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N°d"ordre2017Ann
´ee 2017
TH `ESE Etude de la r´eponse dynamique des ponts roulants soumis`a des chocs multiples pendant un s´eisme :
Co-simulation implicite / explicite multi-
´echelle en temps pour la
dynamique du contact Pr´esent´ee devant
l"Institut National des Sciences Appliqu´ees de Lyon
pour obtenir le GRADE DE DOCTEUREcole doctorale :
M ´ecanique,´Energ´etique, G´enie Civil, Acoustique Sp´ecialit´e :
M ´ECANIQUE - G´ENIE M´ECANIQUE - G´ENIE CIVIL parFatima-Ezzahra FEKAK
Ing´enieur en m´ecanique
Th `ese soutenue le 2 mai 2017 devant la Commission d"examen Jury NOELS LUDOVICProfesseur Universit´e de Li`egeRapporteurGATUINGT FABRICEProfesseur LMT CachanRapporteur
RIXEN DANIELProfesseur Technische Universit¨at M¨unchen Examinateur DJERAN-MAIGRE IRINIProfesseur INSA-LyonExaminateur TIE BINGCharg´ee de recherche Centrale ParisExaminateur DEPALE BRUNOExpert r´ef´erent CETIMExaminateurPIRON G
´ERARDDirecteur technique REELInvit´e
GRAVOUIL ANTHONYProfesseur INSA-Lyon, IUFDirecteur de th`ese BRUN MICHAELMaˆıtre de conf´erences (HDR) INSA-Lyon Directeur de th`eseLaMCoS - UMR CNRS 5259 - INSA de Lyon
20, avenue Albert Einstein, 69621 Villeurbanne Cedex (FRANCE)
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
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© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservés Département FEDORA - INSA Lyon - Ecoles Doctorales - Quinquennal 2016-2020 SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLECHIMIE
CHIMIE DE LYON
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Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de LyonIRCELYON-UMR 5256
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ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE
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Gerard.scorletti@ec-lyon.fr
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cordey@ univ-lyon1.fr EDISSINTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-
SANTE http://www.ediss- lyon.frSec : Sylvie ROBERJOT
Bât Atrium - UCB Lyon 1
04.72.44.83.62
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11 avenue Jean Capelle INSA de Lyon
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Tél : 04.72.68.49.09 Fax :04 72 68 49 16
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novembre 191869622 VILLEURBANNE Cedex
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MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE
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Université Lyon 2
86 rue Pasteur
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Christian.montes@univ-lyon2.fr
*ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservésCette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservés R´esum´e
Les ponts roulants sont des engins de levage situ
´es en haut des bˆatiments qu"ils
equipent. Ils servent`a manutentionner des charges tr`es lourdes et parfois critiques. Pen- dantuns ser des dommages importants dans la structure pouvant conduire `a une chute de la charge manutentionn ´ee ou du pont roulant lui-mˆeme. Donc, la v´erification de la tenue des ponts roulants au s ´eisme est une question primordiale. Actuellement, cette v´erification est bas´ee sur des m ´ethodes de calcul statiques. Ces m´ethodes font l"hypoth`ese d"un comportement purement lin ´eaire des ponts roulants ce qui les rend tr`es conservatives. Depuis quelques ann ´ees les niveaux sismiques impos´es par les autorit´es nationales augmentent chaque ann ´ee, et les constructeurs de ponts roulants se trouvent dans l"incapacit´e de construire a partir des efforts sur-estim´es fournis par les m´ethodes statiques. L"objectif de la th`ese est l" ´etude de la r´eponse dynamique d"un pont roulant pendant un s´eisme en prenant en compte les non-lin ´earit´es g´eom´etriques et mat´eriau. Afin de mod´eliser ces ph´enom`enes, une analyse dynamique temporelle avec une approche multi-´echelle en temps est adopt´ee.
Pour prendre en compte l"aspect haute fr
´equence des chocs, un int´egrateur temporel va- riationnel explicite, bas ´e sur la m´ethode des multiplicateurs de Lagrange et d´edi´e au contact/impact, est d ´evelopp´e. Ensuite, un int´egrateur h´et´erog`ene (diff´erents sch´emas d"int ´egration) asynchrone (diff´erents pas de temps), bas´e sur la m´ethode de couplageGC, est appliqu
´e au probl`eme du pont roulant. Cette strat´egie multi-´echelle en temps permet d"adapter le sch ´ema d"int´egration et le pas de temps au sous domaine consid´er´e.Par cons
´equent, l"int´egrateur explicite est adopt´e dans les zones de contact et un sch´ema implicite de type acc ´el´eration moyenne, est adopt´e dans le reste de la structure. Finale- ment, un d ´emonstrateur de co-simulation entre les logiciels Cast3M et Europlexus est mis en place pour montrer le gain tr `es significatif en temps de calcul dans le cas d"un mod`ele el´ement finis tridimensionnel d"un pont roulant industriel.MOTS CL´ES:Int´egrateur temporel h´et´erog`ene asynchrone, int´egrateur explicite, im-
pact, contact, s´eisme, pont roulant, co-simulation.Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
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© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservésAbstract
Bridge cranes are hoisting appliances located overhead in buildings. They are used to handle very heavy and sometimes critical loads. During an earthquake, a bridge crane may be subjected to multiple impacts between wheels and rails. These impacts can cause significant damage to the structure leading to a fall of the handled load or the bridge crane itself. Therefore, the qualification of such equipment, subjected to an earthquake, is very important. Currently, this qualification is based on static methods. These methods assume a purely linear behavior of the bridge cranes, which leads to a very conserva- tive forces. Consequently, the bridge cranes manufacturers are sometimes unable to de- sign the equipement from the over-estimated efforts provided by the static methods. The aim of this work is to study the dynamic response of a bridge crane during an earth- quake by taking into account the geometric and material non-linearities. In order to mo- del such phenomena, a time-history dynamic analysis with a multi-scale approach is per- formed. To take into account the high frequency aspect of the impacts between wheels and rails, a Lagrange explicit contact/impact time integrator is proposed. This work has also led to the development of an explicit-implicit HATI (Heterogeneous Asynchronous Time Integrator) for contact/impact dynamics. This method allows us to adopt an expli- cit contact/impact time integrator in the contact area and an implicit time integrator with a coarse mesh in the rest of the domain. Finally, a co-simulation demonstrator between Cast3M and Europlexus softwares is set up to show the very significant gain in computa- tion time for a three-dimensional finite element model of an industrial bridge crane. KEYWORDS:Heterogeneous asynchronous time integrator, Lagrange explicit time integrator, impact, contact, earthquake, bridge crane, co-simulation.Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
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© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservésTable des mati
`eresTable des mati
`eres iTable des figures iii
Liste des tableaux vii
Introduction 1
1 Probl
´ematique des ponts roulants sous s´eisme 5
1.1 Contexte industriel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Les ponts roulants dans l"industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Qualification des ponts roulants sous s
´eisme . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Mod
´elisation des ponts roulants en dynamique transitoire . . . . . . . . . 141.2.1 Mod
´elisation de la liaison galet-rail . . . . . . . . . . . . . . . . 141.2.2 M
´ethodes d"application d"un chargement sismique temporel . . . 141.3 Conclusion et orientation du travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Mod ´elisation du contact et de l"impact en dynamique 192.1 Probl
`eme de r´ef´erence de la m´ecanique des milieux continus sans contact 202.1.1 Formulation forte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Formulation faible - Principe des puissances virtuelles . . . . . . 22
2.1.3 Discr
´etisation en espace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.1.4 Discr
´etisation en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2 Cas d"un probl
`eme m´ecanique avec contact/impact . . . . . . . . . . . . 382.2.1 Formulation du contact en dynamique . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 Formulation forte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3 Formulation variationnelle espace-temps . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.4 ´Equation de la dynamique non-r´eguli`ere . . . . . . . . . . . . . . 462.2.5 Discr
´etisation en temps - Sch´ema explicite de Newmark . . . . . 482.3 Exemples num
´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.3.1 Test de la balle rebondissante - Ph
´enom`ene de ZENO . . . . . . . 59
2.3.2 Exemple de deux barres d
´eformables en contact . . . . . . . . . . 62
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72i
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservésTable des mati
`eres3 Int ´egrateur temporel h´et´erog`ene asynchrone pour la dynamique du contact 73 3.1 M ´ethodes de d´ecomposition en sous domaines . . . . . . . . . . . . . . . 743.1.1 M
´ethodes avec recouvrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753.1.2 M
´ethodes sans recouvrement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.2 M ´ethodes multi-´echelles en temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.2.1 M
´ethodes de sous-cyclage et mixtes en temps . . . . . . . . . . . 793.2.2 Les int
´egrateurs HATI - les m´ethodes GC, MGC et BGC . . . . . 813.3 Un int
´egrateur temporel implicite-explicite pour la dynamique du contact 883.3.1 Formulation variationnelle espace-temps . . . . . . . . . . . . . 88
3.3.2 Discr
´etisation temporelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.3.3 Strat
´egie d"impl´ementation de l"int´egrateur implicite-explicite . . 933.3.4´Equation discr´etis´ee du bilan´energ´etique . . . . . . . . . . . . . 97
3.3.5 Exemple num
´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4 Co-simulationimplicite-explicited"unmod
`eletridimensionneld"unemaquette de pont roulant 1074.1 Essais sismiques d"une maquette de pont roulant . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.1´Etat de l"art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.1.2 Pr
´esentation de la maquette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1094.1.3 Pr
´esentation des essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.2 Calcul tridimensionnel temporel implicite-explicite de la maquette . . . . 112
4.2.1 Mod
´elisation tridimensionnelle de la maquette . . . . . . . . . . 1134.2.2´Etude des modes propres du mod`ele de la maquette . . . . . . . . 116
4.2.3 Mod
´elisation des contacts dans Europlexus . . . . . . . . . . . . 1194.2.4 Strat
´egie de couplage entre Cast3M et Europlexus . . . . . . . . 1234.2.5 R
´esultats num´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1254.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Bilan et perspectives 129
Bibliographie 135ii
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservésTable des figures
1 Pont roulant
`a l"int´erieur d"un r´eacteur`a Fukushima . . . . . . . . . . . . 11.1 Exemples de ponts roulants manipulant des charges . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Exemple de pont roulant bi-poutre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Un oscillateur
`a un degr´e de libert´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.4 Exemple de spectres de r
´eponse pour diff´erentes valeurs d"amortissement 91.5 Valeurs caract
´eristiques d"un spectre de r´eponse . . . . . . . . . . . . . . 121.6 Galet moteur et galet libre d"un pont roulant . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.7 Exemple d"un galet
`a joues de pont roulant . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.8 Exemple d"un galet de guidage d"un pont roulant . . . . . . . . . . . . . 16
1.9 Configuration d"un changement de rep
`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Configuration d"un probl
`eme m´ecanique de r´ef´erence . . . . . . . . . . . 212.2 Configuration de deux corps d
´eformables en contact . . . . . . . . . . . . 392.3 Loi de frottement de Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 Configuration initiale du test de la balle rebondissante . . . . . . . . . . . 60
2.5 Test de la balle rebondissante : (a) position analytique et num
´erique, (b)
vitesse analytique et num ´erique de la balle . . . . . . . . . . . . . . . . . 612.6 Test de la balle rebondissante : (a) force, (b) impulsion du premier contact
entre les deux barres pour diff ´erents pas de temps . . . . . . . . . . . . . 612.7 Test de la balle rebondissante : ordre de convergence en (a) coordonn
´ees
g ´en´eralis´ees, (b) vitesse pendant la phase de vol libre de la balle (avant contact) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.8 Test de la balle rebondissante : ordre de convergence en (a) coordonn
´ees
g ´en´eralis´ees, (b) vitesse`a l"arrˆet de la balle (apr`es tous les impacts) . . . . 632.9 Test des deux barres d
´eformables en contact : (a) configuration initiale et g ´eom´etrie, (b) discr´etisation spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.10 Test des deux barres d
´eformables en contact : d´eplacement, vitesse, force de contact et bilan ´energ´etique de la barre gauche poure=0 (figures`a gauche) ete=1 (figures`a droite) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.11 Test des deux barres d
´eformables en contact : (a) d´eplacement, (b) vitesse, (c) force de contact pourDt=9:8107s . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.12 Test des deux barres d
´eformables en contact : vitesse pour diff´erentes tailles d" ´el´ementhet diff´erents pas de tempsDt. . . . . . . . . . . . . . 67iiiCette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2017LYSEI037/these.pdf
© [F-E.. Fekak], [2017], INSA Lyon, tous droits réservésTable des figures
2.13 Test des deux barres d
´eformables en contact : (a) d´eplacement, (b) vitesse, (c) force de contact pourDt1:22108s . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.14 Test des deux barres d
´eformables en contact : (a) force de contact, (b) acc ´el´eration pour diff´erents pas de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.15 Test des deux barres d
´eformables en contact : l"impulsion d"impact pour diff ´erents pas de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692.16 Test des deux barres d
´eformables en contact : ordre de convergence en temps apr `es s´eparation des deux barres en (a) d´eplacement, (b) vitesse . . 702.17 Test des deux barres d
´eformables en contact : bilan´energ´etique pour un (a) maillage uniforme, (b)maillage non uniforme fin dans la zone du contact 712.18 Test des deux barres d
´eformables en contact : discr´etisation spatiale fine dans la zone du contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 3.1 D ´ecomposition en deux sous domaines avec recouvrement . . . . . . . . 75quotesdbs_dbs47.pdfusesText_47[PDF] mécanique cinématique exercice corrigé
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