Étude de la réponse dynamique des ponts roulants soumis à des chocs multiples pendant un séisme : Co-simulation implicite / explicite multi-échelle en temps pour la dynamique du contact

Numerical response of bridge cranes subjected to repeated shocks during an earthquake : Implicit / explicite multi-time scale co-simulation for contact dynamics

• Auteur / Autrice : Fatima-Ezzahra Fekak
• Direction : Michael Brun, Anthony Gravouil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/05/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....) - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures [Villeurbanne] / LaMCoS
• Jury : Président / Présidente : Daniel Rixen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michael Brun, Anthony Gravouil, Daniel Rixen, Fabrice Gatuingt, Ludovic Noels, Bruno Depale, Irini Djeran-Maigre, Bing Tie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Gatuingt, Ludovic Noels

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mécanique du contact

Ponts roulants (manutention)

Mots clés libres

Ponts roulants

Engins de levage

Séisme

Dynamique chocs

Méthode de calculs statiques

Approche multi-Échelle

Contact

Impact mécanique

Intégrateur temporel

Intégrateur explicite

Overhead cranes

Lifting equipment

Earthquake

Dynamic shocks

Static calculation method

Multi-Scale approach

Contact

Mechanical impact

Time Integrator

Explicit integrator

Résumé

Les ponts roulants sont des engins de levage situés en haut des bâtiments qu'ils équipent. Ils servent à manutentionner des charges très lourdes et parfois critiques. Pendant un séisme, un pont roulant est exposé à des chocs multiples. Ces impacts peuvent causer des dommages importants dans la structure pouvant conduire à une chute de la charge manutentionnée ou du pont roulant lui-même. Donc, la vérification de la tenue des ponts roulants au séisme est une question primordiale. Actuellement, cette vérification est basée sur des méthodes de calcul statiques. Ces méthodes font l'hypothèse d'un comportement purement linéaire des ponts roulants ce qui les rend très conservatives. Depuis quelques années les niveaux sismiques imposés par les autorités nationales augmentent chaque année, et les constructeurs de ponts roulants se trouvent dans l'incapacité de construire à partir des efforts sur-estimés fournis par les méthodes statiques. L'objectif de la thèse est l'étude de la réponse dynamique d'un pont roulant pendant un séisme en prenant en compte les non-linéarités géométriques et matériau. Afin de modéliser ces phénomènes, une analyse dynamique temporelle avec une approche multi-échelle en temps est adoptée. Pour prendre en compte l'aspect haute fréquence des chocs, un intégrateur temporel variationnel explicite, basé sur la méthode des multiplicateurs de Lagrange et dédié au contact/impact, est développé. Ensuite, un intégrateur hétérogène (différents schémas d'intégration) asynchrone (différents pas de temps), basé sur la méthode de couplage GC, est appliqué au problème du pont roulant. Cette stratégie multi-échelle en temps permet d'adapter le schéma d'intégration et le pas de temps au sous domaine considéré. Par conséquent, l'intégrateur explicite est adopté dans les zones de contact et un schéma implicite de type accélération moyenne, est adopté dans le reste de la structure. Finalement, un démonstrateur de co-simulation entre les logiciels Cast3M et Europlexus est mis en place pour montrer le gain très significatif en temps de calcul dans le cas d'un modèle élément finis tridimensionnel d'un pont roulant industriel.

Bridge cranes are hoisting appliances located overhead in buildings. They are used to handle very heavy and sometimes critical loads. During an earthquake, a bridge crane may be subjected to multiple impacts between wheels and rails. These impacts can cause significant damage to the structure leading to a fall of the handled load or the bridge crane itself. Therefore, the qualification of such equipment, subjected to an earthquake, is very important. Currently, this qualification is based on static methods. These methods assume a purely linear behavior of the bridge cranes, which leads to a very conservative forces. Consequently, the bridge cranes manufacturers are sometimes unable to design the equipement from the over-estimated efforts provided by the static methods. The aim of this work is to study the dynamic response of a bridge crane during an earthquake by taking into account the geometric and material non-linearities. In order to model such phenomena, a time-history dynamic analysis with a multi-scale approach is performed. To take into account the high frequency aspect of the impacts between wheels and rails, a Lagrange explicit contact/impact time integrator is proposed. This work has also led to the development of an explicit–implicit HATI (Heterogeneous Asynchronous Time Integrator) for contact/impact dynamics. This method allows us to adopt an explicit contact/impact time integrator in the contact area and an implicit time integrator with a coarse mesh in the rest of the domain. Finally, a co-simulation demonstrator between Cast3M and Europlexus softwares is set up to show the very significant gain in computation time for a three-dimensional finite element model of an industrial bridge crane.