Brevet FR2623225A1 — publié le 19890519

DISPOSITIF DESTINE A SUPPRIMER LES VIBRATIONS DES STRUCTURES DE BATIMENTS La présente invention concerne un perfectionne- ment à un dispositif destiné à supprimer les vibrations de la structure d'un bâtiment, pont ou ouvrage similai- re, ces vibrations étant provoquées par une source telle que le vent, les tremblements de terre, le trafic et au- tres. Dans les récents développements dans le domaine des matériaux à résistance élevée et avec les progrès rapides réalisés à la fois dans les techniques de cons- truction et d'analyse informatisée des structures, les bâtiments modernes et ouvrages de génie civil ont vu leurs dimensions augmenter, leurs types varier et sont devenus relativement légers et'déformables. Etant donné que les bâtiments et les structures deviennent plus lé- gers et plus déformables, leur fréquence naturelle et les facteurs d'amortissement vibratoire tendent à dimi- nuer. Par conséquent, l'éventualité existe que diffé- rents types de vibrations puissent se produire de façon inopinée dans les structures, étant engendrées par une source vibratoire telle qu'une secousse sismique, le vent, le trafic et similaires. En particulier, les structures des bâtiments étant plus grandes, l'amplitude de leurs vibrations est augmentée. Une amplitude vibra- toire aussi importante des structures est susceptible de mettre mal à l'aise les occupants des bâtiments et éga- lement de provoquer des contraintes excessives dans les structures. Pour supprimer ces inconvénients, l'inventeur avait proposé dans la demande de brevet japohais n' 60- 241045 un dispositif comportant un réservoir disposé dans un endroit précis tel que le toit ou emplacement semblable de la structure. Le réservoir contient une quantité de liquide telle que sa période naturelle soit égale & celle de la structure. Lorsque la structure entre en vibration sous l'effet d'une cause extérieure, le liquide du réservoir entre également en vibration avec la même période que la structure, mais avec un quart de période de décalage par rapport & celle de la structure, supprimant ainsi les vibrations de cette dernière. Toutefois, étant donné que ce dispositif suppri- me les vibrations de la structure par mise en vibration du liquide conjointement avec elle, l'éventualité existe que le dispositif agisse au contraire comme un vibrateur pour la structure après que l'amplitude vibratoire de la structure est devenue inférieure à celle du liquide du réservoir. Par conséquent, il est nécessaire que le dis- positif de suppression des vibrations comporte des mo- yens appropriés pour amortir positivement les vibrations du liquide en fonction de l'agencement de la structure et des dimensions du dispositif. Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un dispositif amélioré de suppression des vibrations d'une structure, grâce auquel les vibrations du liquide dans le réservoir soient amorties de façon efficace. Pour atteindre ce but, la présente invention prévoit un dispositif de suppression des vibrations qui comprend un réservoir disposé sur la structure et conte- nant un liquide, et des moyens destinés à amortir les vibrations du liquide. La quantité de liquide dans le réservoir est telle que sa période naturelle soit égale à celle de la structure. Un moyen d'amortissement réti- culaire conçu sous forme de grille ou de filet est dis- posé à l'intérieur du réservoir. Lorsque la structure entre en vibration sous l'effet d'une cause extérieure, le liquide du réservoir se met à vibrer avec un quart de période de décalage par rapport à celle de la structure, éliminant ainsi les vibrations de cette dernière. Apres avoir supprimé les vibrations de la structure, les vi- brations du liquide sont amorties de façon efficace, du fait qu'il traverse la grille, filet ou analogue. Il est préférable que le moyen d'amortissement comprenne un ou plusieurs éléments de grille tubulaires et coaxiaux, montés soit sur le réservoir, soit sur la structure; de telle manière que les axes de ces éléments soient pratiquement verticaux. Chacun des éléments peut avoir une section transversale pratiquement circulaire ou polygonale. Les éléments de grille peuvent être mon- tés sur le fond du réservoir ou sur la face interne d'un couvercle fermant le réservoir. En variante, le moyen d'amortissement peut com- prendre plusieurs éléments de grille en forme de plaques montées sur le réservoir. Dans ce cas, les éléments sont disposés pratiquement de façon horizontale l'un sur l'autre. Une entretoise peut être intercalée entre deux éléments voisins de façon à les espacer verticalement. De plus, chacun des éléments de grille peut être du type en tôle ondulée. Dans ce cas, les lignes de faite de deux éléments voisins peuvent se croiser. On va maintenant décrire l'invention à l'aide de dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue en élévation schéma- tique d'un bâtiment sur lequel a été monté un dispositif de suppression de vibrations selon la présente inven- tion; - la figure 2 est une vue en plan agrandie du dispositif de la figure 1; - la figure 3 est une vue selon la ligne III- III de la figure 2; - la figure 4 est le schéma théorique du systè- me vibratoire constitué par la structure du bâtiment et par le dispositif de suppression des vibrations de la figure 1; - la figure 5 est une vue en plan similaire à celle de la figure 2, montrant une forme modifiée du dispositif de suppression des vibrations de la figure 51; - la figure 6 est une vue en coupe verticale, similaire & celle de la figure 3, d'une autre forme mo- difiée du dispositif de suppression des vibrations de la figure 1; - la figure 7 est une vue en perspective d'une forme encore modifiée du moyen d'amortissement de la fi- gure 1; et - la figure 8 est une vue en perspective d'une autre forme modifiée du moyen d'amortissement. Les mêmes références désignent des parties cor- respondantes dans toutes les figures. La figure 1 montre une structure sous la forme d'une tour d'habitation 2 qui comporte un dispositif de suppression des vibrations 1 selon la présente inven- tion. Le dispositif 1 est monté sur le toit du bâtiment 2, c'est-à-dire en un endroit o il est à même de sup- primer de la façon la plus efficace les vibrations du bâtiment provoquées par le vent ou d'autres sources de vibrations. Le dispositif 1 comprend une embase de support feuilletée 3 fixée sur la toiture du bâtiment 2, un ré- servoir 4 monté sur l'embase 3, un liquide 5 contenu par le réservoir 4, et un moyen d'amortissement 6 disposé dans le réservoir 4 pour.atténuer les vibrations du li- quide. L'embase de support 3 est constituée de tôles d'acier et de plaques élastiques superposées, ces der- nières étant par exemple en caoutchouc, résine synthéti- que ou analogue. Comme cela est montré aux figures 1 et 3, le réservoir 4 comporte une paroi latérale cylindri- que 4a, un fond 4b et un dessus ouvert 4c. Le liquide 5 est par exemple de l'eau utilisée en tant qu'eau pota- ble, eau d'extinction d'incendie, ou encore fluide de refroidissement et/ou de chauffage pour un appareil de conditionnement d'air. Le niveau du liquide 5, c'est-à- dire la distance H (voir la figure 3) entre sa surface et le fond 4b est ajusté en fonction du poids spécifique du liquide de sorte que sa période naturelle soit égale à celle du bâtiment 2. La masse du liquide 5 est compri- se entre environ 1/50è à 1/100è de celle du bâtiment 2. Le moyen d'amortissement 6 est constitué de plu- sieurs éléments de grille cylindriques 6a de diamètres différents disposés de façon concentrique à la paroi la- térale 4a et fixés sur le fond 4b du réservoir. Chacun des éléments de grille 6a peut être constitué d'une os- sature tubulaire et d'une grille enroulée sur l'ossatu- re. La grille est constituée de câbles, fils métalli- ques, tressages ou similaires. Le nombre approprié et les dimensions adéquates des éléments 6a sont déterminés en fonction de la quantité de liquide 5, de ses proprié- tés physiques et autres. Des moyens de montage sous for- me de plusieurs supports 7 sont fixés sur le fond 4b du réservoir 4. Ces supports relient entre eux de façon amovible le fond 4b et les extrémités inférieures des éléments 6a. Le nombre de supports 7 peut être supérieur à celui des éléments de grille 6a, de sorte que des élé- ments supplémentaires peuvent être ajoutés à l'occasion. Le réservoir 4 est en un matériau tel que le plastique, c'est-à-dire un matériau qui ne subit pas de corrosion pendant une longue durée. Par analogie, le liquide 5 est de préférence un liquide visqueux tel qu'une huile qui ne s'évapore pas facilement. Toutefois, on peut sélec- tionner d'autres matériaux appropriés pour le réservoir 4 et pour le liquide, en fonction des conditions de construction du dispositif 1. On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif. En principe, un système vibratoire comprenant le dispositif de suppression des vibrations 1 et le bâti- ment 2 présente des propriétés vibratoires similaires & celles du montage montré sur la figure 4. Ce montage vi- bratoire est constitué par un premier système vibratoire A qui représente le bâtiment 2, et par un second système vibratoire B qui représente le liquide 5, montés en sé- rie. Le système A comprend un corps 9A de masse MO, un premier.ressort 8A de raideur K0 et supportant le pre- mier corps 9A, et un premier amortisseur 10A ayant un facteur d'amortissement h0 et monté en parallèle sur le ressort 8A. Le système B comprend un second corps 9B de masse M1, un second ressort 8B de raideur K1 et reliant entre eux les premier et second corps 9A et 9B, et un second amortisseur 10B ayant un facteur d'amortissement h1 et monté en parallèle sur le second ressort 8B. Dans ce schéma, lorsque le système vibratoire A entre en vibration sous l'effet d'une source vibratoire telle qu'une secousse sismique ou le vent, l'énergie vibratoire est transmise du système A au système B et ainsi le système vibratoire B se met à vibrer avec déca- lage d'un quart de période par rapport au système vibra- toire A. Dans ce cas, étant donné que la période de vi- bration du liquide 5 est égale à la période naturelle du bâtiment 2, la vibration du système vibratoire A est ef- ficacement supprimée par la vibration du système vibra- toire B. On va maintenant décrire ci-dessous la manière de rendre la période vibratoire du liquide 5 égale à la période naturelle du bâtiment 2. Etant donné que la masse M1 du second corps 9B n'est pas supérieure à environ 2 % de la masse M0 du premier corps 9A, on peut définir la période naturelle T0 du bâtiment 2 de façon approximative à l'aide de l'équation suivante (1): T0 = 2w Mo/K0 (1) En revanche, la période naturelle T1 du liquide 5 est définie par les équations suivantes (2): T1 = 2v/w (2) dans laquelle w est la fréquence naturelle du liquide 5, c'est- à-dire la fréquence naturelle de ballottement du liquide 5. Selon la théorie de Housner, la fréquence na- turelle* est définie par l'équation suivante (3): - w2 = (H/R)V27/8. tanh(' 78.H/R) (3) o H est le niveau du liquide 5, et R est le rayon du réservoir 4 (voir uDynamic Pressures on Accelerated Fluid Containers" par Housner, G.W. Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 47 (1957), pp. -35). En d'autres termes, en choisissant de façon ap- propriée les variables H et R, c'est-à-dire la quantité du liquide 5 et les dimensions du réservoir 4, on peut rendre la période naturelle T1 du liquide 5 égale à la période naturelle TO du bâtiment 2 de façon que les vi- brations du bâtiment 2 soient supprimées par le disposi- tif 1. En outre, le rapport de la masse M1 du liquide 5 à la masse Mo du bâtiment 2 ne doit pas être inférieur à 1/200 et pas supérieur à 1/50. Au- dessous de 1/200, le dispositif I n'offrirait pas un effet de suppression de vibrations efficace. Au-dessus de 1/50, le poids du li- quide 5 aurait une incidence sur la conception structu- relle du bâtiment 2; en d'autres termes, le poids du liquide 5 rendrait nécessaire une modification dans la conception du bâtiment. Comme cela a déjà été décrit ci-dessus, le dis- positif 1 est à même de supprimer efficacement les vi- brations du bâtiment 2 provoquées par une source vibra- toire. En plus de cette possibilité, le dispositif 1.est à même d'amortir les vibrations du liquide 5 étant donné qu'il comporte les éléments de grille 6a. Lorsque le li- quide 5 se met à vibrer dans le réservoir 4 par suite des vibrations du bâtiment 2, il traverse les éléments de la grille 6a; son énergie cinétique diminue de la même manière que dans un amortisseur hydraulique. Par conséquent, les vibrations du liquide 5 sont amorties de façon efficace. L'effet d'amortissement influe non seu- lement sur le dispositif 1 lui-même mais également sur le bâtiment 2. De façon plus spécifique, étant donné que les vibrations du liquide 5 sont amorties, celles du bâ- timent 2 ainsi que celles du dispositif 1 sont amorties également. Il s'ensuit que le dispositif de suppression de vibrations 1 n'agit pas comme un vibrateur pour le bâtiment 2 après avoir supprimé les vibrations de ce dernier. La figure 5 montre une forme modifiée du dispo- sitif des figures 1 à 3, dans lequel un moyen amortis- seur 11 est constitué de plusieurs éléments de grille tubulaires coaxiaux 11la ayant des sections transversales en forme d'étoile. Chaque élément 11a comprend une gril- le 12, plusieurs premiers montants verticaux 13 et plu- sieurs seconds montants verticaux 14. Les premiers et seconds montants 13 et 14 sont érigés sur le fond 4b du réservoir 4 et sont agencés selon une circonférence et à des intervalles angulaires égaux autour de l'axe du ré- servoir 4. La distance entre chaque premier montant 13 et l'axe du réservoir est supérieure à celle entre cha- que second montant 14 et cet axe. La grille 12 est ame- née alternativement derrière et devant les premiers et seconds montants 13 et 14 pour aboutir à la forme en étoile représentée sur la figure 5. Dans cet agencement, les éléments 11a s'étendent non seulement dans la direc- tion circonférentielle du réservoir 4 mais également dans sa direction radiale. Par conséquent, ce dispositif de forme modifiée est capable d'amortir non seulement les vibrations du liquide 5 selon un flux rotationnel autour de l'axe du réservoir, mais également les vibra- tions radiales de ce liquide. De façon plus spécifique, lorsqu'une force aérodynamique provoquée par le vent est appliquée sur le bâtiment, dont le centre de gravité est distinct de son centre de rigidité, celui-ci est con- traint d'osciller sur son axe vertical. Ce dispositif de forme modifiée peut éliminer cette oscillation du bâti- ment et également amortir le flux rotationnel du liquide 5 dû à l'oscillation du bâtiment. Une autre forme modifiée du dispositif de sup- JL j pression de vibrations des figures 1 à 3 est montrée à la figure 6. Dans cette forme modifiée, le réservoir 4 comporte un couvercle 15 fermant son dessus ouvert 4c. Les extrémités supérieures des éléments de grille cylin- driques coaxiaux 6a sont fixées sur la face intérieure du couvercle 15, de telle manière que ces éléments soient coaxiaux à la paroi latérale 4a du réservoir 4. Ce dispositif de forme modifiée permet d'obtenir des ef- fets similaires à ceux obtenus grace au dispositif des autres modes de réalisation. En d'autres termes, les positions appropriées des éléments de grille 6 par rap- port au réservoir 4 peuvent être déterminées en fonction de la configuration et des conditions d'installation de ce réservoir Une forme encore modifiée de moyen d'amortisse- ment est montrée à la figure 7. Le moyen d'amortissement 16 comprend plusieurs éléments de grille en forme de plaques 16a fixées sur le réservoir 4 et superposées ho- rizontalement. Plusieurs entretoises 17 parallèles en forme de poutres à treillis sont intercalées entre deux éléments de grille 16a voisins, de sorte & les espacer verticalement. La figure 8 montre encore une autre forme, dans laquelle le moyen d'amortissement modifié 18 est consti- tué de plusieurs éléments de grille en forme de plaques pliées en V 18a superposées horizontalement. Ces élé- ments 18a sont disposés dans le réservoir 4 avec des li- gnes de faites croisées. Ce dispositif de forme modifiée est en mesure d'amortir les vibrations du liquide 5 dans les différentes directions, y compris dans les direc- tions périphériques et radiales. Bien que dans le mode de réalisation précité et dans les formes modifiées, les moyens d'amortissement 6, 11, 16 et 18 soient montés sur le réservoir 4, ils pour- raient être montés ou fixés sur le bâtiment 2 par l'in- termédiaire d'un châssis. De façon plus spécifique, le moyen d'amortissement pourrait être suspendu au châssis et pénétrer dans le liquide 5 du réservoir 4. On pour- rait installer le réservoir 4 à l'intérieur du bâtiment 2 au lieu de le monter sur son toit. Le nombre d'élé- ments de grille, la dimension des mailles de ces élé- ments et l'angle qu'ils font sur la surface du liquide peuvent être déterminés en fonction de la forme du ré- servoir 4, des conditions de montage de ce réservoir ou d'autres paramètres. Des câbles tressés ou des fils mé- talliques utilisés dans les éléments de grille peuvent comporter une gaine extérieure étanche, de sorte que ces éléments soient efficacement protégés du liquide 5 tra- versant la grille. REVENDICATIONS 1. Dispositif destiné à supprimer les vibrations d'une structure, caractérisé en ce qu'il comprend: un réservoir (4) disposé sur la structure (2); un liquide (-5) contenu dans le réservoir et apte à supprimer les vibrations de la structure, la quantité de liquide (5) étant telle que sa période naturelle soit égale & celle de la structure (2); et un moyen (6) disposé à l'intérieur du réservoir (4) pour amortir les vibrations du liquide, ce moyen d'amortissement (6) étant de conception réticulaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen d'amortissement (6) comprend au moins un élément de grille (6a) tubulaire monté soit sur le réservoir.(4), soit sur la structure (2) de manière que son axe soit pratiquement vertical. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que le moyen d'amortissement (6) com- prend plusieurs éléments de grille (6â) tubulaires et coaxiaux. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que chacun des éléments (6_) a une sec- tion transversale pratiquement circulaire. 5. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que chacun des éléments (6a) a une sec- tion transversale pratiquement polygonale. 6. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que la section transversale de chacun des éléments-(111) de grille est en étoile. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que les élé- ments de grille (6a,11A) sont montés sur le fond (4h) du réservoir (4). 8. Dispositif selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le fond (4h) du réservoir (4) comprend des moyens (7) de montage pour la fixation amovible des éléments de grille sur ce fond. 9. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le moyen d'amortissement (6) est monté sur la face intérieure d'un couvercle (15) fermant le réservoir (4). 10. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 9, caractérisé en ce que les éléments (6â) de grille (6) sont disposés coaxialement à la paroi la- térale cylindrique (4â) du réservoir (4). 11. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen d'amortissement (16) comprend plusieurs éléments (16A) de grille en forme de plaques montés dans le réservoir (4) et superposés sensiblement de façon horizontale. 12. Dispositif selon la revendication 11, carac- térisé en ce qu'il comprend de plus une entretoise (17) intercalée entre deux éléments (16A) voisins, de sorte à les espacer verticalement. 13. Dispositif selon la revendication 12, carac- térisé en ce que l'entretoise (17) est un genre de pou- tres en treillis. 14. Dispositif selon la revendication 11, carac- térisé en ce que chaque élément (18â) de grille (18) a la forme d'une plaque pliée en V, avec des lignes fai- tières croisées.