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Calculs sismiques au LAPP. Calculs sismiques. Pourquoi ?. Comment ?. 1 – Pourquoi des calculs sismiques ?. 2 – Généralités sur les séismes. 3 – Contexte. 4 – Spécificités des études. 5 – Les difficultés rencontrées. 1 –Pourquoi ?. Pourquoi faire des calculs sismiques ?.

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Presentation Transcript
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Calculs sismiques

Pourquoi ?

Comment ?

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1 –Pourquoi des calculs sismiques ?

2 – Généralités sur les séismes

3 – Contexte

4 – Spécificités des études

5 – Les difficultés rencontrées

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1 –Pourquoi ?

Pourquoi faire des calculs sismiques ?

Pour assurer la sécurité des personnes

Pour évaluer et prévenir les risques de détérioration des équipements

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

2 – Généralités sur les séismes

3 – Contexte

4 – Les méthodes d’analyse

5 – Les difficultés rencontrées

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2 –Généralités sur les séismes

Séisme de CHI-CHI (Taiwan)

21 septembre 1999

Magnitude locale : 7.3

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2 –Généralités sur les séismes

  • 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.
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2 –Généralités sur les séismes

Déformation élastique lente

Rupture sismique rapide

Contrainte tectonique

  • 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.
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3 –Contexte

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

2 – Généralités sur les séismes

3 – Contexte

4 – Les méthodes d’analyse

5 – Les difficultés rencontrées

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3 –Contexte

Calorimètres

Contexte : LHCb

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3 –Contexte

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

Gantry

10 m

Supports posés sur des rails

Contexte : LHCb

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3 –Contexte

  • Problématique
  • Des structures très élancées juste posées sur leur bases
  • Une demande du CERN de prendre en compte des aléas sismiques
  • Des normes imposées : PS 92 et Eurocode 8
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3 –Contexte

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 calorimètres

Nous regardons actuellement la possibilité d’assurer ces liaisons par le biais d’amortisseurs pour dissiper une part de l’énergie.

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3 –Contexte

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

2 – Généralités sur les séismes

3 – Contexte

4 – Les méthodes d’analyse

5 – Les difficultés rencontrées

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4 –Méthodes d’analyse

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

Analyse temporelle modale

  • Analyse modale (recherche des modes propres)
  • Réponse transitoire modale
  • Analyse temporelle
  • Réponse transitoire intégration directe
  • Analyse statique équivalente
  • Réponse statique linéaire
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4 –Méthodes d’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 Hz
  • L’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 harmonique

Analyse transitoire modale

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4 –Méthodes d’analyse

  • 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 dynam
  • L’amortissement de l’ensemble de la structure
  • Le spectre de calcul

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

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4 –Méthodes d’analyse

Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes

Spectre de calcul

Les 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%)

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4 –Méthodes d’analyse

Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes

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4 –Méthodes d’analyse

Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes

Spectre de calcul

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4 –Méthodes d’analyse

Accélérogramme

Séisme d’izmit 17 août 1999

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4 –Méthodes d’analyse

  • 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 dynam
  • L’amortissement de l’ensemble de la structure

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

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1 – Pourquoi des calculs sismiques?

2 – Généralités sur les séismes

3 – Contexte

4 – Les méthodes d’analyse

5 – Les difficultés rencontrées

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5 –Difficultés

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 calorimètres
  • Validation des méthodes sur des modèles simples.
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5 –Difficultés

Modélisation géométrique des structures et éléments finis

Modélisation du gantry par des ressorts

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5 –Difficultés

  • 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 modules
  • Dialogue avec constructeur et support Samtech pour définir les paramètres
  • Etude temporelle non linéaire en utilisant les accélérogrammes
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5 –Difficultés

Prise en compte du comportement (données d’entrée)

Théorie (mod linéaire):

Modèle constructeur (non linéaire) :

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5 –Difficultés

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)