calculs sismiques au lapp réunion mécanique in2p3, 15 novembre 2004 calculs sismiques au lapp

Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004

CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP

Calculs sismiques au LAPPCalculs sismiques au LAPP



PourquoPourquoi ?i ?

CommenComment ?t ?

Calculs Calculs sismiquessismiques



2 – Généralités sur les séismes2 – Généralités sur les séismes

1 –1 – Pourquoi des calculs sismiques ?Pourquoi des calculs sismiques ?

4 – 4 – Spécificités des étudesSpécificités des études

3 – 3 – ContexteContexte

5 – 5 – Les difficultés rencontréesLes difficultés rencontrées



Pourquoi faire des calculs sismiques ?Pourquoi faire des calculs sismiques ?

Pour assurer la sécurité des personnesPour assurer la sécurité des personnes

Pour évaluer et prévenir les risques de Pour évaluer et prévenir les risques de détérioration des équipementsdétérioration des équipements

1 –Pourquoi 1 –Pourquoi ??




1 – 1 – Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences du CERN ?du CERN ?

4 – 4 – Les méthodes d’analyseLes méthodes d’analyse





Séisme de CHI-CHI (Taiwan) 21 septembre 1999Magnitude locale : 7.3

2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes



•A faible profondeur (0-2 km, 600 bars), la résistance est faible (manque de cohésion), les roches se déforment de manière continue, pas de séisme.

•A plus grande profondeur (>25 km soit 7.5 k bar), la température est élevée et les roches fluent de manière visqueuse. Les roches sont ductiles.




Contrainte tectoniqueDéformation élastique lente

Rupture sismique rapide

•Pour des profondeurs comprises entre 2 et 25 kilomètres, la résistance augmente, la roche se déforme élastiquement puis subit une rupture soudaine, c’est le séisme. Les roches sont fragiles.



CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes


CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes

Annecy : magnitude 5.2




1 – 1 – Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences du CERN ?du CERN ?



3 –3 –ContexteContexte




Contexte : LHCbContexte : LHCb


Calorimètres



Contexte : LHCbContexte : LHCb

10 m

Epaisseur des détecteurs : 1 m pour HCAL et 0.4 m pour ECAL

Supports posés sur des rails

Gantry




Problématique

Des structures très élancées juste posées sur leur basesUne demande du CERN de prendre en compte des aléas sismiquesDes normes imposées : PS 92 et Eurocode 8




Problématique

Les premières simulations montrent que si les supports de détecteurs sont seulement posés sur les rails il y a risque de basculement.

Nous avons donc proposé de rajouter une structure fixée au sol qui puisse servir de point d’appui haut pour les calorimètresNous regardons actuellement la possibilité d’assurer ces liaisons par le biais d’amortisseurs pour dissiper une part de l’énergie.




Les différentes étapes

Engagement vis à vis de la collaboration en septembre 2002Début des études de principe avec l’aide du LPSC (Emmanuelle Vernay et Alain Garrigue) 2nd semestre 2002Organisation d’une formation « dynamique avancée » à Annecy en janvier 2003Ellaboration des premiers modèles de calcul qui ont conduit à une modification des choix de conception en octobre 2003Présentation d’une configuration validée par le CERN en janvier 2004Etude d’amélioration du comportement (amortisseurs) en cours





1 – 1 – Pourquoi des calculs Pourquoi des calculs sismiques?sismiques?






Analyse modale spectrale (méthode imposée par les normes)Analyse modale (recherche des modes propres)Réponse sismique

Analyse harmoniqueAnalyse modale (recherche des modes propres)Réponse harmonique

Analyse temporelle modaleAnalyse modale (recherche des modes propres)Réponse transitoire modale

Analyse temporelle Réponse transitoire intégration directe

Analyse statique équivalenteRéponse statique linéaire

4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse



Analyse modale (recherche de mode propre)

On effectue une analyse modale pour identifier les modes propres de la structure (en tous cas ceux qui apportent une contribution significative à la réponse de la structure) le nombre de modes retenu et déterminé par :les normes qui indiquent que l’on doit se limiter à un domaine d’étude de 0 à 33 HzL’évaluation de la somme des masses modales par direction qui doit être au moins de 90 % de la masse totale

Cette étape peut se traiter avec samcef field (utiliser la méthode frontale).

Nécessaire à :

Analyse spectrale modale (normes)Analyse harmoniqueAnalyse transitoire modale




Analyse modale spectrale (méthode imposée par les normes)

Etude de la réponse sismique (analyse linéaire):

A partir des modes propres calculés précédemment on calcul la réponse du système pour chaque mode et chaque direction puis on effectue une recombinaison pour obtenir une réponse globale qui se post-traite comme une analyse statique linéaire

Les données d’entrée principales sont :Les modes propres calculés avec dynamL’amortissement de l’ensemble de la structureLe spectre de calcul

Cette étape peut se traiter pour le moment avec Samcef (module repdyn/specres)




Spectre de calcul en temps

0,00E+00

5,00E+02

1,00E+03

1,50E+03

2,00E+03

2,50E+03

3,00E+03

3,50E+03

4,00E+03

0,00000E+00 5,00000E-01 1,00000E+00 1,50000E+00 2,00000E+00 2,50000E+00 3,00000E+00

T(s)

accé

léra

tio

n (

mm

.s-2

)

Spectre de calculSpectre de calculLes différents points de la courbes sont les réponses maximales en accélération d’oscillateurs simples (masse ressort) couvrant toute la gamme de fréquence (ou période) soumis à un séisme typique (caractérisé notamment par son accélérogramme)

Par exemple un oscillateur de fréquence propre 2 Hz (période 0.5s) soumis au séisme aura comme accélération maximale 3.03 m.S-2 (hypothèse: dans ce cas le coefficient d’amortissement =2%)


Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes


CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse





Spectre de calcul en fréquence

0,00E+00

5,00E+02

1,00E+03

1,50E+03

2,00E+03

2,50E+03

3,00E+03

3,50E+03

4,00E+03

0 1 10 100

F (Hz)

accé

léra

tio

n (

mm

.s-2

)

Spectre de calculSpectre de calcul




Séisme d’izmit 17 août 1999

Accélérogramme




Analyse harmonique

Etude de la réponse harmonique (analyse linéaire):

A partir des modes propres calculés précédemment on calcul les réponses du système (déplacement, vitesse, accélération) à une excitation de type sinusoïdale à différentes fréquences.

Les données d’entrée principales sont :Les modes propres calculés avec dynamL’amortissement de l’ensemble de la structure

Cette étape peut se traiter pour le moment avec Samcef (module repdyn/specres)





1 – 1 – Pourquoi des calculs Pourquoi des calculs sismiques?sismiques?



5 – 5 – Les difficultés Les difficultés rencontrées rencontrées



Modélisation géométrique des structures et éléments finis

Problème :Choix d’un modèle volumique milieu continu (éléments paraboliques)car passage « assez rapide » de CATIA à Samcef Field permettant des itérations.

=> beaucoup de ddl : 15 mn de calcul en statique mais qq heures pour l’analyse modale (le maillage pourrait être assez grossier pour l’analyse modale mais doit être plus fin pour la réponse dynamique)

=> prise en compte de chaque ensemble séparément (ECAL, HCAL, Gantry)Stratégie :modélisation du comportement du gantry pour l’étude des calorimètresValidation des méthodes sur des modèles simples.

5 –5 –DifficultésDifficultés



Modélisation géométrique des structures et éléments finis

Modélisation du gantry par des ressorts




Prise en compte du comportement (données d’entrée)

Problème :Choix des donnée d’entrée pour les calorimètres (assemblages plomb/scintillateurs) Modélisation des liaisons entre éléments (amortisseurs) => utilisation des données constructeurs pour la simulation !!

Stratégie :essais mécaniques sur les modulesDialogue avec constructeur et support Samtech pour définir les paramètresEtude temporelle non linéaire en utilisant les accélérogrammes




Prise en compte du comportement (données d’entrée)

000

dMdCKdtF

002.0

dMdCKdtF

Théorie (mod linéaire):

Modèle constructeur (non linéaire) :




Choix des méthodes d’analyse

Problème :Comportement particulier des détecteurs qui sont posés sur les rails :

=>Initialement problème de RDM tant que les pieds ne décollent pas. Ensuite, en théorie problème de contact, donc non linéaire !!!=> analyse modale spectrale inutilisable.

Stratégie :=>Dimensionner le système pour garantir le non-décollement =>Utiliser un modèle statique équivalent en vérifiant le non-décollement(vérification des réactions)


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