Étude du comportement thermodynamique d'appuis isolateurs sismiques sous chargements cycliques à basses températures

L’isolation sismique de la base permet de découpler le mouvement d’un pont isolé de celui du sol à l’aide d’appuis isolateurs sismiques. L’usage d’isolateurs sismiques permet d’augmenter la période de la structure et donc de l’éloigner de la période critique des séismes. Cependant, la performance sismique d’un pont isolé est gouvernée par le comportement des isolateurs sismiques lequel est directement relié à leurs propriétés hystérétiques. Celles-ci sont influencées par de nombreux facteurs, notamment les basses températures, communes au Canada. Le code canadien des ponts routiers (CSA, 2014) exige d’effectuer des essais à basses températures sur les isolateurs sismiques, mais sans encadrer précisément ces essais. Notamment, l’impact des conditions d’essais n’est pas connu de manière précise. De plus, les propriétés hystérétiques et le comportement des appuis isolateurs sismiques est, le cas échéant, intimement relié à leurs comportements thermodynamiques avec un couplage entre les propriétés mécaniques et la température effective durant l’essai. La présente étude a pour objectif principal le développement d’une modélisation numérique d’appuis sismiques, sous chargements cycliques, à de basses températures permettant d’étudier l’interaction entre la thermodynamique de ces appuis et leurs propriétés hystérétiques mesurées par les essais.
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\nCette étude s’intéresse à l’isolateur en élastomère fretté à amortissement élevé (HRB) et à l’isolateur en élastomère fretté avec noyau de plomb (LRB). Les propriétés hystérétiques de ces deux isolateurs dépendent du caoutchouc, mais également du plomb pour le LRB. Les comportements de ces deux matériaux ont été modélisés de manière à obtenir des modèles à la fois convenables pour les simulations par éléments finis et représentatifs de la réalité. Les propriétés mécaniques et thermiques ainsi que leurs lois d’évolutions avec la température sont définies et sélectionnées sur la base de recherches dans la littérature. Également, la chaleur générée au sein de ces matériaux, conséquence de l’énergie dissipée pendant les chargements cycliques, a été modélisée. Une série de simulations a permis de valider les modèles créés pour les matériaux et la chaleur générée. Ensuite des simulations pour les deux types d’isolateurs étudiés en modifiant les paramètres ont été réalisées afin de représenter l’impact des basses températures et de certaines conditions d’essai.
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\nLes résultats sont comparés à ceux disponibles dans la littérature pour valider les modèles créés pour les matériaux composant les isolateurs ainsi que la chaleur interne qu’ils génèrent sous le mouvement cyclique. Également, l’impact de la température d’essai sur le comportement des isolateurs a été bien mis en évidence. Pour les HRB, les basses températures entrainent une forte augmentation de l’ensemble des propriétés mécaniques du caoutchouc, ce qui implique une augmentation à la fois de la force caractéristique (Qd) et de la rigidité post-élastique (Kd) des isolateurs. De même pour les LRB, les basses températures augmentent en plus la limite élastique du plomb ce qui, combiné aux effets sur le caoutchouc, provoque une augmentation très importante de la force caractéristique. Enfin, les simulations ont mis en avant la faible chaleur générée au sein du caoutchouc et ce conformément aux études antérieures disponibles dans la littérature. Au contraire, le noyau de plomb subit lui un réchauffement important, amplifié par les basses températures qui augmentent sa limite élastique. Cette augmentation de la température interne des isolateurs soumis à des chargements cycliques est bien visible sur les boucles d’hystérésis des LRB qui présentent une dégradation de la réponse avec les cycles. Dans le cas des appuis HRB, cette dégradation avec les cycles est beaucoup moins évidente et les réponses des cycles successifs sont quasiment identiques. Finalement, nos simulations indiquent que la température des plaques composant la structure d’essai ont peu d’influence sur la réponse thermodynamique et hystérétique des appuis isolateurs en LRB et HRB.

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