Q : Quelles tendances avez-vous remarquées dans l’utilisation des tables de tangage pour les tests sismiques ?
Brad Thoen : L’idée derrière une table de tangage est de générer une reproduction très fidèle du mouvement du sol , semblable à ce qu’une structure subirait dans une situation de tremblement de terre réelle. En testant les structures sur ces tables, les chercheurs acquièrent les connaissances dont ils ont besoin pour les rendre plus résistantes aux séismes.
De nos jours, pour générer les reproductions de tremblements de terre les plus significatives, les chercheurs s’efforcent de mettre sur la table un échantillon aussi proche que possible de l’échelle réelle. En effet, chaque fois que vous réduisez la taille d’une structure physique, tout ne se met pas à l’échelle de manière linéaire, les divers composants de la structure évoluent différemment. Par conséquent, un grand jugement technique est nécessaire pour extrapoler la façon dont les résultats obtenus à partir d’échantillons à petite échelle se rapportent aux structures à grande échelle.
Par exemple, lors du tremblement de terre de Kobe en 1995, de nombreux bâtiments qualifiés de résistants aux séismes se sont effondrés. Des enquêtes ont suggéré que cela pourrait être dû au fait que les normes de l’époque reposaient sur des données dérivées d’essais utilisant des modèles de test à plus petite échelle. C’est pourquoi la grande table NIED E-Defense a été conçue, car les ingénieurs structurels japonais voulaient tester des échantillons à grande échelle et éviter d’avoir à faire des jugements d’échelle.
Q : Quels défis cette utilisation d’échantillons physiques à grande échelle pose-t-elle pour le fonctionnement de la table de tangage ?
B. Thoen : Oui, l’utilisation d’échantillons de structures de génie civil à grande échelle sur des tables de tangage nous présente des défis de contrôle importants.
Ces échantillons sont très volumineux et légèrement amortis. Une fois qu’ils commencent à bouger, ils continuent à bouger, interagissant de manière significative avec la table et affectant la réponse de cette dernière. Voici l’origine du problème de contrôle : vous demandez à la table d’aller dans une direction, puis l’échantillon pousse fort dans l’autre direction avec une force presque égale.
De plus, ces échantillons ont tendance à avoir des fréquences naturelles très basses et sont souvent très grands. Lorsque vous excitez la base d’un tel échantillon, il veut basculer (un moment de renversement), ce qui introduit le tangage et le roulement.
Vous avez donc deux choses à faire : l’échantillon résiste au mouvement linéaire que vous voulez et il introduit des mouvements de tangage et de roulement que vous ne voulez pas, car c’est le genre de choses qui invalide les essais.
Q : Existe-t-il des outils ou des techniques disponibles pour surmonter ces défis liés aux grands échantillons ?
B. Thoen : Oui, il existe la méthode conventionnelle actuelle d’« itération », ainsi qu’une méthode MTS nouvellement développée appelée « Compensation de la dynamique des échantillons (SDC) ».
La méthode d’itération existe depuis un certain temps et est utilisée partout. Elle utilise un algorithme d’apprentissage qui vous permet de réaliser un essai à un niveau bas (pour éviter d’endommager l’échantillon), de mesurer la réponse pour voir à quel endroit elle est inadéquate, puis de modifier le signal d’entraînement et de relancer le test, en espérant obtenir une meilleure réponse la deuxième fois. Cela se répète encore et encore jusqu’à ce que la réponse mesurée soit suffisamment proche de la forme d’onde sismique que les chercheurs essaient de reproduire. C’est cette forme d’onde finale qui est utilisée dans l’essai sismique réel de pleine amplitude.
Il existe de nombreuses recettes pour savoir comment exécuter des itérations ; chaque chercheur semble avoir sa propre idée du nombre d’itérations à exécuter, à quels niveaux elle devraient être augmentées... c’est un art. C’est définitivement une spécificité de technologie de laboratoire que vous n’apprenez pas à l’école.
La méthode d’itération comporte cependant un défaut fondamental. Tout d’abord, les échantillons de structure de génie civil sont souvent très non linéaires et très fragiles. En raison de leur fragilité, vous devez les exciter à de faibles amplitudes lors de l’itération. Mais lorsque vous exécutez l’essai d’amplitude réelle et complète, l’échantillon commence à céder, passant de la phase élastique en vigueur au cours des itérations à la phase plastique non linéaire.
Ainsi, à mesure que l’échantillon devient plastique et cède, sa dynamique change en permanence. Le mouvement que vous avez calculé par itération est approprié lorsque l’échantillon est élastique, mais pas tout à fait approprié lorsqu’il est en plastique.
Q : Description de la compensation de la dynamique des échantillons
B. Thoen :La SDC est un compensateur de retour qui supprime efficacement les effets de résonance des échantillons d’essai non linéaires variant dans le temps en provenance des dynamiques de mouvement d’une table de tangage en temps réel, offrant une alternative plus sûre, plus fidèle et plus efficace aux techniques d’itération conventionnelles.
À l’aide de capteurs de table existants, la SDC détermine en temps réel l’ampleur de la poussée d’un échantillon sur la table pendant un essai à pleine amplitude. Il détermine ensuite le débit de servovalve supplémentaire nécessaire pour que les vérins génèrent précisément la force supplémentaire nécessaire pour annuler les forces contradictoires de l’échantillon dynamique.
Le fait que les signaux de retour utilisés par la SDC soient dérivés indépendamment de l’échantillon est un avantage considérable. Parce que vous ne modélisez pas l’échantillon, il peut être variable dans le temps et non linéaire. Pour la SDC, les processus physiques à l’origine des forces de poussée sur la table importent peu ; il suffit de les détecter et de les annuler.
Q : Comparez la technique d’itération conventionnelle avec la SDC.
B. Thoen :Pour commencer, la SDC offre systématiquement une fidélité de test toujours plus élevée que les techniques d’itération. J’ai prouvé cela par une expérience utilisant deux échantillons de génie civil typiques : une poutre en béton armé et un roulement en caoutchouc. Les deux sont très non linéaires et typiques de ce que vous pourriez voir dans une structure de génie civil. Tout d’abord, j’ai exécuté un régime d’itération typique sur eux, en utilisant la recette développée par Patrick Laplace à l’Université du Nevada, Reno. Ensuite, j’ai simplement appliqué la SDC ; pas de préparation, je l’ai juste exécutée à 100 %, c’est ce que nous attendons des clients. J’ai mesuré les erreurs pour les deux échantillons pour deux tremblements de terre, puis je les ai classés selon les erreurs les plus faibles. J’ai trouvé que, dans tous les cas, la SDC a entraîné l’erreur la plus faible. L’itération, dans certains cas, a enregistré des erreurs raisonnablement faibles (et des erreurs relativement élevées dans d’autres), mais une erreur toujours plus élevée que la SDC.
En termes de temps et de rentabilité, la SDC est incontestablement supérieure à l’itération. Le processus SDC est simple : il suffit de monter l’échantillon et d’appuyer sur un bouton. En revanche, l’identification de la réponse en fréquence du système et l’exécution de plusieurs itérations nécessitent beaucoup de temps et de ressources. De plus, la nature subjective du processus peut être source de nombreuses erreurs. La méthode SDC offre donc incontestablement un meilleur gain de temps.
L’un des autres avantages principaux de cette méthode est la simplicité du réglage. En effet, lorsque vous réglez une table à l’aide de la méthode SDC, vous pouvez la configurer comme une table nue. Vous obtenez toujours la même réponse de mouvement, quel que soit le spécimen utilisé. Vous pouvez passer autant de temps que vous souhaitez pour obtenir une réponse en fréquence optimale (harmonisée pour toutes les fréquences) sans qu’aucun spécimen ne vous soit nécessaire. Et quand c’est fini, c’est fini. Vous pouvez poser n’importe quel spécimen sur la table : la méthode SDC le ramène à son état d’origine.
Q : Parlez-moi des origines de la technique SDC : qui l’a mise au point, quand et comment ?
B. Thoen : Al Clark est le créateur et le détenteur du brevet de l’idée de base. Il a travaillé chez MTS pendant des dizaines d’années et a pris sa retraite il y a quelques années seulement. En 1990, la technique a été testée sur une table vibrante dont la conception était alors innovante et qui devait être dotée de nouveaux systèmes électroniques et hydrauliques et de nouveaux algorithmes de contrôle. Malheureusement, la complexité de l’ensemble du projet (et le fait que nous utilisions des contrôles analogiques supervisés de manière numérique) a fait obstacle à l’utilisation de cette nouvelle technique, qui n’a tout simplement pas pu aboutir à l’époque. Elle est restée à l’abandon pendant un certain temps. Puis, il y a environ huit ans, après avoir discuté avec Al Clark, j’ai décidé que nous devrions faire une nouvelle tentative. Après avoir analysé ce qu’il avait accompli et constaté que le concept de base était très solide, j’ai commencé à travailler sur certaines améliorations essentielles. Grâce à ces améliorations et à l’utilisation de processeurs beaucoup plus rapides, nous avons finalement pu prouver le concept et redonner vie à cette technique.
Q : Pouvez-vous me décrire le processus permettant de prouver l’efficacité de la méthode SDC ?
B. Thoen : Pour prouver l’utilité et l’efficacité de la méthode SDC, nous avons effectué trois essais sur le terrain sur de vrais équipements. Le premier essai sur le terrain a été réalisé en 2011 à l’Université du Nevada, à Reno. Nous nous sommes servis de leur table vibrante biaxiale. Nous avons utilisé la méthode SDC sur ce système, en mode uniaxial et biaxial, et avons obtenu des résultats satisfaisants. Le deuxième essai sur le terrain, réalisé en 2013, a également eu lieu à Reno. Nous avons utilisé la table vibrante 6DOF. Nous souhaitions découvrir ce qu’il se passe lorsque la méthode SDC est utilisée sur un système avec des degrés de liberté de rotation. Cet essai fut également une réussite. Le troisième essai sur le terrain a été réalisé en janvier 2016 à SUNY Buffalo. Nous souhaitions simplement tester la méthode SDC sur une table vibrante totalement différente pour approfondir nos recherches. Plus vous testez de systèmes, plus vous découvrez de choses. En fin de compte, nous n’avons constaté aucune différence. Nous avons obtenu les mêmes résultats. L’un des avantages de l’expérience menée à Buffalo a été la mise au point d’une interface utilisateur SDC simplifiée. Nous disposons donc désormais d’une interface utilisateur experte et d’une interface utilisateur simplifiée pour le client moyen.
Q : Quand et comment les chercheurs auront-ils accès aux fonctionnalités de la méthode SDC ?
B. Thoen : La méthode SDC est désormais une fonctionnalité du package logiciel standard de contrôle des tables vibrantes de MTS, le logiciel de contrôle des tables sismiques 469D.
J’ai également mis au point une méthode visant à intégrer la méthode SDC aux contrôleurs sismiques existants, dans le cadre d’un package de mises à niveau du système. Ce package de mise à niveau comprendra également des options permettant de contrôler l’intégrité de l’électronique et de l’hydraulique du système et de le réajuster. Bien entendu, la formation relative à la méthode SDC fait également partie de la mise à niveau. Pour des résultats optimaux, les clients devront fournir un spécimen d’essai, par exemple une poutre en porte-à-faux avec une masse importante.
Brad Thoen : L’idée derrière une table de tangage est de générer une reproduction très fidèle du mouvement du sol , semblable à ce qu’une structure subirait dans une situation de tremblement de terre réelle. En testant les structures sur ces tables, les chercheurs acquièrent les connaissances dont ils ont besoin pour les rendre plus résistantes aux séismes.
De nos jours, pour générer les reproductions de tremblements de terre les plus significatives, les chercheurs s’efforcent de mettre sur la table un échantillon aussi proche que possible de l’échelle réelle. En effet, chaque fois que vous réduisez la taille d’une structure physique, tout ne se met pas à l’échelle de manière linéaire, les divers composants de la structure évoluent différemment. Par conséquent, un grand jugement technique est nécessaire pour extrapoler la façon dont les résultats obtenus à partir d’échantillons à petite échelle se rapportent aux structures à grande échelle.
Par exemple, lors du tremblement de terre de Kobe en 1995, de nombreux bâtiments qualifiés de résistants aux séismes se sont effondrés. Des enquêtes ont suggéré que cela pourrait être dû au fait que les normes de l’époque reposaient sur des données dérivées d’essais utilisant des modèles de test à plus petite échelle. C’est pourquoi la grande table NIED E-Defense a été conçue, car les ingénieurs structurels japonais voulaient tester des échantillons à grande échelle et éviter d’avoir à faire des jugements d’échelle.
Q : Quels défis cette utilisation d’échantillons physiques à grande échelle pose-t-elle pour le fonctionnement de la table de tangage ?
B. Thoen : Oui, l’utilisation d’échantillons de structures de génie civil à grande échelle sur des tables de tangage nous présente des défis de contrôle importants.
Ces échantillons sont très volumineux et légèrement amortis. Une fois qu’ils commencent à bouger, ils continuent à bouger, interagissant de manière significative avec la table et affectant la réponse de cette dernière. Voici l’origine du problème de contrôle : vous demandez à la table d’aller dans une direction, puis l’échantillon pousse fort dans l’autre direction avec une force presque égale.
De plus, ces échantillons ont tendance à avoir des fréquences naturelles très basses et sont souvent très grands. Lorsque vous excitez la base d’un tel échantillon, il veut basculer (un moment de renversement), ce qui introduit le tangage et le roulement.
Vous avez donc deux choses à faire : l’échantillon résiste au mouvement linéaire que vous voulez et il introduit des mouvements de tangage et de roulement que vous ne voulez pas, car c’est le genre de choses qui invalide les essais.
Q : Existe-t-il des outils ou des techniques disponibles pour surmonter ces défis liés aux grands échantillons ?
B. Thoen : Oui, il existe la méthode conventionnelle actuelle d’« itération », ainsi qu’une méthode MTS nouvellement développée appelée « Compensation de la dynamique des échantillons (SDC) ».
La méthode d’itération existe depuis un certain temps et est utilisée partout. Elle utilise un algorithme d’apprentissage qui vous permet de réaliser un essai à un niveau bas (pour éviter d’endommager l’échantillon), de mesurer la réponse pour voir à quel endroit elle est inadéquate, puis de modifier le signal d’entraînement et de relancer le test, en espérant obtenir une meilleure réponse la deuxième fois. Cela se répète encore et encore jusqu’à ce que la réponse mesurée soit suffisamment proche de la forme d’onde sismique que les chercheurs essaient de reproduire. C’est cette forme d’onde finale qui est utilisée dans l’essai sismique réel de pleine amplitude.
Il existe de nombreuses recettes pour savoir comment exécuter des itérations ; chaque chercheur semble avoir sa propre idée du nombre d’itérations à exécuter, à quels niveaux elle devraient être augmentées... c’est un art. C’est définitivement une spécificité de technologie de laboratoire que vous n’apprenez pas à l’école.
La méthode d’itération comporte cependant un défaut fondamental. Tout d’abord, les échantillons de structure de génie civil sont souvent très non linéaires et très fragiles. En raison de leur fragilité, vous devez les exciter à de faibles amplitudes lors de l’itération. Mais lorsque vous exécutez l’essai d’amplitude réelle et complète, l’échantillon commence à céder, passant de la phase élastique en vigueur au cours des itérations à la phase plastique non linéaire.
Ainsi, à mesure que l’échantillon devient plastique et cède, sa dynamique change en permanence. Le mouvement que vous avez calculé par itération est approprié lorsque l’échantillon est élastique, mais pas tout à fait approprié lorsqu’il est en plastique.
Q : Description de la compensation de la dynamique des échantillons
B. Thoen :La SDC est un compensateur de retour qui supprime efficacement les effets de résonance des échantillons d’essai non linéaires variant dans le temps en provenance des dynamiques de mouvement d’une table de tangage en temps réel, offrant une alternative plus sûre, plus fidèle et plus efficace aux techniques d’itération conventionnelles.
À l’aide de capteurs de table existants, la SDC détermine en temps réel l’ampleur de la poussée d’un échantillon sur la table pendant un essai à pleine amplitude. Il détermine ensuite le débit de servovalve supplémentaire nécessaire pour que les vérins génèrent précisément la force supplémentaire nécessaire pour annuler les forces contradictoires de l’échantillon dynamique.
Le fait que les signaux de retour utilisés par la SDC soient dérivés indépendamment de l’échantillon est un avantage considérable. Parce que vous ne modélisez pas l’échantillon, il peut être variable dans le temps et non linéaire. Pour la SDC, les processus physiques à l’origine des forces de poussée sur la table importent peu ; il suffit de les détecter et de les annuler.
Q : Comparez la technique d’itération conventionnelle avec la SDC.
B. Thoen :Pour commencer, la SDC offre systématiquement une fidélité de test toujours plus élevée que les techniques d’itération. J’ai prouvé cela par une expérience utilisant deux échantillons de génie civil typiques : une poutre en béton armé et un roulement en caoutchouc. Les deux sont très non linéaires et typiques de ce que vous pourriez voir dans une structure de génie civil. Tout d’abord, j’ai exécuté un régime d’itération typique sur eux, en utilisant la recette développée par Patrick Laplace à l’Université du Nevada, Reno. Ensuite, j’ai simplement appliqué la SDC ; pas de préparation, je l’ai juste exécutée à 100 %, c’est ce que nous attendons des clients. J’ai mesuré les erreurs pour les deux échantillons pour deux tremblements de terre, puis je les ai classés selon les erreurs les plus faibles. J’ai trouvé que, dans tous les cas, la SDC a entraîné l’erreur la plus faible. L’itération, dans certains cas, a enregistré des erreurs raisonnablement faibles (et des erreurs relativement élevées dans d’autres), mais une erreur toujours plus élevée que la SDC.
En termes de temps et de rentabilité, la SDC est incontestablement supérieure à l’itération. Le processus SDC est simple : il suffit de monter l’échantillon et d’appuyer sur un bouton. En revanche, l’identification de la réponse en fréquence du système et l’exécution de plusieurs itérations nécessitent beaucoup de temps et de ressources. De plus, la nature subjective du processus peut être source de nombreuses erreurs. La méthode SDC offre donc incontestablement un meilleur gain de temps.
L’un des autres avantages principaux de cette méthode est la simplicité du réglage. En effet, lorsque vous réglez une table à l’aide de la méthode SDC, vous pouvez la configurer comme une table nue. Vous obtenez toujours la même réponse de mouvement, quel que soit le spécimen utilisé. Vous pouvez passer autant de temps que vous souhaitez pour obtenir une réponse en fréquence optimale (harmonisée pour toutes les fréquences) sans qu’aucun spécimen ne vous soit nécessaire. Et quand c’est fini, c’est fini. Vous pouvez poser n’importe quel spécimen sur la table : la méthode SDC le ramène à son état d’origine.
Q : Parlez-moi des origines de la technique SDC : qui l’a mise au point, quand et comment ?
B. Thoen : Al Clark est le créateur et le détenteur du brevet de l’idée de base. Il a travaillé chez MTS pendant des dizaines d’années et a pris sa retraite il y a quelques années seulement. En 1990, la technique a été testée sur une table vibrante dont la conception était alors innovante et qui devait être dotée de nouveaux systèmes électroniques et hydrauliques et de nouveaux algorithmes de contrôle. Malheureusement, la complexité de l’ensemble du projet (et le fait que nous utilisions des contrôles analogiques supervisés de manière numérique) a fait obstacle à l’utilisation de cette nouvelle technique, qui n’a tout simplement pas pu aboutir à l’époque. Elle est restée à l’abandon pendant un certain temps. Puis, il y a environ huit ans, après avoir discuté avec Al Clark, j’ai décidé que nous devrions faire une nouvelle tentative. Après avoir analysé ce qu’il avait accompli et constaté que le concept de base était très solide, j’ai commencé à travailler sur certaines améliorations essentielles. Grâce à ces améliorations et à l’utilisation de processeurs beaucoup plus rapides, nous avons finalement pu prouver le concept et redonner vie à cette technique.
Q : Pouvez-vous me décrire le processus permettant de prouver l’efficacité de la méthode SDC ?
B. Thoen : Pour prouver l’utilité et l’efficacité de la méthode SDC, nous avons effectué trois essais sur le terrain sur de vrais équipements. Le premier essai sur le terrain a été réalisé en 2011 à l’Université du Nevada, à Reno. Nous nous sommes servis de leur table vibrante biaxiale. Nous avons utilisé la méthode SDC sur ce système, en mode uniaxial et biaxial, et avons obtenu des résultats satisfaisants. Le deuxième essai sur le terrain, réalisé en 2013, a également eu lieu à Reno. Nous avons utilisé la table vibrante 6DOF. Nous souhaitions découvrir ce qu’il se passe lorsque la méthode SDC est utilisée sur un système avec des degrés de liberté de rotation. Cet essai fut également une réussite. Le troisième essai sur le terrain a été réalisé en janvier 2016 à SUNY Buffalo. Nous souhaitions simplement tester la méthode SDC sur une table vibrante totalement différente pour approfondir nos recherches. Plus vous testez de systèmes, plus vous découvrez de choses. En fin de compte, nous n’avons constaté aucune différence. Nous avons obtenu les mêmes résultats. L’un des avantages de l’expérience menée à Buffalo a été la mise au point d’une interface utilisateur SDC simplifiée. Nous disposons donc désormais d’une interface utilisateur experte et d’une interface utilisateur simplifiée pour le client moyen.
Q : Quand et comment les chercheurs auront-ils accès aux fonctionnalités de la méthode SDC ?
B. Thoen : La méthode SDC est désormais une fonctionnalité du package logiciel standard de contrôle des tables vibrantes de MTS, le logiciel de contrôle des tables sismiques 469D.
J’ai également mis au point une méthode visant à intégrer la méthode SDC aux contrôleurs sismiques existants, dans le cadre d’un package de mises à niveau du système. Ce package de mise à niveau comprendra également des options permettant de contrôler l’intégrité de l’électronique et de l’hydraulique du système et de le réajuster. Bien entendu, la formation relative à la méthode SDC fait également partie de la mise à niveau. Pour des résultats optimaux, les clients devront fournir un spécimen d’essai, par exemple une poutre en porte-à-faux avec une masse importante.
