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Comportement sous basses températures des composés en élastomère utilisés dans les isolateurs sismiques de ponts

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Ankik, Djamel (2019). Comportement sous basses températures des composés en élastomère utilisés dans les isolateurs sismiques de ponts. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les systèmes d’isolation sismique à base d’élastomères sont des plus utilisés pour protéger les structures de ponts des séismes. Leur utilisation permet d'introduire une flexibilité latérale contrôlée au niveau du lien entre la superstructure et l'infrastructure (piles/culées) et un amortissement additionnel au besoin. Ces systèmes peuvent être groupés en trois types : isolateur en élastomère fretté (RB), isolateur en élastomère à amortissement élevé (HDRB) et isolateur en élastomère à noyau de plomb (LRB). Ils sont typiquement composés d'une succession de couches d'élastomères et plaques en acier minces avec un noyau de plomb pour le LRB. Les élastomères permis et utilisés au Canada sont à base de polyisoprène (caoutchouc naturel (NR)) ou de polychloroprène (néoprène (CR)). Une formulation à base de caoutchouc naturel avec des additifs permet d’obtenir un composé caractérisé par un amortissement élevé, dit HDNR, permettant une plus grande dissipation d’énergie sismique par hystérésis. Or, le comportement de ces élastomères est fortement influencé par les basses températures, telles celles rencontrées au Canada. Elles causent des augmentations de la rigidité et de l’aire de la courbe d’hystérésis des élastomères, entraînant de ce fait des changements dans les propriétés mécaniques des isolateurs sismiques et impactant ainsi la protection sismique des ouvrages.

Dans cette étude, le comportement mécanique sous basses températures de trois formulations d’élastomères déjà utilisés et/ou en développement pour des applications d'isolation sismique au Canada, de type NR et HDNR, est étudié expérimentalement. Les tests sont conduits sur des échantillons d’élastomère à échelle réduite soumis à des cycles de charge/décharge en cisaillement à plusieurs niveaux de déformations (25 à 150%), après exposition à différentes températures (20°C, -8°C et -30°C) pour différentes durées de conditionnement (15 minutes à 14 jours). En outre, l’effet des basses températures sur la réponse sismique des ponts isolés avec isolateurs en élastomères de type LRB et HDRB est étudié numériquement. A cet effet, des analyse dynamiques non linéaires sont réalisées sur une structure de pont, modélisée par un système à un dégrée de liberté, en considérant les propriétés nominales (à température ambiante, soit 20°C) et modifiées dues aux basses températures. Les résultats de l’étude expérimentale montrent que le caoutchouc naturel à faible amortissement (NR) subit moins de rigidification instantanée et globale que les deux composés à amortissement élevé (HDNR). Cependant, il est plus sensible à la durée d'exposition (phénomène de cristallisation) à très basses températures. Les résultats des analyses temporelles indiquent que les basses températures peuvent entrainer des augmentations considérables des forces sismiques transmises par le système d’isolation à la sous-structure d’un pont. L’augmentation de ces forces dépend fortement du type et formulation chimique de l’élastomère, et est plus importante pour les élastomères du type HDNR que pour le type NR.

Titre traduit

Low-temperature behaviour of elastomer compounds used in bridge seismic isolation bearings

Résumé traduit

Elastomeric seismic base-isolation systems are widely used to protect bridge structures from earthquake damage. Their use allows the introduction of controlled lateral flexibility at the link between the superstructure and the substructure (piers/abutments) and additional damping if needed. These systems may be classified into three types: Elastomeric isolators (RB), high damping elastomeric isolator (HDRB), and lead rubber isolators (LRB). They are typically composed of a succession of elastomer layers and thin steel plates with a lead core for the LRB. Elastomer compounds permitted and used in Canada are based on polyisoprene (natural rubber (NR)) or polychloroprene (synthetic rubber known as neoprene (CR)). A natural rubber-based formulation with additives provides a high damping rubber compound, referred to as HDNR, for an enhanced seismic energy dissipation capacity. However, the behaviour of these elastomers is strongly influenced by low temperatures, such as those encountered in Canada. They cause increases in the stiffness and the hysteresis response of elastomers, thereby causing changes in the mechanical properties of seismic isolators and thus influencing the seismic protection of structures.

In this study, the mechanical behaviour under low temperatures of three elastomer formulations made of NR and HDNR already used and/or in development for seismic isolation applications in Canada is experimentally studied. The tests are conducted on reduced scale elastomer samples subjected to shear loading cycles at several levels of deformation (25 to 150%), after exposure to different temperatures (20°C, -8°C and -30 ° C) for different conditioning durations (15 minutes to 14 days). In addition, the effect of low temperatures on the seismic response of isolated bridges with elastomer isolators composed of LRB and HDRB type is numerically studied. To this end, nonlinear dynamic analyses were performed on a bridge structure, modeled by a single degree of freedom, considering the nominal properties (at room temperature, namely 20°C) and modified due to the low temperatures. The results of experimental study show that low damping natural rubber (NR) experiences less instantaneous and overall stiffening due to low temperature than the two high damping rubber compounds (HDNR) studied. However, it is more sensitive to the duration of exposure to very low temperatures (crystallization phenomenon). The results of the numerical analyzes demonstrate that the low temperatures effects on elastomeric isolation bearings can results into considerable increases in the seismic forces transmitted by the isolation system to the substructure of a bridge. The increase of these forces depends strongly on the type and chemical formulation of the elastomer, and is more important for HDNR elastomers type than for NR type.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 148-151).
Mots-clés libres: élastomère, isolateurs sismiques, propriétés hystérétiques, basses températures, réponse sismique des ponts isolés
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Guizani, Lotfi
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt: 11 sept. 2019 18:50
Dernière modification: 11 sept. 2019 18:50
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2361

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