Brevet FR2764964A1 — publié le 19981224

La présente invention concerne un dispositif constitué de rayons 1 hor-zon-aux de section circulaire issus id'un fût central vertical 2 de forme cylindrique creux ou plein, et aboutissant à un fût vertical externe 3 coaxial au fût 2 et de forme cylindrique creux ou tronconique creux. La figure 1 1 illustre une section quelconque du dispositif, deux rayons consécutifs faisant un angle aN entre eux. La figure 2 fournit un exemple de liaisons possibles entre respectivement les pièces 1 et 2, et les pièces 1 et 3, et ceci dans le cas o la pièce 2 est cylindrique creuse. Les rayons 1 peuvent être tendus grâce au serrage de l'écrou 4 qui vient en butée sur le méplat 5 faisant partie intégrante de la pièce 3. La pièce 1 est terminée par une pièce hexagonale 6 permettant de visser i dans la pièce 2. La mise en place de 1 dans 2 est facilitée par la pièce 7; la figure 3 précise les coupes AS' et BB'. Les rayons 1 peuvent être disposés sur les fûts 2 et 3 suivant des developpées circulaires équidistantes, comme l'indique la figure 4. Il est également possible d' adopter des développées hélicoïdales à pas constant comme indiqué dans la figure 5; o le fût 3 est cylindrique; la figure 6 illustre le cas o le fût est tronconique. 4 0 Si on se réfère aux figures 5 ou 6; malgré un pas réduit "des développées hélicoïdales" des extrémités des rayons 1, cela peut induire des "contraintes parasites" non souhaitées dans le fût central 2 (cisaillement,torsion,etc...) Une solution pour réduire ces contraintes serait de disposer une deux ieme série de rayons i 0 Odiamétralement coposée à la première série avec un meme sens de rotation, suivant la figure 7. Les tensions tli et t2i appliquées à deux rayons diamétralement opposés étant égales. On peut imaginer un dispositif suivant figures 11 et 12, o on omet le fût central et on dispose alors des tiges horizontales diamétralement au fût 2 et fixées à une des extrémités avec un écrou 3 suivant détail a, l'autre extrémité venant en simple butée sur ce fût. Il est possible de fixer un fil à l'oeillet 4 pour aiguiller les tiges 1. Les extrémités des tiges décrivant des hélices à pas constant. En annexe 1,un calcul simplifié d'une "structure radiale" telle que décrite ci-avant permet d' évaluer le gain d'inertie de la structure étudiée par rapport à une structure simplement tubulaire (fût 3 uniquement) de poids linéaire voisin; ce calcul est valable pour une tension des rayons 1 nulle. Les avantages de tels dispositifs étant les suivant: - Légèreté de la structure (rayons de poids très faible) - Réglage possible de la tension appliquée dans les rayons 1. - Il est possible d'adopter des pas variables pour les développées hélicoidales des extrémi%és des rayons;on peut également faire varier l'équidistance entre deux nappes de rayons 1 consécutives dans90 le cas de développées circulaires. -J ANNEXE 1 Hypothèses n 1 de calcul: - Le calcul se fera en deux dimensions (plan ortogonal à la généraurice). - Les rayons 1 ne sont pas pré- tendus. - Le fût 2 est de forme cylindrique creux, son diamètre est D et son épaisseur est e (fût central), et e"D. - Le fût 3 est de forme cylindrique creux, son diamètre est Do et son épaisseur est eo (fût intérieur), et eo"Do - c est le centre de la section courante de la structure - Les rayons 1 ont une section circulaire constante de diamètre b et une longueur constante égale à: (Do-D)/2. - L'angle formé par deux rayons consécutifs est aN. - Le dispositif comprend N rayons par tour (2 radians). - Les extrémités des rayons 1 sont disposés sur des hélices à pas constant très faible. La figure 8 illustre cet exemple: Calcul proprement dit: - L'inertie d'un rayon 1 par rapport au centre c s'écrit: iN = 1/12*b*((Do-D):2)3 + b:2*(Do- D)*((Do+D):2)2 iN=1/96*b*(D-Do)*(13Do2+13D2+22Do*D) - L'inertie du fût 2 s'écrit: i2 = 1/4*(pi)*e*D3, (pi)=3.14159 - L'inertie du fût 3 s'écrit: i3 = 1/4-(pi)*eo*Do3 - L'inertie totale d'une section courante de la structure s'écrit ic = N*iN + i2 + i3 c = 1/96b*N*(Do-D)*(13Do2 +13D2 +22DoWD) + 1/4* (pi)*e*D3 + ! /4* pi)eo*Do3 L5 Si on oose j= D/Do, on peut écrire: ic = (A'j3 - B*j2 + B-j + C)*Do3, o A = 1/4*(pi)*e - 13/96*b*N B = 3/32*b*N C = 13/96*b*N + 1/4*(pi)*eo Hypothèses n 2 de calcul: -On suppose D"Do alors j"l ou j voisin de 0 dans ce cas ic/Do3 est voisin de B*j+C et 1/Do3*(dic/dj) est voisin de b donc constant. -Exemple d'application: Do=5m, eo=35mm, D=0.20m, e=20mm, b=5mm, N=10 rayons/tour et j=0.04 on en déduit: ic/Do3= 3.446*10-2 en l'absence de rayons: ico/Do3= 2.750*10-2 La section de la structure en l'absence de rayon est so=0.55 m2 La section de la structure avec rayons est s voisin de 0.55m2 - Conclusion: L'augmentation relative de l'inertie d'une section de la structure renforcée par rapport à une structure dépourvue de rayons est: k = (ic-ico)/ico*100 = + 25 % Hypothèse n 3 de calcul: - En reprenant l'exemple du calcul précédent, on considère la même structure tubulaire de hauteur totale H = 50 mètres. - Les rayons 1 décrivent une développée hélicoïdale de pas régulier h=0.10 m (on monte de 0.10 m par tour.) et N=10. Le nombre total de rayons étant: Nt = N - H / h = 5000 rayons - Ondispose une deuxième série de rayons suivant une développée sim laire e: diamétralement opposée à la oremière comprenant également 5000 rayons; le nombre total de rayons de la structure étant donc de - Le calcul se fera pour une hauteur unitaire de 1 mètre = Ho, et compte tenu que l'on adopte deux nappes de rayons, les coefficients A, B, C deviennent alors: A' = 1/4*(pi)* e - 13/48*b*N B' = 3/16*b*N C' = 1/4* (pi)*eo + 13/48*b*N Ainsi ic/Do3 = B'*j +C' avec: 3' = 9.375* 10-3 c' = 5.800* 10-2 ic/Do3 est voisin de 5.80*10-2 soit ic= 7.250 m4 - En l'absence de rayon: ico/Do3 est voisin d_ 2.75*10-2 et ico = 3.438 0 m4 Le volume de base de la structure sans rayons est est Vo = so*Ho = 0. 550m3 - Le volume unitaire de la structure renforcée est V = Vo + N*vr*20 avec vr = (pi)/4*(b2)*N = 2*10-5 m3 et V = 0.5540 m3 L'augmentation relative de l'inertie par mètre linéaire de la structure l15 est donc: k = ( ic/V - ico/Vo)/ (ico/Vo)*100, l'application numérique donne k = +109% Conclusion: L'inertie par mètre linéaire de structure a pratiquement doublé par l'introduction de deux nappes de rayons diamétralement opposés et non tendus. Le calcul précédent suppose une structure continue sur toute la hauteur du fu:; a'ors que celle-ci ne comporte en réalité que 2 rayons Mous les 0.10 m de hauteur de fûr (conTribution de deux nappes); le 0 coe fficient k =109 % est donc priori surrévalué. Des essais en laboracoire ou in situ permettraienz d'évaluer la correction à apporter au coefficient k. ANNEXE 2 Etude succinte sur l'asse--rvissement automatique du réglage de la tension des rayons 1 d'une structure telle que définie dans la figure n 5. On considère une structure comportant: N rayons par tour et P tours pour aboutir en haut de la structure. On note i/j le rayon o i varie de 1 à N (numéro du rayon), et o j varie de 1 à P (numéro du tour). La figure n 9 schématise la position des écrous numérotés 5 dans la figure n 2. -Hypothèses de calcul: La structure étant solidement ancrée à sa base, celle-ci est soumise à un vent constant de vitesse Vo et de direction Xo; les écrous 5 ayant subi une rotation (aij)o par rapport à une position de non serrage, on peut écrire: (aij)o = (kij)o *2*(pi) radians o (pi) = 3.14159. Cet état étant défini de telle sorte que la structure subisse un déplacement horizontal minimal, tout en restant dans les limites de déformations et de contraintes admissibles par les matériaux constituant cette structure. - On note (tij)o la matrice P*N des tensions appliquées aux rayons i/j dans l'état de référence. Si les déformations et contraintes restent relativement faibles, on peut considérer que la matrice (kij)o est proportionnelle à (tij)o; et à la sollicitation (Vo,Xo) correspond la matrice (kij)o. Si on soumet la structure à une sollicitation (V,X); l'état de déplacement minimal de la structure sera défini par la matrice (kij). -Si on note w la rotation qui fait passer de (Vo,Xo) à l'état de sollicitation (V,X): il restera à vérifier par des essais que l'on peut écrire, (kij) = V/Vo *( (w') * (kij)o) 0 o (w') est la rotation virtuelle inverse de la rotation (w) exprimée en multiple de aN ( aN étant l'angle en projection horizontale formé entre deux rayons consécutifs). REVENDICATIONS 1 ) Dispositif utilisant des structures radiales o les éléments 2 et 3 sont cylindriques et reliés entre eux par des rayons 1 de section circulaire suivant figures 1 et 2. 2 ) Dispositif suivant revendication n l; o les rayons sont disposés horizontalement; les deux fûts 2 et 3 étant disposés verticalement. 3 ) Dispositif suivant revendication n l o les rayons peuvent ne pas être disposés horizontalement, les deux fûts 2 et 3 étant disposés verticalement. ) DisDositif suivant revendication n l, 2, ou3; o les extrémités des rayons 1 décrivent des développées circulaires, suivant figure n 4. 50) Dispositif suivant revendication n 1, 2, ou 3; o les extrémités des rayons 1 décrivent des développées hélicoïdales à pas régulier ou non, suivant figure'n 5 6 ) Dispositif suivant revendication n 5, o le fût extérieur 3 peut avoir une forme tronconique suivant figure n 6. 7 )Dispositif suivant revendications n 5 ou n 6; o on adjoint une deuxième série de rayons 1, diamétralement opposée à la première série et tournant dans le même sens; de façon à réduire les contraintes indésirables dans le fût central, la figure 7 illustre une section courante de structure comportant deux séries de rayons. 8 ) Disoositif constitué de rayons 0 initialemen' tendus ou non; reliant des structures de formes diverses, par exemple: la pièce n 2 est un cylindre et la pièce n 3 est un troncône; la pièce n 2 et la pièce no 3 sont des troncônes; la liste est loin d'être exhaustive. 9 )Dispositif suivant revendications n l à 8, o on se réserve la possibilité de faire varier à volonté la tension des rayons, en jouant sur le couple de serrage de l'écrou de liaison des pièces 1 et 3.Un système constitué d'un automate programmable peut être envisagé pour asservir un tel dispositif. L'avantage est que ce dispositif pourrait répondre plus facilement à de multiples sollicitations extérieures. L'annexe 2 ci-jointe est une étude simplifiée et une approche du problème. Les figures 9 et 10 illustrent 1' exemple d'une structure o les pièces 2 et 3 sont cylindriques et o on dispose d'une seule nappe de rayons à développée hélicoïdale avec un pas constant. ) Dispositif suivant revendication n 7 o on supprime le fût central 2; les rayons étant alors remplacés par des tiges horizontales disposées suivant des diamètres, suivant les figures n 11 et 12. Dans ces figures, seul le fût extérieur vertical est conservé; les tiges diamétrales de section circulaire (D=b) sont fixées au fût par une liaison décrite dans la figure n 12 détail a; l'angle entre deux tiges consécutives étant aN avec un pas régulier h.