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Comportement sismique d’un pont roulant

F. Grange (EDF / R&D / ERMES)

Contexte

Les ponts roulants sont présents dans les différents bâtiments des Centres Nucléaires de Production d’Electricité. Ils ont pour fonction le soulèvement et la manutention de charges lourdes. Ils doivent rester manœuvrables après un séisme et ne doivent pas endommager les équipements à proximité. Les principaux systèmes de levage sont identifiés comme des Éléments Importants pour la Protection des intérêts et font l’objet d’un dimensionnement au séisme.
Suite à l’accident de Fukushima, la démarche de réévaluation sismique a conduit à modifier les spectres retenus pour la vérification ou le dimensionnement des systèmes, des structures et composants d’un ensemble appelé noyau dur. Les spectres retenus, dits Séisme Noyau Dur (SND) sont :

  • l’enveloppe du Séisme Majoré de Sécurité (SMS) du site étudié majoré de 50%,
  • ou l’enveloppe des spectres du site étudié, définis de manière probabiliste avec une période de retour de 20000 ans.

Le comportement au SND de ces matériels doit donc être justifié.

Figure 1 : Pont auxiliaire P4 (parc EDF)

Problématique

Actuellement, les calculs sont menés régulièrement avec des analyses modales spectrales où les hypothèses utilisées négligent la dissipation liée au frottement et les mouvements de corps rigide, conduisant à d’importants conservatismes. Ceci conduit à surévaluer le chargement appliqué aux différentes structures et à proposer des solutions de renforcement complexes et onéreuses.
Pour certains ponts roulants, d’autres études sont également menées avec des calculs non-linéaires sur base physique mais, d’une part, les temps de calculs sont un frein à une utilisation massive de ce type de calcul et, d’autre part, la présence de modes de corps rigide a pour conséquence l’utilisation d’un amortissement de Rayleigh proportionnel à la raideur, amortissant très faiblement les premiers modes de fréquence basse.

Pour améliorer ces études de ponts roulants spécifiques, une méthodologie a été développée avec code_aster pour effectuer des calculs dynamiques transitoires non-linéaires. Celle-ci permet de prendre en compte le frottement, le roulement et le soulèvement des galets sur les rails mais également la plasticité localisée d’un système limiteur d’efforts. Les calculs non-linéaires sont effectués sur une base modale composée des modes propres du pont, enrichie de modes statiques liés aux contacts entre les structures. Ceci permet de valoriser le glissement des galets, permettant de réduire fortement les sollicitations transmises au pont et au chariot, ainsi que les déformations du pont.

Essais sur table vibrante

En 2016, le CEA, l’IRSN et EDF ont mené des essais sur table vibrante, pour étudier le comportement sismique des ponts roulants. Le pont roulant utilisé pour ces essais est une maquette à l’échelle 1/5 inspirée du pont de manutention de la centrale Phénix (22 mètres pour 100 tonnes). La maquette est constituée du pont et de son chariot, mais également des poutres de roulement sur lesquelles le pont se déplace. Cependant, seule la géométrie est représentative des ponts de CNPE, les contacts, et matériaux ne sont pas représentatifs. L’ensemble a été installé sur la table vibrante trois axes du CEA de Saclay pour imposer des sollicitations sismiques.

Figure 2 : Maquette sur la table vibrante Azalée (CEA)

L’instrumentation du pont comprend des mesures accélérométriques en différents points de la maquette mais également des déplacements locaux du pont et du chariot. Ces mesures sont complétées par des mesures par stéréovision qui enregistrent les déplacements tridimensionnels de cibles en différents points de la maquette. Pour terminer, des cellules de forces six axes sont intercalées entre les rails de roulement du pont et la table vibrante pour enregistrer les efforts à l’interface entre le pont et sa structure porteuse.

Avant d’appliquer les sollicitations dynamiques, différents essais de caractérisation ont été menés pour identifier le comportement de chacun des éléments, ainsi que le comportement global de la maquette. Ces caractérisations ont fait appel à des excitations par bruit blanc, et par marteau de choc.

Ensuite, différents chargements dynamiques ont été appliqués à la table vibrante :

  • premièrement, des chargements élémentaires, avec un déplacement rapide et unidirectionnel de la table. Ces essais permettent de mettre en évidence le frottement sur un temps assez court pour permettre le recalage des paramètres numériques de contact.
  • Deuxièmement, des signaux sismiques, bi-axiaux, et tri-axiaux, ont été appliqués à la table vibrante. Les signaux sont issus d’enregistrements réalisés lors du séisme de Chūetsu-oki en juillet 2007, à la centrale nucléaire de Kashiwazaki-Kariwa. Les signaux ont été mesurés, lors du choc principal, dans le bâtiment turbine de la centrale. Les accélérogrammes ont été adaptés pour tenir compte du facteur d’échelle, et pour que la fréquence principale coïncide avec celle de la maquette.

Validation de la nouvelle méthodologie de calcul

L’application de la méthodologie de calcul, à ces essais expérimentaux a été effectuée avec Salome-Meca. Un maillage de la maquette a été réalisé, puis une étape de recalage du modèle numérique a permis d’avoir un comportement dynamique proche de l’expérimental.

La simulation des essais dynamiques a permis de montrer une bonne correspondance des déplacements maximaux du pont et du chariot entre les essais et les simulations. Il est toutefois impossible de définir la position finale des différents éléments après le séisme, seul le déplacement maximal peut être comparé. Cependant, malgré la méconnaissance de certains paramètres (comme les raideurs de contacts), les coefficients de restitution d’énergie des chocs, les accélérations du chariot et les efforts enregistrés à l’interface avec la table correspondent aux valeurs expérimentales.

Figure 3 : Mode vertical du modèle numérique de la maquette