les impuretés, même pour de très faibles concentrations (Hofmann, 1970; Kalpakidis, 2008).

Il est nécessaire de rappeler que le plomb utilisé dans les LRB est de très grandes puretés avec des valeurs dépassant les 99,9%. Dans le cas où la pureté du plomb est relativement basse (autour de 99%), la composition chimique des impuretés peut alors avoir des effets très importants sur les propriétés du plomb et notamment sur sa résistance à la traction (Kalpakidis, 2008; Kalpakidis et al., 2010).

Propriétés mécaniques du caoutchouc

Les isolateurs sismiques à base d’élastomère utilisent essentiellement le caoutchouc naturel (polyisoprène naturel vierge) en tant qu’élastomère (CSA, 2014). Le caoutchouc naturel est un polymère réticulé qui peut être produit en de nombreux composés avec des propriétés différentes. Il diffère considérablement des autres matériaux : il possède une grande déformation élastique, un très important allongement à la rupture (c’est le matériau le plus déformable connu) et il est pratiquement incompressible (Constantinou et al., 2007). Il possède un comportement viscoélastique non linéaire à de faibles niveaux de déformations. Ce comportement devient hystérétique non linéaire pour de fortes déformations.

Impact de la température sur les propriétés mécaniques des matériaux composant les isolateurs

Les basses températures atteintes durant l’hiver peuvent affecter les propriétés des matériaux et, par conséquent, celles des isolateurs et ainsi modifier leurs performances. Selon la troisième édition du «AASHTO Guide Specifications For Seismic Isolation Design» (AASHTO, 2010) dans le cas des isolateurs en élastomère fretté à noyau de plomb (Lead-Rubber Bearing), la valeur de la force caractéristique Qd est déterminée essentiellement par les caractéristiques du noyau de plomb (sa limite élastique ainsi que sa section). Cependant, sous des conditions de basses températures la contribution du caoutchouc naturel à cette force caractéristique Qd augmente significativement et peut alors s’avérer notable et à prendre en considération. La valeur de la rigidité post-élastique, Kd, dépend des propriétés du caoutchouc, car le plomb est supposé avoir un comportement élasto-plastique parfait. Les propriétés du caoutchouc sont notamment affectées par le vieillissement, la déformation, la fréquence d’essai et la température. Le Guide de l’AASHTO (AASHTO, 2010) indique également que si les isolateurs doivent être installés dans des zones de basses températures, alors des essais de stabilité des isolateurs soumis à un cycle complet de déplacement avec un chargement vertical doivent être réalisés aux températures de -7, -15, -21 ou -26°C selon les zones de températures A, B, C et D définies pour le territoire des États Unis. Avant la réalisation des essais, la température au cœur de l’isolateur doit avoir atteint la température spécifiée (AASHTO, 2010).

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE 
1.1 Philosophie de conception parasismique des ponts au Canada 
1.2 Les technologies d’isolation sismique 
1.2.1 Conception conventionnelle à base fixe (Stratégie d’encaisser le coup)
1.2.2 Conception avec des technologies parasismiques (Stratégie d’éviter le coup)
1.2.2.1 L’usage d’amortisseurs sismiques
1.2.2.2 L’usage de transmetteurs de chocs sismiques
1.2.2.3 L’isolation sismique de la base
1.3 Principaux systèmes de l’isolation sismique de la base 
1.3.1 Les systèmes à base de glissement
1.3.1.1 Systèmes de pendule à friction
1.3.1.2 Systèmes d’isolation à base de glissement avec élastomère confiné
1.3.2 Les systèmes à base d’élastomère
1.3.2.1 Systèmes d’isolation en élastomère fretté
1.3.2.2 Systèmes d’isolation en élastomère fretté à amortissement élevé (HRB)
1.3.2.3 Systèmes d’isolation en élastomère fretté avec noyau de plomb (LRB)
1.3.3 Comportement des systèmes à base d’élastomère
1.3.3.1 Comportement théorique
1.3.3.2 Énergie dissipée par cycle
1.4 Propriétés mécaniques des matériaux composant les isolateurs sismiques 
1.4.1 Propriétés mécaniques de l’acier
1.4.2 Propriétés mécaniques du plomb
1.4.3 Propriétés mécaniques du caoutchouc
1.5 Impact de la température sur les propriétés mécaniques des matériaux composant les isolateurs 
1.5.1 Différents effets de la température sur le comportement des isolateurs à base d’élastomère
1.5.1.1 Effet du réchauffement durant le mouvement cyclique de l’isolateur
1.5.1.2 Effets des basses températures d’exposition et d’essai
1.5.2 Effet de la température sur les propriétés mécaniques de l’acier
1.5.3 Effet de la température sur les propriétés mécaniques du caoutchouc
1.5.4 Effet de la température sur les propriétés mécaniques du plomb
1.6 Propriétés thermiques des matériaux composant les isolateurs sismiques à base d’élastomère
1.7 Effet de la température sur le comportement hystérétique des isolateurs à base d’élastomère 
CHAPITRE 2 TRANSFERT DE CHALEUR : PRINCIPES ET ÉQUATIONS
2.1 Mécanismes fondamentaux de transfert de chaleur 
2.2 Conduction 
2.2.1 Équations de la conduction
2.2.2 Conditions aux limites
CHAPITRE 3 MODÉLISATION 
3.1 Choix du logiciel COMSOL®
3.2 Modélisation des matériaux 
3.2.1 Acier
3.2.1.1 Modélisation du comportement de l’acier
3.2.1.2 Propriétés mécaniques et thermiques de l’acier
3.2.2 Plomb
3.2.2.1 Modélisation du comportement du plomb
3.2.2.2 Propriétés mécaniques et thermiques du plomb
3.2.3 Caoutchouc
3.2.3.1 Modèle choisi pour le caoutchouc
3.2.3.2 Propriétés mécaniques et thermiques du caoutchouc
3.3 Modélisation du transfert de chaleur
3.4 Modélisation de la chaleur générée 
3.4.1 Chaleur générée calculée analytiquement
3.4.2 Chaleur générée calculée numériquement via l’énergie dissipée
3.5 Modèles utilisés pour les simulations
CHAPITRE 4 SIMULATIONS NUMÉRIQUES D’ESSAIS ET DISCUSSION 
4.1 Conditionnement thermique et évolution de la température interne 
4.1.1 Isolateur en élastomère à amortissement élevé (HRB)
4.1.1.1 Géométrie
4.1.1.2 Paramètres de simulation
4.1.1.3 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -7°C
4.1.1.4 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -15°C
4.1.1.5 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -21°C
4.1.1.6 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -26°C
4.1.2 Température interne pour un isolateur en élastomère avec noyau de plomb (LRB)
4.1.2.1 Géométrie
4.1.2.2 Paramètres des simulations
4.1.2.3 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -7°C
4.1.2.4 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -15°C
4.1.2.5 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -21°C
4.1.2.6 Évolution de la température interne de l’isolateur soumis à une température extérieure de -26°C
4.1.3 Interprétation des résultats
4.2 Transfert de chaleur en 2D axisymétrique 
4.2.1 Simulation à basse température : Exemple 4 de Kalpakidis
4.2.2 Simulation à température ambiante : Exemple 1 de Kalpakidis
4.2.3 Simulation à partir du modèle de Takaoka : validation du modèle
4.2.4 Impact des conditions d’essai
4.2.4.1 Température interne de l’isolateur à la fin des essais
4.2.4.2 Distributions de température dans l’isolateur pour trois interfaces par cycle
4.3 Simulation 2D pour les élastomères 
4.3.1 Géométrie, paramètres de simulation et maillage
4.3.2 Simulations pour l’élastomère de type « H1 »
4.3.3 Simulations pour l’élastomère de type « N1 »
4.3.4 Simulations pour l’élastomère de type « SN1 »
4.3.5 Réchauffement de l’élastomère soumis à des chargements cycliques
croissant pour l’élastomère de type «H1»
4.4 Simulation 2D pour les isolateurs en élastomère fretté 
4.4.1 Simulation pour l’isolateur en élastomère fretté à amortissement élevé (HRB)
4.4.1.1 Géométrie, paramètres de simulation et maillage pour le HRB
4.4.1.2 Résultats (HRB)
4.4.2 Simulation isolateur en élastomère fretté avec noyau de plomb (LRB)
4.4.2.1 Géométrie, paramètres de simulation et maillage pour le LRB
4.4.2.2 Résultats (LRB)
4.4.2.3 Impact de l’augmentation de température pour 15 cycles à Tessai = -26°C
CONCLUSION

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