Magister en génie civil ETUDE ET MODELISATION DU ...

Mmoire prsent en vue de lobtention Du diplme de

Magister en gnie civil

Option : Modlisation des matriaux et structures

ETUDE ET MODELISATION DU COMPORTEMENT

DYNAMIQUE DES STRUCTURES EQUIPEES DE

DISSIPATEURS DENERGIE

Prsent par :

RAIS Soud Soutenu publiquement le 19 janvier 2012

Devant le jury compos de :

Prsident : Mr MELLAS Mekki Prof Universit de Biskra.

Directeur de mmoire : Mr OUNIS Abdelhafid MC Universit de Biskra.

Examinateur : Mr CHEBILI Rachid Prof Universit de Biskra.

Examinateur : Mr MEZGHICHE Bouzidi MC Universit de Biskra.

Examinateur : Mr HAMADI Djamel MC Universit de Biskra.

Rpublique Algrienne Dmocratique et Populaire

Ministre de lenseignement suprieur et de la recherche scientifique

Universit Mohamed Khider Biskra

Facult des Sciences et de la technologie

Dpartement : de gnie civil et hydraulique

Rf :

: :

Ddicace

A mes enfants

A mes parents

A mon mari

A mes frres

A mes surs

Qui mont tous soutenue

I

REMERCIEMENTS

Tout d'abord, je remercie Allah, le tout grand puissant de m'avoir donn la

force, le courage, la patience et la volont de mener bien

ce modeste travail.

Je tiens remercier vivement et sincrement mon encadreur Dr. Ounis

Abdelhafid qui a contribu et a assur la direction de ce travail, pour tout le

soutient, les orientations et la patience qu'il a manifest durant son encadrement

tout le long de la ralisation de ce mmoire.

Je tiens aussi remercier vivement et sincrement mon enseignant Dr.

MEFTAH Fekri qui ma beaucoup aide et qui nous a appris que le chemin de

la rigueur finit par donner ses fruits.

Je tiens aussi remercier vivement mes collgues KAAB Mohamed Zohar et

ATHAMNIA Brahim pour toutes leurs orientations et leur patience afin de

raliser ce travail.

Je tiens remercier Monsieur Dr MELLAS Mekki, mon enseignant et prsident

de jury, qui ma fait le grand honneur de prsider ce jury.

Je tiens remercier aussi Messieurs Dr. MEZGHICHE Bouzidi , Dr.

CHEBILI Rachid et Dr. HAMADI Djamel, qui mont fait lhonneur

dexaminer mon travail.

Je saisis aussi loccasion pour rendre hommage tous mes enseignants auprs

desquels jai reu ma formation.

Mes remerciements vont aussi toutes les personnes qui ont contribu de prs

ou de loin la ralisation de ce mmoire.

II

. , .

) ( ADAS

. , , , :

Rsum

La philosophie de la conception parasismique commune a t base sur lide de fournir, la structure, la rsistance ncessaire pour supporter les forces latrales induites par les sismes, ceci sans dpasser les dommages de niveau acceptable. Cette ide demeure dactualit avec lincorporation de nouveaux concepts tels que les dissipateurs dnergie et lisolation la base.

Lobjectif de cette recherche est dtudier linfluence des dispositifs de dissipation dnergie de type ADAS (Added Damping and Stiffness) sur le comportement dynamique des difices sous sollicitations sismiques prsentant des caractristiques dynamiques diffrentes en s'appuyant sur certains critres tels l'nergie dentre dans le systme, l'nergie dissipe et la rponse des structures value au moyen des dplacements et cisaillement la base.

Mots-cls: construction parasismique, dissipateur dnergie, dynamique, modlisation non linaire.

Abstract

The philosophy of the common seismic design was based on the idea to provide the structure, the necessary strength to withstand the lateral forces induced by earthquakes, this without exceeding the acceptable level of damage. This idea is still valid with the incorporation of new concepts such as energy dissipation and the base isolation.

The objective of this research is to study the influence of energy dissipation devices like ADAS (Added Damping and Stiffness) on the dynamic behavior of buildings under seismic loads with different dynamical characteristic based on certain criteria such as energy input into the system, the energy dissipated and the response of structures evaluated by means of displacement and base shear.

Key-words: seismic design, energy dissipation devices, dynamic, non-linear models.

III

Table des matires

Remerciements .............................................................................................................................. I Rsum .......................................................................................................................................... II Table des matires ......................................................................................................................... III Liste des symboles et des notations.............................................................................................. V Liste des figures ............................................................................................................................ VII Liste des tableaux ......................................................................................................................... X Introduction gnrale.. 01 Chapitre I : Dispositifs de rduction de la rponse sismique I.1. Introduction 07 I.2. Dispositifs de contrle passif .. 08 I.2.1. Dissipateurs dnergie ............. 09 a) Dissipateurs dnergie mtalliques (hystrtiques) . 10 a-1) Les dispositifs considrs dans cette tude . 13

A) Dispositif ADAS ....... 13 B) Dispositif TADAS .... 16

b) Amortisseurs friction .... 17 c) Amortisseurs viscolastiques ... 19 d) Amortisseurs fluide visqueux ... 21 I.2.2. Isolateurs la base ... 22 I.2.3. Oscillateurs de rsonance 24 I.2.4. Contrle passif avec systmes inertiels coupls . 26 a) amortisseurs masse accorde TMD .. 27 b) amortisseurs liquide accorde TLD .. 28 I.2.5. Cbles de prcontrainte ...... 28 I.3. Dispositifs de contrle actif .. 28 I.3.1. Masse active .... 29 Chapitre II : Zonage sismique et effet de site II.1. Introduction ...... 32 II.2. Les ondes sismiques ............. 33 II.3. La sismicit en Algrie .... 36 II.4. Le zonage sismique ............ 37 II.4.1. Classification des zones sismiques .... 38 II.4.2. Caractristiques de la sismicit algrienne ........................... 39 II.4.3. Ala sismique rgional ....... 40 II.5. Le microzonage sismique ..... 40 II.6. Effet de site .... 41 II.7. Spectre de rponse ..... 44 II.7.1. Dtermination des spectres de rponse .............................................................................. 47 II.7.2. Utilisation des spectres de rponse .................................................................................... 48 II.7.2.1. Utilisation dun spectre de dplacement ......................................................................... 49 II.7.2.2. Utilisation dun spectre dacclration ........................................................................... 49 II.8. Types de spectre ................................................................................................................... 51

IV

II.9. Facteurs qui influent sur les spectres de rponse ................................................................. 53 II.10. Spectre de calcul ................................................................................................................. 55 Chapitre III : Modle mathmatique des systmes avec dissipateur dnergie III.1. Introduction .......................................................................................................................... 57 III.2. Modle lastique .................................................................................................................. 57 III.2.1. Dissipateur dnergie type ADAS ................................................................................... 62 III.2.2. Dissipateur dnergie type TADAS ................................................................................. 64 III.3. Modlisation par analyse non linaire ................................................................................ 66 III.3.1. Rigidit effective du dissipateur ....................................................................................... 66 III.3.2. Mthodes de modlisation ............................................................................................... 67 III.3.2.1. Mthode de la diagonale quivalente ............................................................................ 67 III.3.2.2. Mthode de llment axial quivalent ......................................................................... 68 III.3.2.3. Mthodes rigoureuses ................................................................................................... 68 III.4. Modles hystrtiques ......................................................................................................... 69

- Le modle bilinaire ........................................................................................................... 69 - Modle de Takeda .............................................................................................................. 71

III.5. Approche gnrale parasismique (Bilan nergtique) ........................................................ 73 III.6. Types danalyses ................................................................................................................. 74 III.7. Hypothses danalyse ......................................................................................................... 75 Chapitre IV : Influence des dissipateurs sur les structures de priode courte IV.1. Introduction ......................................................................................................................... 78 IV.2. Description de la structure .................................................................................................. 78 IV.3. Description du systme de dissipation dnergie ................................................................ 80 IV.4. Acclrogrammes danalyse ............................................................................................... 80 IV.5. Coefficients sismiques ........................................................................................................ 82 IV. 6. Comparaison des rsultats .................................................................................................. 84 IV.6.1. Energies ........................................................................................................................... 84 IV.6.2. Comportement hystrtique des dispositifs ADAS ........................................................ 101 IV.6.3. Effort tranchant la base ................................................................................................. 112 IV.6.4. Dplacements .................................................................................................................. 121 IV.7. Interprtation des rsultats .................................................................................................. 125 Chapitre V : Influence des dissipateurs sur les structures de priode longue V.1. Introduction .......................................................................................................................... 128 V.2. Description de la structure ................................................................................................... 128 V.3. Description du systme de dissipation dnergie ................................................................ 131 V.4. Acclrogrammes danalyse ................................................................................................ 131 V.5. Coefficients sismiques ......................................................................................................... 131 V. 6. Comparaison des rsultats ................................................................................................... 134 V.6.1. Energies ........................................................................................................................... 134 V.6.2. Comportement hystrtique des dispositifs ADAS ......................................................... 140 V.6.3. Effort tranchant la base .................................................................................................. 153 V.6.4. Dplacements .................................................................................................................... 157 V.7. Interprtation des rsultats ................................................................................................... 160 Conclusion gnrale.................................................................................................................... 162 Rfrences bibliographiques . 165

V

Listes des symboles et des notations

ADAS: Added Damping and Stiffness TADAS: Triangular- Added Damping and Stiffness

IE : nergie sismique (Joule)

SE : nergie de dformation lastique (Joule)

KE : nergie cintique, de mouvement (Joule)

DE : nergie damortissement associe lamortissement modal de la structure (Joule)

HE : nergie de ductilit (dformation inlastique) (Joule) V : Leffort tranchant (KN) Keff : La rigidit effective du dissipateur (KN.m) K1 : La rigidit lastique du dissipateur (KN.m) K2 : La rigidit post-lastique du dissipateur (KN.m) Fy : La limite dlasticit du dissipateur (KN)

sC : Le coefficient de la rponse sismique PGA : Acclration maximale du sol D(t) : Dplacement du sol (m) : Le rapport de ductilit Fy : La force nominale de plastification [KN] Fu : la force ultime de cisaillement [KN] y : Le dplacement critique du systme [m] u : Le dplacement ultime du systme [m] m : masse de la structure (kg) K : Raideur du systme [N/m] C : amortissement de la structure E : Module dlasticit dynamique [N/m2] F1 : Force de rappel lastique [N] F2 : Force de freinage [N] G : Module de cisaillement dynamique [N/m2] Sd : dplacement spectrale (m) Sv : Vitesse spectrale (m/s) Sa : Acclration spectrale (m/s2) T : priode (s) VP : Vitesse de propagation des ondes P (m/s) Vs : Vitesse des ondes S (m/s) a(t) : Acclration de la masse par rapport au sol (m/s2) f : Frquence (hertez) g : Lacclration de la gravit (m/s2) : coefficient damortissement : densit du milieu [Ns2/m4] : coefficient de poisson : constante de lam (t) : acclration du sol (m/s2) (t) : force dinertie [N] : pulsation du systme (radian/second) D : pseudo-pulsation (radian/second)

VI

Liste des figures Figure 1.1: amortisseurs mtalliques ................................................................................ 12 Figure 1.2: amortisseur mtallique de type ADAS ......................................................... 14 Figure 1.3: dformation du dispositif ADAS et sa boucle dhystrsis ............................ 15 Figure1.4: le dispositif TADAS et sa boucle d'hystrsis ............................................... 17 Figure 1.5: Dtails d'un systme de calage en acier .......................................................... 17 Figure 1. 6 : L'utilisation de la dissipation par friction chez Sumitomo ........................... 18 Figure 1.7: Diffrentes positions du dissipateur par friction ............................................ 18 Figure 1.8 : amortisseur friction .................................................................................... 19 Figure 1.9: Amortisseur viscolastique ............................................................................ 20 Figure 1.10: Amortisseur fluide visqueux ..................................................................... 21 Figure 1.11: Diffrentes positions typiques des isolateurs la base ................................ 23 Figure 1.12: Comportement d'une structure base fixe et base isole .......................... 23 Figure 1.13 : Isolateurs de base ........................................................................................ 24 Figure 1.14: Exemples des diffrents types de TMD........................................................ 27 Figure 1.15: Exemples des diffrents types de TLD ........................................................ 28 Figure 1.16: diagramme de contrle actif ........................................................................ 29 Figure 1.17: Schma de comparaison entre (AMD) et (TMD) ....................................... 30 Figure 2.1 : dtail dun sisme ....................................................................................... 33 Figure 2.2 : les ondes de volume .................................................................................... 35 Figure 2.3 : les ondes de surface ...................................................................................... 36 Figure 2.4 : carte du zonage sismique algrien ................................................................ 38 Figure 2.5 : spectre de rponse en acclration ................................................................ 50 Figure 2.6 : forme simplifie du spectre de rponse ........................................................ 51 Figure 2.7: spectre lastique ............................................................................................. 52 Figure 2.8 : Spectre de dimensionnement ........................................................................ 53 Figure 2.9 : Influence de lamortissement sur la rponse de la structure.......................... 54 Figure 2.10 : Influence de la priode sur la rponse de la structure ................................. 55 Figure 2.11 : spectres de calcul ........................................................................................ 56 Figure 3.1 : Emplacement des dissipateurs dnergie ...................................................... 59 Figure 3.2 : dissipateur mtallique ................................................................................... 60 Figure 3.3: Le comportement d'un dissipateur de type ADAS pendant un sisme .......... 62 Figure 3.4 : Systme ADAS ; gomtrie et comportement ............................................. 63 Figure 3.5 : Le comportement d'un dissipateur du type TADAS pendant un sisme ...... 65 Figure 3.6 : Systme TADAS ; gomtrie et comportement ........................................... 65 Figure 3.7 : Courbe effort-dformation dun systme avec comportement bilinaire .... 67 Figure 3.8 : Modle bilinaire .......................................................................................... 70 Figure 3.9 : Modle de Takeda ........................................................................................ 71 Figure 3.10 : Comportement cyclique du modle de Takeda .......................................... 72 Figure 4.1 : la structure tudie :( vues en lvation, en plan, en 3D) ............................. 80 Figure 4.2 : Acclrogramme de la composante d'El Centro ........................................... 81 Figure 4.3 : Acclrogramme de la composante de Yermo ............................................. 81 Figures 4.4 4.9: Diagrammes des nergies absorbes par la structure sous El Centro

VII

et Landers pour des rigidits des dissipateurs (25%, 50% puis 75%) pour les diffrents coefficients sismiques ...................................................... 84 97 Figures 4.10 4.15 : Comparaison entre les deux paliers de niveau des diagrammes efforts-dformations d'un dissipateur ADAS, sous El Centro et Landers pour des rigidits des dissipateurs (25%, 50% puis 75%) pour les diffrents coefficients sismiques ........................................................ 102 112 Figures 4.16 4.21: variation des efforts tranchants dans la direction X sous El Centro et Landers pour des rigidits des dissipateurs (25%, 50% puis 75%) : Linaire / 0.025CS, Linaire / 0.050CS, Linaire / 0.100CS, Linaire / 0.150CS, e) Linaire / 0.200CS ........................................ 113 118 Figures 4.22 et 4.23: Comparaison des rsultats des efforts tranchants pour les diffrents coefficients sismiques sous El Centro et Landers pour les diffrentes rigidits des dissipateurs ............................................ 119 120 Figures 4.24 et 4.25 : variation des efforts tranchants dans la direction X sous El Centro et Landers pour une rigidit %75ADASK : Linaire / 0.025CS, Linaire / 0.050CS, Linaire / 0.100CS, Linaire / 0.150CS, Linaire / 0.200CS ............................................................................ 122 123 Figures 4.26 et 4.27: Comparaison des rsultats des dplacements pour les diffrents coefficients sismiques sous El Centro et Landers pour les diffrentes rigidits des dissipateurs .................................................................. 124 125 Figure 5.1 : la structure tudie: (vues en lvation, en plan, en 3D) ........................... 130 Figures 5.2 et 5.3: Diagrammes des nergies absorbes par la structure sous El Centro et Landers pour une rigidit des dissipateurs %75ADASK pour les diffrents coefficients sismiques ..................................................................... 136 138 Figures 5.4 et 5.5: Comparaison entre les trois diagrammes efforts-dformations des trois dissipateurs ADAS installs dans la premire, la deuxime et la troisime trave du premier et du cinquime niveau sous El Centro pour une rigidit %75ADASK et pour le coefficient sismique 0,025Cs ......................................................................... 140 141 Figures 5.6 5.17 : Comparaison entre les cinq paliers de niveau des diagrammes efforts-dformations des dissipateurs ADAS, sous El Centro et Landers pour une rigidit %75ADASK et pour les diffrents coefficients sismiques ..................................................................................... 142 153 Figures 5.18 et 5.19: variation des efforts tranchants dans la direction X sous El Centro et Landers pour une rigidit %75ADASK : Linaire / 0.025CS, Linaire / 0.050CS, Linaire / 0.100CS, Linaire / 0.150CS, Linaire / 0.200CS ...................................................................... 154 155 Figure 5.20: Comparaison des rsultats des efforts tranchants pour les diffrents coefficients sismiques et sous les deux excitations sismiques.............. 156 Figures 5.21 et 5.22: variation des dplacements dans la direction X sous El Centro et Landers pour une rigidit %75ADASK : Linaire / 0.025CS, Linaire / 0.050CS, Linaire / 0.100CS, Linaire / 0.150CS,

VIII

Linaire / 0.200CS ...................................................................... 157 158 Figure 5.23: Comparaison des rsultats des dplacements pour les diffrents coefficients sismiques et sous les deux excitations sismiques....................................159

IX

Liste des tableaux

Tableau 1.1 : Systme de contrle de la rponse sismique 08 Tableau 2-1 : Priodes caractristiques des sites ... 43 Tableau 3-1: Proprits gomtriques, ADAS de cuivre [DE La Llera et al 2004] 63 Tableau 4-1: rsultats du calcul statique ... 82 Tableau 4-2 : Les paramtres des deux dissipateurs ..... 83 Tableaux 4-3 4-8: Comparaison des rsultats des nergies pour les diffrents coefficients sismiques sous El Centro et Landers pour des rigidits des dissipateurs (25%, 50% puis 75%) .............................................. 98 100 Tableaux 4-9 et 4-10: Comparaison des rsultats des efforts tranchants pour les diffrents coefficients sismiques sous El Centro et Landers pour des rigidits des dissipateurs ............................................................. 119 120 Tableaux 4-11 et 4-12: Comparaison des rsultats des dplacements pour les diffrents coefficients sismiques sous El Centro et Landers pour des rigidits des dissipateurs ............................................................. 123 124 Tableau 5-1: rsultats du calcul statique et valeurs des efforts tranchants ... 132 Tableau 5-2 : Les paramtres des dix dissipateurs 133 Tableaux 5-3 et 5-4: Comparaison des rsultats des nergies pour les diffrents coefficients sismiques sous El Centro et Landers pour une rigidit des dissipateurs %75ADASK ........................ 138 139

Tableaux 5-5 et 5-6: Comparaison des rsultats des efforts tranchants pour les diffrents coefficients sismiques et sous les deux excitations sismiques .......... 156 Tableau 5-6: Comparaison des rsultats des dplacements pour les diffrents coefficients sismiques et sous les deux excitations sismiques 159

INTRODUCTION

GENERALE

Introduction gnrale

1

INTRODUCTION GENERALE

Le sisme est la catastrophe naturelle la plus meurtrire et la plus destructrice. La

prvention reste le moyen le plus efficace pour en attnuer les effets. Depuis une quinzaine

dannes, les recherches effectues dans le domaine du risque sismique ont fait des progrs

significatifs.

Les sismes sont invitables, mais la destruction des constructions nest pas invitable.

Or plus de 90 % des pertes en vies humaines sont dues leffondrement de btiments

Lors d'un sisme, c'est d'abord l'croulement des btiments qui fait le plus de victimes.

Comprendre le comportement des ouvrages pendant un sisme, c'est apprendre construire

des difices qui ne s'effondrent pas.

De nombreuses mthodes ont t proposes pour atteindre une performance optimale

des structures qui sont soumises une excitation sismique. L'approche classique exige que les

structures puissent rsister passivement aux sismes grce une combinaison de force, de la

dformabilit et de l'absorption d'nergie. Le niveau d'amortissement de ces structures est

gnralement trs faible et donc la quantit d'nergie dissipe au cours du comportement

lastique est trs faible. Au cours de forts sismes, ces structures se dforment bien au-del de

la limite lastique et demeurent intactes en raison de leur capacit se dformer

inlastiquement. Cette approche est connue sous le nom de construction rsistant aux

sismes ; elle est base sur l'tablissement de structures rigides de capacit de dformation

suffisante pour passer la gamme inlastique (structures ductiles). Les ingnieurs ont atteint

cet objectif en combinant des systmes structurels tels que les murs de contreventement, les

portiques rigides et entretoise en acier pour qu'ils soient capables de rsister des charges

latrales dues une excitation sismique. On considre les structures symtriques quon

favorise par rapport aux structures irrgulires, puisque celles-ci prsentent des problmes

d'excentricit. Le choix des matriaux utiliser est galement important car il existe des

matriaux plus ductiles (comme l'acier) que d'autres. Le sol de fondation est galement un

facteur important super influant sur les caractristiques dynamiques de la structure.

Les btiments japonais traditionnels, notamment les fameuses pagodes bouddhiques,

respectaient dj les principales rgles de construction parasismique. Frles mais rsistantes,

ces constructions utilisaient des structures en bois encastres, qui offraient un quilibre parfait

entre lgret et solidit.

Introduction gnrale

2

Construire pour limiter les dgts

La rduction de l'effet des mouvements du sol sur le btiment peut tre obtenue de

plusieurs manires :

rendre le btiment assez souple pour que l'nergie des mouvements du sol ne

le brise pas sous sa propre inertie ;

monter le btiment sur des amortisseurs qui vont absorber une partie de l'nergie

du mouvement du sol.

Une troisime technique est aussi employe depuis peu : il s'agit de mettre en

place un contrepoids au sommet du btiment, qui va se dplacer en rponse aux

mouvements du sol de sorte que le centre d'inertie du couple (btiment,

contrepoids) ne bouge pas lorsque le sol tremble.

Bilan nergtique

Une approche alternative l'attnuation des effets dangereux des sismes commence

avec l'examen de la rpartition de l'nergie dans une structure. Lors d'un vnement sismique,

une quantit finie de l'nergie est entre dans une structure. Cet apport d'nergie est

transform en deux catgories d'nergie ; cintique et potentielle qui doivent tre soit

absorbes ou dissipes (la chaleur). Cependant, il y a toujours un certain niveau

d'amortissement inhrent qui retire l'nergie du systme et rduit donc l'amplitude de la

vibration jusqu' ce que le mouvement cesse. La performance structurelle peut tre amliore

si une partie de l'apport d'nergie peut tre absorbe, et non par la structure elle-mme, mais

par un certain type de complment "dispositif".

Pour que le systme structurel supporte lexcitation sismique l'nergie dentre IE doit tre absorbe par la somme des nergies cintique, lastique damortissement et

inlastique. Ou, autrement dit la capacit de la structure doit tre suprieure la demande

sismique. En supposant que lnergie sismique IE a une valeur constante, Il est ncessaire,

pour llaboration de constructions parasismiques optimale de dissiper une part de l'nergie

totale introduite dans le systme.

L'quation du bilan nergtique d'un systme structurel soumis une excitation sismique est

donc la suivante:[1]

HI S K DE E E E E (1)

Introduction gnrale

3

IE =nergie sismique

SE =nergie de dformation lastique

KE =nergie cintique, de mouvement

DE =nergie damortissement associe lamortissement modal de la structure

HE =nergie de ductilit (dformation inlastique)

Au regard du bilan nergtique, le concepteur a plusieurs possibilits pour diminuer limpact

dun sisme :

Minimiser lnergie sismique transmise la structure en

Diminuant la masse (Construction lgre, utilisation de matriaux ayant un bon

rapport poids / rsistance et composants non structuraux lgers)

Diminuant l'acclration (modifier les raideurs donc la priode et ainsi diminuer

l'acclration (rponse de la structure). Concevoir une structure dont les priodes

propres de vibrations sont trs diffrentes de la priode dominante du sol en cas de

sisme (sloigner du risque de rsonance) :

- structures rigides ( murs porteurs en bton arm) sur terrains meubles

- structures souples (poteaux, poutres) sur sols rocheux

- utilisation dappuis parasismiques (appuis trs souples))

Evitant des distributions de masses ou de raideurs dfavorables :

- dissymtrie

- masse en hauteur

- irrgularits

Augmenter le stockage d'nergie mcanique (potentielle et cintique) c'est dire

augmenter la rsistance mcanique dans le domaine lastique

Augmenter la dissipation d'nergie cest dire augmenter l'amortissement externe

(ajout de dispositifs damortissement) ou interne (plastification des matriaux)

Introduction gnrale

4

Le concepteur doit donc jouer sur la rsistance et la ductilit de son ouvrage et cest ce

quon fait traditionnellement dans lanalyse sismique des structures, qui est base sur la

fourniture d'une combinaison rsistance-ductilit pour rsister au sisme et l'ingnieur en

structure s'appuie sur la ductilit inhrente des systmes de structure afin d'viter les

catastrophes, tout en permettant un certain degr de dommages la structure, mais en vitant

l'effondrement et la ruine. Ou bien il sera oblig dintgrer le systme passif de dissipation

d'nergie afin d'absorber ou de rsorber une grande partie de l'nergie sismique, rduisant

ainsi la demande de dissipation d'nergie pour la ductilit dans les principaux lments de la

structure et de rduire ainsi leurs ventuels dommages structuraux.

L'objectif principal de ce mmoire est d'tudier l'influence des dispositifs de dissipation

d'nergie de type hystrtique sur le comportement des btiments, en analysant comment les

paramtres importants de limite d'lasticit des dissipateurs ainsi que le pourcentage de

rigidit latrale agissent en rapport avec la rigidit latrale du btiment.

Ce travail se compose de cinq chapitres dont les contenus sont brivement dcrits ci-dessous :

Lintroduction mentionne linfluence de ces appareils sur l'analyse sismique des

btiments et les considrations qui sont gnralement prises en compte dans les codes de

conception parasismique des structures. On dfinit les objectifs et la porte de cette recherche.

Le premier chapitre prsente une revue de la littrature sur les diffrents mcanismes

de dissipation dnergie qui existent. Nous prsentons brivement la description et le

fonctionnement de chacun de ces mcanismes. Nous tudions de manire particulire les

dispositifs appels ''ADAS'' (de langlais Added Damping and Stiffness, qui peut tre traduit

comme Amortissement et Raideur Additionnels ).

Le deuxime chapitre donne une ide sur l'importance du type de sol sur le

comportement sismique des btiments. Il mentionne comment les codes tiennent compte du

terrain et discute des spectres de rponses qui reprsentent un outil important dans la

conception parasismique.

Le troisime chapitre examine les diffrentes formes d'analyse des btiments avec

dissipateurs, ainsi que les considrations et les limites de chacune de ces formes danalyse.

L'accent est mis sur l'analyse non linaire, qui est utilise dans cette recherche, en accordant

une importance particulire sur le bilan nergtique du problme.

Introduction gnrale

5

Le quatrime chapitre reprsente le premier cas dtude qui est un btiment de quatre

niveaux. Nous dcrivons la construction, la gomtrie et les proprits dynamiques du

btiment et prsentons lanalyse de trois cas diffrents de rigidit latrale des dispositifs de

dissipation d'nergie. L'analyse dynamique est ralise en considrant deux enregistrements

sismiques.

Le cinquime chapitre permet deffectuer le second cas dtude, qui est un btiment

de vingt niveaux. Pour cette structure, on tudie un seul cas de rigidit latrale pour les

dissipateurs dnergie et on accorde une attention spciale trouver lvolution de lnergie

des dissipateurs dnergie lorsque ce btiment est soumis aux enregistrements considrs.

Chapitre I :

DISPOSITIFS DE REDUCTION

DE LA REPONSE

SISMIQUE

Chapitre I Dispositifs de rduction de la rponse sismique

7

Chapitre I

DISPOSITIFS DE REDUCTION DE LA REPONSE SISMIQUE

I.1. Introduction

Dans la phase de conception des ouvrages, lorsque le chargement sismique est prpondrant,

il est avantageux de chercher rduire les sollicitations (quand cela est techniquement

possible et autoris) avant mme de dimensionner les lments de structure.

La construction parasismique a pour principal objectif de prvenir l'effondrement des

btiments. Le gnie parasismique reste ce jour le seul espoir de limiter le nombre et

l'ampleur des dgts causs par les sismes dans les zones urbaines. Il consiste concevoir

des immeubles et des maisons capables de se dformer, voire de s'endommager, sans

s'effondrer, notamment en y intgrant un ou plusieurs dispositifs destins limiter la rponse

du btiment l'oscillation du sol.

Les mthodes innovantes de contrle sont devenues, dans les dernires annes, dactualit

importante. Elles permettent de projeter des structures pour rsister, sans dgts apprciables,

des actions dynamiques. Paralllement on exige, pendant la construction, de protger les

structures par des systmes de protection efficaces et en mme temps fiables, en rduisant la

rponse dynamique, savoir rduire le dplacement, la vitesse et l'acclration quelles

pourraient subir. [1 ; 2]

Parmi ces mthodes innovantes de contrle, on peut distinguer quatre approches diffrentes:

Systme de contrle passif

Systme de contrle actif

Systme de contrle semi-actif

Systme de contrle hybride

On peut les schmatiser dans le tableau suivant:

http://www.savoirs.essonne.fr/index.php?id=1560&tx_bdsglossary_pi1%5bshowUid%5d=211


8

Systme de contrle de la rponse sismique

Systme de contrle

passif

Systme de contrle

actif

Systme de contrle

semi-actif

Systme de contrle

hybride

Isolateurs

La base

Dissipateurs

dnergie

Oscillateurs de

rsonance

(TMD et TLD)

Cble de

prcontrainte

Masse active

Tendeurs actifs

Dispositifs de

frottement actifs

Contreventements

actifs

Oscillateurs actifs

AMD

Dissipateurs

orifice variable

Dissipateurs

friction variable

Dissipateurs

fluides

contrlables

Isolation active

Oscillateur

hybride HMD

Tableau 1.1 : Systme de contrle de la rponse sismique

I.2. Dispositifs de contrle passif

Le sisme gnre des mouvements du sol qui imposent des forces d'inertie latrales sur les

btiments ou les structures. Ces derniers vont rpondre de faon dynamique (vibrer).

L'amplitude de la vibration de la construction (ou structure) dpend essentiellement de quatre

paramtres :

1. les caractristiques du mouvement du sol dans le btiment (ou structure) site ;

2. la masse de la construction (ou structure) ;

3. la rigidit de la construction (ou structure) ;

4. l'amortissement de l'immeuble (ou structure).

Les systmes passifs permettent de rduire considrablement la rponse du btiment aux

sollicitations extrieures grce leurs proprits dynamiques intrinsques. Ces systmes

peuvent dissiper l'nergie de faon directe par friction par exemple ou de faon indirecte en

contrebalanant les vibrations.

Les techniques passives damortissement des vibrations structurales utilisent lintgration ou

lajout de matriaux ou systmes, possdant des proprits damortissement, coupls la

structure de telle faon que les vibrations de la structure soient amorties passivement, cest

dire, sans aucune intervention extrieure supplmentaire et sans apport dnergie de


9

lextrieur. Ces systmes sont conus pour dissiper une grande partie de lnergie indsirable

induite par le sisme. Le contrle passif consiste superposer la structure un dispositif qui

modifie la rigidit ou lamortissement du systme structural. [3]

Principalement, il existe deux catgories de systmes passifs :

Dissipateurs dnergie

Isolateurs la base

Dernirement, deux autres catgories sont apparues :

Oscillateurs de rsonance

Cble de prcontrainte

I.2.1. Dissipateurs dnergie

Les structures traditionnelles sont conues en supposant quils possdent un amortissement

critique de 1% 5% comme un amortissement inhrent dans le domaine lastique. Pour les

structures qui comprennent des amortisseurs visqueux ou des dispositifs mtalliques, la valeur

d'amortissement critique est porte entre 15% et 25% en fonction des caractristiques

spcifiques du dispositif. De cette faon, lapport d'nergie sismique est largement dissip

par les dformations inlastiques concentres dans les dispositifs ce qui permet la rduction

des dommages d'autres lments critiques de l'immeuble. [4]

Lobjectif de ces systmes est d'absorber une partie de l'nergie ou de la dvier ainsi que de

fournir un amortissement supplmentaire afin de rduire de manire significative et

structurelle la rponse aux mouvements sismiques.

Lutilisation de dissipateurs d'nergie externes la structure qui sont en gnral situs entre la

superstructure et les fondations, bien quils forment une partie du systme structural, ils sont

utiliss comme un lien et ils permettent de restaurer facilement la structure en cas de

dommage svre.

Ces dernires annes, des efforts srieux ont amlior le concept des systmes de dissipation

dnergie, et plusieurs appareils ont t installs dans des structures partout dans le monde.

Une trs large gamme de dispositifs passifs de dissipation dnergie existe ou a t propose.

Selon leur comportement, ils peuvent tre classs comme suit :

Les dispositifs hystrtiques mtalliques qui sont bass sur la plastification de lacier.

Ces dispositifs dpendent essentiellement des dplacements (par exemple l'ADAS (Added


10

Damping And Stiffness) dispositif de (Aiken et Kelly, 1992) et l'lment du genou

(Aristazabal-Ochoa, 1986; Williams et al. 2002). Bien entendu, ces lments sont lastiques

jusqu' leur plastification et ils affichent gnralement une boucle d'hystrsis typique de

lacier souvent avec crouissage important.

Les systmes de friction qui sont bass sur le frottement entre les surfaces tels que le

registre bien connu Pall (Pall et Marsh, 1982), qui comprend une srie de plaques serres en

surface avec du matriel de garniture de frein. Ils sont gnralement pris pour tre rigides sur

leur bordereau de chargement, puis de glisser charge constante. Les rsultats d'expriences

sur un dispositif similaire ralis par Wu et al (2003) ont galement montr que, en raison de

non-linarits gomtriques dans les dispositifs, les forces de renfort peuvent augmenter de

faon significative aprs glissement.

Les amortisseurs viscolastiques qui peuvent tre viscolastiques solides ou

viscolastiques fluides et leur comportement dpend du dplacement et de la vitesse (par

exemple, Xu et Zhang, 2001), dans lequel des matriaux comme l'acrylique copolymre sont

colls entre deux plaques d'acier. Ces matriaux n'ont pas de niveau d'activation et

d'exposition des boucles d'hystrsis elliptiques.

Les amortisseurs fluide visqueux qui ont un comportement qui dpend

principalement de la vitesse. Ils comprennent gnralement une raideur non-linaire et un

amortissement. [5]

a) Dissipateurs dnergie mtalliques (hystrtiques)

Les amortisseurs hystrtiques utilisent les proprits hystrtiques des mtaux dans leur aire

de rpartition de la dformation inlastique comme mcanisme de dissipation d'nergie. En

vertu de sismes modrs, un amortisseur hystrtique agit comme un lment rigide qui

permet de rsister la dformation de structure, alors que dans de violents sismes il agit

comme un absorbeur d'nergie. Lorsque les amortisseurs hystrtiques sont incorpors des

endroits stratgiques dans la construction, ils augmentent la rsistance de la structure aux

sismes. Certains sont conus pour se dformer en flexion, certains en torsion et certaines en

cisaillement. [6]

Ils reprsentent lun des mcanismes les plus efficaces disponibles pour la dissipation de

l'nergie entre dans une structure pendant un sisme. En structures mtalliques

traditionnelles, la conception parasismique dpend de la ductilit des pices de charpente pour

absorber l'nergie sismique.


11

L'ide d'utiliser des dissipateurs d'nergie mtalliques dans la conception parasismique

remonte prs de trois dcennies. Les premires implmentations des systmes structurels

avec des amortisseurs mtalliques sont survenues en Nouvelle-Zlande et au Japon.

Cette ide a commenc par le travail conceptuel et exprimental de Kelly et al (1972) [7] et

Skinner et al (1975) [8]. Plusieurs dispositifs damortisseurs hystrtiques mtalliques

considrs par ces chercheurs ont inclus la poutre de torsion, la poutre de flexion, la bande-U

comme illustr dans la figure 1.1. Ce sont des pices ralises en matriaux trs ductiles tels

que lacier doux, le plomb, les alliages mallables, etc. La dissipation dnergie est

obtenue travers les dformations plastiques auxquelles ils sont soumis lors des dplacements

relatifs de la superstructure et des fondations. La dformation inlastique des mtaux peut tre

efficace dissiper l'nergie prsente dans les vibrations d'une structure pendant un sisme.

Les amortisseurs mtalliques sont des dispositifs qui sont conus pour fournir la dissipation

d'nergie un systme de construction, les amortisseurs en mtal donnant augmentation de la

rigidit initiale d'un cadre de contreventement. Lorsque soumis une charge un niveau

infrieur la capacit lastique du dispositif, la rigidit structurelle initiale est constante.

Aprs avoir atteint la capacit lastique du dispositif, la charge dans le dispositif reste

constante travers la dformation inlastique supplmentaire.

Ces systmes de dissipation d'nergie profitent du comportement hystrtique des mtaux

lorsqu'ils sont dforms dans leur domaine post-lastique. Ils utilisent les proprits

d'lasticit et de rigidit des mtaux. Diffrents types de dispositifs qui utilisent la flexion, le

cisaillement, ou des modes de dformation en extension dans le domaine plastique ont t

dvelopps. Les caractristiques particulirement souhaitables de ces systmes sont leur

comportement stable, la fiabilit long terme, et la bonne rsistance des facteurs de la

temprature et environnementaux.

La capacit de l'acier doux pour soutenir de nombreux cycles de comportement stable a

conduit l'laboration d'une grande varit de priphriques qui utilisent ce comportement

dissiper l'nergie sismique. Nombreux appareils utilisent des plaques d'acier doux avec des

formes triangulaires ou sablier de sorte que la plastification est presque uniformment rpartie

dans tout le matriau. Le rsultat est un dispositif qui est en mesure de soutenir les

dformations inlastiques rptes.

Ces dissipateurs peuvent tre utiliss sous de trs nombreuses formes : [9]


12

a) Added Damping and Stiffness (ADAS) dampers

b) Triangular- Added Damping and Stiffness (TADAS) dampers

c) Lead Joint dampers

d) Lead-extrusion devices (LED)

e) Bell-shaped steel dampers

f) Honeycomb Dampers System (HDS)

g) les alliages mmoire de forme (AMF), y compris le nitinol (nickel-titane)

comme un dispositif de tension et la Cu - Zn-Al (cuivre-zinc-aluminium)

comme un priphrique de torsion.

a) b)

c) d)

Figure 1.1: amortisseurs mtalliques - a) poutre de torsion, b) poutre de flexion, c) bande en

U, d) unbounded braces

Les amortisseurs mtalliques ont certains avantages: ils ne ncessitent pas une technologie

complexe pour les fabriquer, ils peuvent facilement tre intgrs dans les structures, et ils

montrent un comportement stable sous leffet du sisme ainsi que les facteurs de

l'environnement (temprature, humidit, ) naffectent pas leur performance.


13

Ces amortisseurs peuvent augmenter l'amortissement et la rigidit des structures et leur

capacit de dissipation d'nergie. Ajouter des amortisseurs mtalliques aux structures peut

concentrer la dissipation d'nergie dans les amortisseurs. Aprs le sisme, ces amortisseurs

peuvent facilement tre remplacs pour le renforcement de la structure pour les futurs

sismes.

a-1) Les dispositifs considrs dans cette tude

A) Dispositif ADAS

Les lments ADAS (Added damping and stiffness) sont des dispositifs mcaniques destins

tre installs dans les btiments neufs ou existants. Ce sont des mcanismes efficaces pour

la dissipation d'un apport d'nergie une structure sous leffet dun sisme, du vent ou

d'autres forces qui induisent des oscillations de vibration. Le dispositif conventionnel ADAS

est destin dtre utilis pour les structures ayant un cisaillement lev, des modules de

compression et une tension de transmission de force d'un point un autre point. En outre, le

processus de conception d'ingnierie intgre le dispositif ADAS pour optimiser les

performances de la rponse sismique des structures et plus prcisment, la valeur ajoute de

l'amortissement et la rigidit des lments. Ces dispositifs sont placs des endroits

stratgiques dans les btiments ou les structures de manire atteindre deux objectifs:

Crer une dformation et une rigidit contrles des structures pour accrotre la

capacit d'nergie cyclique non dommageable dans les structures,

Augmenter l'amortissement dans les structures en rduisant et / ou en minimisant

la demande d'nergie du sisme sur les structures cycliques.

Les lments ADAS sont une volution d'un usage antrieur de X-plaques. Les principales

caractristiques qui influent sur le comportement d'un appareil ADAS sont : sa rigidit

lastique, la limite d'lasticit, et son dplacement. Les dispositifs ADAS sont habituellement

monts dans un cadre d'un systme de contreventement, qui doit tre sensiblement plus rigide

que la structure environnante. L'introduction d'un tel systme de contreventement lourd dans

une structure peut tre prohibitive. [10]


14

a) b)

Figure 1.2: amortisseur mtallique de type ADAS (plaques en forms de X), b) son

emplacement dans un btiment [11]

Un tel dispositif utilise des plaques d'acier en forme de X . Le nombre de plaques

parallles est variable (deux quatre, six, ou sept plaques) permettant un rglage vier pour

les besoins de la structure laquelle elles sont incorpores.

L'appareil se compose essentiellement de deux lments principaux des sries gomtriques

comme suit:

un lment rigide compos de matriaux structurels classiques ayant un fort

cisaillement, une compression, et des modules de tension (par exemple acier ou

bton) pour le transfert des forces d'un point l'autre dans la structure,

un lment souple compos de polymres ou de matriaux en caoutchouc

viscolastique ayant une compression plus faible, une tension et des modules de

cisaillement de la composante raide et aussi hautes caractristiques de dissipation

d'nergie.

Chaque plaque du dispositif est empche de tourner sur les deux extrmits suprieure et

infrieure, de sorte quun dplacement relatif entre elles dans la direction perpendiculaire au

plan de la plaque produit une distribution linaire des moments de flexion, et une courbure

doublement symtrique. L'avantage particulier d'un X-plaque est de permettre la distribution

uniforme des dformations plastiques sur toute la hauteur de l'appareil. La largeur de l'vier

est fournie avec la distribution linaire des moments de flexion, ce qui conduit une

gnralisation d'une laminassion de courte priode de dplacement [Cahis, 2000].


15

Certaines caractristiques particulirement souhaitables de ces dispositifs sont leur

comportement hystrtique stable, la proprit de fatigue oligocyclique, long terme et

linsensibilit de fiabilit, par rapport la temprature de l'environnement.

Figure 1.3: dformation du dispositif ADAS et sa boucle dhystrsis [12]

Llment ADAS vise prcisment amliorer la performance de la rponse sismique des

btiments et des structures, en facilitant ainsi loptimisation de la conception de ces btiments

et structures. L'appareil peut gnralement tre dcrit comme un lien modrment raide et de

dissipation d'nergie entre des ensembles de paires de points d'un btiment ou une structure.

La plaque en forme de "X" de l'ADAS peut tre modlise comme un dispositif videment

double, et quand il est soumis une force perpendiculaire son plan (stress induit par la

drive de chaque tage), il se dforme la fois double courbure.

Des tests d'une structure 3 tages en acier model par Whittaker (1989) sur une table

vibrante ont dmontr que les lments ADAS amliorent le comportement du

contreventement rsistant laquelle ils ont t installs par :

a) augmenter sa rigidit,

b) augmenter sa force,

c) augmenter sa capacit dissiper l'nergie.

Xia et Hanson (1994) ont tudi l'utilisation du dispositif ADAS dans des cadres rigides en

acier. Plusieurs caractristiques des structures des btiments et leur influence sur la suite du

sisme ont t tudies. Il a t conclu que l'ajout de dispositifs ADAS pourrait augmenter

considrablement la capacit de dissipation de l'nergie d'une structure, tout en isolant la

demande de dissipation loin du cadre de connexions poutre-colonne.


15
























15
























16

Phocas et Pocanschi (2003) ont prsent une tude d'une variante du dispositif ADAS tre

utiliss dans un cadre en acier dans le cadre d'un design original ou une option de

modernisation. [13]

B) Dispositif TADAS

Les dissipateurs d'nergie avec des plaques triangulaires ont t labors et utiliss dans les

applications d'isolation la base (Boardman et al. 1983). La notion de plaque triangulaire a

t tendue d'amortisseurs de construction sous la forme d'ADAS triangulaire, ou T-ADAS

(Tsai et Hong, 1992).

Un dispositif TADAS est gnralement ajout un cadre par le biais de contreventement de

type K et est plac la connexion de la poutre et le contreventement. Lorsque l'appareil est

soumis une force latrale perpendiculaire aux plaques triangulaires en acier, le moment

induit est linaire et il varie avec la hauteur de la plaque d'acier. Depuis le moment induit est

proportionnel la rsistance. Cette caractristique augmente la capacit de dissipation de

l'nergie de l'appareil. Apparemment, l'installation de dispositifs TADAS augmente la rigidit

inter-tage. Toutefois, les effets de l'amortissement en hystrse sont significatifs que si les

plaques d'acier subissent une dformation plastique. tant donn que dans une preuve de

vibration force, la force applique n'est pas assez grande pour provoquer une plastification

totale dans les plaques d'acier, une augmentation quivalente des ratios d'amortissement d'un

petit montant.

Le dispositif T-ADAS incorpore un certain nombre de caractristiques souhaitables; aucune

contrainte de rotation nest ncessaire dans le haut du corset assemblage de connexion, et il

n'y a pas de risque d'instabilit de la plaque en raison de la charge axiale excessive sur les

appareils.


17

Figure1.4: le dispositif TADAS et sa boucle d'hystrsis

Figure 1.5: Dtails d'un systme de calage en acier [14]

b) Amortisseurs friction

Le frottement est un mcanisme efficace, fiable, conomique, et largement appliqu, le

principe de ces amortisseurs repose sur le phnomne de dissipation de lnergie par friction

qui apparat sur les boucles dhystrsis du diagramme efforts-dformations, qui peuvent tre

rectangulaires. Pour raliser ce mcanisme de frottement, l'amortisseur comprend une srie de

plaques fixes les unes aux autres par des boulons en acier haute rsistance et spcialement

traites pour produire un degr de friction maximal.

Au dbut des annes 80, Pall et Marsh ont commenc le dveloppement des amortisseurs de

friction passifs pour amliorer la raction sismique des structures sur la base du modle des


17













17













18

freins friction. Depuis ces annes, des progrs considrables ont t accomplis dans les

dispositifs de frottement, et leur comportement a t tudi analytiquement et

exprimentalement.

Les dissipateurs par friction utilisent les frottements crs par le glissement entre deux

surfaces pour dissiper l'nergie des vibrations sismiques.

Figure 1. 6: L'utilisation de la dissipation par friction chez Sumitomo

Figure 1.7: Diffrentes positions du dissipateur par friction [15]

Il y a deux familles de systmes friction :


18



exprimentalement.







18



exprimentalement.







19

- Les systmes rigides composs de charnires plastiques (remplaables aprs

sisme);

- Les structures croises dont les parties glissent l'une sur l'autre des contraintes

prdtermines.

Les systmes de dissipation par friction montrent de bonnes performances pour la protection

contre les vibrations sismiques de forte intensit et ont l'avantage d'tre conomiques.

Les dispositifs friction peuvent dissiper l'nergie sous forme de chaleur, cause par le

glissement de plaques d'acier les unes contre les autres. Ils prsentent gnralement un

comportement plastique rigide et leur force d'intervention peut tre modlise. Il existe

plusieurs formes de dispositifs friction : [14 ; 16]

a) Pall Dampers

b) Sumitomo Friction Dampers

c) Energy Dissipating Restraint (EDR)

d) Wall Friction Dampers

Les avantages dutilisation des dispositifs friction sont :

a) Ces dispositifs ont une grande rsistance la fatigue.

b) Leur comportement n'est pas significativement affect par l'amplitude de charge, la

frquence, le nombre de cycles de charge applique ou variations de la temprature.

c) Pas de problmes de fuites de fluide.

Figure 1.8 : amortisseur friction

c) Amortisseurs viscolastiques

Les amortisseurs viscolastiques (VE) sont utiliss comme dispositifs de dissipation d'nergie

dans des structures o l'amortisseur subit des dformations de cisaillement. Un amortisseur de

cisaillement typique VE est constitu de plaques en acier recouvert par des couches


20

viscolastiques. Lorsquils sont installs dans une structure, la dformation de cisaillement et,

par consquent la dissipations d'nergie ont lieu lorsque se produisent des mouvements

relatifs entre la plaque centrale et les brides en acier extra-atmosphrique.

Le mcanisme d'amortissement viscolastique est bas sur la force de retour cre par la

dformation d'un polymre ou d'un compos caoutchouteux. Le matriau, situ entre deux

plaques mtalliques, se plie en dissipant l'nergie et rpond par une force en retour. Ce

systme est efficace hautes et basses frquences et s'avre trs adapt pour protger le

btiment de vents violents et des sismes d'intensit moyenne. [15 ; 17]

Les amortisseurs VE sont construits avec des polymres acryliques en sandwich entre et li

des plaques d'acier, et placs dans des cadres contrevents. Ces dispositifs ont t initialement

conus pour le contrle de faible amplitude, les vibrations du vent haute frquence. La

pertinence de ces dispositifs de contrle des vibrations induites par le sisme a donc t

tudie dans des essais de composants et essais sur table vibrante (Constantinou et al. 1992).

L'application des amortisseurs viscolastiques des structures de gnie civil a commenc en

1969 lorsque 10.000 d'entre eux ont t installs dans chacune des tours jumelles du World

Trade Center New York afin de rduire les oscillations dues aux charges du vent.

En outre, plusieurs tudes ont t menes pour dterminer les mthodes d'analyse les plus

efficaces et prcis pour les dispositifs VE dans les structures.

Figure 1.9: Amortisseur viscolastique

La rponse des amortisseurs viscolastiques dpend de la temprature de leur environnement

et des vibrations qui leur sont appliques.


20























20























21

Les avantages des amortisseurs viscolastiques sont les suivants :

Grande fiabilit

Peut tre en mesure d'utiliser une analyse linaire

Le cot peu tre plus bas

d) Amortisseurs fluide visqueux

Les amortisseurs fluide visqueux sont des cylindres remplis de liquide avec deux chambres

spares par un piston se dplaant avec des orifices de direction, et une chambre de

l'accumulateur. Comme la tte se dplace longitudinalement l'intrieur de l'arbre, visqueux,

les flux de fluide d'une chambre l'autre. La force de l'amortisseur est le rsultat de la

diffrence de pression entre les chambres, qui est fonction des orifices dans la tte de piston et

la vitesse de la tte de piston (Constantinou et Symans, 1992). [18 ; 3]

Un amortisseur visqueux liquide est gnralement constitu d'un piston dans le botier

amortisseur remplis avec un compos de silicone ou de type similaire d'huile, et le piston peut

contenir un certain nombre de petits orifices par lesquels le fluide peut passer d'un ct du

piston l'autre. Lamortisseur ainsi dissipe l'nergie si le mouvement d'un piston dans un

fluide trs visqueux en utilisant le concept de l'coulement d'un liquide travers un orifice.

Les systmes d'amortissement visqueux peuvent dissiper l'nergie des vibrations en

appliquant une rsistance la structure grce l'action d'un piston force par un fluide.

Ce type damortisseurs utilise une huile mcanique de haute qualit dont la viscosit ne varie

pas en fonction de sa temprature. Ce fluide en cas de mouvement impos, passe dune

chambre lautre de lamortisseur au travers dun dispositif qui gre louverture dun passage

calibr suivant les critres de pression et donc de vitesse. A vitesse lente, la pression initiale

interne reste quasi nulle tandis quen cas de mouvement rapide, la pression interne augmente

jusqu atteindre la pression douverture du passage.

L'amortissement peut aussi tre produit par des murs composs de matriaux visqueux qui

prsentent une rsistance aux mouvements horizontaux. Ces systmes ont le double avantage

de rduire considrablement les contraintes de cisaillement sur la structure et la dformation

du btiment.

http://www.google.com/dictionary?source=translation&hl=fr&q=Fluid%20viscous%20dampers%20(Figure%201.10)%20are%20fluid-filled%20cylinders%20with%20two%20chambers%20that%20are%20separated%20by%20a%20moving%20piston%20with%20directional%20orifices,%20and%20an%20accumulator%20chamber.%20As%20the%20head%20moves%20longitudinally%20within%20the%20shaft,%20viscous%20fluid%20flows%20from%20one%20chamber%20to%20the%20other.%20The%20force%20in%20the%20damper%20is%20a%20result%20of%20the%20pressure%20differential%20between%20chambers,%20which%20is%20a%20function%20of%20the%20orifices%20in%20the%20piston%20head%20and%20the%20velocity%20of%20the%20piston%20head%20(Constantinou%20and%20Symans,%201992).&langpair=en|fr


22

Figure 1.10: Amortisseur fluide visqueux [15]

I.2.2. Isolateurs la base

Lobjectif de ces systmes est de sparer la structure du sol et de dcoupler le mouvement du

sol de celui de la structure dans le but de rduire les forces transmises cette dernire par un

allongement de la priode de l'immeuble et en ajoutant une certaine quantit

d'amortissement. Ces dispositifs possdent une grande rigidit verticale et une grande

flexibilit dans le plan horizontal. Cette grande flexibilit permet de transmettre les vibrations

du sol la superstructure en attnuant la frquence et l'amplitude, soulageant le btiment de

contraintes trop violentes. Ces systmes sont simples de fabrication et grce leur efficacit,

ils sont devenus des systmes populaires et trs utiliss.

Conceptuellement, l'isolation rduit la rponse de la superstructure par un dcouplage de

l'difice de la terre. Les systmes d'isolation typiques ont comme but de rduire les forces

transmises la superstructure par un allongement de la priode de l'immeuble et en ajoutant

une certaine quantit de l'amortissement. Ajout lamortissement est une proprit intrinsque

de la plupart des isolateurs.

Le principe de lisolation sismique nest pas nouveau : les premires expriences remontant

au dbut du 20 sicle. Actuellement des milliers de btiments et de ponts travers le monde

sont munis de systmes disolation sismique. Ces systmes consistent mettre, entre les

fondations et la superstructure, des dispositifs qui ont une dformabilit horizontale trs

importante et une rigidit verticale trs leve. Lisolateur capte les dformations

(inlastiques) et filtre les acclrations (hautes frquences) de sorte que la superstructure

isole se dplace essentiellement selon un mode rigide subissant de faibles acclrations et

presque pas de dformations. Par consquent, les forces dinertie transmises aux lments de

fondations sont limites et demeurent en de de la capacit lastique de tels lments. Ce

comportement se traduit par la limitation des dommages subis par la superstructure et les


22



























22



























23

lments de fondation et par la prservation de la fonctionnalit de la structure aprs le

sisme. [19]

Figure 1.11: Diffrentes positions typiques des isolateurs la base. [20]

Lisolation la base repose sur le principe que si la priode de vibration est augmente

suffisamment pour sloigner de la priode dexcitation prdominante du sisme, les

acclrations transmises la structure (et par consquent les forces dinertie) sont

considrablement rduites. En revanche, laugmentation de la priode engendre des

dplacements plus importants concentrs au niveau de lisolateur. Ds lors lincorporation

dun dispositif de dissipation dnergie lisolateur est requise afin de contrler les

dplacements et de raliser un compromis satisfaisant entre la rduction de la force et

laccroissement du dplacement.

Figure 1.12: Comportement d'une structure ; a) base fixe, b) base isole [20]

On peut grossirement classer les systmes disolation sismiques en trois catgories :

a) Les systmes base dlastomre : Lisolation sismique des structures avec des appuis

lastomre est caractrise par labaissement de la frquence fondamentale. Il en


24

rsulte une diminution des efforts induits par le sisme mais au prix dun dplacement

important des appuis. Pour diminuer les dplacements on ajoute des dispositifs qui

dissipent de lnergie. Cette dissipation peut tre effectue avec de lamortissement

visqueux ou par lhystrsis de la loi de comportement force-dplacement de lappui

parasismique (appuis lastomre avec noyau de plomb, barres en acier plastifiant,

appuis lastomre fort amortissement, appuis de frottement en tflon).

b) Les systmes base de glissement : Linterface de glissement permet de dissiper

lnergie sismique par friction. A titre dexemple, le systme de pendule friction est

un systme qui utilise une interface de glissement sous forme de cuvette, portion dune

sphre, qui confre la structure un mouvement global similaire un pendule. Le

rayon de courbure et le coefficient de frottement de linterface sont les caractristiques

cl qui contrlent la priode disolation et la quantit dnergie dissipe du systme.

c) Les systmes base de caoutchouc : Le rle de ces dispositifs est de prvenir la

superstructure du btiment d'absorber l'nergie provenant du sisme. La superstructure

entire doit tre appuye sur des isolateurs.

Certains isolateurs sont galement conus pour ajouter des amortissements importants

la structure. Au niveau des dispositifs d'isolation, la superstructure se comporte trs

bien comme un corps rigide

Figure 1.13 : Isolateurs de base : a) isolateur en lastomre, b) isolateur en caoutchouc /

plomb) carr, c) isolateur en caoutchouc/plomb) circulaire,


24






















24






















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I.2.3. Oscillateurs de rsonance

Les btiments sont considrs comme des oscillateurs multiples : plusieurs masses relies

entre elles et au sol par des ressorts et des amortisseurs, modliss par des barres ou par

lments finis. Les btiments de grande hauteur sont conus pour ne pas rentrer en rsonance,

ce qui provoquerait une amplification des amplitudes de balancement.

Magister en génie civil ETUDE ET MODELISATION DU ...

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