Brevet FR2930624A1 — publié le 20091030

Procédé d amélioration de la tenue au flambage des structures tubulaires Les structures tubulaires sont très largement employées, dans des domaines aussi divers que le bâtiment, le génie civil, la construction navale, le développement d'infrastructures telles que pylônes ou éoliennes. Le procédé sera décrit dans ce qui suit sous la forme d'une application aux mâts de navires à voile, sans que cela doive apparaître comme limitatif. La résistance à la flexion et au flambage des mâts de voiliers, tout particulièrement des grands monocoques et multicoques, est obtenue au moyen de l'emploi de matériaux à hautes performances, tels que les matériaux composites verre - époxy ou carbone - époxy ainsi qu'au moyen de profils à forte inertie de section. On sait maîtriser les contraintes de compression statiques supportées par les structures. Les contraintes dynamiques de compression et/ou de flexion, comme par exemple les violents mouvements d'un gréement sous l'effet des rafales de vent et des vagues, sont plus difficilement modélisables et peuvent, en s'ajoutant aux contraintes statiques, conduire à la ruine de la structure par flambage, c'est-à-dire par un excès local de contraintes de compression au sein du matériau constituant les parois du mât.25 Le brevet américain n°5 555 678 décrit une colonne dont la haute résistance au flambage est obtenue au moyen d'un tube rempli d'un fluide à une pression telle que les contraintes de traction ainsi générées dans les parois du tube s'opposent aux forces de compression susceptibles de conduire au flambage. Toutefois, ce brevet n'évoque que le cas de chargement simple dans lequel la colonne n'est soumise qu'à des forces de compression longitudinales qui s'appliquent exclusivement à ses extrémités. Or, un mât de voilier subit à la fois des efforts de compression et des efforts de flexion, ces efforts étant repris sur toute la longueur du mât, par l'intermédiaire des points d'accrochage de l'accastillage du mât. Le procédé selon l'invention consiste à générer lors du processus de fabrication des mâts de voiliers une précontrainte de traction s'exerçant de manière permanente et définitive au sein du matériau, d'une intensité telle qu'en tout point de la structure, la résultante de la contrainte de traction obtenue initialement lors du processus de fabrication et de la contrainte de compression due à la charge subie par la structure reste toujours une contrainte de traction, éliminant par là le risque de flambage. Cette précontrainte de traction est générée par la pressurisation, au moyen d'un gaz préférentiellement neutre, 25 du volume interne de la structure tubulaire. L'étanchéité est assurée par les moyens traditionnellement mis en œuvre dans la fabrication des réservoirs sous pression , à savoir notamment la soudure dans le cas des structures métalliques, ou la mise en œuvre de matériaux composites autour d'un film d'étanchéité (liner) comme lors du processus de fabrication de bouteilles d'air comprimé équipant certains dispositifs respiratoires. A titre d'exemple non limitatif est présentée ci-dessous l'application du procédé selon l'invention au mât d'un voilier de compétition, les chiffres cités l'étant simplement à titre d'illustration. Classiquement, un tel mât peut atteindre une hauteur de 30 mètres. Il présente en section une forme profilée grossièrement elliptique, dont le grand axe peut atteindre 1m50, et le petit axe 1m. Ses parois ont une épaisseur voisine de 20 millimètres. On ménage, à l'intérieur d'une telle structure une chambre cylindrique d'un diamètre de l'ordre 1 mètre qui est portée à l'aide des dispositifs d'étanchéité adéquats à une pression de gaz voisine de 10 bars. Cette pression génère dans la structure du mât une force longitudinale de traction voisine de 750000 newtons, soit 75 tonnes, très supérieure à toutes les contraintes de compression qu'est susceptible de subir le mât, même dans des conditions les plus extrêmes de chargement dues aux rafales de vent et aux mouvements du bateau. La contrainte longitudinale de traction est absorbée conjointement par la chambre pressurisée (1), ainsi que par les profils aérodynamiques (2) et (3). Les parois de la chambre pressurisée (1) doivent supporter la contrainte tangentielle due à la pression dans ladite chambre (1). Ceci peut s'obtenir facilement au moyen d'un procédé de bobinage d'un matériau tel qu'un composite fibre de carbone-époxy, couramment utilisé en construction nautique. Sur 'exemple donné plus haut d'une chambre (1) d'un diamètre de 1 m pressurisée à 10 bars, la force à laquelle doit résister le bobinage de carbone est de 50 kg par millimètre de hauteur de mât. En admettant une charge de rupture de 300 Mpa, soit 30 kg/mm2 pour le composite carbone-époxy, une épaisseur supérieure à 1,6 mm apparaît suffisante. Selon un mode de réalisation préférentiel, le mât est constitué d'une chambre cylindrique (1) courant sur toute la hauteur du mat. Cette chambre est conçue pour être pressurisée au moyen d'un gaz préférentiellement inerte tel que l'azote. L'étanchéité est assurée sur la longueur de la chambre, ainsi que dans ses parties haute et basse par tout moyen adapté à cette fonction, par exemple au moyen d'une chambre à air en néoprène ou en matériau viscoélastique anti-vibrations doublant la paroi intérieure de la chambre. Le remplissage en gaz, les compléments de pressurisation éventuellement nécessaires s'opèrent à l'aide des dispositifs traditionnellement utilisés tels que valves et manomètres. La structure du mât est complétée par au moins une des deux parois profilées formant avec la paroi de la chambre (1) les deux chambres (2) et (3). Leur rôle est de protéger la chambre pressurisée (1) des chocs et des agressions extérieures, d'optimiser l'aérodynamique du mât, de supporter les pièces d'accrochage des étais et haubans servant à maintenir le mât, et de servir de protection aux passages de drisses et câblages électriques divers. Elle permet d'éviter tout perçage de la chambre cylindrique, peu compatible avec la contrainte d'étanchéité. La figure jointe illustre l'invention. Elle représente en 15 coupe une partie d'une structure de mât. L'invention est susceptible d'applications notamment dans les domaines de la navigation à voile, de la construction d'éoliennes, et plus généralement de la construction et du génie civil. 20 REVENDICATIONS1) Structure tubulaire, caractérisée en ce qu'elle comporte une chambre cylindrique (1) pressurisée au moyen d'un gaz, et d'au moins une chambre (2)/(3) enveloppant en totalité ou en partie la chambre cylindrique. 2) Structure tubulaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure de chambre cylindrique pressurisée est équipée d'un doublage souple destiné à étancher la chambre (1). 3) Structure tubulaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que le doublage souple est constitué d'un matériau viscoélastique. 4) Structure tubulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (1) est équipée de dispositifs de remplissage en gaz. 5) Structure tubulaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre (1) est équipée d'un dispositif permettant le contrôle de sa pression interne.