Architecture des échantillons
Afin de pouvoir comprimer l'échantillon de façon constante et le déformer simultané- ment en cisaillement, une architecture d'échantillon bicouche a été choisie. Les échantillons consistent ainsi en un sandwich de deux couches de matériau amortissant comprises entre deux plaques d'acier extérieures et une plaque centrale. L'insertion d'une plaque d'acier centrale au sein de l'échantillon étant assez difficile lors du processus de fabrication, les échantillons utilisés sont composés de deux demi-échantillons identiques, assemblés par la suite pour former l'échantillon final. L'architecture exacte des échantillons est illustrée à la figure 3.1, ainsi qu'un des échantillons fabriqués. Un dessin de définition détaillé des demi-échantillons est fourni en annexe A. Chaque demi-échantillon est ainsi composé d'un sandwich acier-matériau amortissant-acier, et les deux demis échantillons sont assemblés par la suite par quelques points de soudure, visibles sur la figure 3.1, suffisamment éloignés du matériau pour ne pas l'endommager par chauffage lors de la soudure.
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(a) vue éclatée (schéma Solidworks)
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(b) vue isométrique (c) Vue de côté
Figure 3.1 - Echantillon de earactérisation
Montage de earactérisation
La figure 3.2 présente des vues d'ensemble du montage de earactérisation (schéma 3D SolidWorks et photo du montage final). Le montage repose sur une table robuste et est
placé dans un local dont la température peut être contrôlée. Les actionneurs principaux du montage sont deux vérins identiques, MTS 244-22, l'un disposé à l'horizontale pour assurer le travail de l'échantillon en cisaillement, l'autre à la verticale pour le travail en compression. Les deux vérins ont une capacité de 100/ciV chacun, une amplitude de déplacement permise de 152 Âmm, et peuvent travailler en dynamique sur une plage de fréquence maximum de 0 Hz à 15.
La figure 3.3 présente des vues rapprochées de la partie fonctionnelle du montage de earactérisation, centrée sur l'échantillon à caractériser. Ces figures illustrent la mise en position et le maintien de l'échantillon ainsi que le principe de fonctionnement du montage.
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(a) schéma Solidworks (b) montage.' final assemblé
Figure 3.2 - Vues générales du montage de caractérisation
l'échantillon (constituée des grandes plaques d'acier des deux demi-échantillons assemblés)
permet la connexion de l'échantillon au vérin de cisaillement. Cette connexion s'effectue par l'intermédiaire d'une fixation symétrique sur le vérin dont la hauteur par rapport à la table est ajustable pour s'adapter aux différentes épaisseurs de matériau et à une éventuelle compression des échantillons. L'effort de cisaillement est ainsi toujours transmis dans le plan de symétrie de l'échantillon, et ne peut donc pas créer de moment parasite. Les plaques d'acier extérieures de l'échantillon, plaques supérieures et inférieures, permettent la fixation rigide de ses bases : chacune des plaques est prise en tenaille, sur les côtés
Perpendiculaires à la direction de l'effort de cisaillement entre deux mâchoires ajustables
pour s'adapter à différentes dimensions d'échantillons. Le montage peut accueillir des échantillons de toutes les dimensions requises dans le cahier des charges : L de 50 mm à 150 mm, l de 50 mm à 150 mm et h de 5 mm à 20 mm. Une fois l'échantillon maintenu en position, le déplacement de la plaque centrale imposé par le vérin de cisaillement permet de faire travailler en cisaillement pur et en parallèle les deux couches de matériau amortissant. Le protocole d'installation de l'échantillon dans le montage est relativement lourd, et la
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E O O ©(a) vue en coupe (schéma Solidworks) (b) échantillon en place et LVDT externe
Figure 3.3 - Installation des échantillons dans le montage de caractérisation
travail. La procédure est la suivante :
1. Initialisation : vérin vertical totalement rétracté et vérin horizontal à mi-course.
Mesure des dimensions exactes de l'échantillon. Réinitialisation du capteur de force
du vérin vertical.
2. Mise en place de l'échantillon dans le montage en effectuant un préserrage des connexions de la plaque centrale avec le vérin de cisaillement (un léger jeu doit être conservé pour les ajustements finaux). Réinitialisation du capteur de force du
vérin horizontal.
3. Compression initiale voulue de l'échantillon grâce au vérin vertical. Initialisation du capteur de déplacement du vérin vertical au contact du vérin avec l'échantillon. 4. Serrage final des connexions de la plaque centrale au vérin de cisaillement. 5. Serrage des mâchoires pour les plaques d'acier inférieure et supérieure.
6. Réinitialisation des capteurs de déplacement horizontaux. Instrumentation, contrôle et acquisition
équivalentes, les efforts et les déplacements verticaux et horizontaux appliqués aux échan- tillons sont mesurés. Les vérins MTS 244-^2 sont directement équipés de cellules de charge à leur extrémité fournissant les efforts exercés sur l'échantillon. Ils intègrent également des LVDT mesurant la course de l'arbre du vérin qui correspond théoriquement à la défor- mation subie par l'échantillon. Le LVDT du vérin vertical a été utilisé directement pour mesurer la déformation en compression de l'échantillon. Dans le cas du vérin horizontal, des jeux et de légères déformations ont été constatés dans la connexion de l'échantillon au vérin, augmentant artificiellement la déformation en cisaillement mesurée pour l'échan-
tillon. Un LVDT extérieur (±25mm), visible à la figure 3.3b, fixé d'un côté au bâti et de
l'autre à la plaque centrale de l'échantillon, a donc été utilisé pour obtenir une mesure
directe de la déformation réelle en cisaillement.
La figure 3.4 présente l'unité de contrôle du montage de caractérisation. Celle-ci com- prend un distributeur hydraulique MTS 290 Hydraulic Service Manifold relié aux vérins et gouverné par un ensemble de trois blocs de contrôle MTS : un générateur de fonction MTS
410.80, et deux consoles de contrôle MTS 458.20 (une pour chaque vérin). Le montage
peut ainsi être piloté en contrôle de force ou en contrôle de déplacement, et envoyer une excitation sinusoïdale, triangulaire, carrée, ou une simple rampe à l'échantillon. Le nombre de cycles pour les excitations dynamiques, ou le taux de chargement pour une rampe sont
naturellement contrôlables.
L'acquisition des données mesurées est effectuée par une unité Inter Technology System 6000 - model 6100 connectée à un ordinateur muni du logiciel d'acquisition correspondant Strain Smart 6000. L'unité d'acquisition est présentée à la figure 3.4c.
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(a) MTS 290 Hydraulic Service Manifold (b) contrôleurs MTS
(c) système d'acquisition
3.2 Protocole d'essais
3.2.1 Conditions "normales" d'essai
Chaque essai de caractérisation vise à tracer la caractéristique force - déformation d'une
des couches de matériau amortissant de l'échantillon (courbe d'hystérésis). Les excitations
dynamiques comportent toujours 100 cycles sinusoïdaux en contrôle de déplacement, dont
on utilise les courbes des cycles 50 à 70 (cycles stables) pour déterminer les paramètres vis-
coélastiques équivalents à partir des équations 3.1, 3.2 et 3.3. Les variables dont on étudie l'influence sur le comportement mécanique du caoutchouc varient d'un essai à l'autre selon l'objectif de l'essai. Une seule variable est modifiée à chaque essai, les autres conservant
des valeurs définissant les conditions normales d'essai :
- Température du matériau T° ~ 24° C (température ambiante du local d'essai),
contrôlée avant chaque essai à la surface de l'échantillon par un thermomètre la-
ser.
- Dimensions normales des échantillons : A = 100mm ? 100mm et h — 10mm.
- Aucune compression initiale.
- Taux de déformation (7) de 20%, 50% et 80%.
- Fréquence d'excitation / = 4 Hz, soit une période d'excitation T = 0.25 s corres- pondant à la période du bâtiment expérimental du projet sur table sismique effectué par Olivier Gauron équipé d'amortisseurs, estimée en début de projet.