Variation of the mechanical properties of the natural rubber used in bridges’ bearings and seismic isolators in Canada

Yavaritaj, Mohammadreza (2024). Variation of the mechanical properties of the natural rubber used in bridges’ bearings and seismic isolators in Canada. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Seismic base isolation is a widely used earthquake-resistant system to protect structures from earthquake-induced damage, focusing on mitigating the seismic demand. Elastomer-based isolators are one of the common systems used in seismic bridge isolation. Elastomers used in the isolators are mostly classified into two main categories: Polyisoprene (natural rubber) and polychloroprene (synthetic rubber known as neoprene). The mechanical properties of these elastomers play a crucial role in the performance and behaviour of the isolation system. However, these properties are variable, being influenced by several factors, notably low temperatures, aging, as well as fabrication and material source. Exposure to low temperatures increases the stiffness and hysteresis of elastomers, causing variations in their key mechanical properties, which alter the seismic response of the seismic isolators and affect the seismic performance of the structure.

In this study, the variation of mechanical properties of natural rubber, commonly used in seismic isolation applications and laminated bearings for bridges in Canada, is experimentally studied. Four different sources of natural rubber, including aged rubber extracted from recuperated laminated bearings of the original Champlain Bridge and new rubber, are considered to establish the variation of mechanical properties due to source, age, conditioning duration, and test temperature as well as the frequency of cycling. Specimens from each source of natural rubber are conditioned at different temperatures, namely 23ºC, -8ºC, and -30ºC, for different durations, going from 1 hour to 28 days. Experimental tests are conducted, at the conditioning temperatures, on quadruple shear samples. They consist of imposing a sequence of three cyclic shear loading at an increasing strain amplitude ranging from 25 to 150%. Tests were conducted at different frequencies (0.1, 0.25, and 0.5 Hz). Test results are used to extract the key characteristic properties of hysteresis, notably the effective shear modulus and the equivalent viscous damping, as a function of the studied parameters and shear deformation level. Instantaneous stiffening and crystallization curves are constructed. The effects of the studied parameters are investigated and statistical distributions of the mechanical properties of natural rubber are identified. The experimental results show that increasing conditioning time intensifies the stiffening of natural rubber. However, this effect is minimal at -8ºC but more pronounced at very low temperatures (-30ºC). The frequency of cycling has a negligible effect, within the studied range, while aging induces a notable stiffening of the rubber. Additionally, statistical analysis shows that the variations of mechanical properties due to sources and low temperatures (-30ºC), specifically for prolonged conditioning time, are statistically significant. Finally, it is found that the generalized extreme value and lognormal distributions provide the best fit to the mechanical properties (shear modulus) of natural rubber at room (23ºC) and low (-8ºC and -30ºC) temperatures.

Titre traduit

Variation des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel utilisé dans les appuis et isolateurs sismiques pour ponts au Canada

Résumé traduit

L’isolation sismique de la base est un système antisismique largement utilisé pour protéger les structures des dommages induits par les tremblements de terre, en se concentrant sur l’atténuation de la demande sismique au lieu d’augmenter uniquement la capacité de résistance sismique de la structure. Les isolateurs à base d’élastomères sont l’un des systèmes couramment utilisés dans l’isolation sismique des ponts. Les élastomères utilisés dans les isolateurs sont principalement classés en deux catégories principales: Le polyisoprène (caoutchouc naturel) et le polychloroprène (caoutchouc synthétique connu sous le nom de néoprène). Les propriétés mécaniques de ces élastomères jouent un rôle crucial dans les performances et le comportement du système d’isolation. Cependant, ces propriétés sont variables et sont influencées par plusieurs facteurs, notamment les basses températures, le vieillissement, ainsi que la fabrication et la source des matériaux. L’exposition à de basses températures augmente la rigidité et l’hystérésis des élastomères, provoquant des variations dans leurs propriétés mécaniques clés qui modifient la réponse sismique des isolateurs sismiques et affectent la performance sismique de la structure.

Dans cette étude, la variation des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel, couramment utilisé dans les applications d’isolation sismique et les appuis laminés pour les ponts au Canada, est étudiée expérimentalement. Quatre sources différentes de caoutchouc naturel, y compris le caoutchouc vieilli provenant des appuis récupérés du pont Champlain d’origine et le caoutchouc neuf, sont considérées pour établir la variation des propriétés mécaniques en fonction de la source, de l’âge, de la durée du conditionnement, de la température d’essai ainsi que de la fréquence des cycles. Les échantillons de chaque source de caoutchouc naturel sont conditionnés à différentes températures, à savoir 23ºC, -8ºC et -30ºC, pour différentes durées, allant de 1 heure à 28 jours. Des essais expérimentaux sont effectués, aux températures de conditionnement, sur des échantillons à quadruple cisaillement. Ils consistent à imposer une séquence de trois cycles de cisaillement d’une amplitude de déformation croissante allant de 25 à 150 %. Les essais ont été réalisés à différentes fréquences (0,1, 0,25 et 0,5 Hz). Les résultats des essais sont utilisés pour extraire les propriétés caractéristiques clef de l’hystérésis, notamment le module de cisaillement effectif et l’amortissement visqueux équivalent, en fonction des paramètres étudiés et de l’amplitude des déformations. Des courbes de raidissement instantané et de cristallisation sont construites. Les effets des paramètres étudiés sont étudiés et des distributions statitiques des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel sont identifiées. Les résultats expérimentaux montrent que l’augmentation du temps de conditionnement intensifie le raidissement du caoutchouc naturel. Cependant, cet effet est minime à -8ºC mais plus prononcé à très basse température (-30ºC). La fréquence des cycles a un effet négligeable, dans la plage étudiée tandis que le vieillissement induit un raidissement notable du caoutchouc. De plus, l’analyse statistique montre que les variations des propriétés mécaniques due aux sources et aux basses températures (-30ºC), en particulier pour un temps de conditionnement prolongé, sont statistiquement significatives. Enfin, on constate que les distributions de valeurs extrêmes généralisées et log-normales sont les mieux adaptées aux distributions des propriétés mécaniques (module de cisaillement) du caoutchouc naturel à température ambiante (23 °C) et à basses températures (-8 °C et -30 °C).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in construction engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 145-149).
Mots-clés libres:	caoutchouc naturel, isolation sismique, ponts, propriétés hystérétiques, basse température, cristallisation, fréquence, vieillissement, source, distribution statistique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Guizani, Lotfi
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la construction
Date de dépôt:	06 janv. 2025 16:33
Dernière modification:	06 janv. 2025 16:33
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3529

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