Brevet FR2821654A1 — publié le 20020906

La présente invention a pour objet un amortisseur ou limiteur d'efforts très importants tels que ceux encaissés par des ouvrages de génie civil lors de tremblements de terre ou de tempêtes tendant à séparer ou à disloquer deux parties de l'ouvrage, par exemple un tablier et une pile de pont. L'invention vise de façon particulière un dispositif formant amortisseur qui soit susceptible d'assurer de façon fiable et efficace l'encaissement d'un effort soudain important pour des applications telles par exemple que la résistance à la séparation, à la dislocation ou à la rupture de deux parties d'un ouvrage soumis à un séisme tel par exemple qu'un tremblement de terre ou une tempête. Le problème se pose en particulier dans le cas d'un pont constitué de parties de tablier et de piles, parties qui doivent pouvoir jouer entre elles pour permettre les dilatations des parties de l'ouvrage sous l'effet par exemple de conditions variables climatiques, notamment de température et d'ensoleillement, mais qui doivent être fermement solidarisées, c'est à dire reliées, dans le cas par exemple d'un séisme afin d'éviter l'écroulement du pont par suite d'un mouvement trop important du tablier sur des piles ou d'efforts trop importants exercés entre les piles et le tablier. En d'autres termes, dans un tel cas, il faut pouvoir disposer d'un dispositif qui permet le libre mouvement des diverses parties de l'ouvrage lorsque ce mouvement est de faible amplitude et se produit à faible vitesse, et qui limite ou amortit lorsque ce mouvement est de forte amplitude. Le problème est résolu conformément à l'invention par la conception d'un amortisseur ou limiteur d'effort qui se caractérise en ce qu'il se présente sous la forme d'au moins un piston coulissant dans un cylindre, le corps du cylindre et la tige du piston étant solidaires chacun respectivement des deux parties à relier entre elles de l'ouvrage, la tige de piston comportant au moins une tête de piston qui peut coulisser en frottement dans le cylindre, la force d'application de la portée de la tête de piston sur la face intérieure du cylindre étant réglée en exerçant une pression d'un fluide à l'intérieur de la tête de piston tendant à déformer sa paroi annulaire extérieure et à l'appliquer avec une force qui peut être déterminée contre la paroi intérieure correspondante du cylindre. Dans un tel amortisseur, un effort qui se développe de façon lente, comme par exemple un effort très important provenant d'une dilatation ou d'une rétraction faisant suite à une variation de température, conduit à un glissement normalement guidé par exemple du tablier sur les piles d'un pont, sans que l'amortisseur de type à frottement s'y oppose de façon importante, le glissement entre la tête de piston et la paroi interne du cylindre se produisant sans développer d'énergie importante si la pression du fluide est réglée suffisamment basse. Au contraire de cela, en cas de séisme, l'amortisseur va être sollicité de façon que la tête de piston coulisse à l'intérieur de la paroi du cylindre, et ce mouvement va être freiné et l'effort va être encaissé de façon très efficace du fait de la friction importante qui est alors développée lorsque, dans de telles conditions, la pression de fluide est ajustée à un niveau suffisamment élevé et convenablement déterminé, fonction de l'ouvrage à stabiliser, et des caractéristiques propres de construction de l'amortisseur. Selon une autre caractéristique de l'invention on utilise, en tant que fluide pour exercer une pression à l'intérieur de la tête du piston, un fluide hydraulique maintenu sous une pression déterminée. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la tête de piston se présente sous la forme d'un noyau au centre duquel est amené le fluide sous pression et à la périphérie duquel se trouve au moins une partie annulaire dans laquelle est amené le fluide sous pression et qui sous l'action de la pression du fluide est susceptible de se déformer en expansion et d'être appliquée sous forte pression contre la surface intérieure de la paroi annulaire correspondante du cylindre. Selon une caractéristique importante de l'invention la paroi du cylindre est formée en acier et extrêmement rigide, et le piston est au moins en partie également constitué en acier ou matériau de résistance équivalente. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 montre de façon schématique l'ensemble d'un amortisseur conçu selon l'invention. La figure 2 montre en perspective de façon schématique et en vue éclatée un mode de réalisation de la tête de piston d'un amortisseur conçu selon l'invention. La figure 3 est une vue en demi coupe axiale avec arrachements faite à travers l'amortisseur au niveau du cercle entouré H) à la figure 1. La figure 4 montre en coupe axiale avec arrachement et à plus grande échelle le détail entouré IV à la figure 3. La figure 5 montre de façon schématique comment peut se faire la déformation sous l'effet de la pression qui vient appliquer contre la paroi interne du cylindre la paroi externe déformable de la tête de piston. La figure 6 montre comme la figure 4 une variante de réalisation de la partie déformable de la tête de piston. En se reportant tout d'abord à la figure 1, on décrira de façon générale la constitution et le fonctionnement d'un amortisseur conçu selon l'invention. L'amortisseur comprend essentiellement un cylindre référencé dans son ensemble 1 dans lequel coulisse un piston référencé dans son ensemble 2 qui comporte essentiellement une tête de piston 3 et une tige de piston 4. La tête de piston 3 comporte un anneau de friction schématisé par un rectangle 5 barré d'une croix qui, comme il sera expliqué plus en détail cidessous, est en quelque sorte gonflable sous l'effet d'une pression de fluide qui peut lui être appliquée. La disposition est avantageusement complétée par un guidage de type classique schématisé en 6, qui ne sera pas davantage décrit. Dans l'exemple illustré, l'amortisseur présente à chacune de ses extrémités une bride respectivement 7,8, percée d'un trou respectivement 9,10 qui permettra de fixer chaque extrémité de l'amortisseur aux deux parties correspondantes de l'ouvrage qui doivent être reliées. Bien entendu, la direction d'axe x'x du dispositif amortisseur est choisie de façon à correspondre autant que faire se peut à la direction de l'effort qui doit être encaissé, soit en traction, soit en compression. Comme schématisé aux dessins, la tige de piston 4 est creuse et comporte intérieurement une conduite 11 qui est reliée à son extrémité débouchant hors de l'amortisseur dans un réservoir 12 qui contient un fluide 13 qui peut être mis sous pression par l'utilisation d'un gaz 14. Comme il sera expliqué plus loin, les pressions d'application envisagées peuvent varier dans de larges proportions, en fonction de l'application envisagée, de la structure et des dimensions de l'amortisseur, et couramment avantageusement entre 50 et 500 bars. En se reportant maintenant à la figure 2, on a montré de façon schématique une manière de réaliser la tête de piston 3. Sur cette figure, on retrouve la canalisation 11 d'amenée à l'intérieur de la tige 4 de piston d'un fluide hydraulique 13. La tête de piston 3 comporte un corps central 15 qui communique par des trous perforés radialement 16 avec des volumes 17 formés dans des bagues annulaires 18 (voir également figures 3 et 4). Dans l'exemple illustré, trois bagues annulaires 18,18'et 18"sont prévues, qui présentent chacune une section transversale sensiblement en forme de U, à branches courtes, ouvert vers l'intérieur (en direction de la chambre qui enferme le volume 17). Dans l'exemple illustré schématisé aux figures 2 et 3, les anneaux de friction 18,18'et 18"sont constitués par une paroi en acier qui peut avoir quelques millimètres d'épaisseur et qui porte extérieurement un revêtement d'un matériau de friction approprié, tel que celui connu sous le nom de marque Ferodo ou un polytétrafluoréthylène chargé de particules métalliques. Tandis que la paroi des chambres annulaires gonflables 18,18'et 18"sont relativement minces, la paroi extérieure 19 du cylindre 1 est très épaisse et très rigide réalisée par exemple en acier de un à quelques centimètres d'épaisseur. Bien entendu, plus le diamètre de l'amortisseur sera important, plus sera importante l'épaisseur de la paroi 19 du cylindre 1. En se reportant à la figure 4, on a illustré à plus grande échelle comment pouvait être réalisées les bagues annulaires telles que 18 et 18'. Comme schématisé à la figure 5, la force de friction des bagues annulaires 18, 18', etc. sur la face intérieure de la paroi 19 peut être obtenue simplement par déformation sous l'effet de la pression P du fluide 13 qui dilate la bague annulaire. Cette dilatation peut éventuellement être favorisée en prévoyant dans chaque partie annulaire une coupure pour favoriser l'expansion de ladite partie sous l'effet de la pression d'application, en prévoyant un léger recouvrement au niveau de cette coupure pour réaliser l'étanchéité. À la figure 4, on aperçoit également schématisés en 20, des logements pour des garnitures d'étanchéité (non représentées). À la figure 4, on a montré que la bague 18 avait une épaisseur relativement constante, par exemple de 10 à 15 mm, tandis que la bague 18'présentait une paroi annulaire plus mince par exemple de seulement 5 mm. L'épaisseur de la paroi 19 du cylindre extérieur était d'au moins 3 cm dans l'exemple choisi. En prenant un piston présentant un diamètre extérieur de 550 mm, en prenant pour constituer les bagues annulaires des bagues en acier de 10 à 20 mm d'épaisseur, pour obtenir un effet transversal de 1000 kN avec un coefficient de frottement de 0,35, on doit développer un l'effort radial Fn pour un élément de 300 mm de largeur (largeur de la bague) de 2850 kN avec une pression intérieure de l'ordre de 200 bars. Bien sûr l'effort radial varie en fonction de la pression (et peut donc être ajusté à volonté, dans les limites techniques autorisées), en fonction du coefficient de frottement retenu, mais qui restera avantageusement relativement faible, par exemple compris entre 0,15 et 0,5 de façon à éviter un blocage significatif ou grippage au repos qui empêcherait la libre dilatation sous l'effet des variations de la température des parties reliées entre elles par l'amortisseur. Dans l'exemple illustré, on utiliserait avantageusement en tant que matériau de friction sur le piston un composé du type polytétrafluoréthylènelmétal, tandis que le tube extérieur serait réalisé en acier avec un revêtement chrome dur. Dans l'exemple de dimensions indiquées, le gonflement diamétral serait de l'ordre de 1/10 mm à 2 mm. Selon la variante de réalisation illustrée à la figure 6, les bagues annulaires 18,18', etc. ont été remplacées par des bagues annulaires 28, 28', etc., tournées en quelque sorte dans l'autre sens, c'est-à-dire avec l'ouverture dirigée vers l'extérieur. Les chambres ainsi constituées 17'qui vont être envahies par le fluide 13 sous pression sont fermées à leur périphérie par une bague annulaire plate 29,29', etc. qui sous l'effet de la pression du fluide 13 va se dilater en appliquant une pression plus ou moins forte sur la face intérieure de la paroi 19 du cylindre extérieur. Des garnitures d'étanchéité 21,22 complètent avantageusement le montage. Là encore, si l'on veut favoriser la dilatation des bagues 29, 29', etc., on peut prévoir une coupure desdites bagues avec un chevauchement des extrémités de la coupure. La possibilité de prévoir selon la construction de l'invention plusieurs chambres annulaires en succession permet, entre autres, une modularisation de la construction. En outre, du fait de la possibilité d'accéder depuis l'extérieur à la conduite 11 d'amenée du fluide sous pression à l'intérieur de l'amortisseur, il est possible à tout moment de vérifier le bon fonctionnement du système, et en particulier qu'il n'est pas grippé en ramenant la pression à une pression inférieure de façon à vérifier simultanément que sous l'effet d'un effort pas trop important correspondant à cette pression inférieure le dispositif fonctionne de façon effective. Au lieu de maintenir une pression déterminée au moyen d'un réservoir, tel que le réservoir 12, on peut imaginer que le système comporte un autre dispositif, pour maintenir, ou pour exercer à des moments déterminés souhaités, à l'intérieur de l'amortisseur la pression déterminée choisie ; un tel dispositif peut, par exemple être un système à ressort, un système à déclenchement instantané, par exemple pyrotechnique, une centrale de fourniture de fluide sous pression, etc.. Dans ce cas, l'amortisseur peut, à volonté, en fonction de la commande qui lui est appliquée, laisser pratiquement libres de se déplacer, les parties de l'ouvrage qui sont reliées par l'amortisseur, ou au contraire les relier fermement si le dispositif de formation de la pression du fluide est actionné. REVENDDICATIONS 1. Amortisseur ou limiteur d'efforts très importants tels que ceux encaissés par des ouvrages de génie civil, lors de tremblements de terre ou de tempêtes, tendant à séparer ou à disloquer deux parties de l'ouvrage, par exemple un tablier et une pile de pont, caractérisé en ce qu'il se présente sous la forme d'au moins un piston (2) coulissant dans un cylindre (1), le corps du cylindre et la tige (4) du piston étant solidaires chacun respectivement des deux parties à relier de l'ouvrage, la tige de piston comportant au moins une tête (3) de piston qui peut coulisser en frottement dans le cylindre, la force d'application de la portée de la tête de piston sur la face intérieure du cylindre étant réglée en exerçant une pression d'un fluide (13) à l'intérieur de la tête de piston tendant à déformer sa paroi annulaire (18,18', 18" ; 29, 29') extérieure et à l'appliquer avec une force qui peut être déterminée contre la face intérieure de la paroi (19) correspondante du cylindre. 2. Amortisseur ou limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise en tant que fluide pour exercer une pression à l'intérieur de la tête du piston un fluide maintenu sous une pression déterminée, fixe. 3. Amortisseur ou limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise en tant que fluide pour exercer une pression à l'intérieur de la tête du piston un fluide maintenu sous une pression déterminée, qui peut être commandée de façon variable, en fonction des circonstances. 4. Amortisseur ou limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de piston se présente sous la forme d'un noyau (15) à l'intérieur duquel est amené le fluide sous pression et à la périphérie duquel se trouve au moins une partie annulaire (18,18', 18" ; 29, 29') dans laquelle est amené le fluide sous pression et qui sous l'action de la pression du fluide est susceptible de se déformer en expansion et d'être appliquée sous forte pression contre la surface intérieure de la paroi (19) correspondante du cylindre. 5. Amortisseur ou limiteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque partie annulaire (18, 18', 18" ; 29, 29') peut comprendre au moins une coupure pour favoriser l'expansion de ladite partie sous l'effet de la pression d'application. 6. Amortisseur ou limiteur selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que plusieurs parties annulaires (18,18', 18" ; 29,29') sont montées en succession sur le noyau. 7. Amortisseur ou limiteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la paroi (19) du cylindre est formée en acier et extrêmement rigide, et le piston (2) est au moins en partie également constitué en acier ou en un matériau de résistance équivalente. 8. Amortisseur ou limiteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les surfaces de friction en regard cylindre/piston présentent un coefficient de frottement avantageusement compris entre 0,15 et 0,5. 9. Amortisseur ou limiteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif, pour maintenir ou exercer à des moments souhaités à l'intérieur de l'amortisseur la pression déterminée choisie, tel par exemple qu'un réservoir (12) sous pression de gaz, un système à ressort, un système à déclenchement instantané, par exemple pyrotechnique, une centrale de fourniture de fluide sous pression.