Variation of the mechanical properties of the natural rubber used in bridges’ bearings and seismic isolators in Canada

Résumé

L’isolation sismique de la base est un système antisismique largement utilisé pour protéger les structures des dommages induits par les tremblements de terre, en se concentrant sur l’atténuation de la demande sismique au lieu d’augmenter uniquement la capacité de résistance sismique de la structure. Les isolateurs à base d’élastomères sont l’un des systèmes couramment utilisés dans l’isolation sismique des ponts. Les élastomères utilisés dans les isolateurs sont principalement classés en deux catégories principales: Le polyisoprène (caoutchouc naturel) et le polychloroprène (caoutchouc synthétique connu sous le nom de néoprène). Les propriétés mécaniques de ces élastomères jouent un rôle crucial dans les performances et le comportement du système d’isolation. Cependant, ces propriétés sont variables et sont influencées par plusieurs facteurs, notamment les basses températures, le vieillissement, ainsi que la fabrication et la source des matériaux. L’exposition à de basses températures augmente la rigidité et l’hystérésis des élastomères, provoquant des variations dans leurs propriétés mécaniques clés qui modifient la réponse sismique des isolateurs sismiques et affectent la performance sismique de la structure. Dans cette étude, la variation des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel, couramment utilisé dans les applications d’isolation sismique et les appuis laminés pour les ponts au Canada, est étudiée expérimentalement. Quatre sources différentes de caoutchouc naturel, y compris le caoutchouc vieilli provenant des appuis récupérés du pont Champlain d’origine et le caoutchouc neuf, sont considérées pour établir la variation des propriétés mécaniques en fonction de la source, de l’âge, de la durée du conditionnement, de la température d’essai ainsi que de la fréquence des cycles. Les échantillons de chaque source de caoutchouc naturel sont conditionnés à différentes températures, à savoir 23ºC, -8ºC et -30ºC, pour différentes durées, allant de 1 heure à 28 jours. Des essais expérimentaux sont effectués, aux températures de conditionnement, sur des échantillons à quadruple cisaillement. Ils consistent à imposer une séquence de trois cycles de cisaillement d’une amplitude de déformation croissante allant de 25 à 150 %. Les essais ont été réalisés à différentes fréquences (0,1, 0,25 et 0,5 Hz). Les résultats des essais sont utilisés pour extraire les propriétés caractéristiques clef de l’hystérésis, notamment le module de cisaillement effectif et l’amortissement visqueux équivalent, en fonction des paramètres étudiés et de l’amplitude des déformations. Des courbes de raidissement instantané et de cristallisation sont construites. Les effets des paramètres étudiés sont étudiés et des distributions statitiques des propriétés mécaniques du caoutchouc naturel sont identifiées. Les résultats expérimentaux montrent que l’augmentation du temps de conditionnement intensifie le raidissement du caoutchouc naturel. Cependant, cet effet est minime à -8ºC mais plus prononcé à très basse température (-30ºC). La fréquence des cycles a un effet négligeable, dans la plage étudiée tandis que le vieillissement induit un raidissement notable du caoutchouc. De plus, l’analyse statistique montre que les variations des propriétés mécaniques due aux sources et aux basses températures (-30ºC), en particulier pour un temps de conditionnement prolongé, sont statistiquement significatives. Enfin, on constate que les distributions de valeurs extrêmes généralisées et log-normales sont les mieux adaptées aux distributions des propriétés mécaniques (module de cisaillement) du caoutchouc naturel à température ambiante (23 °C) et à basses températures (-8 °C et -30 °C).

Date	12 août 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Lotfi Guizani (Directeur(-trice))