Brevet FR2558879A1 — publié le 19850802

La présente invention concerne un dispositif de protection d'une colonne;d'un pylône contre les effets des sollicitations dynamiques dues à un séisme. L'élément isolateur de vibrations selon l'invention peut être utilisé dans un grand nombre d'applications où il s'agit de soustraire un matériel donné à des sollicitations. Il existe une grande variété d'isolateurs de vibrations Toutefois jusqu'à présent, ces isolateurs se caractérisent par des propriétés d'amortissement de vibrations extreement réduites. De plus dans les dispositifs existants, en particulier dans celui décrit dans le brevet 2.316.412 (brevet français),il n'est pas facile d'agir séparément sur le s caractéristiques d'amortissement et sur les caractéristiques d'isolation, ce qui représenteun inconvénient très sérieux lorqu'il s'agit, de réaliser un isolateur de vibrations répondant à un système d'excitation déterminé. La présente invention se propose de fournir un amortisseur de vibrations qui, tout en présentant un amortissement très élevé, permet de plus, par sa conception d'ajuster séparément les caractéristiques d'isolation en fonction des cas particuliers qui se rencontrent dans la pratique. Une autre particularité de cet isolateur de vibrations est d'être omnidirectionnel, c'est-à-dire qu'en cas de séisme, les déplacements verticaux et transversaux peuvent se faire simultanément, d'où l'intéret d'avoir la même fréquence propre dans toutes les directions.Rappelons que le maximum d'accélération dans un spectre de séisme, se situe entre 3 et 10Hz, d'où les amplitudes maximales dans cétte bande de fréquences.Or les fréquences propres des colonnes sont elles-memes généralement très basses ( de l'ordre de 3 à 5Hz ), si bien que dans le cas d'un matériel rigidement fixé au sol, les modes de flexion des colonnes sont excités en permanence, amenant ainsi des contraintes sévères de-flexion et des risques de rupture.Si nous examinons un spectre de séisme, comme celui d'EL CENTRO, par exemple, on se rend compte qu'il n'est pas possible d'isoler totalement le matériel des mouvements du sol, car on serait amené à adopter une fréquence propre de suspension si basse que la stabilité statique de l'ensemble ne serait plus assurée.En principe, on admet qu'on ne doit pas descendre au dessous de 1,2Hz, les amplitudes de déplacement en deçà de cette fréquence étant trop importantes. Le principe d'une suspension anti-sismique consiste donc à placer la fréquence de résonance entre la fréquence limite basse de 1,2Hz et une fréquence inférieure à la fréquence de flexion de la colonne à protéger. On substitue de cette façon la réponse de la colonne, diminuant ainsi les contraintes sur le matériel en cas de séisme ou d'explosion. La présente invention a pour but d'apporter une solution au problème de la tenue au séisme des colonnes, pylones, etc..Suivant cette invention, le dispositif de protection d'une colonne contre les effets des sollicitations dynamiques, notamment d'origine sismique, est constitué au moins d'un élément d'amortisseur anti-sismique, composé d'une plaque d'élastomère serrée entre une première et une deuxième plaque métallique, caractérisé en ce que la dite plaque d'élastomère présente des évidements sur au moins une de ses faces situées en regard d'une des dites plaques métalliques, de façon à n' entrer en contact avec la plaque voi sine que sur une surface réduite, la profondeur des évidements étant suffisante pour permettre aux parties restant en relief et au contact avec la plaque voisine de se déformer sous l'effet d'un effort tendant à déplacer l'une des plaques métalliques dans son plan par rapport à l'autre, et sous l'effet d'un effort tendant à rapprocher ou écarter l'une des plaques métalliques par rapport à l'autre, de façon à absorber au moins une partie de l'énergie mise en jeu par les dits efforts. L'invention sera mieux comprise à partir des figures l à 80 La figure 1 représente un amortisseur existant.Lafigure 2 représente un élément d'amortisseur anti-sismique selon l'invention. Les figures 3 et 4 représentent des variantes dans la forme de l'élastomère. La figure 1 représente un amortisseur connu composé de 6 éléments comportant chacun une plaque d'élastomère composé de néoprène, comprise entre deux plaques métalliques.Cette plaque d'élastomère lors d'une secousse sismique comportant à la fois un mouvement horizontal et vertical est soumise au cisaillement et à la compression, néanmoins ce genred'isolateur de vibrations nta été conçu que pour résister au cisaillement. La figure 2, 2a, 2b représènte un élément amortisseur de vibrations selon l'invention.Il comporte une plaque d'élastomère 13 comprise entre deux plaques métalliques 4 et 4'.Cette plaque d'élastomère comporte des rainurages assez profonds et de préférence disposés, d'une manière visible en coupe sur la figure 2a. Lors d'un mouvement horizontal dû à une vibration dans le sens de- la flèche (figure 2b ), les rainures de la plaque d'élastomère se déforment, de sorte qu'au simple cisaillement se superpose des effets de flexion. Si a priori on ne connait pas la direction de l'effort du à la vibration, il est avantageux de munir sur les deux faces de la plaque d'élastomère 13 de deux séries de rainures 131 et 132 dans deux directions différentes de préférence perpendiculaires sans pour que ceci soit obligatoire. comme représenté sur la figure 2a. Lors d'efforts verticaux, les éléments en saillie par rapport à la masse de l'élastomère, se déforment également par compression et par flexion. Pour que les plaques métalliques dont l'une est solidaire de la source d'excitation et l'aire du matériel à suspendre soient solidaires de l'élastomère, celui-ci est collé ou adhérisé ( adherence de l'elastomère sur le support métallique,par vulcanisation et sous pression) Un amortisseur complet pourra comporter une multitude d'éléments tels que ceux décrits.La plaque supérieure 4 d'un elérnent devr plaque inférieure 4' de l'élément placé au dessusOPar symétrie un élément complet pourra être de préférence de forme extérieure circulaire ou polygonal, cette dernière forme permettant de se fixer plus facilement sur une structure existante. Par commodité pour certains cas, l'élément pourra en son centre comporter une partie evidée.Une autre variante de réalisation est représentée sur la figure 3 dans laquelle, pour éviter d'effectuer un usinage sur les deux faces de ltélastomère, on crée deux séries de rainures perpendiculaires sur une seule face de sorte qu'il reste des éléments prismatiques, ici paralléllépipédiques au contact sur une de leurs faces avec l'une des plaques 4 ou 4'.Par extension les éléments paralléllépipédiques peuvent être simplement modifiéset devenir des éléments cylindriques (fig. 4), de façon à répondre identiquement pour n'importe quelle direction de sollicitation. L'invention comprend également un amortisseur complet utilisant au moins un élément d'amortisseur selon l'une des variantes décrites ci -dessus et représenté sur la figure 5 -5 a. Un élément central comportant les plaques métalliques ou en matériaux composites 4 et 4' ainsi que la ou les plaques d'élastomère 13, est muni d'une partie évidée de façon à permettre le passage et la fixation d'une colonne à protéger, par exemple la colonne 6 peut être rendue solidaire de la plaque 4 par l'intermédiaire d'une bride de fixation 7 et des boulons 8, ou par quelqu'autre procédé d'ancrage que ce soit. L'ensemble du sandwich composé des plaques 4,4' et de l'élastomère 13 est solidaire d'éléments antivibratoires de forme conique 15 et 15',en élastomère, destinés à permettre les déplacements verticaux et horizontaux de la colonne 6. Sous l'action combinée des forces verticales et horizontales en période de séisme, les plaques 4 et 41 se déforment légèrement en flexion, et glissent l'une par rapport à l'autre, le matériau viscoélastique 13 est alors soumis à une forte dégradation d'énergie et donne de bons résultats si le dimensionnement du sandwich est optimisé, il existe des méthodes de calculs-et le procédé n'est pas nouveau. L'innovation consiste entre autre à utiliser un élastomère à fort amortissement interne, à propriétés mécaniques médiocres et un élastomère à bonnes propriétés mécaniques pour reprendre les -efforts. L'élastomère à fort amortissement interne revêt diverses forme s géométriques doublement nervuré (nervures dans deux directions quelconques ou orthogonales ) - figure 2, des plots paralléllépipèdiques figure 3, des plots cylindriques, figure 4 L'invention ne sera pas modifiée si la couche d'élastomère 13 est pleine, simplement l'isolateur de vibrations est moins performant. L'invention va maintenant être décrite avec plus de détails, en se référant à un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple et réprésenté par les dessins annexés L'ensemble isolateur de vibrations repose sur une structure métallique 1, solidaire du sol Une plaque d'acier 2, de forte épaisseur, munie d'un trou central pour le passage de la colonne 6, est fixée rigidement à la structure 1 par des boulons ou par des points de soudure Une plaque d'acier 3, de forte épaisseur, assure à la fois le rôle de plaque de précornpressibn et de butée mécanique en cas de perte d'adhérisation de l'élastomère 5 ou défaut de collage de celui-ci La plaque 3 possède également en son centre, un évidement pour permettre le passage de la colonne 6.Les plaques 2 et 3 sont en acier, revêtues d'une protection contre les agressions extérieures (humidité, ozone, atmosphère saline, etc. . ). La plaque 4 est de forte épaisseur devant la plaque 4', car elle doit reprendre les efforts (poids,efforts dûs à la flexion );l'invention ne sera pas modifiée si la plaque de forte épaisseur est située en position inférieure, à la place de la plaque 4'. L'élastomère 5 devra avoir de bonnes propriétés mécaniques;les couronnes coniques 15 et 15' assurent la liaison entre la plaque inférieure 2, la plaque supérieure 3 et l'ensemble sandwich amortisseur 4-4'-13, leur conicité,très importante, détermine une fréquence propre unique dans toutes les directions horizontale et verticale.La liaison de l'élastomère Savec les plaques 2-3-4-4' se fait par adhérisation à chaud ou par collage. Des barres de précompression 10 figure 6 sont réparties uniformément à la périphérie des plaques 2 et 3, elles assurent d'une part une liaison rigide entre les plaques 2 et 3, d'autre part servent de butées mécaniques pour les déplacements horizontaux du sandwich 4-4'-13. Un empilement de rondelles Belleville 1 1 reposant sur un fourreau 9, permet de modifier l'écartement des plaques 2 et 3, en fonction du couple de serrage apporté à l'écrou 12.11 résulte, un effort de compression sur ltélastomère 5;ainsi on modifie le point de fonctionnement de l'isolateur de vibration sur la courbe effort-déformation. A un couple de serrage élevé, le point de fonctionnement se déplace vers le haut, à un couple de serrage faible, il se déplace ers le bas.Selon la rigidité demandée de l'isolateur de vibrations, on peut placer des plaques métalliques 14-14', en forme d'anneau pour augmenter la raideur de itensemble. Ce nombre d'anneaux est variable selon la raideur demandée. Sur la figure 8 nous avons représenté une variante de l'isolateur complet de vibrations tel qu'il apparait sur la figure 5. Bien entendii l'innovation n'est pas strictement limitée aux exemples qui ont éte donnés plus haut, c'est ainsi qu'on ne s'écartera pas de l'objet de l'invention par des réalisations qui n'en différeraient que par des détails, ou qui s'appliqueraient à des pieds de pylônes, des portions de construction, des supports de machines tournantes ou à mouvement alternatif. De même les positions relatives du sandwich 4-4'-13 ( partie mobile ) par rapport aux plaques 2-3 (partie fixe ), peuvent être inversées. Pour illustrer ce brevet, nous donnons un exemple de cas concret, à savoir isoler d'un séisme un isolateur en porcelaine de ligne haute tension. - hauteur de la colonne 7, su. -masse de la colonne 1500Kg. - effort vertical de 10. OOON, dû à une rupture brutale du courant. - moment de flexion appliqué au sandwich 46.300 N. m. - dimensions des plaques 2 et 3 610mm. x 610mm. - diamètre de la colonne 310mm. - épaisseur de la plaque supérieure 4 - 25mm. - épaisseur de la plaque inférieure 4' - 5mm. - épaisseur de la couche d'élastomère 6mm., angle de perte # = 50' ss=1,19 c'est le- rapport de la partie imaginaire du module de cisaillement - à la partie réelle. - amortissement structural 20% environ - rigidité verticale moyenne du sandwich4-4'-13 Kz=56,2x106 Nm-1. - rigidité transversalemoyennedu sandwich 4-4'-13 Kx=90, 5x108Nm? - rigidité en rotation K&alpha;= 4, 3x106Nm-1/rad. - angle de rotation REVENDICATIONS 1- Elément d'amortisseur anti-sismique, composé d'au moins une plaque d'élastomère serrée entre une premiere et une deuxième plaque métallique, caractérisé en ce que la dite plaque d'élastomère présente des évidements sur au moins une de ses faces situées en regard d'une des dites plaques métalliques, de façon à n'entrer en contact avec la plaque voisine que sur une surface réduite, la profondeur des évide ment s étant suffisante pour permettre aux parties restant en relief et au contact avec la plaque voisine de se déformer sous lteffet d'un effort tendant à déplacer l'une des plaques métalliques dans son plan par rapport à l'autre, et sous I1 effet d'un effort tendant à rapprocher ou écarter l'une des plaques métalliques par rapport à l'autre, de façon à absorber au moins une partie de l'énergie mise en jeu par les dits efforts. 2- Elément d'amortisseur anti-sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les évidements constituent des cannelures en regard d'au moins une des plaques InétalllquesO 3- Elément d'amortisseur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les dites cannelures en regard de la première plaque métallique ont une orientation différente de celles situées en regard de la seconde plaque métallique. 4-Elément d'amortisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les évidements laissent en relief des volumes prismatiques en regard par leur base avec la première et/ou a deuxième plaque métallique. 5-Elément d'amortisseur anti-sismique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les évidements laissent en relief des volumes cylindriques en regard par leur base avec la première et/ou la deuxième plaque métallique. 6-Elément d'amortisseur anti-sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les plaques d'élastomère sont collées sur les plaques voisines. 7-Elément d'amortisseur anti-sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les plaques d'élastomère sont adhérisées sur les plaques voisines. L'adhérisation consiste à vulcaniser à chaud et sous pression, l'élastomère sur le support, pendant la fabrication. 8-Elément d'amortisseur anti-sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la forme de l'élément est polygonale. 9- Elément d'amortisseur anti-sismique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la forme de l'élément est circulair 10-Elément d'amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'élément comporte en son centre une partie évite ll-Amortisseur anti-sismique caractérisé en ce qu'il comporte de préférence au moins un élément selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, et en ce que la première plaque métallique d'un élément constitue la deuxième plaque métallique de l'élément contigu. - 12-Amortisseur anti-sismique selon la revendication 11, caractérisé en ce que les différents éléments de l'amortisseur sont placés symétrique ment de part et d'autre d'un élément central. 13 - Amortisseur anti-sismique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les éléments placés de part et d'autre de l'élément central sont con stitués de façon à donner à l'amortisseur une forme générale biconique en deux troncs de cône superposés et symétriques, la plaque de bas e de chacun des deux troncs de cône constituant l'une des plaques métalliques de chacun des deux éléments d'amortisseur extremes, et débordant de ceux-ci de façon à permettre le passage des tiges de serrage destinées d'une part à exercer une précompression sur l'ensemble des éléments d'amortisseur, d'autre part à limiter le déplacement de l'élément central lors d'un séisme.