Contribution to the study of the random dynamic behaviour of free-standing flexible stacked structures under seismic excitation
Contribution à l'étude du comportement dynamique aléatoire de structures libres et empilées sous séïsme
Résumé
A free-standing (i.e. placed on the ground and not anchored) structure can be found in severalindustrial facilities during maintenance operations, in storage halls, etc. During an earthquake,these stacks are likely to rock, slide or overturn. Thus, one of the main concerns regarding theseismic risk studies is to assess and limit, as the case may be, their excessive movements (due tosliding or overturning) to avoid impacts with the surroundings. In this work the earthquake responsesof a free standing stacked structure composed of three pallets intended to store packagesare investigated.The study of the seismic behavior of free-standing structures is known to be a quite challengingtask. Indeed, this problem involves several difficulties due to the large displacements, largerotations and also impact and friction nonlinearities. This implies an extreme sensitivity of theirseismic responses to small perturbations, both experimentally and numerically. Therefore, to analyzeand to predict how they respond under seismic excitation, probabilistic approaches are necessary.First of all, in order to have a quick estimate of the seismic response of the stack taking intoaccount the predominant physical phenomena that take place under unidirectional excitation, asimplified four degrees of freedom analyticalmodel, inspired fromliterature, has been developed.Then, different finite element models, more or less refined, have also been implemented. At thesame time, a comprehensive experimental campaign has been performed on an unidirectionalshaking table of the CEA / Saclay. These experimental results allow us to (i) validate the numericalmodel and (ii) identify the sensitivity of seismic responses (both experimental and numerical).Both approaches - numerical and experimental - combined with probabilistic approacheswere carried out simultaneously during this work and highlight several phenomena. A deterministicapproach identified the consequences of the uplift of the structure on the global behavior :the « fundamental » frequency mode is higher in the rocking phase than in the full contact phase.This work also showed that the adjustment of the dynamic properties of the models is an essential,but delicate task, to obtain an adequate nonlinear response. This means that it will be difficultto know a priori what will be the dynamic properties of the structure. Nevertheless, the simplifiedanalytical model can be used to quickly evaluate the models’sensitivity in relation to the mainphysical parameters, although the sensitivity is not necessarily comparable from one model toanother. In addition, as it is often noted with industrial structures, the seismic tests have shownthat the motion of the stacking was not purely 2D even under an unidirectional excitation. Consequently,defects have been introduced in the models and the numerical results showed an overallsatisfactory agreement by comparison with experimental results. A probabilistic analysis of thedynamic behavior of stacking, entirely conducted in a reliability context and based on the calculationof three usual reliability indicators (the failure probability and the Cornell and Hasofer-Lindreliability index), confirms the deterministic results obtained for each of the seismic excitationsconsidered (uni, bi and tridirectional). However, this effect is less marked for bi and tridirectional excitations.
La stabilité des structures libres sous séismes est une question majeure dans l’évaluation de la sûreté des installations industrielles. Dans ces installations, certains équipements peuvent, en effet, ne pas être ancrés au sol, notamment dans les halls d’entreposage, ou être désolidarisés du sol le temps d’une opération de maintenance. Lors d’un séisme ces structures libres sont susceptibles de se renverser, de glisser, ou dans les cas les plus graves, de devenir des objets dits "missiles"pouvant blesser des personnes ou détériorer des équipements importants pour la sûreté lors d’un impact. Dans cette thèse, la structure libre étudiée est une structure industrielle représentant un empilement de trois paniers libres destinés au stockage de colis. La sensibilité inhérente au comportement non linéaire de telles structures, qui implique chocs et glissements, est une difficulté importante qui a pour conséquence que la démonstration de sûreté ne peut être envisagée que sous l’angle d’une approche probabiliste, essentiellement basée sur des calculs dynamiques temporels non linéaires. Pour ce faire, un premier modèle simplifié semi-analytique a été développé en s’inspirant de travaux récents de la littérature. Il permet d’obtenir une estimation rapide et globale de la réponse sismique de l’empilement en tenant compte des principaux phénomènes physiques qui se produisent sous une excitation unidirectionnelle.Pour obtenir plus de précision sur la réponse sismique de l’empilement, différents modèles « éléments finis » ont également été développés et une importante campagne expérimentale a été mise en oeuvre sur la table vibrante unidirectionnelle Vésuve du laboratoire EMSI du CEA de Saclay pour : (1) valider et calibrer, le cas échéant, les modèles numériques (analyses modale et sismique)et (2) évaluer la variabilité des réponses sismiques de la structure, à la fois d’un point de vue expérimental et numérique.Les deux approches -numérique et expérimentale- couplées à une approche fiabiliste, ont été menées de front pendant cette thèse et ont permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes.D’un point de vue déterministe, les conséquences du soulèvement de la base de l’empilement sur son comportement global ont été identifiées. Il s’agit typiquement de l’augmentation de sa fréquence apparente lorsque la base se soulève, cette fréquence correspondant à la fréquence du« mode fondamental » pour lequel la base est en rotation autour de l’un de ses points d’appui.Ce travail a également montré que l’ajustement des propriétés dynamiques des modèles est une tâche essentielle, mais délicate, pour obtenir une réponse non linéaire satisfaisante. En pratique,cela signifie qu’il est difficile de connaître a priori quelles sont ces propriétés dynamiques. Néanmoins,le modèle semi-analytique peut être une alternative pour évaluer rapidement la sensibilité des modèles par rapport aux principaux paramètres physiques, bien que, dans l’absolu, cette sensibilité puisse ne pas être du même ordre d’importance d’un modèle à l’autre.De plus, comme cela est souvent observé dans les études sur le comportement sismique des structures industrielles,le mouvement de l’empilement n’était pas purement 2D, même sous une excitation unidirectionnelle.(...)
Domaines
Génie mécanique [physics.class-ph]
Origine : Version validée par le jury (STAR)