Brevet FR2623226A1 — publié le 19890519

APPAREIL POUR ATTENUER LA VIBRATION D'UNE STRUCTURE La présente invention concerne un appareil destiné atténuer la vibration, sous l'effet du vent, d'un séismetou autre, d'une structure telle que des structures architectura- les et de génie civil. L'inventeur a proposé;seulouentant que co-inven- teur, divers types d'appareils d'atténuation de vibration, dans les demandes de brevet des E.U.A. n 07/042 365 (déposée le 24 avril 1987), n 07/179 438 (déposée le 8 avril 1988), n 07/186 394 (déposée le 26 avril 1988), n 07/186 613 (dé- posée le 27 avril 1988), n 07/191 278 (déposée le 6 mai 1988), et n 07/196 325 (déposée le 20 mai 1988). Avec les développements récents de matériaux à résistance mécanique élevée, et les progrès rapides aussi bien des techniques de construction que de l'analyse de structures par ordinateur, des-structures de grande hauteur sont devenues beaucoup plus légères et flexibles que des structures classiques. De telles structures légères et flexibles de grande hauteur ont tendan- ce à présenter une plus faible valeur de fréquence naturelle et de facteur d'amortissement des vibrations, ce qui fait ap- paraître une possibilité que. diverses sortes de vibrations apparaissent de façon inattendue.avec une amplitude élevée, sous l'effet de forces externes produites par des séismes et par le vent. Une telle vibration de ces structures peut être gênante pour les occupants qui s'y trouvent, et elle peut en outre appliquer aux structures des efforts dépassant une li- mite admissible. Le brevet des E.U.A. n 4 226 554 décrit un appa- reil destiné à absorber des forces dynamiques qui s'exercent sur une structure sous l'effet d'une excitation due au vent, à des ondes ou à un séisme, et dans cet appareil, un liquide qui est contenu dans une cuve montée sur une structure, ré- duit une réponse dynamique de la structure lorsque cette der- nière est mise en vibration. On peut utiliser ce type de dis- positif d'atténuation de vibration pour résoudre les problè- mes mentionnés ci-dessus. Il présence cependant un inconvé- nient qui consiste en ce qu'il occupe une place considérable dans une structure et il a donc une efficacité relativement faible en rapport-avec l'espace occupé. L'invention a donc pour but de procurer un appareil pour atténuer une vibration d'une structure, qui ait un fai- ble encombrement et qui présente donc un excellent rendement relativement à l'espace occupé, en comparaison avec le dispo- sitif d'atténuation de vibration de l'art antérieur. L'appa- reil d'atténuation de vibration conforme à l'invention peut donc être installé en un emplacement désiré d'une structure. Pour atteindre ce but, ainsi que d'autres, l'in- vention procure un appareil destiné à atténuer la vibration d'une structure. L'appareil comprend une cuve qui est prévue pour être montée dans la structure, et un mécanisme de défi- nition de chambres, incorporé dans la cuve, qui définit un ensemble de chambres annulaires, disposées de façon concen- trique autour d'un axe vertical de la cuve, qui sont desti- nées à recevoir un liquide pour atténuer la vibration de la structure. Chaque chambre est conçue de façon à contenir une quantité de liquide telle que la période naturelle du liquide soit égale à celle de la structure. Avec une telle construc- tion, l'appareil de l'invention procure un effet d'atténua- tion de vibration important pour un volume donné de la cuve, en comparaison avec l'appareil conforme à l'art antérieur, du fait que dans l'appareil de l'invention l'énergie vibra- toire du liquide est dissipée par la rencontre d'écoulements périphériques opposes de ce liquide, ainsi que par la ren- contre avec les parois des chambres, tandis que dans l'appa- reil de l'art antérieur, il n'y a pas d'atténuation notable de la vibration dans la partie centrale de la cuve. Dans un mode de réalisation préféré, l'appareil comporte des moyens d'amortissement de vibration, disposés dans l'une au moins des chambres,qui sont destinés à amortir la vibration du liquide contenu dans l-a chambre considérée, qui est due au balancement de la structure. Les moyens d'at- ténuation de vibration peuvent comprendre un dispositif à écran qui comprend un chassis, monté sur le fond de'la cuve, et un écran fixé au châssis et qui s'étend de façon à dévier l'écoulement du liquidequiestdlaibalancement de la structure, et le dispositif à écran peut être disposé radialement dans la cuve. Le dispositif à écran dévie effectivement des écoule- ments périphériques du liquide qui sont dûs au balancement de la structure, de façon à amortir la vibration de l'appareil d'atténuation de vibration, aussi bien que la vibration de la structure, grâce à quoi il est capable d'empêcher l'excita- tion de la structure par l'appareil d'atténuation de vibra- tion. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, et en se-référant aux dessins annexes sur lesquels: La figure 1 est une illustration schématique d'un iimeubtle-sur le toit duquel est placé un appareil d'atténua- tion de vibration conforme à l'invention, cet appareil d'at- ténuation de vibration étant représenté en coupe verticale; La figure 2 est une vue en plan agrandie de l'appa- reil d'atténuation de vibration de la figure 1; La figure 3 est une coupe selon la ligne III-III de la figure 2; La figure 4 illustre un système mécanique équiva- lent pour l'immeuble avec l'appareil d'atténuation de vibra- tion de la figure 1; La figure 5 est une vue en plan d'une forme modi- fiée de l'appareil d'atténuation de vibration de la figure 1; et La figure 6 est une coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5. En considérant maintenant les figures 1 à 3, on voit un dispositif d'atténuation de vibration 1, construit conformément à l'invention, qui est installé sur la toit d'un immeuble de grande hauteur 2 au moyen d'une embase 3 ayant une action d'isolation vis-à-vis des vibrations, de type classique. L'embase 3 est construite sous la forme d'un empi- lement de plaques élastiques et de plaques d'acier alternées. Il est préférable de monter le dispositif d'atténuation de vibration 1 sur le toit, pour atténuer les vibrations produi- tes par le vent. Le dispositif d'atténuation de vibration 1 comprend une cuve 4 qui est montée sur l'embase 3 ayant une action d'isolation pour les vibrations. La cuve 4 contient un liqui- de qui, en pratique, peut être de l'eau potable, de l'eau pour la lutte contre l'incendie, de l'eau de refroidissement ou de chauffage, etc. La cuve 4 comporte une cuve extérieure cylindrique creuse 6 avec uneextrémité supérieure ouverte 6A. La cuve extérieure 6 est cloisonnée par trois cloisons 7A, 7B et 7C, constituées par des tubes cylindriques, qui sont dis- posés de façon concentrique autour de l'axe vertical de la cuve, en 4A-sur la figure 2, à l'intérieur de la cuve exté- rieure 6, de façon à former des cuves ou des chambres annu- laires séparées 4A, 4B, 4C et 4D, en allant du centre vers la périphérie, comme représenté sur la figure 2. On règle le liquide 5 dans la cuve 4 de façon que sa période naturelle soit pratiquement égale à celle de l'immeuble 2. On effectue ce réglage en donnant diverses va- leurs aux niveaux H du liquide 5, en fonction de sa masse vo- lumique. On règle la masse totale (masse effective) du liqui- de 5 dans la cuve 4 pour lui donner une valeur comprise de façon caractéristique dans la plage de 1/50 à 1/200, et de préférence dans la plage de 1/50 à 1/100, de la masse totale de l'immeuble 2. Ce rapport peut cependant être d'environ 1/300. La cuve 4 est de préférence constituée par un maté- riau résistant à la corrosion tel que des résines synthéti- ques et de l'acier inoxydable. Il est préférable d'utiliser pour le liquide 5 une matière non volatile, telle que de l'huile. Le matériau utilisé pour la cuve 4 et le type du li- quide 5 dépendent de conditions de construction. On peut définir une approximation du système vibra- toire de l'immeuble 2 et du dispositif d'atténuation de vi- bration 1, au moyen de l'équivalent mécanique représenté sur la figure 4, du fait que le liquide 5 se trouvant dans des chambres 4A à 4D séparées vibre conjointement comme s'il ne formait qu'une seule masse. Ceci vient du fait que le liquide 5 se trouvant dans chaque chambre a une période naturelle égale à celle de l'immeuble 2. Le modèle équivalent au point de vue de la vibration comprend un premier système vibratoire A, qui représente l'immeuble 2, et un second système vibra- toire B qui est un modèle vibratoire du liquide 5 dans la cu- ve 4, et le second système vibratoire est couplé en série au premier système vibratoire. Le premier système vibratoire A comprend un premier corps 9A de masse Mo, un premier ressort 8A, qui a une constante de rappel Ko et qui supporte le pre- mier corps 9A, et un premier amortisseur à fluide 10A qui a un facteur d'amortissement ho et qui est ajouté en parallèle sur le premier ressort 8A. Le second système vibratoire B comporte un second corps 9B de masse M1, un second ressort 8B, qui a une constante de rappel K1 et qui supporte le se- cond corps 9B, et un second amortisseur à fluide 10B, qui a un facteur d'amortissement hlet qui est ajouté en parallèle sur le second ressort 9B. Lorsqu'une force extérieure qui est exercée sur le corps 9A oblige le système vibratoire A à vibrer, le système vibratoire B commence à vibrer avec une phase décalée de 1/4 de la période de vibration du premier système vibratoire A. On peut atténuer la vibration du pre- mier système vibratoire A en donnant la même période naturel- le aux systèmes vibratoires A et B. La période naturelle de chacun des systèmes vibratoires A et B est donnée de façon générale par l'équation: Ti = 2 Mfi (1) dans laquelle Mi est la masse du système vibratoire i et Ki est la constante de rappel du système i. Du fait que la pé- riode naturelle To de l'immeuble 2 est définie de façon géné- rale à la fois parsa masse Mo et par sa constante de rappel Ko, on peut rendre la période naturelle T1 du liquide 5 égale à la période To en choisissant de façon appropriée la taille et le volume de la cuve 4, et la quantité du liquide 5 qu'el- le contient. Conformément à la théorie du potentiel des alter- nances du milieu, la période de vibration naturelle T1 d'un liquide 5, qui vibre dans chaque chambre annulaire, est fonc- tuon du diamètre extérieur R1 et du diamètre intérieur R2 de la chambre, et de la hauteur H du liquide 5 dans la chambre, c'est-à-dire qu'on a: T1 = f(R1, R2, H) (2) On peut donc déterminer Ri, R2 et H de façon que la période naturelle T1 soit égale à la période naturelle To de l'immeu- ble 2. D'après la théorie de Housner, la masse effective M2 d'un liquide libre qui peut se déplacer dans la cuve 4, en tant que masse d'un corps vibrant, est donnée par l'équa- tion suivante: = 2 (th _ M2 1-4.5..e 27 À 3 R3 dans laquelle H est la hauteur depuis le fond de la cuve 4 jusqu'au niveau du liquide 5, R est un rayon de la cuve et M est la masse du liquide qui est contenu dans la cuve (voir l'ouvrage "Dynamic Pressures on Accelerated Fluid Containers" par Housner, G.W., Bulletin of the Seismological Society of America, vol. 47(1957), pages 15-35)- La fréquence naturelle du liquide, c'est-à-dire la fréquence naturelle de ballote- ment, est donnée par l'équation: H = j.f. th()(4) La période naturelle T1 du liquide 5 dans la cuve 4 est donc donnée par l'équation: Tl = 2W (5) On fixe donc les paramètres H, R et M de façon que la période de vibration T1 du liquide 5 dans la cuve 4 et la période de vibration To de l'immeuble 2 aient la relation suivante: To = T1 (6) Le rapport entre la masse effective M2 du liquide et la masse Mo de l'immeuble 2 est de façon caractéristique: M2/Mo = 1/50 1/200 (7) Au-dessous de la limite inférieure ou d'environ 1/200, on ne peut pas obtenir suffisamment l'effet d'atténuation de vibra- tion, tandis qu'au-dessus de la limite supérieure ou d'envi- ron 1/50, le poids du liquide exercera une influence considé- rable sur la conception structurale de l'immeuble, rendant ainsi nécessaire de modifier la conception structurale. La limite inférieure est'de préférence d'environ 1/100. On peut cependant obtenir l'effet d'atténuation méme lorsque M2/Mo est de l'ordre de 1/300. Les figures 5 et 6-représentent une forme modifiée du dispositif d'atténuation de vibration 1 des figures 1 à 3, et les éléments similaires sont désignés par les mêmes carac- tères de référence et leurs descriptions ne seront pas répé- tées. Dans ce dispositif d'atténuation de vibration modifié, un grand nombre de dispositifs à écrans 18 et 19 sont montés verticalement sur le fond de la cuve 4 de façon à s'étendre axialement pour amortir la vibration du liquide 5 dans la cuve. Le dispositif à écran 18 comporte douze éléments de dispositif 'à écran 18A qui sont disposés à des intervalles angulaires réguliers autour du centre de la cuve extérieure 6. Chacun des dispositifs à écrans 19 comporte un écran ou un grillage 19A qui est fixé à un cadre rectangulaire 19B de façon à s'étendre dans ce dernier. Chaque grillage 19A peut être constitué par du fil métallique ou par diverses sortes de fibres classiques. Les éléments de dispositif à écran 18A ont une forme et une structure similaires à celles des dispo- sitifs à écransl9. Les dispositifs à écransl9 sont également disposés à des intervalles angulaires réguliers autour du centre de la cuve extérieure 16. Le nombre des dispositifs à écrans 18 et 19 et la taille de leurs écrans dépendent de la quantité et de la nature physique du liquide 5 qui se trouve dans la cuve extérieure 6. Les dispositifs à écrans 18 et 19 sont fixés au fond 6B de la cuve 4 par des éléments de rete- nue (non représentés). Les éléments de retenue sont de pré- férence en nombre supérieur à celui des dispositifs à écrans 18 et 19, en prévision du changeaient du nombre et de la tail- le de ces derniers. Une structure spécifique des dispositifs de retenue est décrite dans la demande de brevet des E.U.A. n 07/196 325, précitée. Les dispositifs à écrans 18 et 19 remplissent la fonction d'un orifice de l'amortisseur à li- quide classique, pour amortir la vibration du liquide par absorption de l'énergie cinétique du liquide 5 lorsque ce dernier les traverse. Ainsi, dans le dispositif d'atténuation modifié, la vibration du dispositif est diminuée par l'armor- tissement rapide de la vibration du liquide 5, ce qui fait que le dispositif ne constitue pas une source d'excitation pour l'immeuble 2. La configuration des dispositifs à écrans 18 et 19 n'est pas limitée à celle qui est décrite et:-représentée, mais peut dépendre de la forme et de l'environnement de l'ap- pareil d'atténuation de vibration 1. La forme des dispositifs à écrans n'est pas limitée non plus à celles qui sont repré- sentées sur les figures 5 et 6. On peut empiler horizontale- ment un grand nombre d'écrans ou d'écrans ondulés. De telles autres configurations et formes des dispositifs a écrans 18 et 19 sont proposées dans la demande de brevet des E.U.A. n 07/196 325. On peut utiliser pour l'écran 19A une fibre dans laquelle un matériau d'amortissement, telle qu'un non-tissé,est en/rou.autourd'une autre fibre ou d'un fil métallique. On peut former l'écran 19A en entremêlant de telles fibres ou en les empilant en un réseau. Les dispositifs à écrans 18 et 19 sont utilisés pour produire une résistance à la circulation du liquide 5, et on peut donc utiliser à la place des disposi- tifs à écrans des éléments en forme de plaques, des plaques perforées, des treillis, des flotteurs flottant dans la li- quide 5, des éléments tournants, tels qu'une hélice, et des sédiments, tels que du sable. Selon une variante,",on peut utiliser un fond à surface accidentée pour la cuve extérieure 6, dans le but de produire un effet similaire à celui que procurent les dispositifs à écrans 18 et 19. La configuration et la forme de ces moyens d'amortissement dépendent également des formes et des conditions de construction de la cuve 4. L'appareil d'atténuation de vibration conforme à l'invention peut avantageusement être utilisé dans d'autres ouvrages architecturaux ou de génie civil, comme des ponts suspendus et des tours. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour atténuer la vibration d'une structure, caractérisé en ce qu'il comprend:une cuve (4 prévue pour être montée dans la structure(2)etdes moyens de défini- tion de chambres, incorporés dans la cuve, pour définir un ensemble de chambres annulaires (4A-4D),concent;lques autour d'un axe vertical de la cuve, qui sont destinées à recevoir un li- quide (5)dans le but d'atténuer la vibration de la structure(2), chacune des chambres étant conçue de façon à contenir une quantité du liquide telle que la période naturelle du liquide soit égale à celle de la structure (2). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les chambres (4A-4D) sont conçues de façon à contenir une quantité du liquide (5) teLe que le rapport entre la masse ef- fective du liquide et la masse de la structure soit d'environ 1/300 à environ 1/50. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport ezntre la masse effective du liquide (5) et la masse de la structure (2)est del/100 à 1/50. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'amortissement de vi- bzatin(18,l9) placés dans l'une au moins des chambres, pour amortir la vibration du liquide (5) conte/ dans la ou les cham- bres considérées, qui.esttdue au balancement de la structure(2 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de définition de chambre comprennent au moins une cloison annulaire (7A70) concentrique par rapport à la cuve, destinée à définir deux chambres annulaires adjacentes. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la cuve (4)a unfborIsur lequel la cloison est érigée, et en ce que les moyens d'amortissement de vibration compren- nent un dispositif a écran (19)quiest rlgésur le fond dans le but de constituer un obstacle à l'écoulement du liquide, afin d'atténuer le balancement de la structure (2). 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque dispositif à écran-comprend un cadre(19B) monté sur le fond de la cuve,et un écran(19A)quiestfixé au cadre de façon à s'étendre pour-constituer un obstacle à l'écoulement du liquide qui est du au balancement de la structure, et en ce que les dispositifs à écrans sont disposés de façon à s'étendre radialement vers l'extérieur. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens d'amortissement de vibration(18,19)compren- noet p ieurs dis0ositfs à écrans, et en ce que ces derniers sont disposés à des intervalles angulaires réguliers autour de l'axe vertical de la cuve (4).