Systèmes d’isolation sismique passifs

 Systèmes d’isolation sismique passifs

L’idée de l’isolation sismique à la base (introduire de la flexibilité autorisant un déplacement relatif important de la structure par rapport à sa fondation au lieu de renforcer les structures pour résister aux séismes) a été proposée il y a au moins un siècle. Les premières tentatives d’isolation sismique ont été réalisées dans les années 1920 [14]. Ici, sans prétendre à une revue exhaustive, nous allons présenter quelques dispositifs qui sont actuellement appliqués dans la pratique.

Isolation par appuis en élastomère

Les appuis en élastomère fretté ont été utilisés pour la première fois en Macédoine en 1969 [15]. Situés entre le support et la structure, ces appuis sont très rigides dans la direction verticale mais souples dans les directions horizontales (la rigidité verticale est environ 400-1000 fois la rigidité horizontale). Vis-à-vis des composantes horizontales du séisme, les appuis fonctionnent comme un filtre passe-bas. Leur gamme de fréquences se situe entre 0.3 Hz et 1 Hz. La fonction des appuis est donc d’isoler la superstructure de la composante horizontale du mouvement de sol, qui est, en général, la composante avec le plus grand potentiel d’endommagement. La composante verticale, en théorie, devrait être transmise à la superstructure telle quelle. Néanmoins, en pratique, à cause de l’inévitable souplesse des appuis, une amplification de la réponse verticale peut être observée dans la direction verticale. Grâce à leur longévité, fiabilité et résistance aux facteurs environnementaux les appuis en élastomère ont gagné la confiance des concepteurs. C’est pourquoi, beaucoup de bâtiments en Europe, aux États-Unis et au Japon ont été construits sur des appuis en élastomère.

Trois types d’appuis en élastomère sont couramment rencontrés : les appuis en élastomère à faible amortissement (LDRB – Low Damping Rubber Bearings), les appuis en élastomère à fort amortissement (HDRB – Hight Damping Rubber Bearings) et les appuis en élastomère avec noyau de plomb (LRB – Lead plug Rubber Bearings) .

Les appuis à faible amortissement (LDRB) sont constitués de fines couches de caoutchouc naturel ou de néoprène qui sont vulcanisées et liées à des plaques en acier (Figure 2-1). Une couverture en caoutchouc entoure et protège l’ensemble de couches de caoutchouc et de plaques en acier situées à l’intérieur contre la dégradation de l’environnement. Ils possèdent un amortissement faible, équivalent à un taux d’amortissement critique d’environ 2-5%. À cause de leur faible amortissement leur déformation peut être importante conduisant à des phénomènes d’instabilité. Pour limiter leur déformation ils sont souvent utilisés en parallèle avec des systèmes de dissipation supplémentaires.

Les appuis à fort amortissement (HDRB) ont une constitution similaire à celle des appuis précédents mais leur capacité dissipative est plus élevée grâce à une composition spécifique du caoutchouc qui intègre, par exemple, des additifs de type résine ou huile. Leur amortissement équivalent est de 10% à 20%. Permettant une meilleure maitrise des déplacements de la base sans ajouter des systèmes supplémentaires, les HDRB ont été appliqués pour la première fois aux États-Unis en 1986. Néanmoins leur comportement est fortement non-linéaire est plus compliqué à modéliser que celui des LDRB. Actuellement, ils sont largement utilisés aux ÉtatsUnis, au Japon et en Italie.

Appuis en élastomère avec noyau de plomb (LRB) : un développement considérable sur l’isolation sismique par appuis en élastomère a été réalisé en Nouvelle-Zélande en 1975 [14, 15]. Il a donné naissance à des appuis en élastomère avec noyau de plomb qui sont des LDRB avec un ou plusieurs trous préformés. Des noyaux de plomb sont ensuite insérés dans ces trous. Les noyaux de plomb produisent une augmentation de la dissipation d’énergie grâce à leur plastification. Pour de faibles sollicitations, le plomb reste dans le domaine élastique et, par conséquent, les appuis LRB sont plus rigides que les LDRB.

Isolation par glissement

Les appuis à frottement représentent une autre technique d’isolation sismique. Ces appuis supportent le poids de la structure par un support qui repose sur une interface glissante. En général, ils sont fabriqués avec des matériaux à faible coefficient de frottement. La plupart utilisent le polytétrafluoroéthylène (PTFE) et l’acier inoxydable comme matériaux d’interface [16]. Quand l’excitation horizontale est supérieure à la force de frottement statique, il y a glissement entre la structure et son support. Ce phénomène limite la transmission de la force horizontale à travers l’interface de glissement, ce qui produit l’effet d’isolation. Néanmoins, les appuis à frottement ont besoin d’une force de rappel pour limiter le déplacement résiduel de la structure après séisme. Cette force de recentrage peut être réalisée par un dispositif élastique supplémentaire ou bien par la géométrie de l’appui comme c’est le cas pour les pendules de frottement (FPS – Friction Pendulum System) (Figure 2-3). Un pendule de frottement est composé d’une surface sphérique concave en acier inoxydable sur laquelle glisse un patin articulé dont la surface est recouverte d’un métal à faible coefficient de frottement ou de PTFE. Le patin est relié à la structure par des plaques d’ancrage et supporte la charge verticale. La force de rappel est générée grâce au poids propre quand la structure « monte » le long de la surface sphérique, alors que l’énergie est dissipée par frottement.

Dispositifs à rigidité négative NSD (« Negative Stiffness Devices »)

La philosophie de la conception parasismique moderne (du moins pour les structures hors nucléaire) consiste à ne pas demander aux bâtiments de résister de façon élastique à des évènements majeurs. Les structures sont dimensionnées pour des efforts inférieurs, en acceptant leur excursion dans le domaine post-élastique et un certain niveau de dommage. En s’inspirant de cette philosophie, une méthode de réduction de la résistance a été présentée par Reinhorn et al. [20] et Viti et al. [21]. Il s’agit de diminuer la résistance du bâtiment en déconnectant ou en affaiblissant quelques éléments structuraux et d’ajouter des amortisseurs supplémentaires pour éviter des déplacements excessifs. Les auteurs ont montré que cette technique permet de diminuer à la fois les déplacements et les accélérations (ce qui peut avoir un effet bénéfique pour les équipements) de la structure. Néanmoins, l’excursion dans le domaine post-élastique, même limitée par les amortisseurs, peut induire des dommages ainsi que des déformations permanentes. Pour éviter cet inconvénient, la diminution de la résistance peut être obtenue non pas par la non-linéarité matérielle des éléments structuraux mais en ajoutant des dispositifs à rigidité négative NSD («Negative Stiffness Devices ») [17, 18, 19, 22, 23]. Un dispositif NSD est capable de créer des forces dans le sens du mouvement au lieu de s’y opposer. Les dispositifs NSD proposés par Sarlis et al. [17, 18] et Sun et al. [19] sont présentés dans la Figure 2-4. Ils ont des ressorts précomprimés qui peuvent développer des forces dans la direction du mouvement à l’aide d’une plaque pivotante (Figure 2-4a) ou d’une surface courbe (Figure 2-4b). L’évolution de la force en fonction du déplacement de ces dispositifs NSD est illustrée dans la Figure 2-5. La rigidité du dispositif est nulle ou faiblement positive pour assurer une quantité de rigidité positive raisonnable du système « structure-dispositif » tant que les déplacements restent petits, inférieurs à une limite u’y (segment 0-1). Cela permet au système de satisfaire aux exigences de fonctionnement, par exemple, limiter les déplacements sous l’action du vent. Au-delà de u’y, le dispositif NSD produit une rigidité négative (segment 1-2 et 2-3). Quand le déplacement continue à augmenter (au-delà de u2), l’amplitude de la force diminue. C’est-à-dire que dans le cas des sollicitations très fortes, la rigidité augmente voire devient positive (segment 3-4-5) pour assurer la stabilité du système.

Table des matières

CHAPITRE 1. INTRODUCTION
CHAPITRE 2. ÉTATS DE L’ART ET DE LA PRATIQUE
2.1 Systèmes d’isolation sismique passifs
2.1.1 Isolation par appuis en élastomère
2.1.2 Isolation par glissement
2.1.3 Dispositifs à rigidité négative NSD (« Negative Stiffness Devices »)
2.2 Contrôle actif de structures
2.2.1 Contrôle LQR (« Linear Quadratic Regulator »)
2.2.2 Contrôle LQG (« Linear Quadratic Gaussian »)
2.2.3 Versions « enrichies » du contrôle LQR
2.2.4 Contrôle SMC (« Sliding Mode Control »)
2.2.5 Contrôle prédictif (MPC – « Model Predictive Control »)
2.2.6 Contrôle actif basé sur l’algorithme du placement des pôles
2.3 Contrôle semi-actif de structures
2.3.1 Systèmes à amortissement variable
2.3.2 Systèmes à rigidité variable
2.3.3 Systèmes à frottement variable
2.3.4 Algorithmes de contrôle semi-actif
2.3.5 Implémentation des systèmes de contrôle semi-actif
2.4 Conclusions
CHAPITRE 3. ISOLATEUR DE RELAXATION
3.1 Système à un degré de liberté
3.2 Système à deux degrés de liberté
3.3 Spectres de plancher
3.4 Réalisation physique de l’isolateur de relaxation
3.5 Conclusions
CHAPITRE 4. METHODES DE CONTROLE POUR LE SYSTEME D’ISOLATION SISMIQUE MIXTE SEMI-ACTIF
4.1 Modèle de la structure
4.2 L’algorithme de contrôle semi-actif « feedback-feedforward » (FB-FF)
4.3 Contrôle non-linéaire quadratique inhomogène optimal (NLQI)
4.3.1 Contrôle optimal des structures sismiquement excitées
4.3.2 Modèle autorégressif de l’excitation
4.3.3 Spectres de plancher
4.4 Contrôle adapté aux caractéristiques de l’excitation
4.4.1 Stratégie heuristique de contrôle
4.4.2 Spectre de plancher
4.5 Couplage entre excitation verticale et réponse horizontale
4.5.1 Présentation du mécanisme de couplage
4.5.2 Spectres de plancher
4.6 Conclusions
CHAPITRE 5. CONSIDERATIONS SUR L’APPLICATION PRATIQUE DU CONTROLE SEMI-ACTIF DANS L’ISOLATION SISMIQUE
5.1 Estimation des variables d’état
5.1.1 Observation du système linéaire
5.1.2 Observation du système bilinéaire
5.1.3 Spectres de plancher
5.2 Structures à plusieurs DDL
5.2.1 Modèle fin et modèle réduit de la structure isolée
5.2.2 Étude des effets de débordement
5.3 Contrôle semi-actif d’un système d’isolation à plusieurs dispositifs
5.3.1 Contrôle « clipped-optimal » de plusieurs amortisseurs
5.3.2 Contrôle NLQI de plusieurs amortisseurs
5.3.3 Benchmark d’un bâtiment sismiquement isolé
5.4 Temps de retard
5.4.1 Effets du temps de retard sur l’efficacité du contrôle
5.4.2 Compensation du temps de retard
5.5 Conclusions
CHAPITRE 6. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
6.1 Conclusions
6.2 Perspectives
BIBLIOGRAPHIE

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