Brevet FR2659943A1 — publié le 19910927

COQUE A HAUTE RESISTANCE A SYMETRIE DE REVOLUTK)N La présente invention a pour objet une coque à symétrie de révolution, de forme générale cylindrique ou tronconomique. Le type de coque dont il s'agit est susceptible de très nombreuses applications, et se présente sous des dimensions extrêmement variées. I1 peut s'agir de coques de grandes dimensions telles que réservoirs, silos, réservoirs sous-marins disposés à la base des pieds de plateformes off-shore, pour recevoir du pétrole, du gaz ou d'autre fluides, supports de plate-formes ou d'autres ouvrages, batardeaux devant résister à des pressions externes élevées, coques de sous-marins, parois d'éléments de structure de réacteurs, ou de plus petites dimensions telles que conduits ou tubes immergés en mer profonde, composants de l'industrie aéronautique ou aérospatiale ou encore des boites de conditionnement de divers produits, et notamment de produits alimentaires. Quelle que soit l'utilisation à laquelle sont destinées ces coques à symétrie de révolution, il est primordial qu'elles soient suffisamment résistantes vis-à-vis de sollicitations telles que les pressions externes, susceptibles d'engendrer des dommages par flambage. Pour ce faire, et de manière à rigidifier de telles coques métalliques, il est connu de souder des raidisseurs sur la surface interne ou externe de la coque. On conçoit aisément que de telles solutions présentent l'inconvénient d'augmenter fortement le coût de construction. De plus, dans le cas où une telle solution est employée, pour les coques des coeurs de centrales nucléaires, ces disques saillants créent des contraintes supplémentaires ainsi que des phénomènes de transfert thermique non désirés. Pour remédier à ces inconvénients, il est connu, comme décrit dans le brevet n" 2.537.765, de réaliser des coques constituées par des parois tronconiques ou cylindriques coaxiales, la méridienne de la paroi comprenant au moins deux tronçons successifs dont l'extrémité commune est située entre la droite joignant leurs autres extrémités et l'axe de révolution, formant ainsi une onde concave, la distance entre l'extrémité commune et les autres extrémités de ces deux tronçons, appelée profondeur d'onde, étant comprise entre cinq et vingt fois l'épaisseur de la paroi, la distance entre les autres extrémités de ces tronçons, appelée hauteur d'onde étant comprise entre dix et quarante fois la profondeur d'onde, les distances étant mesurées sur la fibre moyenne de la coupe méridienne de la paroi. Ces coques présentent d'une part une meilleure résistance vis à vis de sollicitations mécaniques et thermiques importantes, susceptibles d'engendrer des dommages par flambage telles que les pressions extérieures, et d'autre part une charge de ruine, sous pression latérale externe, qui est plus importante qu'une coque cylindrique droite de même diamètre et de même épaisseur. Toutefois, ces coques ont une géométrie qui est très sensible aux contraintes dans des conditions limites, générant des déformations pouvant entraîner leur ruine. De même, dans le cadre de la réalisation de grands ouvrages en génie civil, tels que principalement, quoique non exclusivement, des barrages, des ponts, des chateaux d'eau, il est connu d'utiliser le principe de la voûte et notamment celui des voûtes multiples dans lesquelles les efforts par compression sont répartis dans des voûtes élémentaires qui viennent prendre appui sur des poutres disposées suivant des génératrices. Toutefois, le nombre de ces voûtes est généralement limité. De plus, leur courbure, tournée vers l'intérieur, augmente l'amplitude des efforts générateurs de ruine provenant des pressions externes. Pour remédier à ces inconvénients, la présente invention a pour objet une coque à symétrie de révolution qui permet d'accroître la charge de la ruine et notamment dans le cas de très fortes sollicitations par flambage, dues à des pressions externes élevées. A cet effet, cette coque à symétrie de révolution est délimitée par une paroi comportant des ondulations tournées vers l'extérieur, régulièrement espacées et orientées suivant des génératrices, la forme de ces ondulations étant définie de manière à épouser chacune sensiblement la forme d'une demi-onde du mode circonférentiel critique de ruine par flambage de la coque correspondante à paroi lisse, sous pression latérale externe, le nombre d'ondulations étant égal au double du mode circonférentiel. En effet, avant le phénomène de ruine, la contrainte géométrique pré-critique, sous une pression latérale externe est multimodale radialement et demi-modale axialement. Or, ces contraintes géométriques en creux, dont la courbure est orientée vers l'axe ou cylindre sont celles qui génèrent et initient les phénomènes de ruine. Cette coque ondulée extérieurement, dont la forme de chaque ondulation est définie de manière à épouser sensiblement la forme d'une demi-onde du mode circonférentiel critique de ruine par flambage de la coque correspondante à paroi lisse, permet d'améliorer la résistance mécanique à la charge de ruine par flambage. De ce fait, cette charge de ruine est sensiblement augmentée par rapport à celle des coques cylindriques classiques. Les ondulations extérieures, régulièrement espacées, peuvent avoir diverses formes, et notamment, être constituées en section transversale, par des tronçons de sinusolde, cyclolde, arc de cercle ou parabole. De toute façon, l'invention sera bien comprise, à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant à titre d'exemples non limitatifs, deux formes d'exécution de cette coque Figure 1 est une vue en coupe transversale d'une première coque cylindrique selon l'invention Figure 2 est une vue en perspective d'une plate-forme dont les pieds sont associés à des réservoirs conformes à l'invention. La figure 1 représente une première coque cylindrique 1 dont la paroi 2 comporte des ondulations 3 tournées vers l'extérieur, régulièrement espacées et orientées suivant des génératrices. La forme de ces ondulations 3 est définie de manière à épouser sensiblement la forme d'une demi-onde du mode circonférentiel critique de ruine par flambage de la coque correspondante à paroi lisse, sous pression latérale externe. La géométrie particulière de cette coque, et notamment le nombre d'ondulations sont déterminés à partir d'une coque droite dont on établit le mode critique. Lorsqu'une coque cylindrique à paroi lisse est soumise à une pression externe importante, elle flambe en une demi-onde qui se propage axialement et en n ondes qui se propagent circonférentiellement, une fois l'état critique atteint. Pour déterminer cet état critique défini par une pression critique Prc et un mode critique ncr de propagation circonférentielle de l'onde de ruine qui correspond à la plus faible valeur de la pression critique Prc, on procède à la résolution des équations connues dans ce domaine. C'est ainsi que par exemple pour une coque cylindrique à paroi lisse dont les caractéristiques géométriques sont les suivantes - un rayon R = 75 mm - une longueur L = 120 mm - une épaisseur e = 0,16 mm et les caractéristiques du matériau sont les suivantes - une élasticité (E) = 163 000 MPa - un coefficient de Poisson O = 0,3 avec des conditions aux limites qui sont celles de l'encastrement, on obtient une pression critique Pcr de 0,021 MPa et un mode critique ncr de 11. La coque représentée à la figure 1, comporte un nombre d'ondulations extérieures 3 égal au double du mode critique ncr, soit 22, avec une amplitude des ondulations h = 150 llm et un paramètre de Bathorf z = 1220. Les résultats acquis sur cette coque comportant un nombre optimal d'ondulations extérieures montrent une résistance, sous pression latérale externe, quatre fois supérieure à celle d'une coque à paroi lisse de mêmes dimensions. Ce rapport demeure pour une combinaison de compression axiale et de pression externe lorsque cette dernière est majeure. La figure 2 représente une plate-forme 4, montée sur des colonnes 5 dont au moins la base est immergée sous l'eau, le pied de chaque colonne étant entouré de quatre coques 6 formant par exemple des réservoirs. Ces coques ayant, à titre d'illustration, un diamètre intérieur de 20 mètres, une hauteur de 40 mètres et une épaisseur de paroi de 10 centimètres sont susceptibles, dans le cas de paroi lisse, d'être mises en place sous 30 mètres d'eau. A une telle profondeur, une coque cylindrique à paroi lisse flambe suivant un mode critique circonférentiel ncr de 4. Le nombre d'ondulations extérieures 7 de chaque réservoir est donc égal au double du mode critique, soit de huit. Cette coque possédant une résistance sous pression latérale externe multipliée par quatre par rapport à une coque lisse correspondante, peut être installée sous 100 mètres de hauteur d'eau. De plus, cette coque possède une charge de ruine par flambage sous l'action d'une compression axiale qui est de 10 % supérieure à celle d'une coque à paroi lisse. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de cette coque à haute résistance décrites ci-dessus, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation. C'est ainsi notamment que l'invention peut s'appliquer à la réalisation de coques tronconiques, sans que l'on sorte pour autant du cadre de l'invention. REVENDICATX3 NS I - Coque à haute résistance à symétrie de révolution, caractérisée en ce qu'elle est délimitée par une paroi cylindrique ou tronconique comportant des ondulations (3,7) tournées vers l'extérieur, régulièrement espacées et orientées suivant des génératrices, la forme de ces ondulations (3,7) étant définie de manière à épouser chacune sensiblement la forme d'une demi-onde du mode circonférentiel critique de ruine par flambage de la coque correspondante à paroi lisse, sous pression latérale externe, le nombre d'ondulations étant égal au double du mode circonférentiel. 2 - Coque à haute résistance à symétrie de révolution selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ondulations extérieures (3,7), régulièrement espacées, ont une forme, en section transversale, de tronçon de sinusolde. 3 - Coque à haute résistance à symétrie de révolugtion selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ondulations extérieures (3,7), régulièrement espacées, ont une forme, en section transversale, de tronçon de cycloïde. 4 - Coque à haute résistance à symétrie de révolution selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ondulations extérieures (3,7), régulièrement espacées, ont une forme, en section transversale, d'arc de cercle. 5 - Coque à haute résistance à symétrie de révolution selon la revendication 1, caractérisée en ce que les ondulations extérieures (3,7), régulièrement espacées, ont une forme, en section transversale, de tronçon de parabole.