DÉFI DU CLIENT
Historiquement, les ingénieurs en génie civil ont une connaissance limitée de la façon dont les ponts incurvés horizontalement réagissent aux tremblements de terre. Dans le cadre d’un projet plus vaste financé par la FHWA (Federal Highway Administration) qui vise à étudier la résilience sismique des systèmes routiers, le site de l’UNR-NEES (University of Nevada, Reno NEES) a été utilisé pour caractériser en profondeur le comportement de certaines sections de ponts incurvés sous des conditions sismiques. L’objectif de la recherche était d’établir des lignes directrices pour la conception de ponts incurvés qui résistent mieux aux séismes importants.
Par leur forme irrégulière, les ponts incurvés ont des exigences uniques pour les simulations sismiques à grande échelle. Les systèmes d’essais uniaxiaux traditionnels installés dans des tranchées sous le sol résistant n’offrent pas de flexibilité de positionnement pour s’adapter à ces échantillons d’essai. Au moment où la FHWA finançait un projet de recherche à l’UNR-NEES, aucune simulation sismique structurelle à grande échelle n’avait jamais été réalisée sur des ponts incurvés dans le laboratoire d’essai.
L’UNR-NEES a entrepris d’étudier l’impact sismique à l’aide d’un modèle à l’échelle 2/5 d’un pont incurvé à trois portées, mesurant 44,1 mètres (145 pieds) de long avec un rayon de 24,4 mètres (80 pieds) à l’axe du modèle.
« Il s’agissait du plus grand essai sur un pont que nous ayons jamais tenté, impliquant des charges utiles élevées et un échantillon de grande taille et de forme unique », déclare Patrick Laplace, Ph.D., responsable du laboratoire des structures à grande échelle de l’UNR-NEES. « Donc, pour nous, le défi majeur était de trouver un moyen de simuler avec précision un événement sismique sur un pont incurvé à cette échelle et avec les forces impliquées. Nous ne pouvons travailler que sur un de ces modèles réduits, nous savions donc que tout devait être parfait du premier coup. »
M. Laplace savait aussi pourquoi la FHWA avait choisi l’UNR-NEES pour l’étude du pont incurvé : en raison de la configuration d’essai unique de l’installation avec une flexibilité sans précédent pour accueillir des échantillons de grande taille et de forme unique. « Nous avons obtenu le projet parce que nous étions les seuls à disposer d’une installation d’essai capable de générer les forces et les mouvements requis pratiquement n’importe où dans notre laboratoire », explique-t-il.
SOLUTIONS MTS
Sur une période de 20 ans, l’UNR-NEES a travaillé en étroite collaboration avec MTS pour intégrer plusieurs systèmes de tables de tangage en vue de réaliser des tests sismiques à grande échelle et à force élevée, principalement sur des ponts et des éléments de pont.
L’installation comprend actuellement trois tables de tangage biaxiales, ainsi qu’une quatrième table de tangage 6DDL ajoutée en 2009. Chaque table mesure environ 4,25 mètres (14 pieds) carrés, a une charge utile de 445 kN (50 tonnes) et repose sur un sol résistant de 780 mètres carrés (8 400 pieds carrés) dans un laboratoire à grande hauteur avec deux grues. MTS a également conçu sur mesure un palier hydrostatique pour les tables de tangage qui empêche le soulèvement, le roulis, le tangage et le lacet sans nécessiter de tranchée, ce qui permet d’installer ces systèmes directement sur le sol résistant.
Les tables de tangage peuvent être utilisées indépendamment, en phase ou de manière différentielle avec les autres tables, et peuvent être positionnées pour répondre aux exigences d’espace uniques d’un échantillon d’essai. Les quatre tables ont été utilisées pour les simulations sismiques des ponts incurvés, y compris la table 6DDL définie en mode biaxial.
« C’est exactement ce que voulait UNR : plusieurs tables de tangage pouvant être déplacées sur le sol et fonctionner individuellement ou en tandem », déclare M. Laplace. « À ma connaissance, nous avons été le premier laboratoire à utiliser de grandes tables de tangage dans un tableau comme celui-ci. »
Cette configuration portable et en réseau a permis à l’UNR-NEES de tester le modèle à l’échelle du pont incurvé de nombreuses manières sans précédent. Six essais différents ont été effectués pour examiner divers composants dans des conditions sismiques. Les tests comprenaient la conception de colonnes avec et sans colonnes conventionnelles ; la conception de culées avec et sans remblayage ; l’isolation sismique avec et sans modification de la réponse ; et la charge utile, avec et sans camions positionnés sur la surface de la superstructure.
« Notre capacité à étudier le mouvement différentiel comble un vide de longue date pour les essais sismiques des ponts incurvés », poursuit M. Laplace. « Par exemple, nous pouvons maintenant simuler une onde de tremblement de terre frappant une jetée avant la suivante, ou avec une jetée sur le sol et l’autre sur la roche. Un tel réalisme ne peut pas être atteint avec une seule table, quelle que soit sa taille. »
AVANTAGES CLIENTS
Les tests sismiques de l’UNR-NEES pour la FHWA ont été achevés en mars 2012 après neuf mois d’activités expérimentales continues, approvisionnant le gouvernement américain avec une multitude de données de test sur le comportement des ponts incurvés dans des conditions sismiques. Au moment d’écrire ces lignes, la FHWA était sur en voie d’établir des directives de conception de l’industrie, au profit des ingénieurs en génie civil et des citoyens du monde entier.
L’UNR-NEES fait actuellement l’objet d’une expansion majeure qui comprend la construction d’une deuxième installation d’essai plus grande située à côté de l’installation existante. L’agrandissement de 3 658 mètres carrés (12 000 pieds carrés) abritera les quatre tables de tangage, ouvrant l’installation existante à d’autres tests de sol à grande échelle. MTS participe à nouveau à l’ingénierie hydraulique du nouveau laboratoire, au déplacement de la table de tangage et aux mises à niveau du système actuel.
Selon Sherif Elfass, Ph.D., professeur adjoint de recherche et responsable des opérations du site NEES, les chercheurs de l’UNR-NEES repoussent constamment les limites du possible. Il considère le partenariat de l’installation avec MTS comme un contributeur majeur à cette confiance pour étudier un territoire encore inexploré.
« Notre philosophie est de dire ’Oui, nous pouvons le faire’, sachant que nous collaborerons avec MTS pour trouver la solution ensemble », explique M. Elfass. « Avoir cette assurance de l’expertise de MTS est essentiel, surtout au moment où nous nous développons. Nous considérons MTS comme un pilier de notre succès, et notre avenir est lié à la continuité de cette relation. »
M. Laplace confirme. « Une fois que MTS nous remet les clés, ce n’est certainement pas la fin de l’histoire », déclare-t-il. « Il y a toujours beaucoup d’interactions entre les mises à niveau, la maintenance et les questions techniques. MTS compte un personnel extrêmement compétent, dans de nombreux domaines différents. Il est tout simplement impossible de trouver des connaissances aussi vastes et applicables ailleurs. »
