Géomécanique fractale, isolation d’un site à l'aide du métamatériaux antisismiques

Fractal geomechanics, site isolation using seismic materials

• Auteur / Autrice : Ahmad Saoud
• Direction : Diogo Queiros-Condé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Génie Mécanique, Génie Civil
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Paris 10
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Connaissance, langage, modélisation (Nanterre, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Energétique Mécanique Electromagnétisme (Nanterre)
• Jury : Président / Présidente : Luc Davenne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Diogo Queiros-Condé, Luc Davenne, Laurent Daudeville, Andrzej Nowakowski, Thomas Michelitsch, Ahmad Omar, Johann Petit
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Daudeville, Andrzej Nowakowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fractales

Métamatériaux

Construction parasismique

Mécanique des sols

Mots clés libres

Matériaux anti-sismiques

Cristaux sismiques

Géométrie fractale

Tapis de Sierpinski circulaire

Géométrie H-fractale

Autosimilaire

Seismic metamaterials

Seismic crystals

Fractal geometry

Circular sierpinski carpet

H-fractal geometry

Self-similar

Résumé

Une infrastructure civile stable et résiliente est un élément clé de la sécurité publique.Cependant, les structures actuelles sont vulnérables aux dommages résultant d’un mouvement excessif du sol causé par des séismes ou des explosions souterraines.Traditionnellement, les structures sont construites pour résister aux mouvements du sol, mais cette approche de conception est coûteuse et le risque de défaillance lors de très grands événements reste élevé. Ces dernières années, les métamatériaux élastiques inspirés des métamatériaux électromagnétiques ont été utilisés pour protéger les bâtiments pendant les séismes, et leur efficacité dans l’atténuation des ondes sismiques a été vérifiée par des expériences à l’échelle géophysique. L’objectif de ces travaux de thèse est de développer un système d’isolation basé sur des matériaux périodiques à géométrie fractale afin d’obstruer, d’absorber ou de modifier complètement la configuration de l’énergie sismique avant qu’elle atteigne les fondations des structures. La technique fractale autosimilaire sera appliquée à la conception de plusieurs systèmes d’isolation sismiques. Nous développons dans un premier temps le concept de cristaux sismiques ou métamatériaux sismiques, le développement de plusieurs isolants de formes régulières et de géométrie fractale. Nous examinons ensuite leur capacité à inhiber la propagation des ondes sismiques et leur fréquence de bande interdite. Une étude paramétrique est réalisée pour chaque isolateur afin de déterminer l’influence des propriétés du matériau et des paramètres géométriques sur les caractéristiques de la bande interdite, et une modélisation numérique 3D a ensuite été réalisée pour vérifier l’efficacité de ces systèmes d’isolation sismique. L’importance de ces modèles consiste dans le fait qu’il s’agit d’un nouveau type d’isolateur structurel antisismique, simple à réaliser, à faible coût et à haute durabilité.

Stable and resilient civil infrastructure is essential for public safety. However, existing structures remain vulnerable to damage from excessive ground movement caused by earthquakes or underground explosions. Traditionally, civil structures have been built to resist ground movement, however this design approach is costly and the risk of failure during very large events remains high. Recently, elastic metamaterials inspired by electromagnetic metamaterials have been used to protect buildings during earthquakes, and their effectiveness in attenuating seismic waves has been verified experimentally at the geophysical scale. The objective of this PhD work is to develop an isolation system based on periodic materials with fractal geometry in order to obstruct, absorb or completely modify the pattern of seismic energy before it hits the foundations of structures. The self-similar fractal technique will be applied to the design of several seismic isolation systems. We first develop the concept of seismic crystals or seismic metamaterials, developing several regularly shaped and fractal geometric insulators. Then, we examine their capacity to inhibit the propagation of seismic waves and their band gap frequency. A parametric study is carried out for each insulator to determine the influence of material properties and geometric parameters on the band gap characteristics. Subsequently, 3D numerical modelling was carried out to verify the effectiveness of these seismic isolation systems. The significance of these models is that they are a new type of structural seismic isolator, simple to make, low cost and high durability.