FR3126498A1 - Banc d’essai en cisaillement - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un banc d'essai configuré pour agir en cisaillement sur un échantillon (10), comprenant un bâti (2), un élément de sollicitation tangentielle comportant une partie mobile en translation selon une direction tangentielle (T) qui est configuré pour appliquer une contrainte de cisaillement sur l'échantillon (10), et un élément de sollicitation normale en vis-à-vis d'une plaque d'arrêt (3) qui est montée fixe par rapport au bâti (2), ledit élément de sollicitation normale comportant une partie mobile en translation dans une direction normale (N) perpendiculaire à la direction tangentielle (T) et qui est configurée pour appliquer une contrainte normale sur l'échantillon (10) de sorte que l'échantillon (10) est compressé entre la partie mobile de l’élément de sollicitation normale et ladite plaque d'arrêt (3); l'élément de sollicitation normale comporte un sac gonflable (43) qui est configuré pour déplacer la partie mobile de l'élément de sollicitation normale. (Figure 3)
Description
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne d'une part un banc d'essai configuré pour agir en cisaillement sur un échantillon ainsi qu'un ensemble formé du banc d'essai, d'un réseau de capteurs et d'un dispositif de contrôle, et d'autre part un procédé d'analyse de l'effet d'une contrainte de cisaillement sur un échantillon en utilisant un tel ensemble.
L’invention s’applique en particulier à la simulation de phénomènes sismiques, notamment à la reproduction d’instabilités sismiques, et à leur contrôle.
Etat de la technique
On connaît des bancs d'essai en cisaillement utilisés pour reproduire et analyser le comportement de failles sismiques.
Un tel banc d'essai comprend généralement un bâti sur lequel sont montés un élément de sollicitation normale et un élément de sollicitation tangentielle comportant chacun une partie mobile. La partie mobile de l'élément de sollicitation normale est prévue pour se déplacer en translation dans une direction normale afin d'appliquer une contrainte normale sur un échantillon tandis que la partie mobile de l'élément de sollicitation tangentielle est prévue pour se déplacer en translation dans une direction tangentielle perpendiculaire à la direction normale, afin d'exercer une contrainte de cisaillement sur l'échantillon. L'échantillon est typiquement issu de roches, de sols et de tout autre matériau dont on souhaite étudier le comportant en cisaillement.
On connait du modèle d'utilité chinois CN211374374, un banc d'essai permettant d’étudier le comportement d’un échantillon en cisaillement sous différentes teneurs en humidité. Un tel banc d’essai comporte des éléments de sollicitation normale et tangentielle comprenant des vérins, par exemple hydrauliques, afin de déplacer une partie mobile des éléments de sollicitation normale et tangentielle en vue d'exercer respectivement une contrainte normale et une contrainte de cisaillement sur l'échantillon.
Néanmoins, ces solutions ne permettent pas de reproduire et/ou simuler des phénomènes sismiques telles que des instabilités et d’assurer un contrôle de ces instabilités.
En effet, la précision et la rapidité offerte par ces bancs d’essai n'est pas suffisante pour une telle application.
L’objet de la présente invention vise à fournir un banc d'essai agissant en cisaillement de manière précise, particulièrement simple et commode d'utilisation.
En particulier, pour une application préférée de l’invention à la simulation de phénomènes sismiques, le banc d'essai vise à démontrer à une échelle inférieure à l’échelle réelle que des instabilités peuvent être contrôlées.
Plus précisément, la présente invention vise à contrôler les instabilités en simulant l'injection de fluides dans des failles sismiques.
A cet effet, est proposé selon un premier aspect, un banc d'essai configuré pour agir en cisaillement sur un échantillon, comprenant un bâti, un élément de sollicitation tangentielle comportant une partie mobile en translation selon une direction tangentielle qui est configuré pour appliquer une contrainte de cisaillement sur l'échantillon, une plaque d’arrêt et un élément de sollicitation normale en vis-à-vis de la plaque d'arrêt qui est montée fixe par rapport au bâti, ledit élément de sollicitation normale comportant une partie mobile en translation dans la direction normale qui est configurée pour appliquer une contrainte normale perpendiculaire à la contrainte de cisaillement, sur l'échantillon de sorte que l'échantillon est compressé entre la partie mobile et ladite plaque d'arrêt. Dans ce banc d’essai, l'élément de sollicitation normale comporte un sac gonflable qui est configuré pour déplacer la partie mobile de l'élément de sollicitation normale, le sac gonflable étant destiné à être connecté fluidiquement à un circuit d'alimentation en air comprenant un régulateur de pression électropneumatique pour faire varier la pression à l'intérieur du sac gonflable.
Le banc d'essai selon l’invention permet, grâce à l'utilisation d'un sac gonflable pour déplacer la partie mobile de l'élément de sollicitation normale, de contrôler rapidement et précisément la contrainte normale à appliquer sur un échantillon.
En particulier, dans l'application à la simulation de phénomènes sismiques, le banc d'essai selon l'invention permet de simuler l'injection de fluides sous pression en faisant varier la contrainte normale grâce à l'élément de sollicitation normale. La simulation de tels phénomènes sismiques permet de mettre en œuvre des procédés de contrôle d'instabilités sismiques, par exemple par injection de fluides, à échelle réduite sans risquer de provoquer de séismes.
Dans le banc d'essai selon l'invention, le sac gonflable permet de contrôler la contrainte normale appliquée à l'échantillon suffisamment rapidement, pour que des procédés de contrôle s'avérant satisfaisants à l'échelle réduite soient reproduits à l'échelle réelle avec la même efficacité. En effet, il est préférable d’avoir un temps de réponse minimale à l’échelle réduite pour avoir un temps relativement faible à l’échelle réelle, compte tenu des lois de proportionnalité.
Le sac gonflable permet en outre de limiter l'encombrement de l'élément de sollicitation normale et par là même du banc d'essai. Par ailleurs, le montage et le démontage d'un tel sac dans le banc d'essai est également facilité du fait qu'il ne nécessite très peu, voire aucun réglage.
Des caractéristiques préférées particulièrement simples, commodes et économiques du banc d'essai selon l’invention sont présentées ci-dessous.
L'élément de sollicitation normale peut comporter en outre une première plaque et une deuxième plaque qui s'étendent perpendiculairement à la direction normale, la première plaque étant montée fixe sur le bâti et la deuxième plaque étant mobile en translation dans la direction normale, ledit sac gonflable étant ménagé entre la première et la deuxième plaque et l'élément de sollicitation normale étant configuré de sorte que lorsque le sac est gonflé, la deuxième plaque est écartée de la première plaque selon la direction normale.
Le banc d’essai peut comporter au moins une tige s'étendant parallèlement à la direction normale en étant assujettie à la première plaque et la plaque d'arrêt, la deuxième plaque étant pourvue d'au moins un premier orifice pour recevoir l’au moins une tige.
Le sac gonflable peut être réalisé à partir d'un matériau élastomère.
Le banc d'essai peut comporter en outre un premier organe de réception et un deuxième organe de réception définissant un logement qui est destiné à recevoir un ressort en compression, lesdits premier et deuxième organes de réception étant montés en vis-à-vis l'un de l'autre entre l'élément de sollicitation tangentielle et l'échantillon.
Le deuxième organe de réception peut présenter une surface de réception depuis laquelle saillie une tige de guidage qui est dirigée vers le premier organe de réception.
L’invention a aussi pour objet, selon un deuxième aspect, un ensemble de contrôle comportant un banc d'essai tel que décrit ci-dessus, un réseau de capteurs disposés sur le banc d'essai et un dispositif de contrôle, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle est connecté au régulateur de pression électropneumatique et configuré pour ajuster la pression à l'intérieur du sac gonflable à partir de données mesurées par le réseau de capteurs.
Le réseau de capteurs peut comporter au moins l'un parmi un capteur de déplacement tangentiel configuré pour mesurer le déplacement ou de vitesse de l'échantillon dans la direction tangentielle, un capteur de déplacement normal configuré pour mesurer la dilatance de l'échantillon dans la direction normale, une cellule de charge tangentielle configurée pour mesurer la contrainte de cisaillement appliquée par l'élément de sollicitation tangentielle sur l'échantillon, une cellule de charge normale configurée pour mesurer la contrainte normale appliquée par l'élément de sollicitation normale sur l'échantillon.
La dilatance de l’échantillon correspond à la variation de son volume lorsqu'il est soumis à une contrainte de cisaillement.
Le dispositif de contrôle peut comporter en outre un premier module de contrôle configuré pour générer une commande de contrainte normale à appliquer sur l'échantillon à partir d’une erreur de déplacement ou de vitesse de l’échantillon qui correspond à la différence entre une consigne de déplacement ou de vitesse prédéterminée de l’échantillon dans la direction tangentielle et le déplacement ou la vitesse mesurée de l’échantillon dans la direction tangentielle par le capteur de déplacement tangentiel et un deuxième module de contrôle configuré pour générer une commande de pression à l’intérieur du sac gonflable à partir d’une erreur de contrainte normale correspondant à la différence entre la commande de contrainte normale générée par le premier module de contrôle et la contrainte normale mesurée par la cellule de charge normale.
Le module de contrôle peut être connecté au module de calcul et comporte un correcteur qui est configuré pour générer un signal de commande de pression à partir de la consigne de contrainte normal déterminée par le module de calcul et pour transmettre le signal de commande au régulateur de pression électropneumatique.
L’invention a encore pour objet, selon un troisième aspect, un procédé d'analyse de l'effet d'une contrainte de cisaillement sur un échantillon en utilisant un ensemble tel que décrit ci-dessus, comportant une étape de mesure de données par le réseau de capteurs, les données étant transmises au dispositif de contrôle, une étape de génération d'une commande de contrainte normale à exercer sur l'échantillon à partir des données mesurées par le réseau de capteurs, et une étape d'ajustement de la pression à l'intérieur du sac gonflable par l'activation du dispositif de contrôle jusqu'à ce que le déplacement de l’échantillon dans la direction tangentielle est égal à une consigne de déplacement ou de vitesse prédéterminée.
Le dispositif de contrôle peut comporter une configuration de suivi dans laquelle le dispositif de contrôle est activé lorsque la contrainte de cisaillement s’appliquant sur l’échantillon est égale ou supérieure à une contrainte de cisaillement prédéterminée, et une configuration de stabilisation dans laquelle le module de contrôle est activé lorsque la vitesse de déplacement de l'échantillon dans la direction tangentielle est égale ou supérieure à une vitesse de déplacement prédéterminée.
L’invention porte enfin, selon un quatrième aspect, sur l’utilisation du banc d’essai tel que précédemment décrit, pour la reproduction de phénomènes sismiques, telles que des instabilités sismiques et le contrôle de ces instabilités.
L’invention, selon un exemple de réalisation, sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la représente très schématiquement sous forme de blocs un banc d'essai selon l'invention dans lequel est monté un échantillon formé de trois blocs;
- la représente très schématiquement sous forme de blocs un ensemble de contrôle formé par le banc d'essai de la , d’un réseau de capteurs ainsi que d’un dispositif de contrôle;
- la représente, selon une vue en perspective du banc d’essai selon l’invention ;
- la représente, selon une vue schématique, l’architecture de l’ensemble de contrôle de la ; et
- la représente, selon une vue schématique, l’architecture du dispositif de contrôle de la .
- la
- la
- la
- la
- la
Les éléments identiques représentés sur les figures précitées sont identifiés par des références numériques identiques.
Dans la suite, la description de l’invention est faite dans le contexte de la simulation de phénomènes sismiques, en particulier la reproduction et le contrôle d'instabilités sismiques. Cette configuration de mise en œuvre de l’invention n’est décrite que pour mieux comprendre l’invention mais ne peut pas être considérée comme limitative pour cette dernière. Il en va de même pour les autres exemples de mise en œuvre des différentes caractéristiques constitutives de l’invention décrits ci-après.
La représente schématiquement un banc d'essai 1 en cisaillement selon l'invention sur lequel est disposé un échantillon 10.
A cet effet, le banc d'essai 1 est ici configuré pour mettre en œuvre un essai en double cisaillement direct, dans lequel l'échantillon 10 est formé par trois blocs ; un bloc central 11 et deux blocs externes 13 disposés de part et d'autre du bloc central 11 selon une première direction N, dite direction normale. Les blocs de l'échantillon 10 forment ainsi deux interfaces entre les blocs externes 13 et le bloc central 11 définissant des plans de contact C. Ces plans de contact C s'étendent parallèlement entre eux et selon une direction dite tangentielle T, perpendiculaire à la direction normale N.
Les interfaces sont destinées à subir une contrainte de cisaillement par un déplacement relatif du bloc central 11 par rapport aux blocs externes 13 dans la direction tangentielle T.
Le banc d'essai 1 selon l'invention peut également être configuré pour mettre en œuvre un essai en simple cisaillement direct.
Dans le présent exemple de réalisation, les blocs externes 13 ont des dimensions identiques et ont par exemple une forme de parallélépipède rectangle. Le bloc central 11 présente une forme similaire de parallélépipède rectangle, avec une hauteur dans la direction tangentielle T qui est supérieure à la hauteur des blocs externes 13 de sorte à assurer une surface constante des plans de contact C lorsque le bloc central 11 se déplace relativement aux blocs externes 13 dans la direction tangentielle T.
Afin de réduire, voire d'éliminer, des phénomènes parasites et d'obtenir des champs de contraintes homogènes dans les interfaces, le bloc central 11 présente une épaisseur dans la direction normale N qui est supérieure à une épaisseur des blocs externes 13 dans cette même direction.
La surface des blocs externes 13 qui est tournée vers le bloc central 11 présente par exemple une largeur et une hauteur dans un plan parallèle aux plans de contact C, comprise entre 10 et 100 mm, tandis que l'épaisseur des blocs externes peut être comprise entre 10 mm et 50 mm,
La hauteur du bloc central 11 est par exemple supérieure à 100 mm, voire supérieure à 110 mm, tandis que son épaisseur peut être comprise entre 15 mm et 100 mm, voire supérieure à 40 mm, pour les raisons indiquées ci-dessus.
Le banc d'essai 1 comporte un bâti 2 sur lequel repose l'échantillon 10. Un tel bâti 2 permet par exemple de poser le banc d'essai sur une table ou au sol de façon stable.
Sur la , le bâti 2 comporte deux blocs de support 21 montés sur une surface du bâti qui sont configurés pour supporter les blocs externes 13 de l'échantillon 10. A cet effet, les blocs de support 21 présentent chacun une surface d'appui 22 pour recevoir les blocs externes 13 de l'échantillon 10. Les surfaces d'appui 22 sont sensiblement au même niveau, c'est-à-dire dans un même plan qui est parallèle à la direction normale N.
Les blocs de support 21 sont espacés l'un de l'autre dans la direction normale N d'une distance permettant le passage du bloc central 11 entre les blocs de support. De cette manière, les blocs externes 13 sont surélevés par l'intermédiaire des blocs de support 21 et le bloc central 11 est maintenu enserré entre les blocs externes 13 à distance du bâti 2. Ainsi, le déplacement des blocs externes 13 dans la direction tangentielle T est contraint par les blocs de support 21.
Une plaque d'arrêt 3 montée fixe par rapport au bâti 2 est ménagée du côté d'un bloc externe 13, à une première extrémité de l'échantillon 10. La plaque d'arrêt 3 s'étend perpendiculairement à la direction normale N de sorte à former une surface d'arrêt 31 pour le bloc externe 13 adjacent à la plaque d'arrêt. La plaque d’arrêt 3 est en appui sur la surface d’appui 22 d’un des blocs de support 23 et est immobilisée dans la direction normale grâce à des tiges (non représentés) entre le bloc de support 21 et la plaque d’arrêt 3.
Le bâti 2, la plaque d'arrêt 3 ainsi que les blocs de support 21 sont réalisées à partir de matériaux métalliques, par exemple de l'acier.
Le banc d'essai 1 comporte en outre un élément de sollicitation normale 4 situé en vis-à-vis de la plaque d'arrêt 3 du côté d'un bloc externe 13, à une deuxième extrémité de l'échantillon 10 opposée à la première extrémité. L'élément de sollicitation normale 4 comporte une partie fixe 41 par rapport au bâti 2 et partie mobile 42 en translation dans la direction normale N. Le déplacement de la partie mobile 42 de l'élément de sollicitation normale 4 dans la direction normale N est ici contrôlé par un sac gonflable 43 qui est connecté fluidiquement à un circuit d'alimentation 6 en air.
Le circuit d'alimentation 6 comporte un compresseur 61 et des conduits 62 qui connectent fluidiquement le sac gonflable 43 et le compresseur. Le compresseur 61 peut ici délivrer une pression maximale d'environ 1 MPa. Le circuit d'alimentation 6 comporte également un régulateur de pression électro-pneumatique 63 configuré pour contrôler la pression dans le sac gonflable 43 en temps réel.
La partie mobile 42 de l'élément de sollicitation normale 4 est configurée pour appliquer une contrainte normale sur la deuxième extrémité de l'échantillon 10 afin de compresser les blocs central 11 et externes 13 entre eux, lorsqu'elle est déplacée en direction de la plaque d'arrêt 3. Les blocs externes 13 et le bloc central 11 de l'échantillon 10 sont ainsi compressés entre l'élément de sollicitation normale 4 et la plaque d'arrêt 3.
L’élément de sollicitation normale 4 permet ainsi de simuler l’injection de fluide dans les interfaces de contact C en appliquant une contrainte normale variable sur l’échantillon 10. Il est ainsi possible de mesurer et d’analyser le comportement de l’échantillon 10 en réponse à une injection de fluides au niveau des interfaces C, sans utiliser de fluide. Cela est particulièrement avantageux dès lors que l’utilisation de fluide peut s’avérer complexe et requiert des instruments coûteux et difficiles à mettre en œuvre.
Le banc d'essai 1 comporte également un élément de sollicitation tangentielle 5 comportant une partie fixe 51 par rapport au bâti 2 et une partie mobile 52 en translation dans la direction tangentielle T. L'élément de sollicitation tangentielle 5 comporte en outre un actionneur 53 capable de déplacer en translation la partie mobile 52 de l'élément de sollicitation tangentielle 5 dans la direction tangentielle T. Par exemple, l'actionneur 53 de l'élément de sollicitation tangentielle 5 peut être un vérin hydraulique, pneumatique ou électrique, un moteur électrique ou bien un sac gonflable tel qu’utilisé dans l'élément de sollicitation normale 4.
On notera, même si ceci n’est pas visible sur la figue 1, que l'élément de sollicitation tangentielle 5 peut être fourni séparément, notamment pour diminuer le poids du banc d'essai 1.
Par ailleurs, les différents éléments du banc d'essai tel que le bâti 2, l'élément de sollicitation tangentiel 5, l'élément de sollicitation normal 4, et la plaque d'arrêt 3 peuvent être séparés les uns des autres afin de faciliter le transport du banc d'essai 1.
L'élément de sollicitation tangentielle 5 est disposé de sorte que sa partie mobile 52 applique une contrainte de cisaillement sur l'échantillon 10. En l'occurrence, la partie mobile 52 est configurée pour appliquer une contrainte de cisaillement sur le bloc central 11 de l'échantillon 10, lorsqu'elle se déplace en direction du bâti 2.
La montre un ensemble de contrôle formé par le banc d'essai 1 illustré schématiquement à avec un réseau de capteurs 100 et un dispositif de contrôle 200.
Le réseau de capteurs 100 comporte ici un capteur de déplacement tangentiel 101 configuré pour mesurer le déplacement du bloc central 11 de l'échantillon 10 dans la direction tangentielle T et un capteur de déplacement normal 102 configuré pour mesurer la dilatance de l'échantillon. Le capteur de déplacement tangentiel 101 est fixé au bloc central 11 tandis que le capteur de déplacement normal 102 est fixé sur un des bloc externe 13 de l'échantillon 10.
Les capteurs de déplacement tangentiel et normal 101 et 102 sont ici des LVDT (pour l'anglaisLinear Variable Differential Transformer). En variante, les capteurs de déplacement tangentiel et normal 101 et 102 peuvent être des capteurs laser.
Le réseau de capteurs 100 comporte également une cellule de charge normale 103 qui est ménagée entre la partie mobile 42 de l'élément de sollicitation normale 4 et la deuxième extrémité de l'échantillon 10 pour déterminer la contrainte normale appliquée sur l'échantillon, et une cellule de charge tangentielle 104 qui est ménagée entre la partie mobile 52 de l'élément de sollicitation tangentielle 5 et le bloc central 11 de l'échantillon pour déterminer la contrainte de cisaillement appliquée.
En outre, le réseau de capteurs 100 comporte un capteur de pression 105 configuré pour mesurer la pression à l'intérieur du sac gonflable 43 de l'élément de sollicitation normale 4. Un tel capteur de pression peut être préalablement intégré au régulateur de pression électropneumatique 63.
Les capteurs de déplacement tangentiel et normal 101 et 102, les cellules de charge normale et tangentielle 103 et 104 et le capteur de pression 105 sont connectés au dispositif de contrôle 200 qui est configuré pour traiter et analyser en temps réel les données mesurées par le réseau de capteurs 100.
En particulier, le dispositif de contrôle 200 est configuré pour adapter la pression à l'intérieur du sac gonflable 43 afin de faire suivre au bloc central 11 de l'échantillon 10 une trajectoire prédéterminée. Le dispositif de contrôle 200 est ainsi connecté au régulateur de pression électropneumatique 63 pour adapter la pression à partir des données mesurées par le réseau de capteurs 100.
La représente, selon une vue détaillée, le banc d'essai selon l'invention qui comporte ici les cellules de charge normale 103 et tangentielle 104 et est dépourvu de l’élément de sollicitation tangentiel 5. L’élément de sollicitation tangentielle 5 est démontable et peut prendre appui sur la cellule de charge 104 tangentielle pour exercer la contrainte tangentielle sur le bloc central 11 de l’échantillon 10.
La partie fixe 41 de l'élément de sollicitation normale 4 comporte ici une première plaque 46 montée sur le bâti 2 et s'étendant parallèlement à la plaque d'arrêt 3, tandis que la partie mobile 42 comporte ici une deuxième plaque 47 s'étendant parallèlement à la première plaque 46 et qui est située entre la plaque d'arrêt 3 et la première plaque 46.
La première plaque 46 et la deuxième plaque 47 présentent des dimensions sensiblement similaires. Les première et deuxième plaques 46 et 47 sont ici réalisées en acier.
Le sac gonflable 43 est situé entre la première plaque 46 et la deuxième plaque 47 de sorte que la deuxième plaque est éloignée de la première plaque selon la direction normale N lorsque le sac gonflable 43 est actionné, c'est-à-dire gonflé.
Ce sac gonflable 43 est réalisé en matériau élastomère, tel que du caoutchouc.
La première plaque 46 est ici pourvue d'un trou 81 situé sensiblement au centre, pour permettre le passage d'un conduit 62 du circuit d'alimentation en air 6, qui relie fluidiquement le sac gonflable 43 au régulateur de pression électropneumatique 63 et au compresseur 61.
Le banc d’essai comporte des tiges 7 s'étendant sensiblement parallèlement à la direction normale N et reliant la première plaque 46 à la plaque d'arrêt 3.
La deuxième plaque 47 est pourvue de premiers orifices 83 qui sont traversants et disposés de sorte à permettre le passage des tiges 7.
Ainsi, la deuxième plaque 47 est guidée en translation par les tiges 7 dans la direction normale N.
Le bac d'essai 1 comporte ici quatre tiges 7, espacées les unes des autres en formant sensiblement un carré. Le banc d'essai 1 peut également comprendre un nombre différent de tiges 7, par exemple un nombre inférieur pour réduire les frottements lors du déplacement de la deuxième plaque 47. L'utilisation d’un nombre inférieur de tiges 7 rend cependant le déplacement de la deuxième plaque 47 moins stable qu'avec quatre tiges.
Les tiges 7 sont munies d'une entretoise 84 disposée entre la première plaque 46 et la plaque d'arrêt 3 de sorte qu'une surface de chacune de ces plaques est en contact avec l'entretoise. L'entretoise 84 permet ici de définir un écartement minimal entre la plaque d'arrêt 3 et la première plaque 46.
Les premiers orifices 83 reçoivent en outre l'entretoise 84 et présentent de ce fait un diamètre supérieur au diamètre de l'entretoise pour permettre le coulissement de la deuxième plaque 47 le long des entretoises. Ainsi, la translation de la deuxième plaque 47 se fait en coulissant le long des entretoises 84.
La deuxième plaque 47 est ici équipée de bagues 85 ménagées à l'intérieur des premiers orifices 83 afin de guider précisément la deuxième plaque 47 le long des tiges 7 et réduire les frottements lors du déplacement de la deuxième plaque le long des tiges. Ces bagues 85 sont avantageusement réalisées en téflon.
La plaque d'arrêt 3 et la première plaque 46 sont pourvues respectivement de deuxième et de troisième orifices 87 et 89 qui sont traversants et ménagés en vis-à-vis les uns des autres. Les deuxième et troisième orifices 87 et 89 sont ici configurés pour recevoir les tiges 7 et présentent un diamètre inférieur au diamètre de l'entretoise 84 de sorte que l'entretoise est immobilisée entre la plaque d'arrêt 3 et la première plaque 46. Du côté de la surface de la première plaque 46 et de la plaque d'arrêt 3 qui est opposée à la surface en contact avec l'entretoise 84, les tiges 7 présentent une portion filetée 86 et reçoivent chacune un écrou 88 qui est vissé sur les portions filetées afin de serrer la première plaque 46 et la plaque d'arrêt 3 contre l'entretoise 84.
En variante, les deuxième et troisième orifices 87 et 89 sont taraudés en complémentarité de la portion filetée 86 et les tiges 7 viennent se visser directement dans première plaque 46 et la plaque d'arrêt 3.
Ainsi les tiges 7 et la deuxième plaque 47 peuvent être démontées du banc d'essai 1 par simple opération de dévissage.
On notera également que la plaque d'arrêt 3 peut également être démontée lorsque les tiges 7 sont dévissées.
La partie mobile 42 de l'élément de sollicitation normale 4 comporte en outre, du côté de la deuxième plaque 47 opposé au sac gonflable 43, un organe de guidage 12 qui est monté mobile en translation dans la direction normale N sur la surface d'appui 22 du bloc de support 21 située du côté de l'élément de sollicitation normale 4.
L'organe de guidage 12 comporte une première surface 14 plane destinée à venir en contact avec le bloc externe 13 qui repose sur le bloc de support 21 situé du côté de l'élément de sollicitation normale 4, et une deuxième surface 15 opposée à la première surface 14 qui est tournée vers la deuxième plaque 47. La deuxième surface 15 est configurée pour former une surface d'appui de sorte que l'organe de guidage 12 est poussé par la deuxième plaque 47 lorsqu'elle se déplace vers la plaque d'arrêt 3.
Les dimensions de la première surface 14 de l'organe de guidage 12 sont sensiblement identiques, voire supérieures aux dimensions du bloc externe 13 de l'échantillon 10 afin d'éviter une déformation non-homogène du bloc externe.
L'organe de guidage 12 comporte en outre une troisième surface 16 qui relie la première surface 14 et la deuxième surface 15 et qui est en contact sur la surface d'appui 22 du bloc de support 21 qui est située du côté de l'élément de sollicitation normale 4. L'organe de guidage 12 et le bloc de support 21 peuvent être réalisés à partir de matériaux qui limitent le frottement entre la troisième surface 16 et la surface d'appui 22 du bloc de support 21. L'organe de guidage 12 est par exemple réalisé en acier.
Afin de limiter les frottements par un contact acier/acier, une feuille en téflon (non représentée) peut être ménagée sur la surface d'appui 22 du bloc de support 21, notamment entre le bloc de support 21 et la troisième surface 16 de l'organe de guidage 12. Les blocs externes 13 de l'échantillon 10 peuvent en outre être munis d'une feuille (non représentée) en acier située du côté de la surface d'appui 22 des blocs de support 21, de sorte à obtenir une interface de contact acier/téflon à faible frottement.
Le bloc de support 21 situé du côté de l'élément de sollicitation normale 4 présente une largeur dans la direction normale N qui est supérieure à la largeur du bloc externe 13 dans la direction normale de sorte qu'au moins une partie de la troisième surface 16 de l'organe de guidage 12 est en contact avec la surface d'appui 22 du bloc de support 21.
Comme visible sur la , le banc d'essai est muni d'un ressort 9 qui est ménagé entre la partie mobile 52 de l'élément de sollicitation tangentielle 5 et le bloc central 11 de l'échantillon 10 afin de générer des instabilités lors du déplacement du bloc central dans la direction tangentielle T.
Le ressort 9 est configuré pour provoquer des instabilités lors d'un essai décrit dans la suite de la description et monté en série entre la partie mobile 52 de l'élément de sollicitation tangentielle 5 et le bloc central 11 de l'échantillon 10.
Ainsi, le banc d’essai 1 tel qu’illustré à la par exemple, est en particulier destiné à la reproduction à échelle réduite de phénomènes sismiques telles que des instabilités sismiques mais est applicable plus généralement à l’étude de systèmes mécaniques à une, voire deux interfaces de cisaillement.
Afin de garantir le maintien en position du ressort 9, le banc d’essai 1 comporte un premier organe de réception 91 et un deuxième organe de réception 92 monté en vis-à-vis du premier organe de réception 91 dans la direction tangentielle T en définissant un logement 93 configuré pour recevoir le ressort 9 de manière amovible.
Le premier organe de réception 91 est formé par une portion conique et une portion cylindrique creuse située du côté du plus grand diamètre de la portion conique.
Le premier organe de réception 91 est configuré pour recevoir une première extrémité du ressort 9.
Le deuxième organe de réception 92 présente une forme de plaque circulaire s'étendant parallèlement à la direction normale N.
Le deuxième organe de réception 92 est destiné à recevoir une deuxième extrémité du ressort 9 opposée à la première extrémité.
Le premier organe de réception 91 et le deuxième organe de réception 92 sont ici réalisés en aluminium.
La dimension du logement 93 dans la direction tangentielle T varie lorsque le premier organe de réception 91 et le deuxième organe de réception 92 se rapprochent/s'écartent sous l'effet du ressort 9 ou de la partie mobile 52 de l'élément de sollicitation tangentielle 5.
Lorsque le premier organe de réception 91 est suffisamment espacé du deuxième organe de réception 92 dans la direction tangentielle T, il est possible de retirer et/ou de monter le ressort 9.
Le deuxième organe de réception 92 définie une surface de réception 95 depuis laquelle saillie une tige de guidage 94 en direction du premier organe de réception 91 et sensiblement parallèle la direction tangentielle T afin de limiter le flambage du ressort 9 et faciliter son positionnement dans le logement 93.
Le banc d’essai comporte en outre un lest 96 disposé entre le deuxième organe de réception 91 et le bloc central 11 de l'échantillon 10.
Le lest 96 est monté de manière amovible de sorte à pouvoir être interchangé, par exemple avec un lest de masse différente, afin de changer la fréquence propre du système formé par le banc d'essai 1 et l'échantillon 10.
Le lest 96 peut être ajouté à titre additionnel.
Le banc d’essai comporte une base 97 montée entre le deuxième organe de réception 92 et le lest 96 afin de répartir uniformément la contrainte de cisaillement sur le lest 96 ou sur le bloc central 11 dans le cas où aucun lest n'est ajouté.
Les éléments positionnés entre le bloc central 11 de l’échantillon 10 et l’élément de sollicitation tangentielle 5, à savoir la cellule de charge tangentielle 104, le premier organe de réception 91 et le deuxième organe de réception 92, le ressort 9, la base 97 et le lest 96, sont maintenus ensemble par compression et ne nécessitent pas d’être fixés les uns par rapport aux autres.
De cette manière, ces éléments sont démontables, par exemple lorsqu’ils ne sont plus maintenus ensemble par compression.
Il en est de même pour les éléments positionnés entre la deuxième plaque 47 et la plaque d’arrêt 3, à savoir la cellule de charge normale 103, l’organe de guidage 12 et les blocs central 11 et externes 13 de l’échantillon 10.
La , montre l'architecture globale de l'ensemble de contrôle.
Le banc d'essai 1 est ici modélisé par un bloc qui reçoit en entrée une commande en pression Up générée par le dispositif de contrôle 200, également modélisé par un bloc, à destination du régulateur de pression électropneumatique.
La commande en pression Up est générée par une erreur E1 de déplacement ou de vitesse du bloc central 11 qui correspond à la différence entre une consigne Y de déplacement ou de vitesse du bloc central 11 dans la direction tangentielle T et le déplacement ou la vitesse mesurée par le capteur de déplacement tangentiel 101.
La sortie du banc d'essai 1 correspond au déplacement du bloc central 11 dans la direction tangentielle T, qui varie en fonction de la pression dans le sac gonflable 43.
La montre plus en détail l'architecture du dispositif de contrôle 200, qui comporte un premier module de contrôle 202 et un deuxième module de contrôle 204.
Le premier module de contrôle 202 est configuré pour générer en sortie une commande de contrainte normale Uc à appliquer par l'élément de sollicitation normale 4 sur l'échantillon 10 à partir de l'erreur E1 en entrée.
Une erreur E2 de contrainte normale est élaborée en tant que sortie d’un comparateur 205 qui comporte une entrée sommatrice « + » et une entrée soustractrice « - ». Le comparateur 205 comprend pour l’entrée sommatrice « + » la commande de contrainte normale Uc générée par le premier module de contrôle 202 à partir de l'erreur E1 et en entrée soustractrice « - » la contrainte normale Cn mesurée par la cellule de charge normale 103. En d’autres termes, l’erreur E2 correspond à la différence entre la commande de contrainte normale Uc générée par le premier module de contrôle 202 et la contrainte normale Cn mesurée par la cellule de charge normale 103.
Le deuxième module de contrôle 204 est configuré pour générer en sortie la commande de pression Up dans le sac gonflable 43 à partir de l'erreur E2 en entrée.
La commande de pression Up dans le sac gonflable 43 est transmise au régulateur de pression électropneumatique 63 pour contrôler la pression à l'intérieur du sac gonflable 43 de sorte à atteindre la consigne de déplacement Y du bloc central 11 de l'échantillon.
Grâce à cette architecture, il est ainsi possible de commander la contrainte normale à appliquer sur l'échantillon 10 plutôt que la pression à l'intérieur du sac gonflable 43, ce qui permet de faciliter le contrôle de la contrainte normale sans prendre en compte des phénomènes tel que la variation de surface de contact entre le sac gonflable 43 et la deuxième plaque 47.
Le deuxième module de contrôle 204 est ici un régulateur de type Proportionnel, Intégral, Dérivé, couramment désigné sous l’acronyme « régulateur PID ».
Afin de provoquer des instabilités au niveau des interfaces de l'échantillon 10 et de contrôler de ces instabilités, le procédé comporte les étapes ci-dessous.
Le ressort 9 est monté dans le logement 93 et un essai est réalisé afin de vérifier si le ressort 9 permet de satisfaire des conditions d'instabilité lors de l'essai. Cet essai consiste par exemple à soumettre le bloc central 11 de l'échantillon 10 à un déplacement constant dans la direction tangentielle T par l'intermédiaire de l'élément de sollicitation tangentielle 5 tandis que l'élément de sollicitation normale applique une contrainte normale constante sur l'échantillon 10.
Les conditions d'instabilités sont satisfaites lorsque le déplacement du bloc central 11 dans la direction tangentielle T n'est pas linéaire. En d’autres termes, les conditions d’instabilité sont satisfaites lorsqu’on constate un saut en déplacement (ou une augmentation abrupte de la vitesse) du bloc central 11 de l’échantillon 10 dans la direction tangentielle T.
Le dispositif de contrôle 200 peut être utilisé selon différentes conditions décrites ci-dessous afin de contrôler les instabilités.
Par exemple selon une configuration dite de suivi, destinée faire suivre au bloc central 11 un déplacement prédéterminée dans la direction tangentielle T pour relâcher l'énergie stockée de manière aséismique, le dispositif de contrôle 200 est activé lorsque la contrainte de cisaillement mesurée par la cellule de charge tangentielle 104 est égale ou supérieure à une contrainte de cisaillement prédéterminée. En particulier, la contrainte de cisaillement prédéterminé correspond à environ 90% d'une contrainte de cisaillement maximale qui correspond à la contrainte de cisaillement maximale avant qu'une instabilité se produise.
Selon une autre configuration dite de stabilisation, destinée à stabiliser le déplacement du bloc central 11 dans la direction tangentielle T, le dispositif de contrôle est activé pendant que la contrainte normale exercée par l'élément de sollicitation normale 4 sur l'échantillon 10 est diminuée linéairement afin de provoquer un mouvement instable du bloc 11. En diminuant la contrainte normale, le coefficient de friction diminue et le bloc central 11 de l’échantillon 10 est sujet à se déplacer plus librement dans la direction tangentielle T, sous l'effet de son propre poids et/ou sous l'effet du lest 96 et/ou sous l’effet de la force exercée par le ressort. Le dispositif de contrôle 200 est ici configuré pour garantir que le bloc 11 reste stable et ne se déplace pas.
Pour chacune de ces configurations, lorsque le dispositif de contrôle 200 est activé, la pression dans le sac gonflable 43 est ajustée par l'intermédiaire du régulateur de pression électropneumatique 63 jusqu'à ce que la consigne de déplacement du bloc central 11 est atteinte. On comprend que dans la configuration de stabilisation, le déplacement du bloc central consigné est nul.
Le banc d’essai et l’ensemble proposés sont simples à mettre en œuvre. Le banc d’essai peut être démonté afin d’être transporté, par exemple dans des laboratoires.
Grâce à l’invention, il est possible d’une part de reproduire à une échelle inférieure à l’échelle réelle des phénomènes sismiques telles que des instabilités et d’autre part de contrôler ces instabilités.
En particulier, grâce aux performances améliorées du banc d’essai selon l’invention, le contrôle de ces instabilités peut être transféré à l’échelle réelle à travers des lois de proportionnalité.
Les performances offertes par un tel banc d’essai peuvent bénéficier à d’autres applications pour lesquelles des contraintes doivent être appliquées rapidement et avec précision. En outre, bien que dans la description ci-dessus, les aspects particuliers de l'invention, notamment la mise en œuvre du procédé d'analyse de l'effet d'une contrainte de cisaillement sur un échantillon, aient été décrits dans le contexte de la simulation de phénomènes sismiques, ils pourraient être mis en œuvres dans d’autres configurations, notamment pour d’autres essais en cisaillement de systèmes à une ou plusieurs interfaces.
Claims (12)
- Banc d'essai configuré pour agir en cisaillement sur un échantillon (10), comprenant un bâti (2), un élément de sollicitation tangentielle (5) comportant une partie mobile (52) en translation selon une direction tangentielle (T) qui est configuré pour appliquer une contrainte de cisaillement sur l'échantillon (10), une plaque d’arrêt (3) et un élément de sollicitation normale (4) en vis-à-vis de la plaque d'arrêt (3) qui est montée fixe par rapport au bâti (2), ledit élément de sollicitation normale (4) comportant une partie mobile (42) en translation dans une direction normale (N) perpendiculaire à la direction tangentielle (T) et qui est configurée pour appliquer une contrainte normale sur l'échantillon (10) de sorte que l'échantillon (10) est compressé entre la partie mobile (42) de l’élément de sollicitation normale (4) et ladite plaque d'arrêt (3), ledit banc d'essai étant caractérisé en ce que l'élément de sollicitation normale (4) comporte un sac gonflable (43) qui est configuré pour déplacer la partie mobile (42) de l'élément de sollicitation normale (4), ledit banc d’essai comprenant un circuit d'alimentation (6) en air qui est connecté fluidiquement au sac gonflable (43) et qui comporte un régulateur de pression électropneumatique (63) configuré pour faire varier la pression à l'intérieur du sac gonflable (43).
- Banc d'essai selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de sollicitation normale (4) comporte en outre une première plaque (46) et une deuxième plaque (47) qui s'étendent perpendiculairement à la direction normale (N), la première plaque (46) étant montée fixe sur le bâti (2) et la deuxième plaque (47) étant mobile en translation dans la direction normale (N), ledit sac gonflable (43) étant ménagé entre la première plaque (46) et la deuxième plaque (47) et l'élément de sollicitation normale (4) étant configuré de sorte que lorsque le sac gonflable (43) est gonflé, la deuxième plaque (47) est écartée de la première plaque (46) selon la direction normale (N).
- Banc d'essai selon la revendication 2, caractérisé en ce que le banc d’essai comporte au moins une tige (7) s'étendant parallèlement à la direction normale (N) en étant assujettie à la première plaque (46) et la plaque d'arrêt (3), la deuxième plaque (47) étant pourvue d'au moins un premier orifice (83) pour recevoir l’au moins une tige (7).
- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit sac gonflable (43) est réalisé à partir d'un matériau élastomère.
- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un premier organe de réception (91) et un deuxième organe de réception (92) définissant un logement (93) qui est destiné à recevoir un ressort (7) en compression, lesdits premier (91) et deuxième (92) organes de réception étant montés en vis-à-vis l'un de l'autre entre l'élément de sollicitation tangentielle (5) et l'échantillon (10).
- Banc d'essai selon la revendication 5, caractérisé en ce que le deuxième organe de réception (92) présente une surface de réception (95) depuis laquelle saillie une tige de guidage (94) qui est dirigée vers le premier organe de réception (91).
- Ensemble comportant un banc d'essai selon l'un quelconque des revendications 1 à 6, un réseau de capteurs (100) disposés sur le banc d'essai (1) et un dispositif de contrôle (200), caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (200) est connecté au régulateur de pression électropneumatique (63) et configuré pour ajuster la pression à l'intérieur du sac gonflable (43) à partir de données mesurées par le réseau de capteurs (100).
- Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réseau de capteurs (100) comporte au moins l'un parmi un capteur de déplacement tangentiel (101) configuré pour mesurer le déplacement de l'échantillon (10) dans la direction tangentielle (T), un capteur de déplacement normal (102) configuré pour mesurer la dilatance de l'échantillon (10) dans la direction normale (N), une cellule de charge tangentielle (104) configurée pour mesurer la contrainte de cisaillement appliquée par l'élément de sollicitation tangentielle (5) sur l'échantillon (10), une cellule de charge normale (103) configurée pour mesurer la contrainte normale appliquée par l'élément de sollicitation normale (4) sur l'échantillon.
- Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (200) comporte un premier module de contrôle (202) configuré pour générer une commande de contrainte normale (Uc) à appliquer sur l'échantillon (10) à partir d’une erreur de déplacement ou de vitesse (E1) de l’échantillon (10) qui correspond à la différence entre une consigne de déplacement ou de vitesse (Y) de l’échantillon (10) dans la direction tangentielle (T) et le déplacement ou la vitesse mesuré de l’échantillon (10) dans la direction tangentielle (T) par le capteur de déplacement tangentiel (101) et un deuxième module de contrôle (204) configuré pour générer une commande de pression (Up) à l’intérieur du sac gonflable (43) à partir d’une erreur de consigne de contrainte normale (E2) correspondant à la différence entre la commande de contrainte normale (Uc) générée par le premier module de contrôle (202) et la contrainte normale (Cn) mesurée par la cellule de charge normale (103).
- Procédé d'analyse de l'effet d'une contrainte de cisaillement sur un échantillon en utilisant un ensemble selon l'une quelconques des revendications 7 à 9, comportant une étape de mesure de données par le réseau de capteurs (100), les données étant transmises au dispositif de contrôle (200), une étape de génération d'une commande de contrainte normale (Uc) à exercer sur l'échantillon (10) à partir des données mesurées par le réseau de capteurs (100), et une étape d'ajustement de la pression à l'intérieur du sac gonflable (43) par l'activation du dispositif de contrôle (200) jusqu'à ce que le déplacement de l’échantillon (10) dans la direction tangentielle (T) est égale à une consigne de déplacement (Y).
- Procédé d'analyse selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de contrôle (200) comporte une configuration de suivi dans laquelle le dispositif de contrôle (200) est activé lorsque la contrainte de cisaillement s’appliquant sur l’échantillon (10) est égale ou supérieure à une contrainte de cisaillement prédéterminée, et une configuration de stabilisation dans laquelle le module de contrôle est activé lorsque la vitesse de déplacement de l'échantillon dans la direction tangentielle est égale ou supérieure à une vitesse de déplacement prédéterminée.
- Utilisation d’un banc d’essai selon l’une quelconque des revendication 1 à 6 pour la reproduction de phénomènes sismiques, telles que des instabilités sismiques et le contrôle de ces instabilités.
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