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CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Calculs sismiques au LAPP.

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1 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Calculs sismiques au LAPP

2 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Pourquoi ? Comment ? Calculs sismiques

3 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre – Généralités sur les séismes 1 – Pourquoi des calculs sismiques ? 4 – Spécificités des études 3 – Contexte 5 – Les difficultés rencontrées

4 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Pourquoi faire des calculs sismiques ? Pour assurer la sécurité des personnes Pour évaluer et prévenir les risques de détérioration des équipements 1 –Pourquoi ? 1 –Pourquoi ?

5 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre – Généralités sur les séismes 1 – Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences du CERN ? 4 – Les méthodes danalyse 3 – Contexte 5 – Les difficultés rencontrées

6 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Séisme de CHI-CHI (Taiwan) 21 septembre 1999 Magnitude locale : –Généralités sur les séismes 2 –Généralités sur les séismes

7 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 A faible profondeur (0-2 km, 600 bars), la résistance est faible (manque de cohésion), les roches se déforment de manière continue, pas de séisme. A plus grande profondeur (>25 km soit 7.5 k bar), la température est élevée et les roches fluent de manière visqueuse. Les roches sont ductiles. 2 –Généralités sur les séismes 2 –Généralités sur les séismes

8 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Contrainte tectonique Déformation élastique lente Rupture sismique rapide Pour des profondeurs comprises entre 2 et 25 kilomètres, la résistance augmente, la roche se déforme élastiquement puis subit une rupture soudaine, cest le séisme. Les roches sont fragiles. 2 –Généralités sur les séismes 2 –Généralités sur les séismes

9 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre –Généralités sur les séismes 2 –Généralités sur les séismes

10 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre –Généralités sur les séismes 2 –Généralités sur les séismes

11 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre –Généralités sur les séismes 2 –Généralités sur les séismes Annecy : magnitude 5.2

12 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre – Généralités sur les séismes 1 – Pourquoi des calculs sismiques sur les expériences du CERN ? 4 – Les méthodes danalyse 3 – Contexte 3 –Contexte 3 –Contexte 5 – Les difficultés rencontrées

13 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Contexte : LHCb 3 –Contexte 3 –Contexte Calorimètres

14 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Contexte : LHCb 10 m Epaisseur des détecteurs : 1 m pour HCAL et 0.4 m pour ECAL Supports posés sur des rails Gantry 3 –Contexte 3 –Contexte

15 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Problématique Des structures très élancées juste posées sur leur bases Une demande du CERN de prendre en compte des aléas sismiques Des normes imposées : PS 92 et Eurocode 8 3 –Contexte 3 –Contexte

16 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Problématique Les premières simulations montrent que si les supports de détecteurs sont seulement posés sur les rails il y a risque de basculement. Nous avons donc proposé de rajouter une structure fixée au sol qui puisse servir de point dappui haut pour les calorimètres Nous regardons actuellement la possibilité dassurer ces liaisons par le biais damortisseurs pour dissiper une part de lénergie. 3 –Contexte 3 –Contexte

17 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Les différentes étapes Engagement vis à vis de la collaboration en septembre 2002 Début des études de principe avec laide du LPSC (Emmanuelle Vernay et Alain Garrigue) 2 nd semestre 2002 Organisation dune formation « dynamique avancée » à Annecy en janvier 2003 Ellaboration des premiers modèles de calcul qui ont conduit à une modification des choix de conception en octobre 2003 Présentation dune configuration validée par le CERN en janvier 2004 Etude damélioration du comportement (amortisseurs) en cours 3 –Contexte 3 –Contexte

18 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre – Généralités sur les séismes 1 – Pourquoi des calculs sismiques? 4 – Les méthodes danalyse 3 – Contexte 5 – Les difficultés rencontrées

19 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Analyse modale spectrale (méthode imposée par les normes) Analyse modale (recherche des modes propres) Réponse sismique Analyse harmonique Analyse modale (recherche des modes propres) Réponse harmonique Analyse temporelle modale Analyse modale (recherche des modes propres) Réponse transitoire modale Analyse temporelle Réponse transitoire intégration directe Analyse statique équivalente Réponse statique linéaire 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse

20 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Analyse modale (recherche de mode propre) On effectue une analyse modale pour identifier les modes propres de la structure (en tous cas ceux qui apportent une contribution significative à la réponse de la structure) le nombre de modes retenu et déterminé par : les normes qui indiquent que lon doit se limiter à un domaine détude de 0 à 33 Hz Lévaluation de la somme des masses modales par direction qui doit être au moins de 90 % de la masse totale Cette étape peut se traiter avec samcef field (utiliser la méthode frontale). Nécessaire à : Analyse spectrale modale (normes) Analyse harmonique Analyse transitoire modale 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse

21 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Analyse modale spectrale (méthode imposée par les normes) Etude de la réponse sismique (analyse linéaire): A partir des modes propres calculés précédemment on calcul la réponse du système pour chaque mode et chaque direction puis on effectue une recombinaison pour obtenir une réponse globale qui se post-traite comme une analyse statique linéaire Les données dentrée principales sont : Les modes propres calculés avec dynam Lamortissement de lensemble de la structure Le spectre de calcul Cette étape peut se traiter pour le moment avec Samcef (module repdyn/specres) 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse

22 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Spectre de calcul Les différents points de la courbes sont les réponses maximales en accélération doscillateurs simples (masse ressort) couvrant toute la gamme de fréquence (ou période) soumis à un séisme typique (caractérisé notamment par son accélérogramme) Par exemple un oscillateur de fréquence propre 2 Hz (période 0.5s) soumis au séisme aura comme accélération maximale 3.03 m.S-2 (hypothèse: dans ce cas le coefficient damortissement =2%) 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes

23 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes

24 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Analyse modale spectrale : méthode imposée par les normes Spectre de calcul 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse

25 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Séisme dizmit 17 août 1999 Accélérogramme 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse

26 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Analyse harmonique Etude de la réponse harmonique (analyse linéaire): A partir des modes propres calculés précédemment on calcul les réponses du système (déplacement, vitesse, accélération) à une excitation de type sinusoïdale à différentes fréquences. Les données dentrée principales sont : Les modes propres calculés avec dynam Lamortissement de lensemble de la structure Cette étape peut se traiter pour le moment avec Samcef (module repdyn/specres) 4 –Méthodes danalyse 4 –Méthodes danalyse

27 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre – Généralités sur les séismes 1 – Pourquoi des calculs sismiques? 4 – Les méthodes danalyse 3 – Contexte 5 – Les difficultés rencontrées

28 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Modélisation géométrique des structures et éléments finis Problème : Choix dun modèle volumique milieu continu (éléments paraboliques)car passage « assez rapide » de CATIA à Samcef Field permettant des itérations. => beaucoup de ddl : 15 mn de calcul en statique mais qq heures pour lanalyse modale (le maillage pourrait être assez grossier pour lanalyse modale mais doit être plus fin pour la réponse dynamique) => prise en compte de chaque ensemble séparément (ECAL, HCAL, Gantry) Stratégie : modélisation du comportement du gantry pour létude des calorimètres Validation des méthodes sur des modèles simples. 5 –Difficultés

29 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Modélisation géométrique des structures et éléments finis Modélisation du gantry par des ressorts 5 –Difficultés

30 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Prise en compte du comportement (données dentrée) Problème : Choix des donnée dentrée pour les calorimètres (assemblages plomb/scintillateurs) Modélisation des liaisons entre éléments (amortisseurs) => utilisation des données constructeurs pour la simulation !! Stratégie : essais mécaniques sur les modules Dialogue avec constructeur et support Samtech pour définir les paramètres Etude temporelle non linéaire en utilisant les accélérogrammes 5 –Difficultés

31 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Prise en compte du comportement (données dentrée) Théorie (mod linéaire): Modèle constructeur (non linéaire) : 5 –Difficultés

32 CALCULS SISMIQUES AU LAPP Réunion mécanique IN2P3, 15 novembre 2004 Choix des méthodes danalyse Problème : Comportement particulier des détecteurs qui sont posés sur les rails : =>Initialement problème de RDM tant que les pieds ne décollent pas. Ensuite, en théorie problème de contact, donc non linéaire !!!=> analyse modale spectrale inutilisable. Stratégie : =>Dimensionner le système pour garantir le non-décollement =>Utiliser un modèle statique équivalent en vérifiant le non-décollement(vérification des réactions) 5 –Difficultés


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