CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Calculs sismiques au LAPP.
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Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Calculs sismiques au LAPPCalculs sismiques au LAPP
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
PourquoPourquoi ?i ?
CommenComment ?t ?
Calculs Calculs sismiquessismiques
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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 ??
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
2 – Généralités sur les séismes2 – Généralités sur les séismes
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
3 – 3 – ContexteContexte
5 – 5 – Les difficultés rencontréesLes difficultés rencontrées
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Séisme de CHI-CHI (Taiwan) 21 septembre 1999Magnitude locale : 7.3
2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
•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.
2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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.
2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 2 –Généralités sur les 2 –Généralités sur les séismesséismes
Annecy : magnitude 5.2
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
2 – Généralités sur les séismes2 – Généralités sur les séismes
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
3 – 3 – ContexteContexte
3 –3 –ContexteContexte
5 – 5 – Les difficultés rencontréesLes difficultés rencontrées
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Contexte : LHCbContexte : LHCb
3 –3 –ContexteContexte
Calorimètres
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Contexte : LHCbContexte : LHCb
10 m
Epaisseur des détecteurs : 1 m pour HCAL et 0.4 m pour ECAL
Supports posés sur des rails
Gantry
3 –3 –ContexteContexte
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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
3 –3 –ContexteContexte
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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.
3 –3 –ContexteContexte
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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
3 –3 –ContexteContexte
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
2 – Généralités sur les séismes2 – Généralités sur les séismes
1 – 1 – Pourquoi des calculs Pourquoi des calculs sismiques?sismiques?
4 – 4 – Les méthodes d’analyseLes méthodes d’analyse
3 – 3 – ContexteContexte
5 – 5 – Les difficultés rencontréesLes difficultés rencontrées
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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
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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
4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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)
4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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%)
4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP 4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes
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
4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Séisme d’izmit 17 août 1999
Accélérogramme
4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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)
4 –Méthodes 4 –Méthodes d’analysed’analyse
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
2 – Généralités sur les séismes2 – Généralités sur les séismes
1 – 1 – Pourquoi des calculs Pourquoi des calculs sismiques?sismiques?
4 – 4 – Les méthodes d’analyseLes méthodes d’analyse
3 – 3 – ContexteContexte
5 – 5 – Les difficultés Les difficultés rencontrées rencontrées
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Modélisation géométrique des structures et éléments finis
Modélisation du gantry par des ressorts
5 –5 –DifficultésDifficultés
Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004
CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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
5 –5 –DifficultésDifficultés
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
Prise en compte du comportement (données d’entrée)
000
dMdCKdtF
002.0
dMdCKdtF
Théorie (mod linéaire):
Modèle constructeur (non linéaire) :
5 –5 –DifficultésDifficultés
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CALCULS SISMIQUES AU LAPPCALCULS SISMIQUES AU LAPP
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)
5 –5 –DifficultésDifficultés