DÉFI DU CLIENT
L’Université de Tongji à Shanghai, l’une des universités les plus anciennes et les plus prestigieuses de Chine, est un leader dans l’utilisation de nouvelles méthodes de test pour aider les ingénieurs en génie civil à améliorer leurs conceptions. L’unité de génie civil de l’Université de Tongji abrite à la fois le département d’ingénierie des ponts et le laboratoire clé de l’État pour la réduction des catastrophes en génie civil. Ici, le Dr Chengyu Yang est un professeur clé de la section de recherche pour la conception sismique des ponts, qui effectue des essais permettant de réduire les effets des tremblements de terre dévastateurs sur les ponts, les bâtiments, les tunnels et de nombreuses autres structures de génie civil.
L’un des plus grands défis de son laboratoire est la masse et la taille énormes des échantillons de structures de génie civil. Il est souvent impossible de mener des essais de table de tangage avec des structures de génie civil complètes dans un environnement de laboratoire, les chercheurs doivent donc effectuer des simulations sismiques sur des modèles physiques à beaucoup plus petite échelle, le plus souvent 1:100, voire 1:200. Le problème de cette approche est que plus le modèle est petit, moins les résultats de l’essai sont utiles. Les modèles plus petits ne réagissent tout simplement pas de la même manière aux entrées sismiques dynamiques que les modèles plus volumineux ou les structures grandeur nature, ce qui rend difficile l’extrapolation des données de test au monde réel.
Une solution innovante à ce problème consiste à effectuer des essais sur table de tangage combinés à des vérins structurels de structures physiques partielles à grande échelle, et à utiliser des techniques de simulation hybrides pour simuler le reste de la structure et/ou la masse numériquement. Bien que le concept ne soit pas nouveau, il n’a été appliqué qu’à des échelles trop petites pour une simulation sismique significative sur de très grandes structures de génie civil.
En 2014, le Dr Yang a collaboré avec ses pairs de l’Université de Californie - Berkeley et MTS Systems Corporation pour transformer l’idée de coupler des tables de tangage avec des vérins structurels pour une simulation hybride en temps réel, du concept à l’application pratique.
SOLUTIONS MTS
Prouver que le concept pouvait être appliqué à grande échelle nécessitait une étroite collaboration et un risque partagé entre les trois organisations : L’Université de Tongji a fourni le financement nécessaire, les installations de laboratoire et l’équipement d’essai physique ; l’Université de Californie à Berkeley a fourni une expertise approfondie en matière de recherche et de modélisation ; et MTS a fourni une expertise en matière d’essais mécaniques, de conseils et de connaissances et technologies de contrôle avancé.
Pour réussir, il était essentiel de surmonter les nombreux défis de contrôle associés à l’intégration et à la synchronisation d’un vérin structurel dynamique avec une table de tangage/un système de simulation hybride en temps réel à trois degrés de liberté (3DDL). Selon le Dr Shawn You, ingénieur en intégration de systèmes MTS, ces défis ont été relevés grâce à l’utilisation de techniques de réglage de système innovantes ainsi que des calculs de contrôle nécessaires pour compenser l’amortissement négatif en cascade ou amplifié, une tâche très complexe qui a nécessité les efforts et les ressources des chercheurs et ingénieurs de l’Université de Californie à Berkeley et de MTS.
Pour tester leur solution, l’équipe a lancé un essai sismique sur un élément de palier de pont dans les installations de l’Université de Tongji. Le montage de l’essai comprenait une section de pont à l’échelle 1:4 avec une masse de pont considérablement réduite montée sur un grand simulateur sismique 3DDL (table de tangage) et fixée à un vérin structurel dynamique monté sur un mur résistant adjacent. Ce système physique était piloté par un système de simulation hybride en temps réel, comprenant un puissant contrôleur MTS FlexTest®, un contrôleur 469D, une structure virtuelle et des modèles sol/roche, tous reliés entre eux par une mémoire réfléchissante sur un cadre de communication OpenFresco. Au fur et à mesure que la simulation se déroulait, une analyse approfondie des résultats montrait que le système avait effectivement utilisé le vérin supplémentaire pour appliquer correctement la masse de pont manquante, entrainant une simulation sismique précise de la structure complète.
Le Dr Andreas Schellenberg, ingénieur de recherche à l’Université de Californie à Berkeley et directeur d’ASES, Advanced Structural Engineering Solutions, qui a fourni la modélisation virtuelle et l’expertise OpenFresco, a salué le succès du projet.
« Jusqu’à présent, obtenir un contrôle aussi précis et simultané d’une table de tangage hybride combiné à un actionnement structurel supplémentaire n’avait été réalisé qu’à une échelle relativement petite. Ce n’est que la première fois qu’elle est réalisée à une si grande échelle. Ce développement offre aux chercheurs un nouvel outil précieux pour réaliser des simulations sismiques haute fidélité sur des structures plus grandes, afin de produire des données bien meilleures et plus réalistes. Les applications potentielles de cette technique de test sont très enthousiasmantes, de grande envergure et favoriseront la collaboration des chercheurs dans de nombreux domaines. »
AVANTAGES CLIENTS
Satisfait des résultats de la collaboration et de la réussite de la simulation, le Dr Yang estime que les nouvelles méthodes sont très prometteuses pour l’avenir de la simulation sismique des structures de génie civil. « Nous pouvons désormais faire des essais sur des échantillons à plus grande échelle pour capturer des données de simulation plus réalistes, et nous n’aurons plus besoin de construire et de tester des modèles physiques complets de bâtiments, quelques étages ou sous-structures suffisent pour simuler les performances vibratoires de la partie la plus critique de l’ensemble du bâtiment avec précision. La mise en œuvre de cette nouvelle méthode pourrait nous permettre de réduire considérablement les coûts des essais, de gagner beaucoup de temps et d’augmenter l’efficacité opérationnelle de notre laboratoire. »
La promesse d’intégrer des tables de tangage et des vérins structurels dans une simulation hybride en temps réel va au-delà de l’application de la masse structurelle calculée. Plusieurs vérins supplémentaires pourraient également être utilisés pour appliquer le les données calculées en termes de vent et de vague. Les simulations pourraient également être réparties sur plusieurs tables de tangage, afin d’augmenter davantage l’échelle de l’échantillon et d’obtenir une plus grande précision de simulation. Comme l’affirme le Dr Yang, « Ce développement pourrait représenter une nouvelle ère dans la simulation hybride en génie civil. »
