Géomécanique

La plateforme expérimentale "Géomécanique" de Centrale Nantes est une installation de pointe conçue pour faire progresser la recherche en géomécanique, la dynamique des structures et la science des géomatériaux. Elle inclut une diversité d'installations expérimentales, chacune adaptée pour simuler et analyser divers phénomènes complexes dans des conditions contrôlées. Ces installations permettent une recherche multidisciplinaire qui relie les connaissances théoriques aux applications pratiques, favorisant ainsi les avancées dans l'étude du comportement dynamique des sols, les séismes, l'interaction sols-structures et les développements innovants en géomatériaux.

Simulateur d'explosions à échelle réduite

Explorer la réponse des structures aux explosions présente des défis importants lorsqu'on se fie uniquement aux outils numériques et analytiques. Afin d'améliorer notre compréhension et de valider les modèles existants, il est essentiel de compléter ces outils par des essais expérimentaux. Cependant, la disponibilité d'expériences spécifiquement conçues pour des scénarios d'explosion reste limitée par rapport aux essais réalisés dans d'autres conditions dynamiques, comme les séismes. Cette rareté peut être attribuée aux nombreuses complexités liées à la réalisation d'expériences d'explosion à grande échelle, principalement en raison de la nature de l'action de chargement impliquée.

Néanmoins, les expériences à échelle réduite offrent une approche alternative offrant une plus grande flexibilité. Dans ce contexte, le dispositif en question ouvre de nouvelles opportunités en nous permettant de réaliser des expériences spécifiquement conçues pour étudier le comportement dynamique des structures soumises à des actions explosives. Pour la première fois, ce dispositif nous donne la possibilité d'explorer et de tirer des conclusions précieuses à partir d'expériences à échelle réduite qui simulent fidèlement des scénarios d'explosion.

Vidéo de présentation du projet Blast
Transcription de la vidéo
Présentation du projet par Ahmad Morsel

[Début de la présentation]

Bonjour, je m’appelle Ahmad Morsel, doctorant à l’École Centrale de Nantes, au laboratoire GeM.
Ma thèse porte sur les essais expérimentaux de structures soumises à une souffle d’explosion, sous la direction du Pr Ioannis Stefanou et du Pr Panagiotis Kotronis, et la supervision du Dr Filippo Masi, et en collaboration avec le Pr Guillaume Racineaux et l'ingénieur Emmanuel Marché.
Ma thèse est financée par le projet Connect Talent de la région Pays de la Loire et par Nantes Métropole.
Le 4 août 2020, une grande quantité de nitrate d'ammonium stockée dans le port de Beyrouth, au cœur de la capitale du Liban, a explosé.

L'explosion provoque des dégâts et des pertes économiques estimés à environ 15% du PIB du Liban.
C'est l’une des raisons qui m'ont poussé à réaliser cette thèse.
Mais les explosions ne datent pas d'hier.
Voici ce qui s'est passé au Parthénon d'Athènes en 1687.
Le Parthénon explose ; la majeure partie du Parthénon est détruite et on compte des centaines de morts.
Les explosions peuvent également être dues à des catastrophes naturelles. Le tremblement de terre de 1923 au Japon provoque un incendie dans un dépôt de l'armée.
Cet incendie déclenche une explosion qui va faire des milliers de morts.

Nous devons donc préserver nos structures contre les risques d'explosion. Comment y parvenir ?  
Pour commencer, on doit comprendre la réponse dynamique rapide et le mécanisme de défaillance des structures face aux souffles d’explosion.
Ensuite, on doit évaluer la résistance des structures réelles face aux souffles d’explosion.
Et enfin, on doit mettre en œuvre des actions pour protéger les bâtiments existants et en concevoir de nouveaux.
Nous cherchons donc à modéliser l'explosion du Parthénon en laboratoire, car les essais en conditions réelles sont coûteux et dangereux.

Voici le projet.

Voici la cabine que nous utilisons pour l'instant. Elle est faite d'acier galvanisé.
On y trouve le système de ventilation qui permet d’évacuer toute la poussière provenant de l'explosion.
A l'intérieur de la cabine, on a installé une mousse acoustique qui sert à isoler, à réduire le son provenant de l'explosion et à empêcher toute réflexion de l'onde de choc.
Il y a aussi une table optique non-magnétique avec des supports pneumatiques passifs pour isoler le bruit provenant du sol.
On installe notre explosion ici – avec un fil explosif installé entre deux électrodes - et, ici, on a notre structure.
 

[Fin de la présentation]
 

À l’image, Ahmad Morsel finalise l’installation de l’expérimentation en préparant la structure représentant une partie du Parthénon (3 piliers) et en installant le fil explosif. L’équipe de chercheurs s’installe devant un ordinateur. On voit ensuite à l’écran l’explosion de la structure, 2 des 3 piliers s’effondrent.
 

Texte à l’écran (en anglais) : Be safe and protect your structures.

Pour aller plus loin

Appareil à double cisaillement pour le contrôle des séismes

Découvrez l'innovation en matière de contrôle sismique : notre équipement révolutionnaire ouvre les portes à des expériences inédites visant à maîtriser le glissement instable des failles sismiques, le tout dans le cadre sécurisé de notre laboratoire de pointe.

Cet appareil d'avant-garde repose sur deux systèmes de chargement distincts, chacun dédié à une mission spécifique. Le premier système applique des contraintes de cisaillement sous la supervision du mécanisme de chargement vertical, tandis que le second système, contrôlé par le mécanisme de chargement horizontal, s'occupe des contraintes normales. Cette combinaison unique permet des essais approfondis des interfaces soumises à des contraintes de cisaillement.

Réunis, ces deux systèmes de chargement forment un outil puissant pour des expériences qui repoussent les frontières de notre compréhension en matière de contrôle du glissement instable au sein d'analogues de failles sismiques. Notre dispositif permet aux chercheurs de simuler des processus d'injection/extraction de fluides et de reproduire l'énergie emmagasinée dans la croûte terrestre, contribuant ainsi à une compréhension plus profonde des phénomènes sismiques. Il offre un soutien précieux à l'élaboration de stratégies efficaces pour minimiser l'impact des séismes, en s'appuyant sur les principes du contrôle avancé.
Pour aller plus loin

Appareil de cisaillement simple

L'appareil de cisaillement simple est une ressource essentielle pour explorer les propriétés mécaniques, le comportement, et la réaction des matériaux soumis à des contraintes de cisaillement. Il trouve une application courante dans le domaine du génie géotechnique et de la mécanique des sols, permettant d'étudier la résistance au cisaillement, les caractéristiques de déformation, et les mécanismes de rupture des sols, des roches, et d'autres matériaux granulaires.

En soumettant l'échantillon à une contrainte de cisaillement contrôlée, nos chercheurs peuvent mesurer des paramètres tels que la résistance au cisaillement, le module de cisaillement, et la déformation en cisaillement. Ils peuvent également observer le développement de bandes de cisaillement, la localisation de la déformation, et les modes de rupture. Ces informations sont cruciales pour comprendre la stabilité et les performances de divers matériaux, ainsi que pour élaborer des modèles et des critères de conception pour une variété d'applications en génie civil et en géomécanique, notamment les fondations, les pentes, les murs de soutènement et les tunnels.

L'appareil de cisaillement simple joue un rôle central dans l'avancement de notre compréhension du comportement des matériaux soumis à des contraintes de cisaillement, contribuant au développement de pratiques d'ingénierie plus sûres et efficaces.

Appareil triaxial pour sols partiellement saturés

Ce dispositif triaxial Bishop et Wesley est spécialement conçu pour les tests sur des sols partiellement saturés. Cet appareil à double paroi place l'échantillon à l'intérieur d'une cloche remplie d'eau, qui est ensuite placée dans une chambre pressurisée. Cette configuration unique permet de mesurer les changements de volume et le degré de saturation. Notre appareil applique des pressions d'air et d'eau pour accélérer les essais.

Ce système est équipé de membranes spéciales qui offrent deux options : surveiller l'évolution des propriétés élastiques, comme le module de cisaillement, avec des éléments de Bender, ou obtenir des mesures de la pression interstitielle le long de l'échantillon de sol.

L'une des premières applications de ce système concerne l'étalonnage de modèles pour les sols partiellement saturés. Nous menons aussi des recherches pour analyser les réponses hétérogènes d'échantillons soumis à des conditions de chargement triaxial, dans un état partiellement saturé. Nous étudions les dommages (mesurés par l'évolution du module de cisaillement) et la pression interstitielle.

Appareil biaxial pour sols partiellement saturés

Cet appareil biaxial est une création unique conçue à Centrale Nantes pour simuler à l'échelle du laboratoire la propagation des écoulements de fluides à travers un milieu partiellement saturé soumis à des charges hydromécaniques. Cette machine, dérivée du dispositif classique Bishop-Wesley, est exceptionnelle à plusieurs égards : non seulement elle est un équipement biaxial contrôlé par succion, mais elle se distingue par des caractéristiques particulières, comme la transparence des principaux côtés de l'échantillon en place, et par conséquent, la méthode personnalisée de chargement mécanique d'un échantillon non enroulé. Cette conception vise :
  • (i) à visualiser l'infiltration d'un fluide mouillant/non mouillant dans un géomatériau initialement saturé par un fluide non mouillant/mouillant, afin de caractériser les conditions d'imbibition/drainage
  • (ii) à identifier les régimes instables de cette percolation de fluide biphasique, le processus dit de "fingering"
  • (iii) puis à quantifier une déformation induite par le fluide sur tout le champ et à suivre l'interface en mouvement.

Cette recherche nécessite également un système optique fiable qui jouera un rôle clé dans l'extraction et l'exploitation des données.

Les principales applications envisagées pour les campagnes expérimentales à mener avec cet appareil concernent la caractérisation du comportement des sols en ce qui concerne l'infiltration de polluants, mais aussi le stockage souterrain d'énergie, en particulier l'analyse des conditions d'étanchéité de la couche de couverture des aquifères souterrains par rapport aux fuites d'hydrogène/hydrocarbures stockés, la réactivation de fractures existantes ou le déclenchement de nouvelles fractures.
Pour aller plus loin

Impression 3D pour l'exploration d'idées novatrices et l'impression d'échantillons

L'impression 3D a révolutionné l'exploration de nouvelles idées et la création d'échantillons. Sa capacité à produire rapidement des prototypes physiques permet une itération rapide et des expérimentations efficaces, nous permettant de visualiser et d'évaluer des concepts de manière plus efficiente. De plus, l'impression 3D offre une solution rentable et efficace pour la production d'échantillons destinés à des tests et des validations dans le laboratoire.

De plus, la capacité de l'impression 3D à créer des géométries complexes et des designs élaborés ouvre de nouvelles perspectives en géomécanique expérimentale. Son approche additive couche par couche permet la fabrication de structures avec des détails fins, des cavités internes, et des formes auparavant difficiles, voire impossibles à réaliser.

Appareil de cisaillement direct avec contrôle de la température et de la pression des fluides

L'appareil de cisaillement direct avec contrôle de la température et de la pression des fluides est un instrument de laboratoire spécialisé utilisé pour étudier le comportement des sols, des roches et d'autres matériaux granulaires soumis à des contraintes de cisaillement tout en contrôlant les conditions de température et de pression des fluides.

Cet appareil se compose de deux plaques parallèles, similaires à un appareil de cisaillement direct standard. Il comprend des fonctionnalités supplémentaires permettant de contrôler la température et la pression des fluides à l'intérieur de l'échantillon lors des essais. Ces fonctionnalités permettent aux chercheurs de simuler des conditions environnementales spécifiques ou d'étudier les effets de la température et de la pression des fluides sur le comportement du matériau.

En appliquant des conditions de température et de pression des fluides contrôlées lors des essais de cisaillement direct, les chercheurs peuvent obtenir des informations précieuses sur la réaction du matériau et mieux comprendre son comportement dans des scénarios du monde réel. Ces informations revêtent une grande importance pour la conception en ingénierie, l'évaluation des risques et le développement de mesures d'atténuation appropriées dans divers projets de géomécanique.
 
Pour aller plus loin
  • Vasilescu A-R, Design and execution of energy piles : Validation by in-situ and laboratory experiments, PhD EC Nantes, 2019  https://theses.hal.science/tel-02395284
  • Yin K., Vasilescu R., Fauchille A-L., Kotronis P. Thermal effects on the mechanical behaviour of Paris green clay – concrete interface. 2nd International Conference of Energy Geotechnics, ICEGT-2020, La Jolla, California, USA, April 10-13, 2022.
  • Yin K., Vasilescu A.R., Fauchille A-L., Kotronis P. 'Influence des cycles thermiques à l’interface argile verte/béton pour les pieux énergétiques'. 11èmes Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur, 28 - 30 Juin, Lyon, 2022.

Table sismique

La table sismique est un instrument de laboratoire utilisé pour simuler les mouvements sismiques et étudier le comportement des structures et des matériaux dans des conditions dynamiques dues aux séismes. Elle permet aux chercheurs de soumettre des modèles réduits et des spécimens à des vibrations contrôlées qui reproduisent les mouvements ressentis lors des séismes. La table est principalement utilisée dans la recherche en génie parasismique pour comprendre la dynamique des structures, évaluer les performances sismiques et étudier le comportement des matériaux. Elle aide les chercheurs à analyser les fréquences naturelles, les modes de vibration, les caractéristiques d'amortissement et d'autres propriétés dynamiques des structures et des sols. De plus, elle permet d'évaluer l'intégrité structurelle, les modes de rupture et l'efficacité des stratégies de conception sismique et de renforcement.

Notre table sismique est un outil précieux en génie sismique, nous permettant de mieux comprendre à l'échelle réduite comment les structures et les sols réagissent aux accélérations sismiques. En menant des expériences sur la table, nous pouvons améliorer les méthodologies de conception parasismique des structures, valider les modèles numériques et approfondir notre compréhension du comportement des structures lors des séismes.
Publié le 26 janvier 2023 Mis à jour le 13 juin 2024