Brevet FR2960253A1 — publié le 20111125

La présente invention se rapporte à une installation, par exemple une centrale nucléaire, électrique, thermique, ou analogue, une installation militaire, une installation pétrochimique et, de manière générale une installation comportant un volume dans lequel se trouve des éléments qu'il convient de protéger vis à vis notamment de tous types de projectiles dus aux vents extrêmes. Par exemple, il peut s'agir d'une centrale nucléaire qui comporte un îlot dit conventionnel, qui comporte des matériels IPS (Important Pour la Sûreté), notamment des circuits SER, des tuyauteries, des vannes, des dispositifs de mesure de niveau nécessaires à la réalimentation gravitaire de la bâche ASG, et analogues, qui se trouvent à l'extérieur de l'enceinte dans laquelle se trouve le réacteur et qui permettent une commande au moins partielle du fonctionnement du réacteur depuis l'extérieur. Dans les centrales actuelles, cet îlot conventionnel n'est pas protégé vis-à-vis des intempéries de l'extérieur et, notamment, n'est pas protégé vis-à-vis de projectiles qui peuvent être générés par des vents extrêmes, tels que des planches en bois et des tôles de bardage. On a déjà pensé à protéger ce type d'îlot conventionnel en l'enfermant dans des murs et un toit, suffisamment résistants vis-à-vis des projectiles du genre mentionnés précédemment, pour assurer la protection de l'îlot sur le long terme. Ce type de protection présente, d'une part, l'inconvénient d'être très coûteux et de prendre beaucoup de temps pour sa mise en place, le principe consistant en réalité à enfermer complètement l'îlot conventionnel dans une enceinte. En outre, comme l'îlot est enfermé, il est nécessaire de raccorder à l'électricité l'intérieur du bâtiment construit pour permettre aux utilisateurs de voir à l'intérieur de l'îlot lorsqu'ils s'y trouvent pour mettre en oeuvre le fonctionnement de la centrale depuis cet îlot, notamment en ce qui concerne la maintenance. Les travaux de construction d'un tel bâtiment pour enfermer l'îlot conventionnel, non seulement, prennent beaucoup de temps mais, également, entraînent des gênes au fonctionnement de la centrale pendant leur mise en oeuvre. Un autre système plus simple auquel on a pensé pour protéger l'îlot des intempéries, et notamment des projectiles générés par vent extrême, consiste à l'entourer par des toiles ou filets. La mise en oeuvre de tels filets est plus simple. Cependant, il est nécessaire de les disposer à grande distance périphérique autour de l'îlot conventionnel pour que le filet puisse avoir son effet d'amortissement sur le projectile, tel que la planche de bois ou la tôle de bardage. la distance doit être telle que le filet va se déployer en direction de l'îlot sans pour autant l'atteindre. On obtient ainsi pour entourer l'îlot conventionnel des filets qui s'étendent autour d'un volume très grand par rapport à l'îlot, ce que l'on souhaiterait éviter. La présente invention vise à surmonter les inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif de protection de l'îlot conventionnel, qui, dans une installation, comporte des éléments qui se trouvent à l'extérieur de la partie principale de l'installation et qu'il convient de protéger contre des projectiles dus aux vents violents, par exemple les matériels IPS dans une centrale nucléaire, qui soit de structure très simple, qui notamment ne nécessite pas de prévoir une fois installé de relier l'intérieur de l'îlot protégé par le dispositif de protection à un réseau électrique pour pouvoir y voir suffisamment à l'intérieur pour réaliser les commandes et qui, dans le même temps, n'a pas besoin de s'étendre sur un grand volume autour de l'îlot. Suivant l'invention, une installation, comportant une enceinte principale, et un îlot extérieur, qui se trouve à l'extérieur de l'enceinte, l'îlot comportant des matériels qu'il convient de protéger contre des projectiles générés par des vents violents, par exemple des matériels IPS dans une centrale nucléaire, comportant notamment des tuyauteries, des vannes et des dispositifs de niveau nécessaires à la réalimentation gravitaire de la bâche ASG et un dispositif de protection de l'îlot vis-à-vis des projectiles générés par des vents extrêmes, notamment des projectiles du type planche en bois et tôle de bardage, caractérisé en ce que le dispositif de protection est constitué d'au moins une paroi formant enveloppe autour de l'îlot conventionnel et cette paroi enveloppe est constituée au moins en partie d'un panneau en caillebotis, notamment constitué d'éléments ou barreaux électroforgés ou pressés. En prévoyant ainsi suivant l'invention de réaliser des parois de protection à l'aide de panneaux en caillebotis, qui jusqu'à maintenant était utilisé en tant que plancher et non pas en tant que paroi, on obtient à la fois un système simple à poser et qui ne nécessite pas pour autant d'être disposé à grande distance des systèmes à protéger, limitant ainsi le volume qu'il englobe. La protection conférée vis-à-vis d'éventuels objets volants est aussi bonne que celle avec les systèmes de l'art antérieur. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, la structure de protection comporte une ossature métallique traditionnelle, qui soutient les panneaux en caillebotis. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, la maille du caillebotis, le dimensionnement des barreaux du caillebotis et le dimensionnement des éventuelles ossatures métalliques sont choisis de manière à ce qu'un projectile de 50 kg ayant une section d'impact de 270 cm2, lancé à une vitesse de 100 Km/h sur la structure de protection, ne parvient pas à pénétrer dans le volume intérieur protégé ou à déformer le panneau suffisamment pour que ce dernier vienne en contact avec les éléments à protéger. De préférence, le caillebotis est en acier ou encore plus 15 préférablement en aluminium. On décrit maintenant un mode de réalisation de l'invention en prenant l'exemple d'une centrale nucléaire, et pour ce faire on se reportera aux dessins, dans lesquels : 20 la Figure 1 est une vue d'ensemble d'une partie d'un îlot conventionnel comportant des matériels IPS d'une centrale nucléaire; la Figure 2 représente un panneau en caillebotis suivant l'invention utilisé dans un dispositif de 25 protection pour protéger un îlot comme décrit à la Figure 1 ; la Figure 3 représente une autre partie d'une centrale, dans laquelle se trouvent des tuyauteries extérieures que l'on protège par un 30 dispositif de protection suivant l'invention ; la Figure 4 représente une poutre d'un caillebotis reposant sur deux appuis simples pour laquelle il est démontré par calcul qu'elle convient pour la protection conférée par un dispositif suivant l'invention ; la Figure 5 représente un poteau d'un caillebotis encastré en rive de structure pour lequel il est démontré par calcul qu'il convient pour la protection conférée par un dispositif suivant l'invention ; et la Figure 6 représente un portique d'un caillebotis simplement appuyé en pieds pour lequel il est démontré par calcul qu'il convient pour la protection conférée par un dispositif suivant l'invention. Cependant, il convient de noter que la présente invention s'applique à de nombreux autres cas, tel que des centrales électriques, thermiques ou analogues, des installation pétrochimiques, des installations militaires et en réalité toute installation dans laquelle des éléments doivent être protégés de projectiles générés par des vents violents. A la Figure 1, il est représenté une partie d'une centrale nucléaire comportant une enceinte 1 et un îlot 2 à l'extérieur. L'îlot 2 comporte des matériels 3 destinés au fonctionnement de la centrale, notamment des éléments qui se trouvent à l'intérieur de l'enceinte 1. Il y a également des tuyauteries 4 qui relient l'enceinte 1 intérieure à l'îlot 2 extérieur. Pour protéger des projectiles dus au vent violent l'îlot 2, on a prévu de disposer une enveloppe représentée en pointillés à la Figure 1 Cette enveloppe est réalisée à partir de panneaux 6 en caillebotis tels que représentés à la Figure 2. A la Figure 3, on a représenté également une autre partie d'une centrale suivant l'invention, dans laquelle se trouve des tuyauteries extérieures que l'on souhaite protéger par un dispositif suivant l'invention. Il est ainsi représenté des tuyaux 10, qui sont protégés par une casemate telle que représentée en pointillés. De la même manière qu'à la Figure 1, les puisards et vannes de la Figure 3 peuvent être protégés par la casemate en réalisant la casemate à l'aide des panneaux en caillebotis de la Figure 2. La dimension (diamètre ou section rectangulaire par exemple) des barreaux constituant le caillebotis ainsi que la dimension des mailles formées par les barreaux du caillebotis sont choisis à l'aide des calculs présentés ci dessous à titre d'exemple: La méthode retenue est une approche suivant l'Eurocode 1, partie 7, qui permet d'obtenir un effort statique équivalent après estimation de la raideur de la structure. Le choc est alors traité comme un cas de charge unitaire. Les assemblages et les pieds de poteau seront conçus de manière à représenter une certaine ductilité, l'impact de la tôle n'étant pas dimensionnant. L'impact accidentel d'un projectile (choc) est pris en compte sous la forme d'une charge statique équivalente selon la méthode détaillée à l'annexe C de l'Eurocode 1 Partie 1-7 en considérant un choc mou. La charge statique équivalente est obtenue en multipliant la charge dynamique par un coefficient R déterminé de la manière suivante . - projectile de masse m= 50 kg et de vitesse v = 27,78 m/s (100 km/h) - La rigidité élastique k de la structure k est évaluée selon la formule k = P/5 avec ô d éplacement de la structure sous l'action d'une force unitaire P au point d'impact, P étant ainsi une charge ponctuelle unitaire - La force d'interaction dynamique est donnée par Fdyn = v. (k.m) "z, - La durée de l'impact est At = (m/k) 1/Z, - La période propre Tn de la structure correspond à la charge ou masse de l'impact, - On détermine le coefficient de réduction ou d'amplification de l'effort R = 2.sin.(n.rt/Tn), - La force statique équivalente est F = Fdyn*R. La structure est ensuite justifiée sous la charge statique équivalente F. Pour ce faire des itérations sont nécessaires, car la période propre sous choc (masse ponctuelle) est fonction de la masse due à F. I L'ossature 1 - Etude d'une poutre en acier sur deux appuis simples - butons entre portiques Nous considérons la poutre de la figure 4 dans les 30 caractéristiques suivantes : Profilé : Tube carré 150x150x525 Inertie I . 10.010.000 mm4 Masse mp : 22,6 kg/ml Module de Young E : 210.000 Mpa Portée L : 2.000 mm La flèche dynamique en mm est donnée par P (l'effort statique équivalent par : fdyn = P*L3/(48*E*I)). La raideur dynamique en N/mm est donnée par : k = P/fdyn La période est donnée par la formule simplifiée suivante : Tn = 2*Racine(fdyn) ère itération En prenant une effort initial (choc) de Flinit = 6 0000 N (ou 6 tonnes) nous avons une flèche fdyn finit = 60.000*2.0003/(48*210.000*10.010.000) = 4,76 mm. 15 La raideur de la structure est K = 60.000/4,76 = 12.613 N/mm et une période propre initiale de Tnl finit = 2*Racine (4,76/1.000) = 0,139 s correspondant à la charge ou masse de l'impact. La force d'interaction dynamique est donnée par Fdyn finit 20 = v* (K*m) 1/2 = 27, 78* (1 261 3*1 000*50) 1/2 = 697565 N. La durée de l'impact est inchangée At = (m/k)'/2 = 0.002 s Le coefficient de réduction ou d'amplification de l'effort initial est R1 finit = 2*sin(7I*Llt/n) = 2*sin (7I*0, 002/0, 1 379) =0, 091 . 25 La force statique équivalent est donnée par F2 finit = init*Rinit = 63.240,5 N. OF = F2 finit - F1 init= 63.240,5 - 60.000 = 3.240,5 ou 324 kg10 ème itération En prenant une effort initial (choc) de F2init = 63.240,5 N (ou 6,32 tonnes) nous avons une flèche fdyn finit ; F2 finit = 63.240,5*2.0003/(48*210.000*10.010.000) = 5,01 mm. La raideur de la structure est évidemment inchangée K = 63.240,5/5,01 = 12.613 N/mmm et a une période propre initiale de Tn2 finit = 2*Racine (5,01/1.000) = 0,1416 s correspondant à la charge ou masse de l'impact. La force d'interaction dynamique inchangée est donnée par Fdyn finit = v* (K*m) 1/2 = 27.78* (1 2.613*1 .000*50) "2 = 473.646 N. La durée de l'impact inchangée est At = (m/k)'12 = 0,002 s Le coefficient de réduction ou d'amplification de l'effort initial est R2 finit = 2*sin(.n* At/Tn) = 2*sin(,n*0,002/0,1416) = 0,088. la force statique équivalent est donnée par F3 finit = Fdyn init*R2 finit = 61.600 N. OF = F3 finit -F2 finit = 61.600-63.240.5 = 1.640,5 N ou 164,05 kg 3ème itération En prenant une effort initial (choc) de F4init = 61.600 N (ou 6,16 tonnes) nous avons une flèche fdyn finit = 61.600*2.0003/(48*210.000*10.010.000) = 4,88 mm. La raideur de la structure est évidemment inchangée K = 61.600/4,88 = 12.613 N/mmm et a une période propre initiale de Tn2 finit = 2*Racine(4,88/1.000) = 0,1398 s correspondant à la charge ou masse de l'impact. 9 La force d'interaction dynamique inchangée est donnée par Fdyn finit = v* (K*m) 1/2 = 27, 78* (1 2.61 3*1 .000*50) 1/2 = 473.646 N. La durée de l'impact inchangée est 0t = (m/K) 1'2 5 (50/12.613.000)12 = 0,002 s Le coefficient de réduction ou d'amplification de l'effort initial est R2 finit = 2*sin(JI*0,002/0,398) _ 0,089. La force statique équivalent est donnée par F4 finit = 10 Fdyn init*R2 finit = 62.414,3 N. OF = F4 finit -F3 finit = 62.414,3 - 61.600 = 814,4 N ou 81,44 kg Les itérations peuvent être automatisées sous un tableur 15 type EXCEL. La valeur exacte de l'effort statique équivalent pour cette poutre est de F = 62.142 N et la flèche est alors de 4,93 mm. 20 En supposant que le button supporte un caillebotis de mc = 14 kg/m2 et de largeur 1m, nous avons un moment fléchissant aux ELU accidentel de : Mu = F*L/4 + (mp+mc*L')*g*L2/8 = 31.253.992 N.mm (en prenant g = 10 N/kg). 25 D'où une contrainte normale o = Mu*v/l = 31.253.992*75/10.010.000 = 234,99 Mpa AF = F3 init-F2 finit = 25.853 - 25.707,2 = 145,8 N ou 14,6 kg Les itérations peuvent être automatisées sous un tableur 5 type EXCEL. La valeur exacte de l'effort statique équivalent pour cette poutre est de F = 25.804,5 N et la flèche est alors de 28,55 mm. 10 Nous avons un moment fléchissant aux ELU accidentel de : Mu = F*L = 25.804,5*3.000 = 79.213.509*110/38.740.000 = 225,04 Mpa La durée de l'impact inchangée est At = (m/K) 1'2 (50/521.591)1/2 = 0,01 s Le coefficient de réduction ou d'amplification de l'effort initial est R2 finit = 2*sin(JI*4t/Tn) = 2*sin(f*0,01/0,41) = 0,15. La force statique équivalent est donnée par F3 finit = Fdyn init*R2 finit = 21.470 N. £F + F3 finit -F2 finit = 21.470 -21.500 = 30 N ou 3 kg Sème itération : Les itérations peuvent être automatisées sous un tableur type EXCEL en assimilant la structure à un poteau encastré avec un coefficient remplaçant le nombre 192 dans la formule de calcul de la flèche où de la raideur d'une poutre bi encastrée. Dans notre cas pour une poutre de longueur 7.750 mm et un poteau de hauteur 2.975 mm, le coefficient sera de 115,5 (f=F*L^3/115,5EI). La valeur exacte de l'effort statique équivalent pour cette poutre est de K = 24.480,5 N et la flèche est alors de 41,18 mm. Cas 1 : La détermination des contraintes est aisée. elle peut être donnée par le logiciel de calcul. Dans notre cas, en adoptant Fh = 15.000 N (1,5 tonnes), la contrainte normale maximale due à Fh est de o = 175,81 Mpa au droit de la jonction entre la traverse et le poteau. Nota : L'espacement entre les portiques étant de 2,00 m et le poids propre d'un caillebotis étant de 14 kg/m2 par exemple. La contrainte maximale en ce point induite par le poids de la traverse et du caillebotis est de o = 16,18 Mpa (au droit de la jonction entre la traverse et le poteau). Le portique est vérifié en tube carré 150x150x5. 20 Cas 2 : La détermination des contraintes est aisée. elle peut être donnée par le logiciel de calcul. Dans notre cas, en adoptant Fh = 21.500 N (2,15 tonnes), la contrainte normale maximale due à Fh est de 25 o = 195,10 Mpa au milieu de la traverse du portique. Nota : L'espacement entre les portiques étant de 2,00 m et le poids propre d'un caillebotis étant de 14 kg/m2 par exemple. La contrainte maximale en ce point induite par 30 le poids de la traverse et du caillebotis est de o = 13,98 Mpa. Le portique est vérifié en tube carré 150x150x5(en mm). Nous avons, dans cette note de calculs, justifié des structures souples de portiques de dimensions standards formé par des tubes carré 150x150x5 du commerce en Acier S235 sous l'effet d'un choc dynamique d'une planche en bois de 50 kg arrivant à 100 km/h sur cette structure. Ces calculs et cette conception sont adaptables pour des structures similaires par simple modification des sections et des portées. Les butons (poutre simplement appuyée) formés par des tubes carré 150x150x5 et de portée 2,00 m ont été également justifié sous le choc dynamique de la planche en bois de 50 kg. Les poteaux (encastrés en pieds et libres en tête) formés par des tubes carré 220x220x5 et de portée 3,00 m ont été également justifié sous le choc dynamique de la planche en bois de 50 kg. La structure étant supposée élastique et le projectile rigide, l'impact entre la planche de bois (ou la tôle de bardage) et la structure de protection est assimilable à un choc mou permettant d'ignorer les caractéristiques mécaniques du projectile et de prendre en compte principalement les caractéristiques de la structure. Pour un projectile ayant une vitesse de 100 km/h, on obtient ainsi, après calcul, pour des barres de section circulaire un diamètre de la section circulaire des barreaux d'acier compris entre 4 et 10 cm, notamment 6 cm, et un diamètre des mailles de 2 à 5 cm, notamment 3 cm. Dans le cas de barreaux de section rectangulaire, on obtient une section rectangulaire dont la longueur est comprise entre 3 et 5 cm et une largeur comprise entre 3 et 5 mm, l'espacement entre les barreaux étant compris entre 3 et 5 cm. II Le caillebotis 1 - Etude en plasticité d'un caillebotis acier simplement appuyé Nous considérons une poutre comme représentée à la figure 10 3, dont les caractéristiques sont les suivantes : Profilé : Caillebotis Acier 40x3 maille 30x30(en mm) Inertie I : 533.333 mm4 Masse mp : 39,3 kg/m2 Module de Young E : 210.000 Mpa 15 Portée L : 2.000 mm La flèche dynamique en mm est donnée par P (l'effort statique équivalent par : fdyn = P*L3/(48*E*I)) La raideur dynamique en N/mm est donnée par : K = P/fdyn La période est donnée par la formule simplifiée 20 suivante : Tn = 2*Racine(fdyn) Détermination par itération de la valeur de l'effort statique équivalent 25 Les étapes de calcul sont identiques à celles exposées au paragraphe 1 (étude d'une poutre sur deux appuis simples-butons entre portique). Les calculs par itérations sous un tableur type EXCEL donnent la valeur exacte de l'effort statique équivalent pour ce caillebotis, F= 23.378,1 N (ou 2,34 tonnes) et la flèche dynamique est alors de 34,79 mm (calcul élastique). En supposant que le caillebotis supporte son poids propre 5 de mc= 13 ,1 kg/m2 et de largeur 1 m, nous avons un moment fléchissant aux ELU accidentels de Mu= F*L/4+mc*g*L2/8= 11.885.316 N.mm (en prenant g=10N/kg). Le moment plastique que peut reprendre le caillebotis est 10 de 1,5 fois le moment élastique. Pour une contrainte limite de 235Mpa pour l'Acier de type S235 Mp = 1,5*o*I/v= 1,5*235*5.333.330/20 = 9.400.000 N.mm Mu = 9.267.298 N.mm > Me= 7.343.750 N.mm, ce qui convient.10 L'effort de poinçonnement que peut reprendre le caillebotis en considérant que la planche en bois sollicite 2 barres est de Fu = 2*(2*50*3)*235 = 141.000 N ce qui est très supérieur 5 à F = 18.403 N, et donc la planche ne traverse pas le caillebotis. REVENDICATIONS1. Installation, comportant une enceinte (1) principale et un îlot (2) extérieur, qui se trouve à l'extérieur de l'enceinte, l'îlot comportant des matériels (3 ; 4 ; 10) qu'il convient de protéger contre des projectiles générés par des vents violents, par exemple des matériels IPS dans une centrale nucléaire, comportant notamment des tuyauteries, des vannes et des dispositifs de niveau nécessaires à la réalimentation gravitaire de la bâche ASG et un dispositif (6) de protection de l'îlot vis-à-vis des projectiles générés par des vents extrêmes, notamment des projectiles du type planche en bois et tôle de bardage, caractérisée en ce que le dispositif de protection est constitué d'au moins une paroi formant enveloppe autour de l'îlot conventionnel et cette paroi enveloppe est constituée au moins en partie d'un panneau (6) en caillebotis, notamment constitué d'éléments ou barreaux électroforgés. 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la structure de protection comporte une ossature métallique traditionnelle, qui soutient les panneaux (6) en caillebotis. 3. Installation suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la maille du caillebotis (6), le dimensionnement des barreaux du caillebotis et le dimensionnement des éventuelles ossatures métalliques sont choisis de manière à ce qu'un projectile de 50 kg ayant une section d'impact de 270 cm2, lancé à une vitesse de 100 Km/h sur la structure de protection, ne parvient pas à pénétrer dans le volume intérieur protégéou à déformer le panneau suffisamment pour que ce dernier vienne en contact avec les éléments à protéger. 4. Installation suivant l'une des revendications 1 à 3, 5 caractérisée en ce que le caillebotis (6) est en acier. 5. Installation suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le caillebotis (6) est en aluminium. 10 6. Installation suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les barreaux sont en acier et ont une section circulaire de diamètre compris entre 4 et 10 cm, notamment 6 cm, et les mailles sont des carrés de 15 côté égales à 2 à 5 cm, notamment 3 cm. 7. Installation suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'il s'agit d'une centrale nucléaire et l'îlot comporte des matériels qu'il convient de 20 protéger contre des projectiles générés par des vents violents, par exemple des matériels IPS dans une centrale nucléaire, comportant notamment des tuyauteries, des vannes et des dispositifs de niveau nécessaires à la réalimentation gravitaire de la bâche ASG. 25