Brevet FR3009726A1 — publié le 20150220

La présente invention concerne un dispositif d'appui parasismique permettant à une structure massive sur châssis (équipement ou ouvrage de génie civil) d'absorber les mouvements multidirectionnels horizontaux de son support grâce à une réponse vibratoire à basse fréquence, afin d'en réduire les effets. II existe plusieurs types d'appui d'équipement ou d'ouvrage de génie civil qui permettent d'absorber les mouvements, statiques et dynamiques, imposés par leur support : appuis plans en élastomère fretté, appuis glissants plans ou sphériques, boites à ressort, etc... . Les modes principaux de vibration de la réponse de la structure sur appuis se font à des fréquences qui dépendent du rapport de la rigidité des appuis aux déplacements sur la masse de l'ouvrage sur appuis. Pour réduire les effets des sollicitations dynamiques, en particulier sismiques, de la structure, il est intéressant de chercher à obtenir une fréquence la plus basse possible, pour peu que l'ampleur des déplacements résultants reste compatible avec l'environnement de la structure. A l'exception de structures très massives, comme un bâtiment de plusieurs milliers de tonnes par exemple, il n'est pas possible de descendre sous une fréquence de 1 à 2 Hz avec les appuis existants à cause de leur limitation, du fait de leur conception, de l'ampleur des débattements. Il y a cependant besoin de disposer d'appuis permettant à une structure, de masse quelconque, de répondre dans une gamme de fréquences inférieure à 1 Hz. L'invention consiste à créer un dispositif d'appui qui d'une part libère les déplacements inertiels de la structure supportée, relativement à son support horizontal plan, d'autre part garantit un retour à l'équilibre de la structure à sa position initiale. L'appui se compose de cinq parties (cf. Figure 1 en annexe) : - une plaque inférieure (1) épaisse en forme de disque comportant en partie supérieure une cavité sphérique (2) de rayon de courbure R et dont le centre de courbure est situé sur l'axe de symétrie vertical de la plaque, la concavité étant tournée vers le haut ; des trous traversants (3) pour fixation par vis sont régulièrement disposés en périphérie de la plaque ; - une boule sphérique (4) de rayon r, strictement inférieur au rayon de courbure R de la cavité, destinée à rouler sur la surface de la cavité de la plaque précédente ; - une plaque supérieure (5) identique à la plaque inférieure mais retournée, c'est-à-dire dont la concavité est tournée vers le bas, en contact avec la boule précédente ; - un manchon de protection cylindrique souple (6) reliant les 2 plaques, destiné à empêcher toute intrusion de corps étranger pouvant affecter le contact de la boule sur les cavités ; - un fluide (7), contenu dans le volume intérieur au manchon et aux plaques inférieure et supérieur, destiné, par sa viscosité, à lubrifier les contacts de la boule sur les surfaces de roulement et à ralentir les mouvements de la boule et destiné enfin, par ses propriétés chimiques, à protéger les surfaces de roulement métalliques contre toute oxydation. La plaque inférieure de l'appui est solidarisée au support, supposé horizontal et plan, par des ancrages (8) et la plaque supérieure de l'appui est solidarisée au châssis de l'équipement (ou au radier de l'ouvrage de génie civil), supposé horizontal et plan également, par des ancrages (9). Le mouvement de la partie supérieure relativement à la partie inférieure est commandé par le roulement sans glissement de la boule sphérique intercalée entre les deux calottes sphériques. La position d'équilibre est réalisée lorsque le contact de la boule sur la calotte sphérique inférieure est au point bas de cette calotte et lorsque le contact de la boule sur la calotte sphérique supérieure est au point haut de cette calotte. Tout déplacement de la position d'équilibre se traduit par une élévation de la structure supportée qui aura ainsi tendance à revenir à sa position initiale sous l'effet de la gravité seule (cf. Figure 2). La profondeur des cavités sphériques est bien entendu inférieure au rayon de la boule, ce qui limite l'angle d'ouverture de la calotte sphérique et donc le débattement de l'appui. Le choix judicieux des rayons de courbure des cavités et de la boule permet d'obtenir la fréquence souhaitée tout en garantissant un débattement acceptable. Le mouvement libre de la structure supportée (par au moins trois appuis de ce type) possède un caractère oscillant, comme un pendule simple, grâce au va-et-vient de l'énergie mécanique totale entre énergie cinétique maximale (quand la structure supportée est au point bas) et énergie potentielle maximale (quand la structure supportée est au point haut). La fréquence fondamentale f est indépendante de la masse de la structure, car elle ne dépend que des caractéristiques géométriques de l'appui, le rayon R des cavités sphériques et le rayon r de la boule sphérique, et de l'accélération de la pesanteur g. Elle est donnée par l'expression : 1 g f = - . 2. -r[ 2. (R - r) Ainsi des cavités de rayon R=0.6 m et une boule de rayon r=0.1 m engendrent un mouvement périodique de période 2 s (soit de fréquence 0.5 Hz) environ. Le contact de la boule sphérique sur les surfaces de roulement sphériques des cavités va concentrer les efforts verticaux transmis par l'appui : pour augmenter la surface de contact et donc réduire les contraintes de contact, une certaine souplesse à l'écrasement est introduite dans les pièces en contact. Cette souplesse est introduite soit dans la constitution de la boule, soit dans la constitution des plaques supérieure et inférieure comportant les cavités sphériques, soit enfin à la fois dans la boule et dans les plaques supérieure et inférieure comportant les cavités sphériques. La souplesse de la boule sphérique à l'écrasement entre 2 points diamétralement opposés est obtenue de la façon suivante : la boule est réalisée en soudant les bords de deux coques hémisphériques en acier (10), puis le volume intérieur est rempli d'un liquide très peu compressible (11), de l'eau ou de l'élastomère par exemple, mis sous pression de manière à ajuster à la valeur désirée la souplesse globale à l'écrasement de la boule. Pour injecter le liquide et le mettre en pression, une valve intérieure aux hémisphères est prévue à cet effet, similaire aux valves pour gonfler les ballons de sport, ainsi qu'un évent. Une fois la pressurisation effectuée, l'évent et la valve sont scellés par soudure. Les cordons de soudure des deux hémisphères, de la valve et de l'évent sont ensuite meulés et leur état de surface est éventuellement douci afin de reconstituer au mieux la sphéricité des zones soudées. La souplesse à l'écrasement des plaques comportant une cavité sphérique est obtenue en constituant un empilement alterné de tôles en acier (frettes) en forme de cuvette à fond sphérique (12) et de feuillets en élastomère obtenus par vulcanisation (13). Les tôles, d'une épaisseur de 5 mm environ, initialement en forme de disque sont embouties de façon à constituer une cuvette de forme sphérique centrée sur l'axe de révolution du disque, avec une bordure annulaire plane. La surface de roulement est constituée par une de ces tôles en acier. La partie périphérique repose sur un anneau en acier (14) d'épaisseur appropriée. Une version alternative peut être proposée qui consiste à remplacer un des disques à cavité sphérique par un appui circulaire plan en élastomère fretté. Dans ce cas la fréquence f de vibration du système est plus faible et vaut : f= 1 g. (R - r) 2. Tr (2 * R - Le manchon de protection cylindrique reliant les plaques supérieure et inférieure est réalisé en élastomère. Sa souplesse au cisaillement généré par le déplacement relatif des plaques est améliorée par des ondulations (comme un compensateur à ondes). Le manchon est fixé sur les plaques à l'aide de brides serrant contre les plaques, par des boulons, les extrémités du manchon disposées en collet. Le liquide fortement visqueux injecté dans le volume compris entre les plaques supports des surfaces de roulements et l'intrados du manchon assure à la fois un amortissement du mouvement oscillant en ralentissant le déplacement de la boule par un frottement visqueux et, par ses propriétés chimiques, une protection à l'égard du risque d'oxydation des parties métalliques qu'il recouvre. Avant la mise en place définitive de l'appui, l'ensemble des disques supports de la surface de roulement et de la boule de roulement est stabilisé par des ressorts tendus dont les extrémités sont fixées sur la périphérie des disques supports des surfaces de roulement qu'ils relient. Ces ressorts sont détendus après mise en place définitive de l'appui. Ces appuis peuvent être inspectés et contrôlés in situ par mesure des oscillations libres de la structure supportée, après un lâcher par exemple (fréquence et amortissement). Ils peuvent être démontés et changés pour peu que des dispositions d'appuis provisoires aient été prévues à proximité. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à servir d'appui parasismique à des équipements ou des ouvrages de génie civil dont on souhaite qu'ils répondent aux sollicitations sismiques horizontales à basse fréquence, en particulier inférieure à 1 Hz tout en garantissant un retour à la position initiale. Par ailleurs la fréquence des vibrations libre des équipements ou structures reposant sur ce type d'appui ne dépend pas de la masse supportée, mais uniquement des caractéristiques géométriques de ses appuis. REVENDICATIONS1. Dispositif pour transférer les efforts repris par l'appui caractérisé en ce qu'il comporte une boule sphérique creuse en acier, roulant sans glisser entre les cavités sphériques, et dont la souplesse à l'écrasement est contrôlée par l'épaisseur de la coque sphérique et par le remplissage sous pression d'un liquide très peu compressible (eau, élastomère) ; le remplissage de la boule s'effectue par une valve et un évent qui sont scellés après remplissage. 2. Dispositif pour réaliser une surface de roulement sphérique à souplesse à l'écrasement contrôlée caractérisé en ce qu'il est constitué d'un empilement de tôles en acier et de feuillets en élastomère en intercalation. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les tôles en acier sont obtenues par emboutissage de manière à former une cuvette à fond sphérique et à bord annulaire plat. 4. Dispositif pour protéger les surfaces de roulement des disques supports et de la boule caractérisé en ce qu'il est constitué d'un manchon cylindrique souple en élastomère, avec ondulations, fixé en ses extrémités sur les disques supports des surfaces de roulement, par une bride sur collet. 5. Dispositif pour lubrifier les surfaces de roulement de la boule et des cavités caractérisé en ce qu'il est constitué d'un fluide visqueux (graisse, élastomère) contenu dans le volume libre intérieur au manchon et aux disques supports des cavités sphériques. 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il permet par sa viscosité d'amortir les mouvements périodiques de la boule. 7. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la protection à l'égard, de l'oxydation des parties métalliques des surfaces de roulement est assurée par les propriétés antioxydantes du fluide visqueux. 8. Dispositif de maintien des disques supports des surfaces de roulement et de la boule de roulement avant mise en place définitive caractérisé en ce qu'il comporte des ressorts tendus disposés en périphérie des disques supports et reliant les disques supports, ces ressorts étant déposés après mise en place définitive de l'appui.