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Étude du comportement thermodynamique d'appuis isolateurs sismiques sous chargements cycliques à basses températures

Maret, Alexis (2016). Étude du comportement thermodynamique d'appuis isolateurs sismiques sous chargements cycliques à basses températures. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’isolation sismique de la base permet de découpler le mouvement d’un pont isolé de celui du sol à l’aide d’appuis isolateurs sismiques. L’usage d’isolateurs sismiques permet d’augmenter la période de la structure et donc de l’éloigner de la période critique des séismes. Cependant, la performance sismique d’un pont isolé est gouvernée par le comportement des isolateurs sismiques lequel est directement relié à leurs propriétés hystérétiques. Celles-ci sont influencées par de nombreux facteurs, notamment les basses températures, communes au Canada. Le code canadien des ponts routiers (CSA, 2014) exige d’effectuer des essais à basses températures sur les isolateurs sismiques, mais sans encadrer précisément ces essais. Notamment, l’impact des conditions d’essais n’est pas connu de manière précise. De plus, les propriétés hystérétiques et le comportement des appuis isolateurs sismiques est, le cas échéant, intimement relié à leurs comportements thermodynamiques avec un couplage entre les propriétés mécaniques et la température effective durant l’essai. La présente étude a pour objectif principal le développement d’une modélisation numérique d’appuis sismiques, sous chargements cycliques, à de basses températures permettant d’étudier l’interaction entre la thermodynamique de ces appuis et leurs propriétés hystérétiques mesurées par les essais.

Cette étude s’intéresse à l’isolateur en élastomère fretté à amortissement élevé (HRB) et à l’isolateur en élastomère fretté avec noyau de plomb (LRB). Les propriétés hystérétiques de ces deux isolateurs dépendent du caoutchouc, mais également du plomb pour le LRB. Les comportements de ces deux matériaux ont été modélisés de manière à obtenir des modèles à la fois convenables pour les simulations par éléments finis et représentatifs de la réalité. Les propriétés mécaniques et thermiques ainsi que leurs lois d’évolutions avec la température sont définies et sélectionnées sur la base de recherches dans la littérature. Également, la chaleur générée au sein de ces matériaux, conséquence de l’énergie dissipée pendant les chargements cycliques, a été modélisée. Une série de simulations a permis de valider les modèles créés pour les matériaux et la chaleur générée. Ensuite des simulations pour les deux types d’isolateurs étudiés en modifiant les paramètres ont été réalisées afin de représenter l’impact des basses températures et de certaines conditions d’essai.

Les résultats sont comparés à ceux disponibles dans la littérature pour valider les modèles créés pour les matériaux composant les isolateurs ainsi que la chaleur interne qu’ils génèrent sous le mouvement cyclique. Également, l’impact de la température d’essai sur le comportement des isolateurs a été bien mis en évidence. Pour les HRB, les basses températures entrainent une forte augmentation de l’ensemble des propriétés mécaniques du caoutchouc, ce qui implique une augmentation à la fois de la force caractéristique (Qd) et de la rigidité post-élastique (Kd) des isolateurs. De même pour les LRB, les basses températures augmentent en plus la limite élastique du plomb ce qui, combiné aux effets sur le caoutchouc, provoque une augmentation très importante de la force caractéristique. Enfin, les simulations ont mis en avant la faible chaleur générée au sein du caoutchouc et ce conformément aux études antérieures disponibles dans la littérature. Au contraire, le noyau de plomb subit lui un réchauffement important, amplifié par les basses températures qui augmentent sa limite élastique. Cette augmentation de la température interne des isolateurs soumis à des chargements cycliques est bien visible sur les boucles d’hystérésis des LRB qui présentent une dégradation de la réponse avec les cycles. Dans le cas des appuis HRB, cette dégradation avec les cycles est beaucoup moins évidente et les réponses des cycles successifs sont quasiment identiques. Finalement, nos simulations indiquent que la température des plaques composant la structure d’essai ont peu d’influence sur la réponse thermodynamique et hystérétique des appuis isolateurs en LRB et HRB.

Résumé traduit

Seismic base isolation allows for separating the motion of an isolated bridge of the ground using seismic isolation bearings. The use of such devices allows increasing the vibration period of the structure. This period shift usually moves away the period of the structure from the dominant periods of earthquakes. However, the seismic performance of an isolated bridge is governed by the behavior of seismic isolation bearings which is directly connected to their hysteresis properties. These hysteretic features are influenced by many factors, including low temperatures, commonly experienced in Canada. The Canadian Highway Bridge Design Code (CSA, 2014) requires to carry out tests at low temperatures on isolation bearings but does not closely regulate these tests. In particular, the impact of test conditions is not precisely known. Moreover, the hysteresis properties and behavior of seismic isolation bearings is generally intimately linked to their thermodynamic behavior with a coupling between the mechanical properties and the effective temperature of bearings during the test.

This study's main objective is the development of a numerical modeling of seismic bearings under cyclic loading at low temperatures in order to study and to represent the interaction between their thermodynamics and their hysteresis properties measured by the tests. This study focuses on two types of laminated elastomeric seismic isolation bearings: High damping Rubber Bearings (HRB) and Lead Rubber Bearings (LRB). The hystérésis properties of these two isolators depend on the properties of the rubber, but also on those of the lead of the LRB. The behaviors of these two materials were modeled to obtain representative and effective models suitable for simulations using finite elements. The mechanical and thermal properties and their laws of evolution with temperature are defined and selected on the basis of a literature review. The heat generated in these materials as a result of the energy dissipated during cyclic loading was modeled. A series of simulation has been carried out to validate the models created for materials and heat generation/diffusion. Finally, simulations for both types of isolation bearings, studied by changing the settings, were performed to visualize the impact of low temperatures and some test conditions.

The results are compared to available results in the literature and are used to validate the models created for the materials component of the isolators and heat generated within them. Furthermore, the impact of the test temperature on the behavior of the isolators was investigated. For HRB, low temperatures lead to a sharp increase of all mechanical properties of rubber, which implies an increase of both the characteristic strength (Qd) and the postelastic stiffness (Kd). Similarly, for LRB, low temperatures increase Kd and Qd, as well as the elastic limit of lead which, combined with the rubber effects, causes a highly significant increase in the strength characteristic Qd. The simulations confirmed, as expected through literature review, that the heat generated by rubber is low and can be neglected for LRB bearings. However, the lead core experienced important heating, amplified by the low temperatures that increased its elastic limit. This increase in internal temperature of isolators subjected to cyclic loadings is clearly visible on the hysteresis loops of the LRB that exhibited degradation of the response with each cycle. For HRB bearings this degradation with cycling is much less obvious and the responses of successive cycles are almost identical. Finally, our simulations indicate that the temperature of the plates of the test structure have very little influence on the thermodynamics and hysteretic response of isolators LRB and HRB.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la construction". Bibliographie : pages 161-165.
Mots-clés libres: Ponts Fondations et piles Thermodynamique. Ponts Fondations et piles Matériaux Effets des basses températures sur. Ponts Fondations et piles Thermodynamique Modèles mathématiques. Ponts Fondations et piles Matériaux Propriétés thermomécaniques. Hystérésis. Charges sismiques. Conception parasismique. appui, isolateur, sismique, comportement thermodynamique, paramètres hystérétiques, basses températures, simulations numériques
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Guizani, Lotfi
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 16 déc. 2016 19:40
Dernière modification: 16 déc. 2016 19:40
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1772

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