Exploitation analytique de données issues d`essais d

CaDORoc
Exploitation analytique de données issues
d’essais d’impact en vraie grandeur sur
écrans de filets : quelques résultats
avec le soutien du
Auteur : Laurent Dubois (Cerema - DterCE - Laboratoire de Lyon)
Date : 28 octobre 2015
Écrans de filets
Impact d’un écran par un bloc de 7 t (Saint-Martin-le-Vinoux, 38)
Écrans de filets
quelques éléments de contexte :
augmentation des capacités d’arrêt (jusqu’à 8000 kJ), mais
justification du dimensionnement toujours par essais d’impact en vraie
grandeur (notamment : absence de méthode de calcul pseudo-statique
fiable)
-
marquage CE : ETAG27 en vigueur depuis le 01/02/2008, RPC depuis
le 01/07/2013
-
station d’essais de chutes de blocs de l’IFSTTAR à Montagnole (73),
opérationnelle depuis décembre 2009. Réalisation de 20 essais pour
3 fabricants français (SEL et MEL confondus) : GTS, HC/TAS et CAN
-
(SEL : niveau d’énergie de service, MEL : niveau d’énergie maximal)
Date_Titre de la présentation
1
Écrans de filets
en particulier :
calcul en pseudo-statique : nécessité de connaître l’effort
statique résistant maximal équivalent agissant sur le bloc (ou
force de freinage maximal ou force d’impact Fmax) tel que :
-
(principe fondamental de la dynamique, m : masse du bloc)
peut-on connaître facilement la décélération maximale amax
subie par un bloc freiné par un écran de filets au cours d’un
essai ? (pas de mesure directe par un accéléromètre dans le
bloc)
-
Écrans de filets
dans la littérature :
1 essai bien documenté réalisé à Walenstadt (Suisse) sur un écran
Geobrugg (Volkwein, 2004) :
-
type d’essai : MEL
chute verticale
impact au centre du module fonctionnel central (3 modules)
énergie d’impact : 259 kJ
vitesse instantanée d’impact : 25,06 m/s
type de bloc : sphère en BFUP (825 kg)
accéléromètre triaxial embarqué + courbe allongement en fonction du temps
Sm = 5,70 m et ts = 0,349 s
(Sm : allongement maximal, ts : temps de freinage)
Écrans de filets
principaux paramètres
réalisés à Montagnole :
des
essais
hauteur nominale :
4,2 m à 7,1 m
énergie d’impact (Ec0) :
330 kJ à 5000 kJ
vitesse instantanée d’impact (Vi0) :
25,0 m/s à 29,3 m/s
blocs BA ETAG27 (d = 2,6 à 2,7)
chute verticale
impact au centre du module fonctionnel
central ou d’un module latéral (3 modules)
Montagnole (essai GTS)
Écrans de filets
écrans testés de conceptions très différentes :
filets : anneaux 4 ou 6 contacts, à câbles tricotés
position des filets / poteaux : amont ou aval
poteaux : inertie et section
espacement entre poteaux
pieds de poteaux : articulés ou libres
haubans aval ou non
nombre de haubans amont par poteau : 1 ou 2 (en V)
premier résultat : tous les impacts réalisés à Montagnole
appartiennent à la catégorie des chocs mous :
les blocs sont restés solidaires des filets (sans rebond avec perte de
contact après l’obtention de l’allongement maximal),
et les ouvrages impactés ont présenté un comportement élastoplastique.
Écrans de filets
deuxième résultat : les principaux résultats sont concordants avec
ceux présentés dans la littérature issus d’essais réalisés en Suisse
(Gerber & Boell, 2002) (Gerber & Boell, 2006) et en Italie (Cantarelli &
al., 2008), notamment :
l’allongement maximal et le temps de freinage augmentent avec Ec0,
l’allongement maximal total SEL2 est inférieur à l’allongement maximal MEL,
le temps de freinage SEL2 est inférieur au temps de freinage SEL1.
Écrans de filets
troisième résultat : existence d’une relation fine (R2 = 0,98)
entre allongement maximal Sm et temps de freinage ts (pour
SEL1 et MEL, pour tout module)
S m 12,6 t s 1,4
influence de la
première
phase de
grands
déplacements
et de la chute
verticale ?
Écrans de filets
troisième résultat : on observe
avec Vi0m = 27,2 m/s pour l’ensemble des essais
(Vi0m / 2 = 13,6 m/s ≈ 12,6 m/s)
existe-t’il une force de freinage constante Fm au cours de
l’impact telle que : - Fm x Sm = Ec0 = 0,5 x m x Vi02
c’est-à-dire Fm = - m x (Vi0 / ts)
Remarque : (Vi0 / ts) est la valeur de la décélération moyenne au cours
de l’impact (passage de Vi0 à 0 en une durée égale à ts).
Écrans de filets
quatrième résultat : la décélération subie par le bloc n’est pas
constante au cours de l’impact. Exemple de l’essai de
Walenstadt :
ts
a ≠ 0 et v = 0
effort non nul dans
l’ouvrage à l’instant de
l’allongement maximal
pic
retard : perte d’élasticité due aux freins ?
n = 5 : régression polynomiale (ordre 5)
Écrans de filets
Élaboration d’une méthode de calcul simple de la décélération subie
par le bloc à partir de la courbe allongement du filet en fonction du
temps pour les essais réalisés à Montagnole (dans le cas suivant :
absence de rotation notable du bloc dans le filet)
Question : peut-on utiliser les points expérimentaux bruts (toutes les 10
ou 20 ms) ou un ajustement de la courbe ?
Allongement S
régression
polynomiale
(degré 5)
Décélération
Vitesse instantanée
Écrans de filets
Meilleurs résultats : ajustement par régression polynomiale (n = 5)
S t
t
t
2
t
4
6 t 12 t
2
t
3
t
5
2
a t
d S
2
dt
2
20 t
3
S : allongement (m), t : temps (s), a : décélération (m/s2)
La fonction a(t) est maximale lorsque :
c’est-à-dire pour : t t amax
avec : 0 t amax t s
2
4
10
2
da
6
dt
10
24 t 60 t 2 0
Écrans de filets
Première validation :
Essai de Walenstadt : écarts relatifs de -2,5 % sur amax et +1,1 % sur tamax
Deuxième validation : calcul du travail total fourni par la force de freinage
Ff = - m x a(t) et comparaison avec Ec0. Application aux essais SEL1, SEL2
et MEL réalisés sur un même kit à Montagnole.
90 % à 100 %
phase de « faible » résistance
(comportement en flexion, hors plan)
phase de « haute »
résistance (comportement
membranaire, dans le plan)
Écrans de filets
cinquième résultat : application aux essais de Montagnole
a max
V i0
g 1,62
ts
(R2 = 0,98)
Conception globale similaire / technologies similaires
entre les kits des 3 fabricants ?
Écrans de filets
quelques résultats :
la décélération maximale a tendance à augmenter lorsque que EC0
augmente (c’est-à-dire lorsque la masse du bloc, l’allongement maximal et le
temps de freinage augmentent),
la décélération maximale SEL2 est supérieure de 30 à 60 m/s2 à la
décélération maximale SEL1 (ouvrages moins déformables) :
a max
V i0
g 1,34
ts
(R2 = 0,72)
dans certains cas, la force d’impact SEL2 (sur un ouvrage déjà endommagé)
peut être supérieure à la force d’impact MEL. Prise en compte dans des
calculs analytiques simples pour SEL2 ?
Écrans de filets
quelques résultats :
les ancrages les sollicités sont systématiquement liés aux câbles de rives
supérieure et inférieure du module impacté
les efforts maximaux sont de l’ordre de 50 % à 55 % de la force d’impact
constat : nombreuses dissymétries de comportement sous impact des
écrans testés. Causes ?
Écrans de filets
quelques comparaisons avec les modèles analytiques historiques :
(Peila & al., 1998) :
F max .S m 2,5 E c
⇒ force d’impact Fmax largement surestimée (140 %)
(Cantarelli & al., 2008) :
d2 S
2
dt
g
kS
m
avec k raideur du filet supposée constante (hypothèse très simpliste)
⇒ écarts très importants pour le calcul de Sm et ts
modèle le plus simple : décélération constante au cours de l’impact
⇒ force d’impact Fmax sous-estimée (60 %)
Écrans de filets
validation d’une méthode simple et fiable pour le calcul de la décélération
maximale à partir de la courbe allongement du filet en fonction du temps
mise en évidence de deux relations fines :
- entre Sm et ts,
- et entre amax, Vi0 et ts
beaucoup de questionnements subsistent (phénomènes dynamiques,
assemblages complexes d’éléments présentant eux-mêmes des
comportements dynamiques spécifiques : aciers HE, etc.)
modèles analytiques disponibles peu fiables
nécessité du recours à des modélisations numériques tridimensionnelles
complexes en complément des essais d’impact en vraie grandeur :
- compréhension des phénomènes dynamiques,
- tests de multiples configurations (optimisation des coûts).
Merci pour votre attention
Laurent Dubois
Cerema – Direction territoriale Centre-Est
[email protected]
06 64 49 33 44