Brevet FR2524029A1 — publié le 19830930

La présente invention concerne un dispositif réduisant l'amplitude des fluctuations de pression rapides susceptibles d'être exercées par des masses liquides sur une paroi d'ouvrage, de structure ou d'appareil Elle s'appli- que à des parois de dimensions relativement grandes et à des fluctuations de fréquences relativement courtes D'une façon plus précise, les dimensions des parois intéressées ne doivent pas être très inférieures aux longueurs des ondes de compression dans le liquide correspondant aux fréquences que l'on veut réduire'. Une des caractéristiques de l'invention est que sa mise en oeuvre,au voi- sinage immédiat de la paroi intéressée, ne nécessite pas l'identification et la localisation de l'origine de la fluctuation de pression Ceci est parti- culièrement intéressant lorsqu'il s'agit d'une origine accidentelle, aléatoire ou exceptionnelle Dans l'état actuel de la technique, il n'existe pas de procédé qui per- mette de réduire les fluctuations de pression transmises par un liquide à une paroi et qui présente cette caractéristique Une fois épuisées, lors- qu'elles existent, les possibilités de réduction de ces fluctuations à la source, il ne reste plus qu'à renforcer les ouvrages ou les structures en jeu pour leur permettre de résister aux fluctuations de pression résiduelles prévisibles, ce qui est parfois fort coûteux Dans ce qui suit, nous désignerons la paroi à protéger par "la paroi", étant bien entendu que l'invention peut s'appliquer simultanément à diffé- rentes parois ou fractions de parois dans chaque cas particulier Nous désignerons le liquide en contact avec la paroi et susceptible d'y exercer des fluctuations de pression par "le liquide" L'invention consiste à créer dans la paroi, sur la paroi ou près de la paroi, un certain nombre de poches de gaz qui communiquent largement avec le liquide de façon à ce que ce dernier puisse comprimer le gaz, ou le laisser se dilater, sang avoir à circuler dans des conduits étroits et longs pour effectuer les déplacements nécessaires Suivant une disposition optionnelle de l'invention, des absorbeurs d'é- nergie sont disposés pour amortir les oscillations de volume des poches de gaz Ce peut être, par exemple, des obstacles tels que des parois perfo- rées ou poreuses disposées de façon à freiner, dans le liquide, dans le gaz ou dans les deux, les mouvements de fluide qui accompagnent ces oscilla- tions de volume Ces absorbeurs peuvent être inutiles si l'on ne veut se prémunir que contre des fluctuations de pression très rapides, telles que des ondes de choc dues à une explosion, par exemple On peut facilement comprendre le mode de fonctionnement du dispositif suivant l'invention, du fait de son analogie mécanique avec les systèmes classiques de suspension des véhicules Le liquide, peu compressible et re- lativement dense, peut transmettre des "chocs" très durs à la paroi tout com- me le sol peut transmettre des chocs à un véhicule par l'intermédiaire de roues à bandages pleins par exemple Les poches de gaz, distribuées sur l'é- tendue de la paroi, jouent un rôle analogue à celui des ressorts des suspen- sions mécaniques, ou mieux encore des poches de gaz des suspensions hydro- pneumatiques Les absorbeurs d'énergie jouent un rôle analogue aux amortis- seurs incorporés aux suspensions La comparaison serait encore plus claire si l'on pouvait réaliser l'in- vention en maintenant sur la paroi une couche de gaz continue qui la sépare- rait complètement du liquide Quoique des réalisations très voisines de cette disposition soient possibles, il sera en général plus commode de con- centrer le gaz en un certain nombre de poches L'effet obtenu sera sensi- blement le même si les distances entre les poches restent très inférieures aux longueurs d'onde qui correspondent, dans le liquide, aux fréquences que l'on veut atténuer Pour chaque application, il faut déterminer un certain nombre de paramè- tres spécifiques de l'invention, à savoir La distribution générale des volumes de gaz, que l'on peut assimiler à une distribution d'épaisseur équivalente sur toute l'étendue de la paroi Les emplacements effectifs des poches de gaz ainsi que leurs formes et les façons dont elles communiquent avec le liquide Le choix des dispositifs absorbeurs d'énergie éventuellement mis en oeuvre Il en existe de nombreux types connus qui présentent des lois de freinage ou de frottement diverses (variant linéairement ou non avec les vi- tesses, systèmes à soupapes, à clapets etc) Le choix portera donc à la fois sur un type de loi et sur la valeur des paramètres qui la caractérisent. Des méthodes mathématiques connues permettent de calculer la réduction de fluctuations de pression obtenue aux différents points de la paroi par la mise en oeuvre de la plupart des formes de réalisation de la présente inven- tion L'homme de l'art peut donc évaluer l'efficacité des formes de réali- sation de son choix et ainsi déterminer celles qui conviennent le mieux à l'ensemble des données techniques et économiques du problème à résoudre De plus, l'analogie avec les systèmes de suspension de véhicules offre un guide précieux, non seulement pour le choix de certaines modalités tech- niques,telles que celles concernant le choix des absorbeurs d'énergie, mais aussi pour l'exécution des calculs nécessaires Il s'agit en effet, dans les deux cas, de la mise en oeuvre de "filtres" mécaniques "passebas" et la théorie générale de ces filtres est très développée dans la littérature La figure 1 représente une vue en coupe verticale d'une partie de la pa- roi amont d'un barrage conçu pour incorporer un dispositif suivant l'inven- tion La figure 2 représente un mode de réalisation qui permet d'assurer la protection suivant l'invention à un barrage préexistant en utilisant des po- ches de gaz retenues dans des cloches immergées La figure 3 représente un des modes de réalisation possibles d'une de ces cloches immergées Les figures 4 et 5 représentent des modes de réalisation de l'invention applicables aux parois métalliques d'une cuve contenant un liquide Il n'est pas possible de définir un mode préféré de réalisation de l'in- vention étant donné la très grande variété des circonstances dans lesquelles celle-ci peut être appliquée En tant que de besoin, les exemples donnés ci-après peuvent être considérés comme des modes de réalisation préférés pour chacun des cas auxquels ils se réfèrent: barrage neuf, barrage ancien, cuve métallique Sur la figure 1, le corps du barrage ( 1) est à gauche et le réservoir ( 2) est à droite Des dalles inclinées ( 3) retiennent des poches d'air ( 4) qui constituent les poches de gaz suivant l'invention Au cours des oscillations dé volume de ces poches d'air, l'eau doit traverser une plaque perforée ( 5) qui constitue un dispositif d'absorption de l'énergie suivant l'invention On remarquera les très larges passages ménagés pour l'eau dans ses mou- vements en direction des poches d'air Des passages plus longs et plus étroits réduiraient l'efficacité du dispositif pour les fréquences les plus élevées mais pourraient l'améliorer pour des fréquencs plus basses Des petits orifices ( 6) et ( 7), pratiqués dans les dalles inclinées sta- bilisent les niveaux au repos sous les poches d'air Ils ne sont pas placés exactement les uns au dessus des autres de façon à ce que l'air qui s'échappe d'une poche trop "pleine" (d'air) alimente la poche immédiatement supérieure. On peut ainsi maintenir ou rétablir les niveaux au repos en alimentant unique- ment la plus profonde d'une série de poches disposées les unes au dessus des autres Les dispositifs suivant l'invention représentés sur cette figure peuvent s'étendre horizontalement, avec ou sans variations de section, sur tout ou partie de la largeur du barrage, ou cette largeur peut être occupée par plu- sieurs dispositifs indépendants au même niveau Les dispositifs ayant une grande longueur horizontale peuvent être subdivisés par des parois transver- sales pleines, perforées ou poreuses, occupant ou non toute la section entre les dalles inférieures et supérieures Pour atténuer des fluctuations de pression dont la période va jusqu'à 1 seconde, les épaisseurs équivalentes "réparties" des poches d'air doivent être de l'ordre de quelques décimètres pour un barrage d'une centaine de mè- tres de hauteur par exemple Dans un tel cas, les dalles inclinées ( 3) auraient un porte à faux de l'ordre de 2 mètres Par ailleurs, le rapport surface totale/surface perforée des plaques pourrait être de l'ordre de 10 Ces ordres de grandeur ne sont donnés qu'à titre indicatif, ils doivent être optimisés dans chaque cas par des calculs techniques La figure 2 montre un mode de réalisation particulièrement bien adapté à la protection d'un ouvrage déjà construit Elle représente un barrage ( 10), en coupe verticale, à l'amont immédiat duquel sont disposées des clo- ches immergées ( 11) et ( 12) contenant les poches de gaz suivant l'invention Seules deux de ces cloches sont représentées pour simplifier le dessin mais, en réalité, plusieurs dizaines seront nécessaires pour assurer une bon- ne répartition de la protection sur un barrage de quelqu'importance La figure 3 représente un des modes de réalisation possibles d'une de ces cloches Elle montre la cloche proprement dite ( 21), de forme cylindroconi- que assez aplatie pour que sa face inférieure perforée ( 22) offre une grande section de passage à l'eau La poche de gaz, disons ici de l'air, est retenue dans la partie supé- rieure ( 23) de la cloche et, comme précédemment, un trou de trop plein d'air ( 24) y stabilise le niveau au repos Lorsque le niveau dans la cloche af- fleure à ce trou, celle-ci est dite "à l'équilibre" La cloche est lestée par une masse ( 25) L'ensemble de la cloche à l'é- quilibre et de ce lest doit conserver une flottabilité légèrement positive Un câble ( 27) relie le lest ( 25) à un deuxième lest ( 28) reposant sur le fond à l'équilibre Le poids de ce dernier lest est tel que l'ensemble de la cloche et des deux lests ne reprend une flottabilité positive que si la clo- che est presque entièrement pleine d'air Un tuyau souple ou articulé ( 29) permet d'insuffler de l'air comprimé dans la cloche pour "refaire" le niveau, il aboutit à un flotteur ( 30) lui- même relié par un câble ( 31) à la cloche Lorsque, pour une raison quelconque, le volume d'air dans la cloche a diminué de plus d'un certain pourcentage ( 30 % par exemple), le lest ( 25) en- traîne la cloche vers le bas jusqu'à ce que le fond soit atteint ou jusqu'à ce que le câble ( 31) se tende et enfonce le flotteur ( 30) ce qui donne l'a- lerte Ce flotteur est calculé pour ne pas s'enfoncer entièrement même si la cloche a perdu tout son gaz L'extrémité supérieure du tuyau ( 29) reste ainsi toujours accessible et permet le regonflement de la poche d'air avec un compresseur mobile par exemple Pour remonter la cloche et ses deux lests, il suffit d'insuffler de l'air comprimé plus vite qu'il ne peut s'échapper par l'orifice ( 24) Il existe d'autres moyens de réaliser ces cloches Elles peuvent, par exemple, consister en des enceintes faites d'un matériau souple, comme le ca- outchouc, et être ancrées par un câble sur un lest suffisant ou sur tout au- tre point d'attache adéquat L'avantage de cette forme de réalisation est que la surface d'interaction de l'eau et du gaz est la plus grande possible -10 L'inconvénient, pour certaines applications, est -qu'il est difficile d'intro- duire une forte absorption d'énergie Une certaine absorption peut résulter du choix du matériau de l'enceinte, qui peut avoir un fort coefficient de frottement interne, on peut aussi l'obtenir en plaçant des matériaux finement divisés, des fibres de verre par exemple, dans la poche de gaz, enfin, on peut aussi placer ces cloches souples à l'intérieur de cages rigides à parois perforées La figure 4 montre un mode de réalisation très simple qui peut s'appli- quer, par exemple, à la protection des parois verticales d'une cuve métallique contenant un liquide, On soude de place en place sur la paroi ( 40) des tôles triangulaires ( 41) et ( 42), soudées entre elles sur leur arête commune ( 43) On forme ainsi une sorte de hotte de forme pyramidale que la figure 4 a montre en cou- pe verticale perpendiculaire à la paroi et que la figure 4 b montre en éléva- tion vue de l'intérieur de la cuve La poche de gaz est formée sous cette hotte au cours du remplissage La figure 5 montre une réalisation adaptée à la protection d'un fond de cuve Parmi les applications possibles de l'invention, on peut citer Protection des barrages contre l'effet des seismes ou des explosions dans le réservoir Protection des parois de toute enceinte contenant un liquide contre toute fluctuation brutale de pression, due, par exemple, à une explosion,à un coup de bélier, à une instabilité thermique (caléfaction) etc Protection de structures maritimes contre l'effet de seismes, d'ex- plosions et de chocs dus aux vagues REVENDICATIONS 1) Dispositif de protection d'une paroi, en contact avec un liquide, contre des fluctuations de pression rapides transmises par ce liquide caractérisé en ce que des poches de gaz, réparties sur toute la surface de la paroi à protéger, sont créées dans cette paroi, sur cette paroi ou au voisinage de celle-ci, les dites poches de gaz étant en contact direct ou par l'intermé- diaire d'une paroi souple avec le liquide 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que des moyens d'absorption de l'énergie mécanique des mouvements d'oscillation des poches de gaz sont mis en oeuvre 3) Dispositif selon la revendication 2 o les moyens d'absorption de l'énergie sont constitués par des plaques perforées ou poreuses que le gaz ou le liqui- de doit traverser au cours des mouvements de va et-vient dus aux oscillations des poches de gaz 4) Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que des moyens sont installés pour injecter du gaz dans les poches suivant l'invention ) Dispositif suivant la revendication 4 o les moyens d'injection de gaz sont constitués par des tuyaux dont une extrémité débouche dans les poches de gaz suivant l'invention ou sous ces poches de gaz et dont l'autre ex- trémité aboutit à une station o se trouvent des sources de gaz comprimé fixes ou amovibles