WO1994010412A1 - Dispositif parasismique - Google Patents

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WO1994010412A1
WO1994010412A1 PCT/FR1993/001070 FR9301070W WO9410412A1 WO 1994010412 A1 WO1994010412 A1 WO 1994010412A1 FR 9301070 W FR9301070 W FR 9301070W WO 9410412 A1 WO9410412 A1 WO 9410412A1
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WO
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plate
elastomer
plates
seismic
earthquake
Prior art date
Application number
PCT/FR1993/001070
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English (en)
Inventor
Christian Schang
Alex Frosni
Van Tho Doan
Paul Borderie
Original Assignee
Societe Nationale Des Chemins De Fer Francais
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F1/00—Springs
    • F16F1/36—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers
    • F16F1/42—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers characterised by the mode of stressing
    • F16F1/52—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers characterised by the mode of stressing loaded in combined stresses
    • F16F1/54—Springs made of rubber or other material having high internal friction, e.g. thermoplastic elastomers characterised by the mode of stressing loaded in combined stresses loaded in compression and shear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2236/00—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements
    • F16F2236/12—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements loaded in combined stresses
    • F16F2236/123—Mode of stressing of basic spring or damper elements or devices incorporating such elements loaded in combined stresses loaded in compression and shear

Definitions

  • the present invention relates to a seismic device for construction works. More particularly, the invention relates to an earthquake-resistant device associated with supports equipping batteries for supporting large loads of construction works, in particular bridges and offshore platforms.
  • the seismic forces are constituted by a vertical component which practically does not cause displacement relative to the level of the supports between the pillars and the platform of the structure, and by horizontal components responsible for the displacements relative to the level of the supports between the pillars of support and the platform of the work.
  • the present invention relates to an earthquake-resistant device for a construction work capable of absorbing horizontal forces of high amplitude.
  • the object of the invention is also to allow, under the action of acceleration of the ground caused by an earthquake and transmitted to the head of the support pillars, a certain elastic displacement of the platform of the structure relative to this pile head, so that the horizontal dynamic reaction brought by the mass of the platform does not bring unacceptable efforts.
  • Another object of the invention is to avoid displacement of the platform on the support stacks incompatible with their geometry.
  • Another object of the invention is to return the platform to its original position once the earthquake has ended.
  • Yet another object of the invention is to avoid rupture of the supports equipping the head of the batteries during an earthquake.
  • the earthquake-resistant device for construction works comprises an upper plate on which the platform of the structure comes to bear, a lower plate mounted on the head of a stack of support for the structure.
  • the upper and lower plates each have at least two flat surfaces and inclined in the form of a V.
  • At least two elastomer plates are placed between the V-inclined surfaces facing the upper and lower plates so as to establish the mechanical connection between said upper and lower plates.
  • the elastomer plates are hooped, that is to say have a laminated structure consisting of alternating layers of elastomer and metal sheets thus increasing the crush resistance of the elastomer.
  • the plates are made of steel.
  • the inclined surfaces of the upper plate are coated with a layer of stainless steel while the corresponding surfaces of the elastomer plates are coated with a layer of fluorocarbon resin generally known under the name of Teflon.
  • Teflon layers preferably have a sintered structure provided with cells favoring the storage of a silicone oil to reduce the coefficient of friction between stainless steel and Teflon.
  • FIG. 1 is a side view of the earthquake-resistant device the invention
  • FIG. 2 is a top view of the device in FIG. 1 without the upper plate
  • FIG. 3 is a diagram showing the distribution of the forces exerted on the stressed elastomer plate of the device in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram representing the deformation of the elastomer plate under the forces indicated in FIG. 3
  • FIG. 5 is a schematic view from above of the head of a pillar for supporting the structure equipped with two seismic devices of the invention.
  • the earthquake-resistant device of the invention comprises an upper plate 1, a lower plate 2 and two elastomer plates 3 serving as mechanical connection between the upper 1 and lower 2 plates.
  • the upper plate 1 is fixed to the platform or to the deck of the structure (not shown) by means of its base 4 in the form of a horizontal metal plate and by means of bolting of steel rods to high resistance (not shown) passing through holes 4a in the base 4.
  • the upper plate 1 has two metal corners 5 welded to the lower surface of the horizontal base 4 with a distance a separating from one another.
  • the metal corners 5 are arranged so as to offer their inclined surfaces 5a towards the bottom and towards the outside of the device to form a V.
  • the inclined surfaces 5a of the metal corners 5 are coated with a layer of stainless steel 6 bonded or welded to the corners 5.
  • the lower plate 2 is fixed to the head of a pile (not shown) by means of its horizontal metal base 7 by means of anchoring spades 7a and by bolting of high-strength steel rods (not shown ) through holes 7b in the base
  • the upper 5 and lower 8 corners have their inclined surfaces 5a and 8a forming an identical angle ⁇ with respect to the horizontal.
  • the facing surfaces 5a and 8a of the metal corners 5, 8 of the upper 1 and lower 2 plates are parallel to each other.
  • Each metal corner 8 of the lower plate 2 has on the inclined surface 8a a lower cleat 8b, an upper cleat 8c and two lateral stops 8d, so as to form a rectangular inclined frame 8e to receive an elastomer plate 3.
  • the plates elastomer 3 have a laminated structure composed of alternating layers of rubber or neoprene elastomer and metal sheets parallel to their upper surfaces coated with a layer 3a of lightly honeycombed flu orocarbon resin (Teflon).
  • the elastomer plates 3 are simply placed on the inclined surfaces 8a of the metal corners 8 of the lower plate 2 with its lower side resting on the lower cleat 8b of the inclined frame 8e.
  • Each elastomer plate 3 is in the form of a parallelepiped and is arranged with play with respect to the lateral stops 8d and to the upper cleat 8c of the inclined frame 8e of the lower plate 2.
  • the honeycomb structure of the Teflon layer 3a constituting the upper surface of the elastomer plates 3 makes it possible to store a lubricating agent, such as silicone oil reducing the coefficient of friction between the stainless steel layer 6 at the inclined surface 5a of the metal corners 5 of the upper plate 1 and the Teflon layer 3a of one of the elastomer plates 3.
  • a lubricating agent such as silicone oil
  • the metallic connection between the upper 1 and lower 2 plates is ensured exclusively by means of the elastomer plates 3 whose upper surfaces 3a are in contact with the inclined surfaces 5a of the upper plate 1 and whose lower surfaces are in contact with the inclined surfaces 8a of the lower plate 2.
  • the upper plates 1 and lower 2 tend to move relative to each other horizontally along the axis YY'.
  • the elastomer plates 3 then deform elastically by shearing in order to absorb the horizontal force along YY * .
  • the elasticity of the elastomer plates 3 allows the upper 1 and lower 2 plates to be brought back to their respective initial positions.
  • the low coefficient of friction between the stainless steel and the Teflon allows a slight sliding of the upper plate 1 relative to the elastomer plates 3 during a significant force according to YY '.
  • the upper 1 and lower 2 plates are driven in a relative movement along the axis XX' and preferentially stress one of the two elastomer plates 3.
  • the stressed elastomer plate 3 works on the one hand in shearing along an inclined plane ⁇ parallel to the inclined surfaces 5a and 8a of the upper 1 and lower 2 plates, and on the other hand in compression perpendicular to said inclined plane so that the elastic deformation of the elastomer absorbs the energy created by the force applied along XX '.
  • the inclination of the lower metal corners 8 also creates a restoring force on the upper plate 1 due to the vertical component of the forces acting on the inclined surface 8a of the corners 8.
  • the contact between the stainless steel layer 6 of the corner metal 5 of the upper plate 1 and the Teflon layer 3a of the elastomer plate 3 allows a slight sliding between the upper plate 1 and the elastomer plate 3 along the axis XX '.
  • the force following XX ′ is eliminated, the elasticity of the elastomer plates 3 as well as the low coefficient of friction , between the stainless steel and the Teflon allows the upper 1 and lower 2 plates to be in the initial position.
  • Figures 3 and 4 correspond to the case of a horizontal force F generated by the seismic actions and applied to the upper plate 1 and along the axis XX '(see Figures 1 and 2). Only the metal corner 8 of the lower plate 2 and the elastomer plate 3 biased by the force F are schematically represented in Figures 3 and 4 so as not to overload the drawings.
  • the total force R exerted by the upper plate 1 on the elastomer plate 3 is constituted by the combination of the horizontal force F and the result of the vertical forces and loads P.
  • the total force R can be decomposed into a normal component R y which is perpendicular to the inclined surface 8a of the lower metal wedge 8 and a parallel component R h which is parallel to the inclined surface 8a of the metal wedge 8.
  • Rh (4) sin ( ⁇ - ⁇ p) Furthermore, the deformation ⁇ v of the elastomer plate 3 due to the compression force R v can be defined by the following relation: ⁇
  • E is of the order of 10 3 times the value of the shear modulus G.
  • the coefficient of friction tg ⁇ between Teflon and stainless steel is generally between 0.02 and 0.04.
  • the angle of inclination ⁇ of the surface 8a of the metal wedge 8 is generally between 10 ° and 60 °.
  • the formula (11) overcomes the difficulties of determining the Young E modulus for a hoop of elastomer. A satisfactory correlation is thus established between the dimensioning of the elastomer plate e, S and the horizontal displacement d of the elastomer plate under the horizontal seismic force F.
  • the angle ⁇ is chosen around 30 °. Given that the coefficient of friction tg ⁇ is around 0,03, one can still simplify the equation (1 1) to lead to:
  • a longitudinal displacement of the deck is generally tolerated with respect to the support pillars with an amplitude of a few millimeters under the action of braking or starting forces.
  • transverse displacements of the deck relative to the support pillars are generally prohibited.
  • the movement of the deck relative to the support pillars along the he axis of the deck does not exceed the tolerated limits.
  • FIG. 5 represents a top view of the head of a pillar 9 of a railway bridge whose deck is not shown.
  • the pillar head 9 is equipped with two conventional supports 10 on either side of the longitudinal axis YY 'of the deck.
  • the supports 10 are multidirectional sliding supports for resuming the vertical reaction of the bridge.
  • the sliding supports 10 can present the stainless steel / Teflon contact surfaces horizontally.
  • Two seismic devices according to the invention are arranged along the axis of the deck. Only the upper plates 1 of the devices are schematically represented.
  • the YY 'axis (see figure
  • seismic devices is coincident with the longitudinal axis of the deck.
  • the seismic devices here make it possible to ensure on the one hand the protection of the bridge against seismic forces transverse to the axis of the deck thanks to the elastic deformations of the elastomer plates in shear and in compression, and to the longitudinal forces by rappo ⁇ to the axis of the deck thanks to the elastic deformation of the shear elastomer plates.
  • the seismic action which causes relative movements of the deck relative to the support pillar is neutralized by the seismic devices.
  • the earthquake is complete, the elasticity of the elastomer plates of the seismic devices brings the deck back to its original position relative to the support pillar.
  • a central recess 1 1 of shallow depth at the head of the pillar 9 to allow maintenance personnel to settle there.
  • On the bridge deck there is an access passage to the recess 11 of the pillar.
  • Four hydraulic or pneumatic cylinders 12 are provided on the pile head 9 to lift the deck, thereby making maintenance of the supports 10 and of the seismic devices possible.
  • two additional seismic devices can be provided acting in the longitudinal direction of the deck.
  • the axis XX '(see Figure 2) of the two additional seismic devices is oriented parallel to the longitudinal axis of the deck. This means a longitudinal elastic blocking of the apron under earthquake while allowing it a slight elastic displacement of damping of seismic forces.
  • the longitudinal displacement of the deck can be calculated under braking forces at the level of the seismic device:
  • the earthquake-resistant device of the invention can be used for all types of construction works, for example bridges, oil exploitation platforms, generally construction works requiring supports. on pillars.
  • each upper plate 1 and lower 2 comprises three, four or even five metal corners which are associated with as many elastomer plates in the same principle as that described above, the metal corners being arranged on each upper and lower plate uniformly along a circular path, this in view to protect the structure against seismic forces in different directions.

Abstract

Le dispositif parasismique pour ouvrages de construction comprend une platine supérieure (1) pourvue d'au moins deux coins métalliques (5) avec leurs surfaces inclinées planes (5a) orientées vers le bas et vers l'extérieur, une platine inférieure (2) pourvue d'au moins deux coins métalliques (8) avec leurs surfaces inclinées planes (8a) orientées vers le haut et vers l'intérieur en regard des surfaces inclinées (5a) de la platine supérieure, et au moins deux plaques d'élastomère (3) disposées entre les surfaces inclinées (5a, 8a) des platines supérieure et inférieure en vue d'établir une liaison mécanique entre lesdites platines. Application aux ponts ferroviaires.

Description

DISPOSITIF PARASISMIQUE
La présente invention concerne un dispositif parasismique pour ouvrages de construction. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif parasismique associé à des appuis équipant des piles pour supporter des charges importantes des ouvrages de construction, notamment des ponts et des plate-formes offshore.
On sait que pour une structure d'ouvrage de construction donnée, la valeur des efforts apportés par les actions sismiques dépend de la rigidité des liaisons situées au niveau des appuis de la structure.
Les efforts sismiques sont constitués par une composante verticale qui ne provoque pratiquement pas de déplacement relatif au niveau des appuis entre les piliers et la plate-forme de l'ouvrage, et par des composantes horizontales responsables des déplacements relatifs au niveau des appuis entre les piliers de support et les plate-forme de l'ouvrage.
Pour la conception des ouvrages de construction dans une zone à sismicité connue, au niveau des appuis de liaison entre les piliers et la plate-forme de l'ouvrage, les composantes horizontales des actions sismiques sont déterminantes. La composante verticale des actions sismiques est prise en compte forfaitairement avec un coefficient de combinaison.
Pour la construction des ponts par exemple, en particulier pour des ponts ferroviaires, il est nécessaire de prévoir au niveau des appuis de liaison la possibilité de faibles déplacements relatifs entre les piliers de support et le tablier du pont susceptibles d'être provoqués par des efforts de freinage et de démarrage, ou des efforts centrifuges si le pont décrit une courbe, exercés par un train ou d'autres véhicules circulant sur le tablier du pont. Les efforts de freinage et de démarrage du véhicule sont orientés dans le sens longitudinal du tablier de pont. Les efforts centrifuge sont orientés transversalement au tablier de pont.
Traditionnellement, on construit des ponts de chemin de fer avec des piles équipés d'appuis fixes ou d'appuis mobiles avec des butées transversales et longitudinales. Une telle conception qui est satisfaisante pour des zones à sismicité faible n'est cependant pas adaptée pour des zones à sismicité forte où les composantes horizontales des actions sismiques dépassent largement les efforts horizontaux provoqués sur le tablier par les véhicules. Autrement dit, lors d'un séisme de forte intensité, les appuis classiques pour ponts ne peuvent pas résister mécaniquement aux efforts sismiques qui provoquent ainsi des dommages importants au niveau des appuis du tablier. π a été proposé un dispositif parasismique qui consiste à associer aux appareils d'appuis de pont, un bloc élastomère pour absorber par cisaillement élastique les efforts horizontaux des actions sismiques. Or cette solution n'est satisfaisante que dans la limite où les efforts horizontaux des actions sismiques peuvent être compensés par la déformation élastique des blocs d'élastomère. Au-delà, la rupture des appareils d'appuis est inévitable.
La présente invention a pour objet un dispositif parasismique pour ouvrage de construction pouvant absorber des efforts horizontaux de forte amplitude.
L'invention a également pour objet de permettre, sous l'action d'accélération du sol provoquée par un séisme et transmise à la tête des piliers de support, un certain déplacement élastique de la plate¬ forme de l'ouvrage par rapport à cette tête de pile, de manière que la réaction dynamique horizontale apportée par la masse de la plate¬ forme n'apporte pas d'efforts rédhibitoires. Un autre objet de l'invention est d'éviter un déplacement de la plate-forme sur les piles de support incompatible avec leur géométrie.
Un autre objet de l'invention est de ramener la plate-forme à sa position d'origine une fois le séisme terminé.
Encore un autre objet de l'invention est d'éviter une rupture des appuis équipant la tête des piles lors d'un séisme.
Le dispositif parasismique pour ouvrages de construction selon l'invention, comprend une platine supérieure sur laquelle vient en appui la plate-forme de l'ouvrage, une platine inférieure montée sur la tête d'une pile de support de l'ouvrage. Les platines supérieure et inférieure présentent chacune au moins deux surfaces planes et inclinées sous forme d'un V. Au moins deux plaques d'élastomère sont placées entre les surfaces inclinées en V en regard des platines supérieure et inférieure de façon à établir la liaison mécanique entre lesdites platines supérieure et inférieure. Les plaques d'élastomère sont frettées, c'est-à-dire présentent une structure stratifiée constituée de couches alternées d'élastomère et de feuilles métalliques augmentant ainsi la résistance à l'écrasement de l'élastomère.
Les platines sont réalisées en acier. Les surfaces inclinées de la platine supérieure sont revêtues d'une couche d'acier inoxydable tandis que les surfaces correspondantes des plaques d'élastomère sont revêtues d'une couche de résine fluorocarbonée généralement connue sous le nom de Téflon. Les couches de Téflon présentent de préférence une structure frittée pourvue d'alvéoles favorisant le stockage d'une huile de silicone pour réduire le coefficient de frottement entre l'acier inoxydable et le Téflon.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue de côté du dispositif parasismique de l'invention, la figure 2 est une vue de dessus du dispositif de la figure 1 sans la platine supérieure, la figure 3 est un schéma indiquant la répartition des efforts exercés sur la plaque d'élastomère sollicitée du dispositif de la figure
1 , la figure 4 est un schéma représentant la déformation de la plaque d'élastomère sous les efforts indiqués sur la figure 3, et la figure 5 est une vue schématique de dessus de la tête d'un pilier de support d'ouvrage équipé de deux dispositifs parasismiques de l'invention.
Comme illustré sur les figures 1 et 2, le dispositif parasismique de l'invention comprend une platine supérieure 1 , une platine inférieure 2 et deux plaques d'élastomère 3 servant de liaison mécanique entre les platines supérieure 1 et inférieure 2. La platine supérieure 1 est fixée à la plate-forme ou au tablier de l'ouvrage (non représenté) par l'intermédiaire de sa base 4 sous forme d'une plaque métallique horizontale et au moyen d'un boulonnage de tiges en acier à haute résistance (non représentées) traversant des trous 4a de la base 4. La platine supérieure 1 comporte deux coins métalliques 5 soudés à la surface inférieure de la base horizontale 4 avec une distance a séparant l'un de l'autre. Les coins métalliques 5 sont disposés de façon à offrir leurs surfaces inclinées 5a vers le bas et vers l'extérieur du dispositif pour former un V. Les surfaces inclinées 5a des coins métalliques 5 sont revêtues d'une couche d'acier inoxydable 6 collée ou soudée aux coins 5.
La platine inférieure 2 est fixée à la tête d'une pile (non représentée) par l'intermédiaire de sa base métallique horizontale 7 au moyen de bêches d'ancrage 7a et d'un boulonnage de tiges en acier à haute résistance (non représentées) au travers des trous 7b de la base
7. Sur la surface supérieure de la base 7 de la platine inférieure 2 sont soudés deux coins métalliques 8 distancés l'un de l'autre de l'intervalle a et dont les surfaces inclinées 8a sont orientées vers le haut et vers l'intérieur du dispositif sous forme d'un V en regard des surfaces inclinées 5a de la platine supérieure 1.
De préférence, les coins supérieurs 5 et inférieurs 8 présentent leurs surfaces inclinées 5a et 8a formant un angle identique α par rapport à l'horizontale. Ainsi les surfaces en regard 5a et 8a des coins métalliques 5, 8 des platines supérieure 1 et inférieure 2 sont parallèles l'une de l'autre. Chaque coin métallique 8 de la platine inférieure 2 présente sur la surface inclinée 8a un taquet inférieure 8b, un taquet supérieur 8c et deux butées latérales 8d, de façon à former un cadre rectangulaire incliné 8e pour recevoir une plaque d'élastomère 3. Les plaques d'élastomère 3 présentent une structure stratifiée composée de couches alternées d'élastomère en caoutchouc ou en néoprène et de feuilles métalliques parallèles à leurs surfaces supérieures revêtues d'une couche 3a de résine flu orocarbonée (Téflon) légèrement alvéolée. Les plaques d'élastomère 3 sont simplement posées sur les surfaces inclinées 8a des coins métalliques 8 de la platine inférieure 2 avec son côté inférieur en appui sur le taquet inférieur 8b du cadre incliné 8e. Chaque plaque d'élastomère 3 est sous forme parallélépipédique et est disposée avec jeux par rapport aux butées latérales 8d et au taquet supérieur 8c du cadre incliné 8e de la platine inférieure 2.
La structure alvéolée de la couche de Téflon 3a constituant la surface supérieure des plaques d'élastomère 3 permet d'emmagasiner un agent de lubrification, tel que l'huile de silicone réduisant le coefficient de frottement entre la couche d'acier inoxydable 6 à la surface inclinée 5a des coins métalliques 5 de la platine supérieure 1 et la couche de Téflon 3a de l'une des plaques d'élastomère 3.
La liaison métallique entre les platines supérieure 1 et inférieure 2 est assurée exclusivement par l'intermédiaire des plaques d'élastomère 3 dont les surfaces supérieures 3a sont en contact avec les surfaces inclinées 5a de la platine supérieure 1 et dont les surfaces inférieures sont en contact avec les surfaces inclinées 8a de la platine inférieure 2.
En se référant à la figure 2, on peut définir deux axes horizontaux XX' et YY' perpendiculaires l'un à l'autre et suivant lesquels tous les efforts horizontaux peuvent être décomposés.
Sous un effort parallèle à l'axe YY', les platines supérieure 1 et inférieure 2 ont tendance à se déplacer l'une par rapport à l'autre horizontalement selon l'axe YY'. Les plaques d'élastomère 3 se déforment alors élastiquement par cisaillement afin d'absorber l'effort horizontal suivant YY*. Lorsque l'effort est terminé, l'élasticité des plaques d'élastomère 3 permet de ramener les platines supérieure 1 et inférieure 2 dans leur position initiale respective. Parallèlement, le faible coefficient de frottement entre l'acier inoxydable et le Téflon permet un léger glissement de la platine supérieure 1 par rapport aux plaques d'élastomère 3 lors d'un effort important suivant YY'.
Lorsque un effort horizontal suivant l'axe XX' est appliqué au dispositif, les platines supérieure 1 et inférieure 2 sont animées d'un mouvement relatif suivant l'axe XX' et sollicitent préférentiellement l'une des deux plaques d'élastomère 3. La plaque d'élastomère 3 sollicitée travaille d'une part en cisaillement suivant un plan incliné α parallèle aux surfaces inclinées 5a et 8a des platines supérieure 1 et inférieure 2, et d'autre part en compression perpendiculairement audit plan incliné de façon à ce que la déformation élastique de l'élastomere absorbe l'énergie créée par l'effort appliqué suivant XX'. L'inclinaison des coins métalliques inférieurs 8 crée en outre une force de rappel à la platine supérieure 1 due à la composante verticale des forces agissant sur la surface inclinée 8a des coins 8. Parallèlement, le contact entre la couche en acier inoxydable 6 du coin métallique 5 de la platine supérieure 1 et la couche en Téflon 3a de la plaque d'élastomère 3 permet un léger glissement entre la platine supérieure 1 et la plaque d'élastomère 3 suivant l'axe XX'. Lorsque l'effort suivant XX' est supprimé, l'élasticité des plaques d'élastomère 3 ainsi que le faible coefficient de frottement, entre l'acier inoxydable et le Téflon permet aux platines supérieure 1 et inférieure 2 de se retrouver en position initiale.
En se référant maintenant aux figures 3 et 4, on peut obtenir une modélisation satisfaisante pour le dispositif parasismique en tenant compte des efforts horizontaux générés par les actions sismiques.
Les figures 3 et 4 correspondent au cas d'un effort horizontal F engendré par les actions sismiques et appliqué à la platine supérieure 1 et selon l'axe XX' (voir figures 1 et 2). Seuls le coin métallique 8 de la platine inférieure 2 et la plaque d'élastomère 3 sollicités par l'effort F sont schématiquement représentés sur les figures 3 et 4 pour ne pas surcharger les dessins. L'effort total R exercé par la platine supérieure 1 sur la plaque d'élastomère 3 est constitué par la combinaison de l'effort horizontal F et de la résultante des forces et charges verticales P. Pour le besoin du calcul, l'effort total R peut être décomposé en une composante normale Ry qui est perpendiculaire à la surface inclinée 8a du coin métallique inférieur 8 et une composante parallèle Rh qui est parallèle à la surface inclinée 8a du coin métallique 8. En désignant α l'angle d'inclinaison de la surface 8a du coin métallique 8 et φ l'angle déterminant le coefficient de frottement (tgφ) entre la surface supérieure 3a en Téflon de la plaque d'élastomère 3 et l'acier inoxydable 6 revêtant la surface inclinée 5a du coin métallique 5 de la platine supérieure 1 , et en supposant que la somme des efforts horizontaux est nulle, on peut obtenir en se référant à la figure 3 les équations (1) et (2) suivantes :
Rhcosα + Rvsinα = F (1)
Rh = Rytg (2)
On peut donc calculer les composantes R^ et Rh de l'effort total R :
Fcosφ
Rv = (3) sin( -κp)
Fsinφ
Rh = (4) sin(α-κp) Par ailleurs, la déformation Δv de la plaque d'élastomère 3 due à la force de compression Rv peut être définie par la relation suivante : σ
Δv ≈ e (5)
où σ est la contrainte de compression exercée sur la plaque d'élastomère 3 (σ = R^/S, avec S surface supérieure de la plaque d'élastomère); E est le module d'élasticité ou module d'Young de la plaque d'élastomère 3.
La combinaison des équations (3) et (5) donne :
Fecosφ
Δv = (6)
ESsin(α-κp)
On peut également définir la déformation Δh de la plaque d'élastomère 3 due à la force de cisaillement Rh par la relation suivante :
Δh
Rj. = GS (7) e où G est le module de cisaillement de la plaque d'élastomère. La combinaison des équations (4) et (7) donne : Fesinφ
Δh = (8)
GSsin(α-κp)
De la figure 4, on peut déduire la relation suivante :
d = Δv sinα + Δhcosα (9)
avec d : déplacement horizontal de la plaque d'élastomère 3 provoqué par la composante transversale F de la force engendrée par l'effet sismique.
En prenant en compte les équations (6) et (8), on aboutit à :
Figure imgf000010_0001
Pour une plaque d'élastomère fretté, la valeur du module d'Young
E est de l'ordre de 103 fois la valeur du module de cisaillement G. Le coefficient de frottement tgφ entre le Téflon et l'acier inoxydable est généralement compris entre 0,02 et 0,04. De plus, l'angle d'inclinaison α de la surface 8a du coin métallique 8 est généralement compris entre 10° et 60°. cosφsinα
Dans ces conditions, on peut négliger le terme dans l'équation (10). Ce qui signifie : E
Fe sinφcosα d = x (11)
GS sin(α-κp)
La formule (11) permet de s'affranchir des difficultés de détermination du module d'Young E pour une plaque d'élastomère frettée. On établit ainsi une corrélation satisfaisante entre le dimensionnement de la plaque d'élastomère e, S et le déplacement horizontal d de la plaque d'élastomère sous l'effort horizontal sismique F.
De préférence, l'angle α est choisi autour de 30°. Etant donné que le coefficient de frottement tgφ est autour de 0,03, on peut encore simplifier l'équation (1 1 ) pour aboutir à :
Figure imgf000011_0001
Il n'est pas difficile de définir la rigidité équivalente du dispositif parasismique dans l'axe XX' (figure 2) qui est F/d à partir de l'une des équations (10), (1 1) et (12).
On peut donner un exemple de dimensionnement des plaques d'élastomère du dispositif parasismique avec les données suivantes : α = 30°, tgφ = 0,03, F = 3000 kN, σ = 15000 kN/m2 Alors, de l'équation (3), on obtient
Fcosφ 3000(kN) x 1
Rv = sin(α-κp) 0,526
Rv ou σ = — , on obtient donc la surface supérieure S de la plaque d'élastomère :
Rv 3000(kN) 1
S = = x = 0,38(m2) σ 0,526 15000(kN/m2)
On peut donc dimensionner la plaque d'élastomère sous forme rectangulaire 0,50(m) x 0,76(m). Si l'on prend le module de cisaillement G égal à I lOOkN/m2 pour les effets sismiques de longue durée et l'épaisseur e de la plaque d'élastomère égale à 0,084(m), on obtiendra le déplacement horizontal d grâce à l'équation (12) :
3000(kN) x 0,084(m) 0,03 d = x = 0,0296(m) 1100(kN/m2)x O,38(m2) 0,61 soit 29,6 mm. Et on peut définir la rigidité équivalente du dispositif :
F/d = 1 ,01 x 105(kN/m).
H résulte de ce qui précède qu'on peut dimensionner facilement le dispositif parasismique de l'invention en fonction des contraintes mécaniques qu'il doit subir lors d'un séisme dans une zone à sismicité connue par les statistiques. Pour des ouvrages lourds, il est préférable d'associer le dispositif parasismique de l'invention à des appuis sur la tête des piles qui supportent en temps normal la majeure partie des charges de l'ouvrage.
Dans le cas d'une construction de pont ferroviaire par exemple, on tient compte non seulement de l'amplitude des actions sismiques dans la zone géographique où le pont doit être construit, mais également des efforts exercés par des trains sur le tablier du pont, en particulier des efforts de freinage ou de démarrage qui sont dans l'axe longitudinal du tablier et des efforts centrifuges transversaux au tablier du pont lorsque celui-ci décrit une courbe dans le plan horizontal.
Il va de soi que pour des zones à sismicité extrêmement faible, des appuis classiques établissant la liaison mécanique entre les piliers de suppoπ et le tablier du pont sont tout à fait satisfaisants. H n'est pas nécessaire dans ce cas de prévoir des dispositifs parasismiques. Le problème est cependant tout à fait différent pour des zones de sismicité plus importantes.
Pour un pont ferroviaire, on tolère généralement un déplacement longitudinal du tablier par rapport aux piliers de support avec une amplitude de quelques millimètres sous l'action des efforts de freinage ou de démarrage. En revanche, les déplacements transversaux du tablier par rapport aux piliers de support sont généralement proscrits. Dans une zone à sismicité relativement faible où l'amplitude des efforts horizontaux générés par l'action sismique ne dépasse pas les efforts de freinage ou de démarrage des trains sur le pont, le déplacement du tablier par rapport aux piliers de support le long de l'axe du tablier ne dépasse pas les limites tolérées. Dans ce cas, on peut se contenter d'équiper la tête de chaque pilier de deux dispositifs parasismiques de l'invention réagissant essentiellement aux efforts transversaux par rapport à l'axe du tablier comme montré sur la figure 5.
La figure 5 représente une vue de dessus de la tête d'un pilier 9 de pont ferroviaire dont le tablier n'est pas représenté. La tête de pilier 9 est équipée de deux appuis classiques 10 de part et d'autre de l'axe longitudinal Y Y' du tablier. Les appuis 10 sont des appuis glissants multidirectionnels pour reprendre la réaction verticale du pont. A titre d'exemple, les appuis glissants 10 peuvent présenter les surfaces de contact en acier inoxydable/Téflon horizontalement.
Deux dispositifs parasismiques selon l'invention sont disposés le long de l'axe du tablier. Seules les platines supérieures 1 des dispositifs sont schématiquement représentées. L'axe YY' (voir figure
2) des dispositifs parasismiques est confondu avec l'axe longitudinal du tablier. Comme décrits précédemment, les dispositifs parasismiques permettent ici d'assurer d'une part la protection du pont contre les efforts sismiques transversaux à l'axe du tablier grâce aux déformations élastiques des plaques d'élastomère en cisaillement et en compression, et aux efforts longitudinaux par rappoπ à l'axe du tablier grâce à la déformation élastique des plaques d'élastomère en cisaillement. Ainsi, l'action sismique qui provoque des mouvements relatifs du tablier par rapport au pilier de support est neutralisée par les dispositifs parasismiques. Lorsque le séisme est terminé, l'élasticité des plaques d'élastomère des dispositifs parasismiques ramène le tablier à sa position d'origine par rapport au pilier de support.
On peut souligner l'intérêt important de l'invention qui consiste à protéger efficacement de façon économique les appuis de suppoπ. En effet, si l'amplitude du séisme ne dépasse pas les prévisions, il est bien évident que les appuis 10 sont correctement protégés contre les détérioration lors du séisme. Dans le cas où l'amplitude du séisme dépasse les prévisions, la conséquence directe sera la détérioration des plaques d'élastomère dont les contraintes mécaniques subies dépassent la limite d'utilisation. Les appuis 10 et les platines supérieure et inférieure des dispositifs parasismiques ne subissent pas de dommages. Il suffira alors de remplacer les plaques d'élastomère détériorées une fois le séisme terminé pour remettre en état les dispositifs parasismiques.
En se référant de nouveau à la figure 5, pour les opérations d'entretien et éventuellement de remplacement des plaques d'élastomère, il est prévu un évidement central 1 1 de faible profondeur à la tête du pilier 9 pour permettre au personnel d'entretien de s'y installer. Sur le tablier du pont est prévu un passage d'accès à l'évidement 11 du pilier. Quatre vérins hydrauliques ou pneumatique 12 sont prévus sur la tête de pile 9 pour soulever le tablier en rendant ainsi l'entretien des appuis 10 et des dispositifs parasismiques possibles. Une fois les opérations d'entretien terminées, on remet le tablier à sa position initiale en neutralisant les vérins 12.
Dans le cas où les efforts horizontaux provoqués par l'action sismique dépassent les efforts de freinage ou de démarrage des trains sur le tablier, on peut prévoir deux dispositifs parasismiques supplémentaires agissant dans le sens longitudinal du tablier. Autrement dit, l'axe XX' (voir figure 2) des deux dispositifs parasismiques supplémentaires est orienté parallèlement à l'axe longitudinal du tablier. Cela signifie un blocage élastique longitudinal du tablier sous séisme tout en, lui permettant un faible déplacement élastique d'amortissement des efforts sismiques. Si l'on reprend le dispositif parasismique dimensionné ci-dessus pour absorber la composante du séisme dans le sens longitudinal YY' du tablier pour un pont ferroviaire de 140 m qui est soumis à une charge d'exploitation de 60 kN/m, en supposant que les efforts de freinage sont 1500 kN par dispositif et que le module de cisaillement G est estimé à 2200 kN/m2 pour des actions rapides non cyclique, on peut calculer le déplacement longitudinal du tablier sous efforts de freinage au niveau du dispositif parasismique :
1500(kN) x 0,084(m) 0,03 d = r x = 0,0074(m)
2200(kN/m2)x 0,38(m2) 0,61 soit 7,4 mm, déplacement tout à fait admissible.
Il est bien évident que le dispositif parasismique de l'invention peut être utilisé pour tous types d'ouvrages de construction, par exemple des ponts, des plates-formes d'exploitation pétrolière, d'une manière générale des ouvrages de construction nécessitant des appuis sur piliers.
L'invention ne se limite pas non plus à l'exemple décrit avec deux plaques d'élastomère de travail par dispositif. On peut en effet envisager que chaque platine supérieure 1 et inférieure 2 comporte trois, quatre voire cinq coins métalliques qui sont associés à autant de plaques d'élastomère dans le même principe que ce qui est décrit précédemment, les coins métalliques étant disposés sur chaque platine supérieure et inférieure de façon uniforme selon un trajet circulaire, cela en vue de protéger l'ouvrage contre des efforts sismiques dans les directions différentes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif parasismique pour ouvrages de construction, caractérisé par le fait qu'il comprend une platine supérieure (1) pourvue d'au moins deux coins métalliques (5) avec leurs surfaces inclinées planes (5a) orientées vers le bas et vers l'extérieur, une platine inférieure (2) pourvue d'au moins deux coins métalliques (8) avec leurs surfaces inclinées planes (8a) orientées vers le haut et vers l'intérieur en regard des surfaces inclinées (5a) de la platine supérieure, et au moins deux plaques d'élastomère (3) disposées entre les surfaces inclinées (5a, 8a) des platines supérieure et inférieure en vue d'établir une liaison mécanique entre lesdites platines.
2. Dispositif parasismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques d'élastomère (3) présentent une structure stratifiée composée de couches alternées d'un élastomère et des feuilles métalliques.
3. Dispositif parasismique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces inclinées (5a) de la platine supérieure (1) sont revêtues d'une couche en acier inoxydable (6), et que la surface supérieure (3a) des plaques d'élastomère est constituée par une couche de résine fluorocarbonée.
4. Dispositif parasismique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la couche de résine fluorocarbonée présente à la surface une structure alvéolaire.
5. Dispositif parasismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques d'élastomère (3) sont simplement posées sur les surfaces inclinées (8a) de la platine inférieure (2) à l'intérieur d'un cadre (8b, 8c, 8d).
6. Dispositif parasismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces inclinées (5a, 8a) des platines supérieure (1) et inférieure (2) présentent le même angle d'inclinaison (α) dont la valeur est comprise entre 10 et 60°.
7. Dispositif parasismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il satisfait l'équation suivante : O 94/10412
15
Fe
Figure imgf000017_0001
sin(α-κp) avec d : déplacement horizontal de la plaque d'élastomère (3) par , rapport à la platine inférieure (2) le long d'un axe (XX'),
F : composante horizontale des efforts sismiques agissant suivant l'axe (XX1) contre les coins métalliques supérieur (5) et inférieur (8) en liaison avec la plaque d'élastomère sollicitée, e : épaisseur de la plaque d'élastomère, 0 S : surface supérieure de la plaque d'élastomère, α : angle d'inclinaison du coin métallique supérieur (5) par rappoπ au plan horizontal, φ : angle de frottement entre la surface inclinée (5a) du coin supérieur et la surface supérieure (3a) de la plaque d'élastomère (tgφ 5 étant le coefficient de frottement),
E : module d'Young de la plaque d'élastomère,
G : module de cisaillement de la plaque d'élastomère.
8. Dispositif parasismique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il satisfait l'équation suivante : 0 Fe sinφcosα d ≈ x
GS sin(α-κp) avec d : déplacement horizontal de la plaque d'élastomère (3) par rappoπ à la platine inférieure (2) le long d'un axe (XX'), 5 F : composante horizontale des effoπs sismiques agissant suivant l'axe (XX') contre les coins métalliques supérieur (5) et inférieur (8) en liaison avec la plaque d'élastomère sollicitée, e : épaisseur de la plaque d'élastomère, S : surface supérieure de la plaque d'élastomère, 0 α : angle d'inclinaison du coin métallique supérieur (5) par rappoπ au plan horizontal dont la valeur est comprise entre 10° et 60°, φ : angle de frottement entre la surface inclinée (5a) du coin supérieur et la surface supérieure (3a) de la plaque d'élastomère (tgφ étant le coefficient de frottement compris entre 0,02 et 0,04), 5 E : module d'Young de la plaque d'élastomère, G : module de cisaillement de la plaque d'élastomère avec G/E de l'ordre de 10-3.
9. Dispositif parasismique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on vérifie la relation suivante :
Fe sinφ d = x-
GS tg(α-κp) avec d : déplacement horizontal de la plaque d'élastomère (3) par rappoπ à la platine inférieure (2) le long d'un axe (XX'), F : composante horizontale des effoπs sismiques agissant suivant l'axe (XX') contre les coins métalliques supérieur (5) et inférieur (8) en liaison avec la plaque d'élastomère sollicitée, e : épaisseur de la plaque d'élastomère, S : surface supérieure de la plaque d'élastomère, α : angle d'inclinaison du coin métallique supérieur (5) par rappoπ au plan horizontal dont la valeur est sensiblement égale à 30°, φ : angle de frottement entre la surface inclinée (5a) du coin supérieur et la surface supérieure (3a) de la plaque d'élastomère (tgφ étant le coefficient de frottement sensiblement égal à 0,03), E : module d'Young de la plaque d'élastomère,
G : module de cisaillement de la plaque d'élastomère avec G/E de l'ordre de 10"3.
10. Dispositif parasismique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les coins métalliques (5, 8) des platines supérieure (1) et inférieure (2) sont associés par paire et répaπis angulairement de façon uniforme le long d'un trajet circulaire horizontal.
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