Mécanisme de contrôle des vibrations à plusieurs étages et efficacité expérimentale d’un amortisseur visqueux avec protecteur de surcharge

Résumé

Nous présentons ici la conception, les tests et l’application d’un amortisseur visqueux avec protecteur de surcharge (VD-OP) pour l’isolation sismique des structures. Il comprend la modélisation mécanique, les tests de prototypes et l’intégration avec des roulements en caoutchouc à fort amortissement pour améliorer les performances sismiques tout en limitant la transmission de force et en maintenant l’intégrité structurelle.

Résumé

Cette recherche présente un système d’isolation sismique hybride innovant qui intègre un amortisseur visqueux avec protection contre les surcharges (VD-OP) pour améliorer les performances sismiques et surmonter les limites des méthodes d’isolation traditionnelles. Le VD-OP intègre un mécanisme d’amortissement non linéaire dépendant du déplacement et une fonction de limitation de force, contrôlant efficacement les forces d’amortissement excessives lors de mouvements à grande vitesse causés par des intensités sismiques variables. Un modèle mécanique, étalonné à l’aide de données expérimentales, est développé pour reproduire les caractéristiques d’amortissement non linéaire et de protection contre les surcharges du VD-OP. Les simulations numériques sont validées par des essais expérimentaux, fournissant une base solide pour l’optimisation des paramètres et l’évaluation des performances. Les résultats montrent que la fonction de limitation de force joue un rôle essentiel dans la réduction des forces excessives sur la couche d’isolation, l’amélioration de l’efficacité de l’isolation et le contrôle des réponses d’accélération dans la superstructure. Des études paramétriques et des analyses de cas sur différents scénarios sismiques confirment les fortes capacités de dissipation d’énergie et d’adaptabilité du système, assurant une isolation efficace lors de tremblements de terre fréquents, une déformation contrôlée lors d’événements de dimensionnement et une protection structurelle lors de tremblements de terre graves. L’approche de conception basée sur la performance proposée ici offre des conseils pratiques pour la mise en œuvre du système VD-OP, présentant une solution fiable pour améliorer la résilience sismique des structures d’ingénierie.

Introduction

La technologie d’isolation sismique est reconnue comme une stratégie efficace pour atténuer les vibrations structurelles lors des tremblements de terre, améliorant ainsi la sécurité et la résilience des structures d’ingénierie ^1,2,3. En introduisant une couche d’isolation flexible entre la superstructure et ses fondations, l’isolation sismique réduit la transmission des forces sismiques, découplant efficacement les structures du bâtiment des mouvements du sol ^4,5,6. Ce mécanisme conduit à une réduction significative de l’accélération structurelle et de la dérive entre les étages, assurant la protection de la structure et de ses occupants. Divers dispositifs d’isolation, y compris les roulements en caoutchouc laminé^7,8, les roulements en caoutchouc plomb ^9,10,11, les roulements pendulaires à friction 12,13,14,15 et les roulements ^16,17, sont couramment utilisés dans la conception sismique des immeubles de grande hauteur¹⁸, des ponts¹⁹ et d’autres Infrastructures essentielles ^20,21.

Malgré leur large application, les systèmes d’isolation sismique conventionnels sont confrontés à des défis dans des conditions sismiques extrêmes. Plus précisément, une redondance insuffisante dans la couche d’isolation et une déformation excessive lors de tremblements de terre majeurs peuvent compromettre l’efficacité de l’isolation et présenter des risques pour la sécurité. Pour remédier à ces limitations, des systèmes d’isolation hybrides combinant des amortisseurs, des amortisseurs de masse réglés²² et des amortisseurs à base d’inerter^{23, 24, 25} ont été proposés. Ces systèmes combinent la capacité de dissipation d’énergie des amortisseurs avec les capacités de contrôle des vibrations des amortisseurs de masse accordés, améliorant ainsi la résilience sismique des structures primaires 26,27,28. Cependant, bon nombre de ces systèmes avancés restent confinés à des analyses théoriques et à des études de laboratoire. Leurs configurations complexes et leurs coûts de mise en œuvre élevés entravent leur application généralisée dans les projets d’ingénierie pratiques. De plus, les systèmes d’isolation hybrides basés sur des amortisseurs visqueux classiques 29,30,31 souffrent d’un inconvénient inhérent : une force d’amortissement excessive en cas de déformation à grande vitesse. Ce problème diminue l’efficacité de l’isolation lors de tremblements de terre à plusieurs niveaux, améliore la réponse d’accélération de la superstructure et augmente le risque de défaillance au sein de la couche d’isolation. Un amortissement excessif compromet non seulement les avantages prévus de l’isolation sismique, mais introduit également de nouvelles vulnérabilités, en particulier en cas d’excitations sismiques rares mais intenses. Comme observé lors du tremblement de terre^32,33 de 2022 Ms 6.8 Luding, un bâtiment équipé d’un système d’isolation par clapet visqueux a été confronté à un défi inattendu. La vitesse relative à travers l’amortisseur a dépassé ses limites de conception, ce qui a entraîné une force d’amortissement bien au-delà des spécifications prévues. Ce résultat souligne le besoin urgent de faire progresser des technologies d’amortissement robustes et fiables, capables de résister à des forces sismiques imprévisibles. La quête d’une meilleure protection sismique se poursuit, alors que les chercheurs et les ingénieurs s’efforcent de développer des solutions innovantes pour protéger les structures et les vies lors de futurs tremblements de terre.

Pour surmonter ces défis, cette étude propose un nouveau système d’isolation hybride doté d’un amortisseur visqueux avec protection contre les surcharges (VD-OP). Le VD-OP intègre un mécanisme innovant de limitation de la force qui plafonne la force d’amortissement à grande vitesse, garantissant que le système d’isolation maintient son efficacité à travers différentes intensités sismiques. Un modèle mécanique, calibré à l’aide de données expérimentales, est créé pour simuler le comportement d’amortissement non linéaire et les caractéristiques de protection contre les surcharges du VD-OP. Une série de simulations numériques est validée par des tests expérimentaux, fournissant un cadre robuste pour l’optimisation des paramètres et l’évaluation des performances. L’analyse paramétrique est effectuée par rapport aux paramètres non linéaires du VD-OP, étant donné qu’une approche de conception orientée performance est proposée. À la suite des ensembles de paramètres suggérés et de l’organigramme de conception, les cas de conception comparatifs sont étudiés pour illustrer l’efficacité du système d’isolation basé sur VD-OP contre les excitations sismiques à plusieurs niveaux.

Protocole

Méthode de simulation mécanique de l’amortisseur visqueux avec protecteur de surcharge (VD-OP)
Construction de l’appareil, principe de fonctionnement et signification du VD-OP

Tous les composants du VD-OP sont illustrés à la figure 1, y compris un tube extérieur, une tige de piston et de l’huile d’amortissement. Le tube extérieur est fabriqué à partir de matériaux à haute résistance et utilisé pour enfermer les composants internes, assurant un environnement scellé pour éviter les fuites d’huile. La tige de piston, généralement composée d’acier à haute résistance, fait un mouvement de va-et-vient à l’intérieur du tube, reliée à un piston qui force l’huile d’amortissement à travers des orifices restrictifs, ce qui peut générer une résistance proportionnelle à la vitesse du mouvement de la tige, dissipant ainsi l’énergie des forces appliquées. Lorsqu’une charge excessive se produit, le mécanisme de surface de friction se déclenche. Si la force appliquée dépasse le seuil de conception, la surface de friction s’active, générant des forces résistives supplémentaires qui limitent la vitesse de déplacement de la tige de piston.

La construction et le principe mécanique proposés par VD-OP (figure 1) sont en mesure de garantir que le registre fonctionne dans des limites de sécurité dans des conditions normales et de surcharge, offrant ainsi des avantages notables. En plafonnant la force à F_max, il empêche la surcharge, ce qui est crucial pour protéger l’amortisseur contre la défaillance lors de fortes activités sismiques. Cette caractéristique améliore non seulement la durabilité de l’amortisseur, mais améliore également le contrôle de la réponse structurelle lors des tremblements de terre, renforçant ainsi la sécurité et la stabilité de la structure. En conclusion, le VD-OP fournit une solution efficace pour la dissipation d’énergie dans les applications structurelles, en particulier dans des conditions sismiques, en intégrant un mécanisme qui empêche la surcharge. Cela permet d’améliorer la fiabilité et la sécurité, ce qui le positionne comme une option supérieure aux amortisseurs visqueux traditionnels.

Le VD-OP (Viscous Damper with Overload Protection) présente une relation force-vitesse distinctive qui diffère des amortisseurs visqueux (VD) traditionnels. Cette saturation empêche l’amortisseur de subir des forces au-delà de sa capacité nominale, le protégeant ainsi contre une défaillance potentielle dans des conditions extrêmes. En revanche, les systèmes VD traditionnels n’ont pas cette caractéristique de saturation, continuant à présenter une relation force-vitesse linéaire sans aucun plafond sur la force. Cela peut être préjudiciable dans les situations où les forces appliquées dépassent les limites de conception de l’amortisseur, ce qui peut causer des dommages structurels. La courbe de la figure 1 montre une boucle typique, avec la force qui se stabilise à F_max pour des vitesses plus élevées. Ce comportement garantit que le registre reste dans ses limites de fonctionnement, empêchant l’absorption de forces excessives et améliorant ainsi la sécurité et la fiabilité globales du système structurel.

Figure 1 : Illustration de la construction de l’amortisseur visqueux proposé avec protecteur de surcharge (VD-OP). (A) Schéma du VD-OP ; (B) Apparence physique du VD-OP ; (C) Force de sortie en fonction de la vitesse relative entre les deux bornes ; (D) Courbe hystérétique typique de VD-OP. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Relation constitutive du VD-OP

La figure 1 illustre le modèle mécanique et la courbe hystérétique du VD-OP. Initialement, la relation suit une dépendance linéaire, exprimée comme F = CV, où F est la force d’amortissement fournie par le VD-OP, C est le coefficient d’amortissement et V est la vitesse relative entre les deux extrémités du VD-OP, pour les vitesses inférieures à un certain seuil. Cependant, une fois que la vitesse dépasse ce seuil, la force sature à une valeur maximale, F_max, fournissant un mécanisme de protection contre les surcharges critique. La principale distinction entre le VD-OP et les amortisseurs visqueux conventionnels est l’intégration d’un protecteur de surcharge supplémentaire dans l’appareil. La principale caractéristique de conception du VD-OP est sa force de décharge, notée F_max, qui est régie par la force de frottement générée sur la surface de friction intégrée. Une fois que le matériau de friction est spécifié, le coefficient de frottement peut être facilement déterminé. Selon la loi de Coulomb, la force de frottement F_max est exprimée comme F_max = μP_pre, où μ est le coefficient de frottement et P_pre, est la pré-pression appliquée. Ainsi, en ajustant le_préampli P, le F_max peut être calibré avec précision pour répondre à des exigences de conception spécifiques, améliorant ainsi la fonctionnalité et l’adaptabilité de l’appareil.

Analyse des paramètres pour le VD-OP

Selon la relation constitutive de VD-OP (Figure 1), les propriétés de dissipation d’énergie ont été analysées. Réglez le coefficient d’amortissement et l’exposant de vitesse de VD-OP sur C = 500 kN•s^0,6/mm^0,6 et α = 0,6, et modifiez les différentes forces de décharge maximales F_max et les déplacements δ. Les courbes d’hystérésis du VD-OP sont représentées selon différents paramètres (Figure 2). Réglez les forces de décharge et les déplacements maximaux sur F_max = 200kN et δ = 1,2 mm, et modifiez les coefficients d’amortissement C et les exposants de vitesse α. Les courbes d’hystérésis du VD-OP sont représentées selon différents paramètres (Figure 3).

Figure 2 : Courbes d’hystérésis de VD-OP avec différents F_max sous différents δ de déplacement : (A) δ = 0,8 mm, F_max = 100 kN ; (B) δ = 1,2 mm, F_max = 100 kN ; (C) δ = 1,6 mm, F_max = 100 kN ; (D) δ = 0,8 mm, F_max = 300 kN ; (E) δ = 1,2 mm, F_max = 300 kN ; (F) δ = 1,6 mm, F_max = 300 kN ; (G) δ = 0,8 mm, F_max = 500 kN ; (H) δ = 1,2 mm, F_max = 500 kN ; (I) δ = 1,6 mm, F_max = 500 kN. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Courbes d’hystérésis de VD-OP avec différents C et α : (A) C = 200kN•^s0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (B) C = 200 kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (C) C = 200kN•s¹/mm¹, α = 1 ; (D) C = 500 kN•s^0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (E) C = 500kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (F) C = 500kN•s¹/mm¹, α = 1 ; (G) C = 800kN•s^0,3/mm^0,3, α = 0,3 ; (H) C = 800kN•s^0,6/mm^0,6, α = 0,6 ; (I) C = 800kN•s¹/mm¹, α = 1 . Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Procédures d’essai expérimentales du VD-OP
Test du prototype et du dispositif

Selon la construction du dispositif VD-OP mentionnée ci-dessus, un prototype du dispositif VD-OP est créé pour étudier ses performances mécaniques. Un actionneur uniaxial (Figure 4) est utilisé pour tester le comportement mécanique du VD-OP. Le système hydraulique de l’appareil d’essai se compose d’une pompe servo-hydraulique de 100 kW avec un débit contrôlé par PID, d’un actionneur d’une course de ±800 mm, d’une capacité d’essai statique de 3000 kN et d’une capacité d’essai dynamique de ±2000 kN. Les capteurs comprennent un capteur de pesage de 3000 kN pour la mesure de la force et un LVDT d’une portée de ±1000 mm pour la mesure du déplacement. Les paramètres (Tableau 1) et le protocole de chargement (Tableau 2) du VD-OP sont donnés.

Procédure d’essais expérimentaux et de simulation numérique

L’expérience illustrée à la figure 4 peut fournir des informations précieuses sur les caractéristiques de performance de VD-OP. Avant le test, l’étalonnage dynamique est effectué à l’aide d’un port en lourdeur, suivi d’un réglage du point zéro après une période de préchauffage de 30 minutes. Installez l’amortisseur VD-OP entre les plateaux supérieur et inférieur, avec un alignement assuré à l’aide d’un outil d’alignement laser pour réaliser coaxialement. Le jeu mécanique est éliminé par l’application de trois pré-cycles d’une amplitude de ±5 % de la course maximale et d’une fréquence de 0,01 Hz. L’acquisition et le post-traitement des données impliquent la synchronisation automatique des signaux de force, de déplacement et de température par le système de contrôle expérimental. La dérive du capteur est compensée à l’aide de coefficients pré-calibrés. De plus, afin de valider davantage la précision des résultats des tests et de l’analyse par éléments finis, OpenSees a été utilisé pour reproduire les conditions de test VD-OP. Les paramètres du dispositif et les scénarios de charge dans le modèle d’éléments finis ont été maintenus cohérents avec ceux des tests physiques.

Figure 4 : Organigramme du dispositif expérimental. La procédure expérimentale commence par un étalonnage dynamique du port en lourd et un réglage du point zéro après une préchauffe de 30 minutes, suivis de l’installation d’un amortisseur VD-OP aligné au laser entre les plateaux avec un pré-cycle de ±5 % (0,01 Hz) pour éliminer le mou. Les données de force, de déplacement et de température sont acquises de manière synchrone avec compensation de dérive, tandis que les simulations OpenSees répliquent les paramètres d’essai pour valider la cohérence expérimentale et FEA. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Développement du système d’isolation VD-OP
Configuration du système d’isolation VD-OP

Sur la base du VD-OP mentionné ci-dessus, la configuration mécanique du système d’isolation VD-OP (figure 5), y compris les roulements en caoutchouc à fort amortissement (HDRB) et VD-OP, est décrite. Les HDRB sont efficaces pour absorber l’énergie et réduire les forces sismiques dans des conditions normales, mais lors de tremblements de terre rares, ils peuvent subir de grandes déformations et présenter un durcissement de la rigidité, ce qui pourrait compromettre les performances d’isolation. En ce qui concerne l’amortisseur visqueux traditionnel, il peut également tomber en panne dans des conditions aussi extrêmes en raison de forces excessives. Par conséquent, une méthode d’isolement VD-OP est proposée pour le contrôle sismique structurel. Dans le système d’isolation proposé, VD-OP résout ces problèmes en incorporant un mécanisme de protection contre les surcharges qui empêche l’amortisseur de dépasser sa capacité de force, évitant ainsi les défaillances lors de séismes rares. De plus, en limitant la force de sortie de l’amortisseur, le VD-OP aide à contrer le durcissement de la rigidité du HDRB, en maintenant de meilleures performances d’isolation même en cas de déformations importantes. En résumé, le système d’isolation VD-OP est développé pour améliorer la sécurité et la performance des structures du bâtiment en veillant à ce que la dissipation d’énergie et les limitations de force soient gérées efficacement, ce qui permet de remédier aux lacunes potentielles des HDRB lors d’événements extrêmes. L’efficacité du VD-OP dans le système d’isolement est probablement étayée par l’étude expérimentale réalisée dans le cadre de cette étude.

Principe mécanique du système d’isolation VD-OP

L’équation de mouvement gouvernant une structure SDOF linéaire amortie sous excitation sismique est établie. La masse structurelle m, le ressort linéaire k et le coefficient d’amortissement visqueux

L’équation de mouvement gouvernant une structure SDOF linéaire amortie sous excitation sismique est établie. La masse structurelle m, le ressort linéaire k et le coefficient d’amortissement visqueux c sont considérés comme représentant la tour de contrôle équivalente de l’aéroport. L’équation du mouvement peut être exprimée comme suit :

où m_i est la masse de la couche d’isolation, u_i et u sont le déplacement de la couche d’isolation et de la structure primaire, respectivement, F_VD-OP et F_HDRB sont les forces de sortie de VD-OP et HDRB, est l’accélération sismique. Les forces de sortie F_VD-OP peuvent être calculées comme suit :

La force de sortie F_HDRB peut être obtenue au moyen du modèle mécanique DHI, qui suit l’équation :

F_HDRB = τ_DHI • A_HDRB (3)

où τ_DHI et A_HDRB sont la contrainte de cisaillement à l’aide du modèle DHI et l’aire effective de HDRB.

Figure 5 : Illustration du système d’isolation VD-OP proposé pour les structures de bâtiment. (A) Schéma du système d’isolation VD-OP, (B) courbe d’hystérésis typique du HDRB, (C) Modèle mécanique d’un système à un seul degré de liberté avec système d’isolation basé sur VD-OP. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Analyse des paramètres pour le système d’isolation VD-OP

Une analyse paramétrique a été effectuée sur un modèle structurel à 2 degrés de liberté pour étudier la propriété de surcharge du VD-OP contre diverses déformations isolantes. La structure supérieure a une masse de 154666,67 kg, une période de 0,66 s et un rapport d’amortissement inhérent de 0,05, tandis que la couche d’isolation a une masse de 38666,67 kg. Le système d’isolation intègre des HDRB 34,35,36 comme paliers d’isolation et VD-OP. Les simulations ont été réalisées à l’aide d’OpenSees³⁷. Le HDRB a été modélisé à l’aide du matériau KikuchiAikenHDR, avec un diamètre de roulement de 400 mm et une épaisseur totale de caoutchouc de 74 mm. Les ondes sismiques avec PGA=0,4 g sont utilisées pour simuler un tremblement de terre rare. La réponse de la couche d’isolation dans ces conditions rares est illustrée (figure 5).

Pour améliorer les performances du système, VD-OP a été incorporé, le paramètre de conception clé étant la force maximale de protection contre les surcharges, F_max. Le paramètre sans dimension, le rapport de force de seuil ρ = F_max/F_BR a été varié de 0 à 1,0, avec l’indice d’amortissement VD-OP fixé à 0,6. Les réponses structurelles, y compris le déplacement, l’accélération, la déformation de la couche d’isolation et la force de cisaillement de base, pour différentes valeurs rho sont illustrées (tableau 3 et figure 6). Les courbes hystérétiques pour HDRB et VD-OP sous différentes valeurs du paramètre ρ sont présentées (Figure 7). Les courbes d’hystérésis de la figure 8 illustrent les performances du registre VD-OP avec ρ = 0,5 sous différents niveaux d’intensité sismique.

Figure 6 : Réponses sismiques du système avec différents ρ. Lorsque le rapport de force seuil ρ augmente, le déplacement structurel diminue d’abord, atteignant un minimum, avant d’augmenter légèrement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Courbes hystérétiques du HDRB et du VD-OP avec différents ρ : (A) HDRB, ρ = 0,2 ; (B) VD-OP, ρ = 0,2 ; (C) HDRB, ρ = 0,5 ; (D) VD-OP, ρ = 0,5 ; (E) HDRB, ρ = 0,8 ; (F) VD-OP, ρ = 0,8. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8 : Courbes hystérétiques de VD-OP avec ρ = 0,5 en cas de tremblements de terre fréquents, de fortification et rares. (A) Séismes fréquents ; (B) Événements au niveau de la conception ; (C) Tremblement de terre violent. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Exemple numérique de configuration de structures isolées incorporées dans VD-OP
Simulation de la structure d’origine

Une structure à ossature en béton de trois étages est utilisée pour effectuer une analyse d’isolation sismique afin d’évaluer l’efficacité et l’applicabilité du système d’isolation VD-OP. Le processus d’analyse structurelle a été réalisé à l’aide du logiciel ETABS³⁸, et le modèle structurel et la disposition du plan sont représentés (figure 9). La structure mesure environ 32 m sur 15,6 m et a une masse totale d’environ 1856 tonnes. Le béton utilisé dans les planchers, les poutres et les colonnes a une résistance à la compression de 30 MPa. Les modes de vibration structurelle impliquent des mouvements de translation dans les directions X et Y, avec des périodes correspondantes de 0,66 s et 0,61 s, et un mode de torsion autour de l’axe Z avec une période de 0,54 s. Étant donné que le rapport des périodes du premier et du troisième mode dépasse 0,9, cela indique une faible performance en torsion pour l’étude de la réponse sismique.

Figure 9 : Schéma d’analyse sismique de la structure à ossature de béton de trois étages pour évaluer l’efficacité et l’applicabilité du système d’isolation VD-OP. (A) Vue en perspective du modèle d’éléments finis de la structure d’origine ; (B) Plan structurel de l’histoire typique ; (C) Spectres d’accélération normalisés des cinq mouvements du sol en entrée. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Conception du système d’isolation VD-OP
Le système d’isolation VD-OP est mis en œuvre pour améliorer la résilience sismique structurelle en limitant les réponses d’accélération transférées au sein de la couche d’isolation. La conception basée sur la performance du VD-OP implique un processus complet comprenant quatre étapes clés : (1) l’évaluation de la performance de la structure d’origine, (2) l’établissement de l’objectif d’amélioration de la performance, (3) la conception de la structure isolée basée sur le VD-OP et (4) la validation de sa performance sismique. Le rapport de force de cisaillement γ_SF et le rapport d’accélération structurelle γ_{ACC , qui} représentent le niveau cible d’amélioration des performances, peuvent être établis à l’aide de valeurs typiques prédéterminées ou d’exigences d’ingénierie spécifiques. Cette γ_SF peut être calculée comme le rapport des réponses de la force de cisaillement de crête de la structure primaire à celles de la structure isolée basée sur VD-OP, tandis que γ_{ACC peut être} calculée comme le rapport des réponses d’accélération de crête de la structure primaire à celles de la structure isolée basée sur VD-OP. La conception des paramètres du VD-OP implique la sélection d’ensembles de paramètres représentatifs pour obtenir les caractéristiques de rigidité et d’amortissement souhaitées, y compris le coefficient d’amortissement, l’exposant d’amortissement et la force de seuil du protecteur de surcharge F_max . Les paramètres mentionnés peuvent être déterminés en fonction des résultats paramétriques des études de propriétés mécaniques et du principe de conception qui minimise les réponses d’accélération de la structure isolée basée sur VD-OP lors de tremblements de terre rares. Conformément à la procédure de conception illustrée ci-dessus, l’organigramme de conception des paramètres est résumé (figure 10).

Figure 10 : Organigramme de conception du système d’isolement hybride VD-OP proposé. La conception VD-OP implique : (1) l’évaluation de la structure d’origine, (2) la définition des ratios d’amélioration cibles (force de cisaillement α et β d’accélération), (3) l’optimisation des paramètres d’amortissement (coefficient, exposant, force de seuil) pour une réponse sismique minimale, et (4) la validation des performances. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

En fixant l’efficacité d’isolement cible, telle qu’évaluée par la force de cisaillement de base cible γ_{SF, Tar} et le rapport d’accélération structurelle γ_{ACC, Tar} à 0,35 sous le tremblement de terre fréquent, une couche d’isolation sismique incorporant le HDRB et le nouveau VD-OP a été ajoutée à la base de la structure primaire. Les paramètres spécifiques pour le HDRB et le VD-OP sont détaillés et illustrés (Tableau 4 et Tableau 5).

Analyse dynamique de la structure avec le système d’isolation VD-OP

La structure est conçue pour supporter une intensité de fortification sismique de sept degrés (0,15 g) et est située sur un site de catégorie IV, qui est classé comme un site de sol meuble³⁹. Le spectre de réponse du site a une période caractéristique de T_g = 0,75 s. 4.16 Compte tenu de ces conditions du site, sept enregistrements d’historique temporel sismique ont été choisis pour l’analyse, y compris deux historiques temporels artificiels des mouvements du sol et cinq historiques temporels naturels des mouvements du sol provenant de la base de données K-KET au Japon⁴⁰. Des informations détaillées sur ces enregistrements sismiques sont présentées (tableau 6), ainsi que leurs spectres de réponse à l’accélération (figure 9).

Pour évaluer les performances du HDRB dans divers scénarios de tremblement de terre, les historiques de temps de mouvement du sol ont été mis à l’échelle pour atteindre des accélérations maximales du sol (PGA) de 35 gal, 100 gal et 220 gal³⁹. Ces valeurs PGA, correspondant respectivement aux tremblements de terre fréquents, aux tremblements de terre de fortification et aux séismes rares, ont été sélectionnées pour assurer une évaluation approfondie de la résilience sismique de la structure isolée. Les réponses dynamiques des structures d’origine, des structures avec un système d’isolation VD-OP basé sur HDRB et des structures isolées par LRB ont été analysées en profondeur dans des conditions sismiques fréquentes, de fortification et rares, en se concentrant sur le déplacement entre les étages, l’accélération et la force de cisaillement. Les réponses comparatives détaillées sont illustrées (figure 11). Les courbes d’hystérésis de VD-OP sous l’entrée de mouvement du sol NW3 pour les tremblements de terre fréquents, de fortification et rares sont représentées (Figure 12).

Figure 11 : Dérives de l’histoire sous différents niveaux de tremblements de terre. (A) Dérives de l’histoire sous des tremblements de terre fréquents ; (B) L’histoire dérive sous les événements au niveau de la conception ; (C) L’histoire dérive sous de violents tremblements de terre. (D) Cisailles d’histoire sous tremblements de terre fréquents ; (E) Cisailles d’histoire sous des événements au niveau de la conception ; (F) Cisaille d’histoire sous un tremblement de terre violent ; (G) Histoire des accélérations absolues sous séismes fréquents ; (H) Accélérations absolues de l’histoire lors d’événements au niveau de la conception ; (I) Histoire des accélérations absolues en cas de tremblement de terre violent. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 12 : Courbes d’hystérésis dans la couche d’isolement sous différents niveaux de tremblements de terre, NW3. (A) VD-OP en cas de tremblements de terre fréquents ; (B) VD-OP lors d’événements au niveau de la conception ; (C) VD-OP en cas de tremblement de terre sévère ; (D) HDRB en cas de tremblements de terre fréquents ; (E) HDRB dans le cadre d’événements au niveau de la conception ; (F) HDRB en cas de tremblement de terre violent. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Résultats

Résultats de l’analyse paramétrique du dispositif VD-OP
Relation force-vitesse et comportement hystérétique (Figure 2) :

Comme le montre la figure 2, les courbes d’hystérésis montrent comment le comportement de dissipation d’énergie de l’amortisseur change avec différentes valeurs F_max et amplitudes de déplacemen...

Discussion

Cette étude démontre l’efficacité du VD-OP (figure 1, figure 2 et figure 3) dans l’amélioration de la résilience sismique grâce à une dissipation d’énergie contrôlée et à une limitation de la force. Les résultats expérimentaux (figure 4, figure 13 et figure 14) confirment que le VD-OP atténue les forces d’amort...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Logiciel de test dynamique	Shanghai Hualong	HDTS-v3.0	Conforme à la norme GB/T 20688.1-2007
ETABS-Analyse et conception du bâtiment  ;	Ordinateur et structures, Inc	19.0.2	Pour la modélisation des performances et l’analyse structurelle
Capteur de pesage	Ningbo Saishi	Réf. C3M-3000	Pour les expériences d’une capacité de 3000 kN
LVDT	Shanghai Hualong	HLVDT1000	Pour des expériences avec ± ; Portée de 1000 mm et résolution de 0,01 mm
Capteur magnétostrictif	MTS (États-Unis)	Série MTS-R	Pour des expériences avec ± ; Débattement de 800 mm
MATLAB	MathWorks	2024	Pour le calcul des expériences
Actionneur servo-hydraulique	Shanghai Hualong	YJW-20000	Pour des expériences avec ± ; course de 800 mm, ± ; Capacité dynamique de 2000 kN