La professeure Carol Shield, Ph.D., et ses collègues du laboratoire MAST (Multi-Axial Subassemblage Testing) de l’Université du Minnesota réalisent des simulations sismiques réelles sur des structures de génie civil à grande échelle pour vérifier les codes de conception et explorer de nouveaux matériaux et des systèmes pour optimiser la sécurité et la rentabilité des projets civils. Pour atteindre les charges et les courses extrêmement importantes requises pour ces simulations multiaxiales, ils se sont associés à MTS afin de développer le système de test mécanique 6DDL de la plus haute capacité au monde.
DÉFI DU CLIENT
Les codes de conception guident le monde de l’ingénierie structurelle. Bien que basées sur des recherches empiriques, les procédures d’essai utilisées pour définir ces codes ont été historiquement limitées aux échantillons à petite échelle et à l’actionnement uniaxial. En d’autres termes, ces essais ont été menés « d’une manière assez irréaliste », indique le professeur Carol Shield, Ph.D.
Le Dr Shield est directrice du laboratoire MAST (Multi-Axial Subassemblage Testing) de l’Université du Minnesota à Minneapolis. Le laboratoire fait partie du NEES George E. Brown, Jr. qui regroupe 14 installations de recherche à travers les États-Unis pour promouvoir la science de l’ingénierie sismique. Dans le cadre du NEES, le laboratoire cherche à soumettre de grandes structures et composants à des forces et des mouvements équivalents à ceux du monde réel afin de vérifier les codes de conception, mais aussi d’explorer de nouveaux matériaux et systèmes pour optimiser la sécurité et la rentabilité des projets civils.
Au départ, le principal défi pour le laboratoire était la taille même des éléments testés. Pour garantir des tests réalistes, le laboratoire devait effectuer une simulation de charge sismique sur des échantillons presque grandeur nature avec un actionnement à plusieurs degrés de liberté. Les tailles, charges et les courses nécessaires étaient extrêmement importantes. Si importantes, en fait, qu’aucun laboratoire d’essai au monde ne les avait encore atteints.
« Nous souhaitions être la première installation capable d’effectuer des essais de haute précision sur des échantillons de structures de génie civil grandeur nature, mais aussi d’appliquer des charges de manière réaliste sur plusieurs axes », explique Dr Shield. « Nous savions que ce serait une tâche formidable de réaliser des essais sur des échantillons aussi volumineux. C’est pourquoi nous avons choisi de travailler avec MTS. »
SOLUTIONS MTS
Conçue par MTS, la solution de test personnalisée du laboratoire MAST du Minnesota intègre un système servohydraulique MTS hautes performances et un système de contrôle avancé à six degrés de liberté (6DDL).
La solution permet aux chercheurs de réaliser des tests cycliques quasi-statiques multi-axes, des tests pseudo-dynamiques quasi-statiques et des tests pseudo-dynamiques continus sur des échantillons à grande échelle, y compris des systèmes de poutre-colonne, des murs, des ponts piliers, des culées et autres structures et composants. Il peut appliquer 1,32 million de livres (5 900 kN) de force verticale et 880 000 livres (3 900 kN) dans les deux sens. Les courses latérales peuvent atteindre 16 pouces (406 mm).
« Nous avons en fait sélectionné un système d’essai de matériaux standard et l’avons surdimensionné », détaille le Dr Shield. « Sa capacité de force massive nous permet de tester de très gros échantillons jusqu’à la rupture. Nous testons les structures d’une manière jamais réalisée auparavant. À ma connaissance, aucun autre système de test sismique ne fonctionne à une si grande échelle. »
La taille et la fonctionnalité du système permettent des essais beaucoup plus réalistes que les méthodes précédentes. Il permettra à l’Université du Minnesota et à d’autres chercheurs du réseau NEES de générer des données exploitables pour améliorer les codes de conception et permettre de développer une nouvelle génération de structures plus sûres et plus durables. À terme, cette recherche expérimentale aidera les grandes structures à mieux résister aux tremblements de terre, aux ouragans et à d’autres catastrophes naturelles.
La solution est déjà extrêmement populaire auprès d’autres chercheurs du NEES. Dans le cadre du NEES, le laboratoire de l’Université du Minnesota propose une utilisation partagée pour d’autres équipes menant des recherches sismiques expérimentales. Des équipes du monde entier peuvent visiter le laboratoire pour effectuer des essais, ou travailler avec l’équipe du laboratoire à distance via une vidéo en direct et un flux de capteurs de données. Le Dr Shield a récemment observé des ingénieurs prendre le contrôle en temps réel de la traverse du système de test depuis la Nouvelle-Zélande.
« Notre laboratoire est très demandé, car d’autres chercheurs en génie parasismique voient clairement l’avantage des tests multiaxes à grande échelle », poursuit-elle. « Depuis notre ouverture, nous avons peut-être eu un mois pendant lequel le système de test ne tournait pas à sa pleine capacité. »
AVANTAGES CLIENTS
Le Dr Shield et son équipe ont déjà découvert des données de performance précieuses qui inciteront certainement à modifier le code de conception, et ils espèrent faire progresser à la fois l’ingénierie structurelle et la sécurité publique avec leur solution d’essais structurels civils multiaxiaux à grande échelle.
« Nous avons découvert que les codes de conception pour les assemblages dalle-poteau sur béton prédisent les performances structurelles sous une charge sismique réaliste », indique-t-elle. « Les essais utilisant notre système ont révélé que les essais d’origine ne fournissaient pas de conditions aux limites et de chargement précis, ce qui remet en question l’adéquation des codes actuels. Maintenant, nous pouvons les mettre à jour pour rendre les structures plus fiables. Nous n’aurions pas constaté cette lacune avec un système de test conventionnel. »
Le laboratoire analyse également comment les colonnes en béton conçues avant l’introduction des codes sismiques pourraient résister ou éventuellement s’effondrer sous des charges importantes. Ces travaux permettront d’identifier les structures qui pourraient risquer de s’effondrer lors d’un tremblement de terre, et fourniront finalement une solution. Parmi les autres domaines d’analyse, on peut citer les essais sur les murs en béton non rectangulaires à presque grande échelle, ce qui n’a jamais été fait de manière bidirectionnelle, et les essais sur de nouvelles conceptions de cadres de renforcement qui peuvent offrir une alternative plus sûre et plus économique aux cadres actuellement utilisés dans les bâtiments en acier.
Soutenir toutes ces recherches est l’objectif de la relation de travail solide avec MTS.
« C’était le plus gros projet que j’aie jamais réalisé avec MTS, et c’était une joie », affirme le Dr Shield. « Nous nous sommes fortement appuyés sur l’expertise de MTS à chaque phase de la conception et de l’installation du système hydraulique, du système de vérins, des pivots et des commandes. Nous n’aurions pas pu rêver d’un meilleur partenaire. »
En tant que l’un des neuf laboratoires NEES disposant d’un contrat de maintenance centralisée avec MTS, le laboratoire bénéficie d’une inspection régulière du système, d’un nettoyage, d’un entretien des fluides hydrauliques et d’un étalonnage et d’un alignement professionnels de la part des techniciens MTS. Ces mesures préventives aident à réduire les coûts d’exploitation et à maximiser la disponibilité du système, afin que ce système de test unique en son genre soit facilement disponible pour les ingénieurs de test sur l’ensemble du réseau NEES.
« Avec la possibilité de partager nos capacités de test uniques avec la communauté plus large des chercheurs sismiques, nous entrons dans une nouvelle ère passionnante dans le développement de structures de génie civil », ajoute le Dr Shield. « Notre recherche collective crée une image beaucoup plus claire de la façon dont les bâtiments, les ponts et autres structures critiques peuvent être conçus pour résister aux forces sismiques du monde réel. »
