Les câbles utilisés dans les ouvrages d’art

 Les câbles utilisés dans les ouvrages d’art

Généralités sur les câbles utilisés dans les ouvrages d’art

Les câbles métalliques sont utilisés depuis plus de 150 ans pour des applications industrielles, ainsi qu’en génie civil. Ils ont la particularité de présenter une grande résistance à la traction tout en restant suffisamment souples pour être enroulés avant et après leur utilisation. De plus, comme ils sont constitués de plusieurs fils, ils offrent l’avantage de ne pas rompre brutalement.

Dans le génie civil, il existe principalement trois types d’ouvrages d’art constitués de câbles : les ponts à haubans, les ponts suspendus et les ponts en béton précontraint. La fonction principale des câbles dans un ouvrage d’art est de transmettre les charges du tablier vers les piles d’appuis (ponts suspendus et ponts à haubans) ou de mettre en compression le béton (précontrainte) . Pour les ponts suspendus, les charges du pont sont transmises du tablier aux appuis par l’intermédiaire de suspentes ancrées par des colliers à un câble porteur d’allure parabolique. Les câbles porteurs sont ancrés dans des massifs à poids auto stables ou bien aux extrémités du tablier. Dans les ponts à haubans, le tablier est supporté par des câbles inclinés ou haubans reliant directement le tablier aux pylônes. Transversalement, les haubans sont disposés soit suivant une nappe unique située dans l’axe du tablier, soit suivant deux nappes, parallèles ou convergentes .

Dans les ponts précontraints, les câbles induisent des efforts initiaux (compression) dans le béton. Ils peuvent présenter une contrainte intérieure où les câbles sont entièrement noyés dans le béton mais également une précontrainte extérieure où les câbles cheminent le long de la structure avec des points de fixation locaux .

Les câbles métalliques utilisés dans les ouvrages d’art peuvent se présenter sous diverses formes mais ont tous pour élément de base des fils cylindriques ou des fils de forme (Z, I) en aciers non alliés tréfilés ou en aciers laminés à chaud puis traités thermiquement. Une partie des fils a été mise en oeuvre après avoir été revêtue de zinc ou d’alliage zinc / aluminium par immersion dans un bain de métal fondu. Au câblage (fabrication des torons sept fils ou multicouches), un produit de remplissage lubrifiant ou non lubrifiant peut avoir été introduit entre les fils (ce produit étant défini essentiellement pour éviter la pénétration d’eau et la dissolution des aciers).

Géométriquement, un câble est construit par un ou plusieurs torons qui ont des fils enroulés les uns sur les autres. On distingue deux types de torons :
– Les torons “ordinaires” qui sont formés de couches successives comportant des fils de même diamètre mais en nombres différents . Chacune des couches est enroulées avec un pas d’hélice différent. Lorsque l’on passe d’une couche à la couche extérieure, on augmente le nombre de fils de 6. Lorsqu’il n’y a qu’une seul couche de fils enroulés autour de l’âme, le toron est appelé toron monocouche, sinon, on parle de toron multicouche.
– Les torons à “fils parallèles” qui comportent des fils de diamètres différents soit d’une couche à l’autre (toronnage Seale), soit au sein d’une même couche (toronnage Warrington) . Ainsi, il est possible d’avoir le même pas d’hélice pour tous les fils. De plus, ce toronnage permet d’avoir des contacts linéiques entre les fils, ce qui favorise le glissement relatif et diminue la pression interfilaire.

Concernant la construction du câble à partir des torons, différentes catégories de câbles sont distinguées :
– Le câble monotoron-monocouche est formé d’un toron monocouche ce qui constitue la géométrie la plus simple. Il est composé d’un fil central (l’âme du toron) autour duquel six autres fils viennent s’enrouler en forme d’hélice. Le toron T15.7 (un toron comportant 7 fils de section 150 mm²) est couramment utilisé aujourd’hui en précontrainte ou pour les haubans.
– Le câble monotoron-multicouches est formé d’un toron multicouche. Il est utilisé pour les câbles porteurs des ponts suspendus et pour certains ponts à haubans. Il est constitué de fils de 4 à 5 mm de diamètre, on a donc un diamètre total qui varie entre 40 et 100 mm. Le module d’élasticité de ce type de câble est inférieur de 15 à 25 % à celui du fil constitutif, on obtient donc une gamme de 150 à 180 GPa suivant le pas de toronnage choisi. De plus, certains d’entre eux sont clos, c’est-à-dire que les couches externes sont constituées de fils en forme de Z ce qui avait pour but de protéger le câble contre les entrées d’eau .
– Le câble à torons parallèles qui est constitué d’un ensemble de de 7 à 57 torons à 3 ou 5 fils tendus en parallèle . Chaque toron est ancré dans une plaque par coincement de clavettes dans un trou tronconique. Il est souvent utilisé pour la précontrainte ainsi que pour les ponts à haubans plus récents. Le module d’élasticité de ces câbles est de l’ordre de 200 GPa.
– Le câble à torons torsadés ou multitorons qui est constitué de torons disposés en hélice en une ou plusieurs couches sur une âme centrale dont la composition peut varier. Ce type de câble est plutôt rencontré dans les câbles synthétiques.

Endommagements des câbles

Les câbles peuvent au cours du temps subir des dégradations liées à leurs conditions de service, à leur environnement, etc. Selon [12, 25, 71], les deux principales causes d’endommagement de ces câbles sont la corrosion et le fretting-fatigue.

Corrosion
La corrosion est un phénomène d’oxydation d’un métal sous l’action d’un environnement agressif. Les ouvrages d’art comportant des câbles sont soumis aux conditions climatiques (pluie, neige), à l’environnement dans lequel ils se trouvent qui peut être un environnement marin, industriel, etc. ainsi qu’aux éventuels sels de déverglaçage répandus lors des périodes hivernales. Toutes ces conditions créent un environnement corrosif pour l’ouvrage et plus particulièrement pour les câbles. La corrosion externe et interne est provoquée par l’infiltration d’eau et le manque de lubrification. Quand l’eau pénètre dans les couches internes des câbles elle produit une oxydation de l’acier. La corrosion dépend de la présence des agents agressif tels que des chlorures, des sulfates, des acide, etc. Les ruptures de fils élémentaires se produisent de plusieurs façons en fonction du mécanisme générateur. Le premier mode de dégradation est la corrosion uniforme ou par dissolution . Ceci peut entraîner une perte de section plus ou moins homogène sur les fils et une réduction de la force à la rupture du câble. Cette dissolution peut être également plus localisée et prendre la forme de caractères qui ont le même effet que la forme de corrosion précédente mais en plus diminuent la déformation à la rupture des fils et favorisent la fissuration par fatigue . Ces deux modes de corrosion peuvent engendrer des ruptures de torons par dépassement de la contrainte admissible. Ces ruptures sont de type ductile. Ces aciers sont également sensibles à la corrosion sous contrainte, sensibilité d’autant plus importante que la contrainte de service est élevée. La charge de rupture est réduite de même que l’allongement à la rupture. Cette dernière peut se produire sans aucune déformation plastique (aspect semi-fragile des ruptures). Les câbles de précontrainte, en particulier, sont utilisés au-dessus du seuil de contrainte d’apparition des phénomènes de fissuration, alors que la contrainte moyenne appliquée aux haubans, suspentes et paraboles est inférieure à ce seuil .

Fretting-fatigue
La principale cause de rupture des fils en fatigue des câbles est associée au frottement interfilaire entre couches au voisinage des extrémités non libres. Quand ces déplacements sont provoqués par des sollicitations de fatigue, on parle de “fretting-fatigue” ou de fatigue induite en petits débattements. Dans les câbles, sous une sollicitation externe (trafic, vent, etc.), il peut se produire des petits déplacements entre les fils en contact, et donc des phénomènes de frottement entre les fils constitutifs du câbles. Ces endommagements par fretting-fatigue peuvent également observés au niveau des contacts entre les fils du câble et les pièces fixes de l’ouvrage (ancrage, collier, selle de déviation).

Le rapport de stage ou le pfe est un document d’analyse, de synthèse et d’évaluation de votre apprentissage, c’est pour cela rapport-gratuit.com propose le téléchargement des modèles complet de projet de fin d’étude, rapport de stage, mémoire, pfe, thèse, pour connaître la méthodologie à avoir et savoir comment construire les parties d’un projet de fin d’étude.

Table des matières

Introduction
1 État de l’art
1.1 Les câbles utilisés dans les ouvrages d’art
1.1.1 Généralités sur les câbles utilisés dans les ouvrages d’art
1.1.2 Endommagements des câbles
1.1.3 Modèle vibratoire du câble
1.1.4 Synthèse
1.2 Bibliographie des méthodes de détection et de localisation de l’endommagement
1.2.1 Méthodes basées sur les fréquences
1.2.2 Méthodes basées sur des déformées modales
1.2.2.1 Méthodes basées directement sur des déformées modales
1.2.2.2 Méthodes basées sur la courbure modale
1.2.2.3 Méthodes basées sur la flexibilité
1.2.2.4 Méthodes basées sur la rigidité modale
1.2.3 Méthodes dans le domaine des fréquences
1.2.4 Méthodes dans le domaine temps-fréquence
1.2.5 Synthèse
1.3 Bibliographie des méthodes d’identification modale
1.3.1 Classification des méthodes d’identification modale
1.3.2 Identification modale des systèmes mécaniques linéaires
1.3.2.1 Méthodes dans le domaine temporel
1.3.2.2 Méthodes dans le domaine fréquentiel
1.3.2.3 Méthodes dans le domaine temps-fréquence
1.3.3 Synthèse
2 Modèle du comportement du câble sain
2.1 Poutre d’Euler Bernoulli avec tension
2.1.1 Problème aux valeurs propres
2.1.2 Cas particulier : EI, μ sont constants
2.1.2.1 Cas bi-appuyées
2.1.2.2 Cas bi-encastrées
2.1.3 Distinction des domaines de comportement : corde, poutre avec ou sans tension
2.1.3.1 Critère1 : comparaison des fréquences
2.1.3.2 Critère2 : Utilisation du coefficient γn
2.1.4 Distinction des paramètres modaux selon deux conditions aux bords
2.1.4.1 Valeurs propres
2.1.4.2 Modes propres
2.1.4.3 Courbures modales
2.1.4.4 Synthèse
2.1.5 Aspects énergétiques
2.1.5.1 Energie mécanique et bilan énergétique
2.1.5.2 Energie modale et énergie globale
2.2 Discrétisation par éléments finis
2.2.1 Méthode des éléments finis
2.2.1.1 Discrétisation en espace
2.2.1.2 Equation vibratoire du système discret
2.2.2 Problème aux valeurs propres
2.2.2.1 Equation du problème aux valeurs propres
2.2.2.2 Orthogonalité des modes
2.2.3 Réponse modale qn(t)
2.2.4 Energie modal et énergie global
2.3 Conclusion
3 Essais expérimentaux et les endommagements étudiés
3.1 Présentation des essais expérimentaux réalisés
3.1.1 Câble monotoron du laboratoire Ifsttar à Nantes
3.1.2 Poutre tendue (ENPC)
3.2 Simulations numériques à l’état sain du câble de Nantes
3.2.1 Paramètres modaux avec différentes conditions aux bords
3.2.2 Distribution de l’énergie modale
3.2.3 Comparaisons de la réponse simulée avec celle mesurée expérimentalement
3.3 Introduction de l’endommagement dans le modèle vibratoire
3.3.1 Présentation de certains modèles existants pour la fissure de la poutre
3.3.2 Propositions des modèles d’endommagements dans le câble
3.4 Conclusion
4 Identification modale fondée sur la POD ou la SOD à partir de la réponse libre
4.1 POD, SOD, rappels et conditions d’utilisation
4.1.1 Autocorrélation
4.1.1.1 Définitions générales
4.1.1.2 Autocorrélation d’une matrice de mesures
4.1.2 Rappels des méthodes POD et SOD
4.1.2.1 POD (Proper orthogonal decomposition)
4.1.2.2 SOD (Smooth orthogonal decomposition)
4.1.2.3 Comparaison des deux méthodes précédentes
4.1.3 Proposition de conditions d’application
4.1.3.1 Choix du pas de temps
4.1.3.2 Choix du temps d’observation
4.2 Sensibilité de la méthode SOD aux conditions de mesure
4.2.1 Sensibilité par rapport au nombre des points de mesure
4.2.2 Sensibilité par rapport aux positions des points de mesure
4.3 Identification modale sur des données expérimentales
4.3.1 Le câble de Nantes
4.3.1.1 SOD
4.3.1.2 Méthode de “peak-picking”
4.3.1.3 Transformation en ondelettes (TO)
4.3.1.4 Comparaison et synthèse
4.3.2 Application à la poutre bi-encastrée sans tension
4.3.2.1 SOD
4.3.2.2 Transformation en ondelettes
4.3.2.3 Comparaison et synthèse
Conclusion

Rapport PFE, mémoire et thèse PDFTélécharger le rapport complet

Télécharger aussi :

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée.