Soutenance mémoire
Cette thèse a été motivée par diverses questions qui se posent quant à l’utilisation de la méthode de l’isolation sismique dans l’industrie nucléaire. En effet, le risque sismique est un facteur important à prendre en compte lors de la conception d’une nouvelle installation nucléaire ou de la réévaluation d’une installation existante. La protection passive d’une structure vis-à-vis du risque sismique peut être obtenue avec trois méthodes de conception différentes :
− La structure est dotée d’une résistance suffisante pour qu’elle résiste au séisme tout en restant dans le domaine élastique linéaire.
− La structure est dotée d’une capacité de déformation post-élastique suffisante (qu’on appelle souvent, par abus de langage, ductilité) pour résister à la sollicitation sismique en acceptant un certain niveau de dommage.
− L’excitation sismique est filtrée à des endroits précis à l’aide des dispositifs spécifiques. Ce filtrage peut être effectué par déformation élastique ou inélastique. Il s’agit de l’isolation sismique (par exemple patins à élastomère ou à frottement à la base de la structure) et des ces variantes (par exemple dispositifs métalliques plastifiant à des endroits stratégiques).
Bien qu’assez différente au niveau de la conception et de la réalisation pratique, cette troisième méthode est tout à fait identique aux deux premières du point de vue de la physique. Ceci est évident si l’on conçoit la structure sismiquement isolée, comme étant l’ensemble de la structure principale et des dispositifs spécifiques. A titre d’exemple, dans le cas d’isolation sur appuis à frottement, la structure résiste grâce au comportement non-linéaire de frottement, exactement de la même façon qu’une structure ductile résiste grâce à sa capacité de déformation inélastique. De même, une structure sur appuis à élastomère n’est qu’un cas particulier d’une application intelligente de la première méthode.
Par son principe, l’isolation sismique diminue, dans la plupart des cas, la sensibilité de la réponse sismique à des modifications des caractéristiques de la structure, ce qui permet une plus grande souplesse de modifications et d’interventions dans les phases d’étude, de construction ou même d’exploitation. De plus, certains types de dispositifs ont la propriété de conduire à des sollicitations sismiques dans la structure qui, dans une certaine mesure, sous réserve de comportement quasi linéaire de la structure, sont peu sensibles au niveau sismique d’entrée, ce qui, bien évidemment, avantage la « portabilité » d’installations nucléaires, telles que les réacteurs de la nouvelle génération (Génération IV), en s’affranchissant, en partie, du niveau de sismicité particulier de chaque site. L’application de l’isolation sismique aux réacteurs de nouvelle génération fait l’objet de recherches à l’étranger, notamment au Japon [1, 2]. Malgré la recherche effectuée pendant les dernières années dans ce domaine, plusieurs questions restent ouvertes quant au comportement des structures isolées. Ces questions concernent d’une part la vulnérabilité de ces structures, due à une excursion (inattendue) dans le domaine post-linéaire et d’autre part, des phénomènes qui peuvent aboutir à une excitation significative des modes non isolés.
Isolation par appuis élastomères
Appuis élastomères simples (LDRB – « Low Damping Rubber Bearings »)
Les appuis élastomères simples (LDRB – « Low Damping Rubber Bearings ») sont des blocs situés entre le support et la structure. Ils sont assimilables à des ressorts rigides dansla direction verticale et souples dans les directions horizontales. En ne considérant que son premier mode, la structure sur appuis se comporte vis-à-vis du séisme horizontal comme un oscillateur à 1 degré de liberté à basse fréquence qui est égale approximativement à celle des appuis. La gamme de fréquences conseillée se situe entre 0.33 Hz et 1 Hz. Le choix de la fréquence d’isolation résulte d’un compromis entre l’accélération maximale admissible (tenue des structures isolées) et le déplacement maximal admissible (tenue des appuis et déplacements différentiels des structures isolées par rapport aux structures avoisinantes). Il faut aussi éviter d’exciter de manière excessive les structures internes à basses fréquences (longues lignes de tuyauteries, vagues de ballotement (sloshing) des piscines etc.).
L’amortissement structurel de ces appuis est en général inférieur à 7%. Une augmentation de cet amortissement permettrait de réduire l’amplitude de la réponse. Une telle augmentation peut passer par :
− L’ajout d’additifs dans la composition de l’élastomère
− L’insertion de plots en plomb dans l’appui
− L’addition d’amortisseurs externes à l’appui
Les avantages des appuis élastomères sont :
− Le choix d’une fréquence basse (entre 0.33 Hz et 1 Hz) permet de s’éloigner des zones de pics de spectres classiques et de diminuer de façon efficace le niveau d’accélération transmis à la structure et ses internes.
− Tant que l’intégrité de l’élastomère peut être assurée, il n’y a pas de déplacement incontrôlé de la structure (comme pour certains systèmes de glissement). La structure revient en position après séisme. Les inconvénients des appuis élastomères sont :
− La raideur et le coefficient d’amortissement sont sensibles à de larges variations climatiques. Les caractéristiques du matériau élastomère évoluent aussi avec l’âge [14].
− Le déplacement de la structure en séisme est fortement augmenté et cela peut conduire à des phénomènes d’instabilité des appuis (flambage, roulement) si le déplacement a été sous-estimé lors du dimensionnement.
Appuis élastomères à fort amortissement (HDRB – « High Damping Rubber Bearings »)
Les progrès faits dans la technologie du caoutchouc ont permis de développer des appuis ayant des capacités d’amortissement plus importantes (coefficient d’amortissement supérieur à 10%) et un module de cisaillement réduit. Ces caractéristiques permettent d’assurer à la fois la fonction d’isolation et celle de dissipation dans un même appui. Elles sont obtenues par l’ajout d’additifs de type résine ou huile au matériau élastomère. Les HDBR ont été principalement développés aux USA, au Japon et en Italie. Les expériences menées ont démontré qu’un tel système pouvait être boulonné aux structures béton sans craindre d’endommagement significatif du matériau dû au fait qu’une contrainte de traction puisse alors y apparaître. Les avantages et inconvénients d’un tel système sont sensiblement les mêmes que pour des appuis simples, à quelques exceptions près :
− L’amortissement des appuis permet une meilleure maîtrise des déplacements sans ajout de systèmes amortisseurs externes.
− Les caractéristiques de ces appuis étant moins linéaires, la fréquence d’isolation dépend du chargement qui leur est appliqué.
− Ces appuis étant moins courants, ils sont plus chers.
Systèmes de contrôle semi-actif dans l’isolation sismique (SAC – « Semi-Active Control »)
Les systèmes de contrôle semi-actif (SAC – « Semi-Active Control ») suscitent beaucoup d’intérêt dans les années récentes grâce à une adaptabilité comparable (dans une certaine mesure) à celle des systèmes de contrôle actif (AC – « Active Control ») mais avec une faible demande d’énergie. En fait, de nombreux systèmes SAC peuvent fonctionner avec une batterie d’accumulateurs. Cela est critique lors d’un séisme quand la source d’énergie principale tombe en panne. La fiabilité des systèmes SAC est aussi un avantage par rapport aux systèmes AC car ils peuvent fonctionner comme des systèmes passifs dans les situations extrêmes. Ces avantages résultent du principe des systèmes SAC, qui consiste à changer, en temps réel, les caractéristiques de la structure à contrôler, au lieu d’appliquer directement une force pour changer l’excitation comme dans le cas des systèmes AC. Aujourd’hui, il existe différents types de dispositifs SAC proposés pour contrôler les structures en génie civil. Nous les divisons en deux familles principales :
− Systèmes dissipatifs variables.
− Systèmes à rigidité variable.
|
Table des matières
Table des matières
Remerciements
Table des matières
Liste des figures
Liste des tableaux
Chapitre 1. Introduction
Chapitre 2. Présentation des différents types de systèmes d’isolation sismique
2.1. Systèmes d’isolation sismique passifs
2.1.1. Isolation par appuis élastomères
2.1.2. Isolation par frottement pur
2.1.3. Isolation par alliages à mémoire de forme (SMA – « Shape Memory Alloys »)
2.1.4. Isolation par boîtes à ressorts
2.2. Systèmes de contrôle actif dans l’isolation sismique (AC – « Active Control »)
2.3. Systèmes de contrôle semi-actif dans l’isolation sismique (SAC – « Semi-Active Control »)
2.3.1. Systèmes dissipatifs variables
2.3.2. Systèmes à rigidité variable
2.4. Conclusions
Chapitre 3. Études comparatives sur la vulnérabilité et les spectres de plancher entre structures sismiquement isolées et structures conventionnelles
3.1. Modèle de calcul
3.1.1. Appuis d’isolation
3.1.2. Structure conventionnelle et superstructure
3.2. Simulations de Monte Carlo
3.2.1. Probabilité de défaillance
3.2.2. Spectres de plancher
3.3. Conclusions
Chapitre 4. Rôle de l’amortissement dans l’isolation sismique
4.1. Amortissement visqueux
4.1.1. Système à un degré de liberté (DDL)
4.1.2. Système à deux degrés de liberté (DDL)
4.2. Amortissement par frottement
4.2.1. Système à un degré de liberté (DDL)
4.2.2. Système à deux degrés de liberté (DDL)
4.3. Conclusions
Chapitre 5. Systèmes d’isolation mixte
5.1. Algorithmes de contrôle optimal
5.1.1. Représentation d’un système de contrôle dans l’espace de variables d’état
5.1.2. Méthode LQR (« Linear Quadratic Regulator »)
5.1.3. Observateurs
5.1.4. Méthode LQG (« Linear Quadratic Gaussian »)
5.2. Applications à un système à deux degrés de liberté (DDL)
5.2.1. Modèle à deux degrés de liberté (DDL)
5.2.2. Conception du contrôleur actif LQR
5.2.3. Conception des contrôleurs actifs LQG
5.2.4. Conception des contrôleurs semi-actifs
5.2.5. Résultats
5.3. Applications à un système à plusieurs degrés de liberté (DDL)
5.3.1. Effets de débordement (« spillover »)
5.3.2. Modèle à plusieurs degrés de liberté (DDL)
5.3.3. Conception des contrôleurs actifs et semi-actifs
5.3.4. Résultats
5.4. Conclusions
Chapitre 6. Amortisseur magnéto-rhéologique
6.1. Fluides magnéto-rhéologiques (MR)
6.2. Fonctionnement de l’amortisseur magnéto-rhéologique (MR)
6.3. Comportement de l’amortisseur magnéto-rhéologique (MR)
6.4. Choix du modèle de l’amortisseur magnéto-rhéologique (MR)
6.5. Influence du courant électrique sur le modèle d’amortisseur magnéto-rhéologique (MR)
6.6. Identification des paramètres et contrôle de l’amortisseur magnéto-rhéologique (MR)
6.7. Conclusions
Chapitre 7. Expériences de contrôle semi-actif
7.1. Montage expérimental
7.2. Caractérisation de la maquette
7.3. Essais de contrôle semi-actif
7.4. Résultats expérimentaux et interprétation numérique
7.5. Conclusions
Chapitre 8. Synthèse et perspectives
8.1. Synthèse
8.2. Perspectives
Références
Télécharger le rapport complet
