Conception de capteurs / absorbeurs utilisant la dynamique non linéaire pour la surveillance et le contrôle passif de structures

Conception of sensors / absorbers using non-linear dynamics for monitoring and passive control of structures

• Auteur / Autrice : Mathieu Weiss
• Direction : Claude-Henri Lamarque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 13/05/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Régis Dufour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Peigney, Alireza Ture Savadkoohi, Bastien Vaurigaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Cochelin, Guilhem Michon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Constructions -- Dynamique

Mots clés libres

Contrôle vibratoire

Auscultation des structures

Passif

Nonlinear Energy Sink (NES)

Cubique

Linéaire par morceaux

Dimensionnement

Gravité

Endommagement

Plastification

Saint-Venant

Expérimentations

Prototype

Vibratory control

Structure auscultation

Passive

Nonlinear Energy Sink (NES)

Cubic

Piecewise linear

Design

Gravity

Damaging

Plastic behaviour

Saint-Venant

Testing

Prototype

Résumé

L’application des résultats de la dynamique des systèmes non linéaires aux structures du Génie Civil a permis d’imaginer un contrôle de leurs vibrations. Il s’agit d’utiliser une structure auxiliaire couplée à la structure principale à contrôler. S’il est possible d’imaginer des structures auxiliaires de fortes masses, en couplant deux structures principales entre elles par exemple, la plupart du temps il s’agit d’une faible masse qui leur est couplée. Ces couplages peuvent être de nature différente et il est intéressant de séparer les couplages actifs et passifs. Si les couplages actifs sont très efficaces, ils nécessitent un apport d’informations et d’énergie, contrairement au cas passif. Les systèmes passifs les plus utilisés sont les Tuned Mass Damper (TMD), qui reposent sur un couplage linéaire entre les structures, principale et auxiliaire. Ils nécessitent d’être accordés en fréquence, ce qui pose des problèmes de durabilité. De récents travaux ont montré qu’il est possible d’utiliser un couplage non linéaire entre les structures, principale et auxiliaire, pour le contrôle passif, grâce au phénomène de localisation. De tels absorbeurs non linéaires sont nommés puits d’énergie non linéaire, ou Nonlinear Energy Sink (NES). Les travaux présentés dans ce document proposent des avancées sur deux points : d’un côté continuer à développer le rôle d’absorbeur de vibrations des NES et d’un autre côté explorer s’ils peuvent remplir d’autres rôles. Ainsi ce manuscrit se consacre à deux applications possibles des NES, comme absorbeurs de vibrations pour le contrôle vibratoire ou comme capteurs pour l’auscultation de l’état des structures. Dans le cadre du contrôle vibratoire, il s’agit d’homogénéiser une démarche d’analyse de comportement des structures couplées applicable à différents types de couplages. Ensuite il convient de déterminer si cette démarche est modifiable pour être appliquée dans d’autres cas, ici la prise en compte de la gravité et/ou de rhéologies plus complexes pour la structure principale. En se fondant sur les mêmes résultats d’analyse du comportement des structures couplées, une étude des NES pour l’auscultation de l’état des structures est menée. Il s’agit d’utiliser les propriétés des couplages non linéaires à basculer entre des comportements fortement différents pour de faibles variations des paramètres du système. Le principe d’un capteur pour l’auscultation de l’endommagement est ainsi décrit sur ces bases. Enfin ce manuscrit s’intéresse à la création d’un démonstrateur en échelle 1 — câble de 21 m pour 2,6 cm de diamètre — sur la base du contrôle des vibrations horizontales d’un câble par NES cubique et des vibrations verticales d’un câble par NES linéaire par morceaux.

The application of nonlinear dynamic results on Civil Engineering structures allows to imagine the control of their vibrations. An auxiliary structure coupled to principal structure enables this control. Using auxiliary structures with large masses is possible, for example by coupling two principal structures together, but the main solution is using weak masses coupled to the principal ones. Different kinds of coupling can be used, but it is interesting to separate active and passive couplings. If active couplings are very efficient, they require information and energy. In contrast, passive couplings require nothing. The passive system that is used the most is the Tuned Mass Damper (TMD), with a linear interaction between structures, principal and auxiliary. They require to be tuned in frequency, which is problematic in terms of durability. Recent research shows it is possible to use nonlinear couplings between structures, principal and auxiliary, for passive control, by using the localisation phenomena. This kind of absorbers is named Nonlinear Energy Sink (NES). The research in this thesis shows progress in two ways: Its furthers the development the role of the vibration absorber of the NES and explores new possible roles. This thesis presents two possible applications for NES, as absorbers for vibratory control or as sensors for state structure auscultation. In the case of vibratory control, the first step is to create a standardised analysis of coupled structure behaviour applicable to different kinds of coupling. The next step is to determine possible modifications of this analysis to use on other cases, for example to take in account gravity and/or complex rheology for principal structure. With these results of coupled structure behaviour analysis, the study of NES for state structure auscultation is made. The principle of NES as sensor is using properties of nonlinear coupling to suddenly change the kind of behaviour with a small variations of system parameters. Finally, this thesis presents the creation of a scale 1 prototype — cable of 21 m for 2,6 cm diameter — for control of horizontal vibrations of cable by a cubic NES and vertical vibrations of cable by piecewise linear NES.