Synthèse

Le but de cette thèse est d’approfondir la physique et d’essayer d’améliorer le comportement des installations industrielles sismiquement isolées. Les objectifs principaux sont :

− d’étudier de l'influence des différents types d'isolateurs sismiques ainsi que de la loi de comportement des structures sur la probabilité de défaillance et sur les spectres de plancher ;

− d’étudier le rôle de l’amortissement dans l’isolation sismique ;

− d'étudier l'efficacité des méthodes de contrôle semi-actif pour remédier aux problèmes liés à la réponse des modes non isolés.

Ce qui différencie une grande partie de ce travail par rapport aux travaux antérieurs est que nous mettons l'accent sur la réponse des équipements, par le biais de l'étude des spectres de plancher. En effet, la grande majorité des travaux antérieurs sur l'isolation sismique passive ou mixte portent leur intérêt à la réponse de la structure ou à son accélération maximale et non pas explicitement aux spectres de plancher.

Dans la plupart de cette étude, les modèles utilisés sont simples à deux degrés de libertés mais représentent bien l’essentiel de la physique. Les études de vulnérabilité ont été effectuées avec des simulations de Monte-Carlo en considérant des lois de comportement simplifiées unidimensionnelles. Afin de remédier au problème de l’amplification des modes non isolés, une grande partie de la thèse est consacrée aux méthodes du contrôle actif et semi- actif. Dans le cadre de ce travail, on se limite au contrôle avec régulateur linéaire quadratique (LQR – « Linear Quadratic Regulator ») et le contrôle linéaire quadratique gaussien (LQG – « Linear Quadratic Gaussian »). Des essais sur table vibrante permettent de comparer les solutions théoriques avec la réalité expérimentale.

En ce concerne l'influence des différents types d'isolateurs sismiques ainsi que de la loi de comportement des structures sur la probabilité de défaillance et sur les spectres de plancher, les conclusions principales sont :

− Pour un système d’isolation sismique donné, les superstructures, dimensionnées selon les normes modernes, dont les comportements monotones en force- déplacement sont similaires, ont des probabilités de défaillance similaires.

− Les tendances générales du comportement des structures isolées sur plusieurs types d’appui d’isolation ont permis d’établir une classification des différents systèmes d'isolation en fonction de la probabilité de défaillance de la superstructure. Bien qu’elle ne soit pas tout à fait générale, cette classification est valable la plupart des cas. En particulier, les superstructures sur des appuis élastomères à faible amortissement sont plus vulnérables que celles sur des appuis dotés d'une plus grande capacité de dissipation énergétique.

− Le système le plus efficace est le système mixte, combinant l’isolation passive et le contrôle actif, qui aboutit à une faible probabilité de défaillance et des spectres de plancher en PSA réduits. Pourtant, ce type de système demande une source d’énergie externe importante pour l’opération. Les systèmes semi-actifs peuvent être un compromis satisfaisant.

− La régularisation du frottement de Coulomb en introduisant une dépendance du coefficient de frottement à la vitesse n’a pas d’effet significatif sur la probabilité de défaillance. Il n'en est pas de même en ce qui concerne les spectres de plancher où le modèle régularisé aboutit à une moindre amplification des modes supérieurs.

− Des structures conventionnelles conçues, de sorte que leur ductilité médiane réelle soit égale exactement à celle de dimensionnement, sont plus vulnérables que des structures isolées. Cela n’est pas toujours le cas lorsque des structures conventionnelles sont conçues selon les méthodes courantes de réduction de force, particulièrement dans le cas d’un comportement élasto-plastique. Ces conclusions ne sont valables que sous l’hypothèse que le dimensionnement et les dispositions constructives garantissent la même capacité de ductilité pour les structures conventionnelles et sismiquement isolées.

− Dans le cas d'incertitudes raisonnables sur l’excitation et les propriétés structurales, la considération de réponse non-linéaire de la superstructure n’a aucun impact considérable sur les spectres de plancher des structures isolées, conçues selon la philosophie des normes modernes, qui imposent des coefficients de modification de réponse réduits. En fait, par la nature même de la méthode de dimensionnement, les excursions dans le domaine post-linéaire sont, en général, rares et faibles.

− En outre, à l'opposé du cas des structures conventionnelles, même un appel de ductilité modéré ne modifie pas significativement les spectres de plancher des superstructures ayant des lois de comportement dissipatifs (élasto-plastique, orienté vers l'origine). En revanche le comportement élastique non-linéaire (idéalisation des comportements non-linéaires à faible dissipation) conduit à une amplification considérable des spectres de plancher due à la contribution plus importante des modes supérieurs.

En ce qui concerne le rôle de l’amortissement dans l’isolation sismique, les conclusions principales sont :

− L’augmentation de l’amortissement visqueux peut, généralement, diminuer l’accélération maximale de la superstructure.

− Pour les spectres de plancher, l’augmentation de l’amortissement visqueux diminue la réponse du premier mode mais amplifie nettement celle des modes élevés. Mais, en général, les spectres de plancher de la structure sismiquement isolée, même avec un amortissement important, se situent en dessous des spectres de plancher de la structure conventionnelle.

− L’amortissement par frottement amplifie beaucoup plus que l’amortissement visqueux les spectres de planche au voisinage des fréquences propres des modes élevés.

− Pour les systèmes à un degré de liberté, la dissipation par frottement augmente l’accélération maximale de plancher, en comparaison avec le cas de l’amortissement visqueux. Cela n’est pas le cas des systèmes à deux degrés de liberté.

En ce qui concerne des méthodes pour atténuer la réponse des modes non isolés, des techniques de contrôle semi-actif combiné avec isolation passive à la base ont été étudiées, numériquement et expérimentalement à la fois, en tant qu’un moyen pour améliorer les spectres de réponse de plancher des installations industrielles. Les conclusions principales sont :

− Les études numériques ont démontré l’efficacité des systèmes mixtes pour réduire la réponse des modes isolés et non-isolés. En outre, du moins pour les cas considérés ici, il semble que l’influence des modes supérieures qui ne sont pas inclus dans le modèle réduit, utilisé pour le dimensionnement du contrôleur, n’est pas considérable.

− Pour démontrer la faisabilité des systèmes semi-actifs, une série d'expériences d’un modèle à deux degrés de liberté, sismiquement isolé à la base en combinaison avec un amortisseur magnéto-rhéologique a été réalisée sur une table vibrante. Un modèle de l’amortisseur magnéto-rhéologique qui est une amélioration d'un modèle existant dans la littérature, a été utilisé. Il donne une bonne cohérence entre les résultats expérimentaux et des simulations numériques. Une stratégie pour contrôler l’amortisseur magnéto-rhéologique en se basant sur ce modèle a été aussi proposée.

− Concernant les résultats expérimentaux, les limitations pratiques du montage expérimental n’ont pas permis au contrôle semi-actif d’améliorer considérablement la réponse en spectre de plancher de la maquette. Néanmoins, les essais ont démontré, l’effet défavorable des dispositifs passifs à grande capacité de dissipation d'énergie. En outre, un bon accord entre les résultats expérimentaux et les simulations numériques a été obtenu.

− Ceci nous a motivé pour « extrapoler » ces essais par des essais par simulation numérique, en utilisant le modèle de l'amortisseur MR et le contrôleur utilisés lors des essais. Cette approche permet la considération d'une maquette fictive, dont les caractéristiques sont plus représentatives de la réalité que celles de la maquette réelle. Les résultats montrent que, dans ce cas, le contrôle semi-actif peut améliorer considérablement les spectres de plancher.