Published May 2, 2017 | Version v1
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Numerical response of bridge cranes subjected to repeated shocks during an earthquake: Implicit / explicit multi-time scale co-simulation for contact dynamics

Description

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 equipment 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. (author)

Abstract (French)

Les ponts roulants sont des engins de levage situes en haut des batiments qu'ils equipent. Ils servent a manutentionner des charges tres lourdes et parfois critiques. Pendant un seisme, un pont roulant est expose a des chocs multiples. Ces impacts peuvent causer des dommages importants dans la structure pouvant conduire a une chute de la charge manutentionnee ou du pont roulant lui-meme. Donc, la verification de la tenue des ponts roulants au seisme est une question primordiale. Actuellement, cette verification est basee sur des methodes de calcul statiques. Ces methodes font l'hypothese d'un comportement purement lineaire des ponts roulants ce qui les rend tres conservatives. Depuis quelques annees les niveaux sismiques imposes par les autorites nationales augmentent chaque annee, et les constructeurs de ponts roulants se trouvent dans l'incapacite de construire a partir des efforts surestimes fournis par les methodes statiques. L'objectif de la these est l'etude de la reponse dynamique d'un pont roulant pendant un seisme en prenant en compte les non-linearites geometriques et materiau. Afin de modeliser ces phenomenes, une analyse dynamique temporelle avec une approche multi-echelle en temps est adoptee. Pour prendre en compte l'aspect haute frequence des chocs, un integrateur temporel variationnel explicite, base sur la methode des multiplicateurs de Lagrange et dedie au contact/impact, est developpe. Ensuite, un integrateur heterogene (differents schemas d'integration) asynchrone (differents pas de temps), base sur la methode de couplage GC, est applique au probleme du pont roulant. Cette strategie multi-echelle en temps permet d'adapter le schema d'integration et le pas de temps au sous domaine considere. Par consequent, l'integrateur explicite est adopte dans les zones de contact et un schema implicite de type acceleration moyenne, est adopte dans le reste de la structure. Finalement, un demonstrateur de co-simulation entre les logiciels Cast3M et Europlexus est mis en place pour montrer le gain tres significatif en temps de calcul dans le cas d'un modele element finis tridimensionnel d'un pont roulant industriel. (auteur)

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Original title (French)
Etude de la reponse dynamique des ponts roulants soumis a des chocs multiples pendant un seisme: Co-simulation implicite / explicite multi-echelle en temps pour la dynamique du contact

Publishing Information

Imprint Pagination
169 p.
Report number
FRNC-TH--12455

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Notes
[160 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses