Brevet FR3059747A1 — publié le 20180608

AMORTISSEUR DYNAMIQUE ACCORDE La présente invention concerne un amortisseur dynamique accordé (encore appelé TMD, pour « Tuned Mass Damper » en anglais). De tels amortisseurs sont utilisés pour atténuer les vibrations d'une structure dans une plage restreinte de fréquences autour de la fréquence de résonance de la structure. Ces systèmes fonctionnent sur le principe de cycles de transferts entre énergies cinétique et potentielle, et d'une dissipation, notamment visqueuse, de l'énergie cinétique à chaque cycle. Le principe a été appliqué initialement dans le brevet US 989 958 par H. Frahm en 1909 pour réduire les oscillations d'un navire. Depuis, un grand nombre d'amortisseurs ont été proposés. Certains, tel celui divulgué dans la publication CN 205153175, mettent en oeuvre une première masse inertielle, mobile en translation, et une deuxième masse inertielle mobile en rotation autour d'un axe de rotation fixe, et dont le mouvement de rotation est commandé par une crémaillère se déplaçant avec la première masse inertielle. De tels amortisseurs sont limités à l'amortissement de vibrations verticales. Il a été proposé dans la publication CN 203034632 un amortisseur comportant un volant d'inertie muni de pignons, mobile en rotation sur une double crémaillère, entre lesquelles le volant se déplace. Ainsi, le déplacement le long de la crémaillère du volant d'inertie s'accompagne d'une rotation de celui-ci sur lui-même, ce qui permet d'augmenter l'énergie cinétique en cumulant l'énergie cinétique dite de « translation », liée au déplacement le long de la crémaillère, et l'énergie cinétique de rotation du volant sur lui-même. Cet amortisseur est limité à l'amortissement de vibrations unidirectionnelles. On connaît également des amortisseurs dits « pendulaires ». De tels amortisseurs comportent une masse inertielle reliée par des suspentes à un bâti fixe lié à la structure dont on cherche à amortir les vibrations, et un système d'amortissement des oscillations. Des exemples d'amortisseurs pendulaires sont décrits dans CN204458973U, CN103132628A, CN202954450U. US 2013/0326969 divulgue un amortisseur pendulaire dans lequel l'amortissement du mouvement pendulaire de la masse inertielle est obtenu par des freins électromagnétiques à courants induits, afin de générer de l'électricité. Les suspentes sont 3059747 2 reliées au bâti fixe par des articulations configurées pour faire tourner des disques d'induit soumis à un champ magnétique. Les disques d'induit sont de très faible inertie et participent de façon négligeable à l'accumulation d'énergie cinétique de rotation, comparativement à l'énergie cinétique générée par la masse effectuant le mouvement 5 pendulaire. Dans les tours de grande hauteur notamment, où la surface de plancher utile coûte cher, un compromis doit être trouvé entre l'efficacité de l'amortisseur et son volume. La présente invention vise ainsi à perfectionner encore les amortisseurs dynamiques accordés et plus particulièrement les amortisseurs pendulaires. 10 L'invention y parvient grâce à amortisseur dynamique accordé pendulaire, comportant : - un ensemble de suspentes à relier de façon articulée à un bâti fixe, - un bâti mobile porté par les suspentes, - au moins une masse inertielle portée par le bâti mobile ou par le bâti fixe, 15 - un système d'entraînement de la masse inertielle configuré pour transformer une variation de l'angle d'au moins une suspente par rapport au bâti mobile ou au bâti fixe en un mouvement relatif de la masse inertielle par rapport au bâti qui la porte. Le mouvement relatif de la masse inertielle par rapport au bâti qui la porte est de préférence un mouvement de rotation. 20 L'invention permet d'accroître l'énergie cinétique globale en ajoutant l'énergie cinétique liée au déplacement du pendule, celle du mouvement de la masse inertielle relativement au bâti qui la porte, notamment celle de rotation de la masse inertielle sur elle-même. De préférence, la masse inertielle est portée par le bâti mobile. 25 On peut ainsi diminuer le poids de la masse inertielle sans diminuer l'énergie cinétique globale par rapport à une masse inertielle fixe par rapport au bâti mobile, et diminuer le poids du pendule, ce qui facilite sa mise en place en haut d'une tour de grande hauteur notamment. Le système d'entraînement comporte avantageusement un mécanisme 30 démultiplicateur. Ainsi, une faible variation angulaire des suspentes peut être convertie en un mouvement de rotation de la masse inertielle sur elle-même significatif 3059747 3 Le système d'entraînement peut comporter un engrenage menant, guidé en rotation relativement au bâti mobile, et auquel est accrochée une suspente. Cet engrenage menant peut engrener avec un engrenage mené, guidé en rotation par le bâti mobile et tournant avec la masse inertielle. 5 En variante, le système d'entraînement comporte au moins une crémaillère. Cette dernière est par exemple accrochée à ses extrémités à des suspentes. Le système d'entraînement peut comporter un pignon tournant avec la masse inertielle et engrenant sur la crémaillère. Dans un exemple de mise en oeuvre, l'amortisseur comporte un pignon 10 engrenant sur la crémaillère et entrainant par le biais d'un mécanisme adapté, notamment d'un renvoi à engrenages coniques, la masse inertielle, cette dernière ayant de préférence un axe de rotation vertical lorsque l'amortisseur est au repos. L'amortisseur peut notamment comporter deux crémaillères parallèles et une paire de pignons engrenant sur ces crémaillères et couplés à un même arbre d'entraînement 15 de la masse inertielle. Dans un autre exemple de mise en oeuvre, le bâti mobile comporte un premier et un deuxième châssis, les suspentes étant accrochées au premier châssis et étant couplées au deuxième châssis de telle sorte qu'un mouvement angulaire des suspentes par rapport à la verticale s'accompagne d'un déplacement du deuxième châssis relativement au premier. 20 La masse inertielle est reliée aux châssis de telle sorte que le mouvement relatif des châssis l'un par rapport à l'autre s'accompagne d'un mouvement de rotation de la masse inertielle relativement aux châssis. La masse inertielle peut être reliée par des rotules aux châssis. L'amortissement des mouvements de la masse inertielle ainsi que de ceux du bâti mobile peuvent s'effectuer de diverses façons, en cherchant ou non à récupérer 25 l'énergie cinétique de façon à produire de l'électricité. Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, l'amortisseur dynamique accordé comporte un ou plusieurs amortisseurs visqueux, lesquels peuvent être disposés de diverses façons selon la structure de l'amortisseur. Par exemple, les châssis inférieur et supérieur précités sont reliés par des amortisseurs visqueux. 30 Dans des exemples de mise en oeuvre de l'invention, l'amortisseur dynamique accordé comporte au moins un frein à frottement ou à induction. 3059747 4 L'amortisseur peut être unidirectionnel mais de préférence il est bidirectionnel. Il peut comporter deux masses inertielles au moins, tournant autour d'axes de rotation respectifs perpendiculaires entre eux, ou en variante coaxiaux et orientés verticalement lorsque l'amortisseur est au repos. 5 Dans des variantes de réalisation, l'amortisseur dynamique accordé comporte quatre volants d'inertie, les volants d'inertie diamétralement opposés tournant autour d'axes de rotation parallèles. Le poids de la masse inertielle peut être tel que le rapport ECR/ECT de l'énergie cinétique nominale de la masse inertielle en rotation sur elle-même à l'énergie 10 cinétique nominale en translation soit compris entre 0,4 et 100, mieux entre 0,4 et 10. L'amortisseur dynamique accordé est normalement prévu pour fonctionner pour des charges de vent, sismiques ou autres, relativement fréquentes, pour lesquelles on cherche à maintenir un niveau de confort donné, voire à garder un niveau de contrainte en dessous d'une certaine limite. Dans le cas de tours de grande hauteur, l'amortisseur 15 dynamique accordé peut être mis en butée à cause de conditions exceptionnelles de vents, sismiques ou autres, qui sont rares. Par « nominale », il faut comprendre dans les conditions normales d'utilisation de l'amortisseur, c'est-à-dire entre les sollicitations minimale et maximale d'emploi. La sollicitation maximale peut correspondre à une sollicitation limite avant une mise en butée contre un système de protection relatif aux 20 sollicitations accidentelles. Un rapport compris entre 0,4 et 10 est préféré pour des masses conséquentes, typiquement supérieures à 103 kg' La masse inertielle peut être de poids supérieur ou égal à 102 kg, mieux à 5.102 kg, encore mieux à 103 kg. 25 L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un ouvrage de génie civil, notamment une tour ou une passerelle, équipée d'un amortisseur selon l'invention, tel que défini ci-dessus. L'invention a encore pour objet un procédé pour réduire l'amplitude des oscillations d'un ouvrage de génie civil, notamment une tour ou une passerelle, à l'aide 30 d'un amortisseur tel que défini ci-dessus, dans lequel on permet au bâti mobile d'osciller de façon pendulaire de façon à réduire l'amplitude des oscillations de l'ouvrage. 3059747 5 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 représente de façon schématique et partielle, en perspective, un 5 exemple d'amortisseur dynamique accordé selon l'invention, - les figures 2 à 4 sont des vues analogues à la figure 1 de variantes de réalisation, - la figure 5 représente un détail du système d'entraînement des volants d'inertie de l'amortisseur de la figure 4, 10 - la figure 6 est une vue analogue à la figure 1 d'une autre variante de réalisation, et - la figure 7 représente un détail de réalisation de l'amortisseur de la figure 6. On a représenté à la figure 1 un amortisseur dynamique accordé 1 selon l'invention, comportant un ensemble de suspentes 10, au nombre de quatre dans l'exemple 15 considéré. Les suspentes 10 sont accrochées de façon articulée à leur extrémité supérieure 11 à un bâti fixe 2 de l'ouvrage équipé de l'amortisseur, par exemple une tour d'habitations et/ou de bureaux de grande hauteur. Elles supportent à leur extrémité inférieure 12 un bâti mobile 20 qui porte quatre masses inertielles 30 sous la forme de volants d'inertie, pouvant 20 tourner chacun sur eux-mêmes relativement au bâti mobile 20. Dans l'exemple considéré, l'amortisseur 1 comporte deux volants d'inertie 30a diamétralement opposés, tournant autour d'axes de rotation X parallèles entre eux, et deux autres volants d'inertie 30b également diamétralement opposés et tournant autour d'axes de rotation Y parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe X. 25 Le bâti mobile 20 comporte des poutres 21 qui s'étendent entre les volants 30 et qui supportent des paliers guidant en rotation des arbres tournant avec les volants d'inertie 30 correspondants. Dans l'exemple considéré, chaque arbre qui assure le montage en rotation d'un volant correspondant sur le bâti 20 porte un pignon 33. 30 Chacune des suspentes 10 est reliée à son extrémité inférieure 12 à une roue dentée 26, l'articulation de la suspente sur cette roue étant excentrée par rapport à l'axe de rotation de la roue. Chaque roue dentée 26 engrène avec un pignon 33 correspondant. 3059747 6 Ainsi, l'oscillation pendulaire du bâti mobile 20 avec les volants d'inertie 30 s'accompagne d'une variation de l'angle de l'axe longitudinal des suspentes 10 par rapport au bâti mobile 20 et d'une rotation d'une ou plusieurs des roues 26 relativement au bâti 20. Cette rotation entraîne celle du volant d'inertie correspondant par l'intermédiaire du 5 pignon 33 qui engrène sur la roue 26. L'oscillation de l'amortisseur s'accompagne donc d'une rotation des volants d'inertie 30 et d'une accumulation d'énergie cinétique en rotation, en plus de celle liée au mouvement d'oscillation pendulaire. On peut réaliser les roues 26 et les pignons 33 correspondants de façon à 10 obtenir un facteur de démultiplication supérieur à 1 afin d'accroître la vitesse de rotation des volants et l'énergie cinétique de rotation. Chaque volant 30 peut être associé, comme illustré, à un moyen de freinage de type visqueux de sa rotation, c'est-à-dire exerçant un couple de freinage qui est d'autant plus important que la vitesse de rotation est élevée. Par exemple, comme illustré, chaque 15 volant est associé à un disque de frein à induction 40. Dans la variante illustrée à la figure 2, le bâti mobile 20 porte une unique masse inertielle 30 sous la forme d'un volant d'inertie, tournant autour d'un axe de rotation X. Le volant d'inertie 30 tourne avec deux pignons 33 disposés à chacune de ses 20 extrémités axiales, qui engrènent chacun sur une crémaillère correspondante 50 s'étendant entre deux suspentes 10 et couplée à ces dernières à l'aide d'attaches 52. Ainsi, une oscillation pendulaire de l'amortisseur 1 dans un plan perpendiculaire à l'axe X s'accompagne d'une variation de l'angle des suspentes 10 par rapport au bâti mobile et d'un déplacement des crémaillères 50 relativement au bâti, qui 25 provoque la rotation du volant d'inertie 30 autour de l'axe X. Le volant d'inertie 30 peut être équipé d'un disque de frein, par exemple inductif ou par frottement, de façon à dissiper l'énergie cinétique de rotation. Le bâti mobile 20 peut être réalisé avec de chaque côté du volant 30 deux poutrelles 61 et 62 parallèles espacées, entre lesquelles est disposé le pignon 33 30 correspondant. L'exemple de la figure 2 est unidirectionnel. 3059747 7 La variante de la figure 3 est bidirectionnelle, comportant un bâti mobile 20 comportant un cadre à l'intérieur duquel sont disposés quatre masses inertielles 30 sous la forme de volants d'inertie, associés chacun à un pignon 33 et à une crémaillère 50, ces dernières étant disposées respectivement le long des quatre côtés du cadre du bâti mobile 5 20. Ce dernier peut comporter comme illustré deux poutrelles 65 en croix, réunies en leur milieu et se raccordant respectivement aux quatre coins du cadre du bâti 20. Les volants d'inertie 30 peuvent avoir, comme illustré, chacun une forme généralement tronconique, convergeant vers le centre du bâti 20. Chaque volant 30 peut être équipé d'un frein 40, par exemple inductif ou à frottement. 10 Dans la variante de réalisation illustrée à la figure 4, l'amortisseur 1 comporte deux volants d'inertie 30 qui sont coaxiaux et qui tournent autour d'un axe de rotation Z qui est vertical lorsque l'amortisseur est au repos. Le système d'entraînement des volants 30 comporte comme dans l'exemple de réalisation de la figure 3 quatre crémaillères 50 qui relient chacune deux suspentes 15 adjacentes 10 en étant accouplées à celles-ci, de telle sorte qu'une oscillation du bâti mobile 20 s'accompagne d'un déplacement des crémaillères 50 parallèlement aux côtés correspondants du bâti 20. Le mouvement des crémaillères 50 est transmis aux volants d'inertie 30 par des pignons 33. Deux pignons opposés sont reliés par un arbre 70a et les deux autres par un 20 autre arbre 70b croisant le premier. Les pignons 33 sont guidés en rotation par le bâti 20 et tournent, comme on peut le voir sur la figure 5, avec les arbres 70a et 70b. Chaque arbre 70a ou 70b porte un engrenage conique correspondant 71 qui engrène avec un engrenage conique 72 tournant avec le volant d'inertie 30 correspondant, de telle sorte qu'une rotation des pignons 33 sur eux-mêmes s'accompagne d'une rotation du volant d'inertie 25 correspondant 30 autour de l'axe de rotation Z. L'amortisseur dynamique accordé 1 de la figure 4 est ainsi bidirectionnel. On a illustré sur les figures 6 et 7 une variante de réalisation de l'amortisseur dynamique accordé 1, sans engrenage pour démultiplier le mouvement angulaire des suspentes 10 relativement au bâti mobile 20. 30 Dans cet exemple de réalisation, le bâti mobile 20 comporte un châssis inférieur 80 et un châssis supérieur 81 de formes similaires, comportant un cadre extérieur 3059747 8 de forme polygonale, en l'espèce carrée, et une structure en X avec deux poutrelles 85 se croisant en leur milieu 86 et se raccordant à leurs extrémités aux coins du cadre 84. Les châssis 80 et 81 sont reliés entre eux par des amortisseurs visqueux 83 qui sont par exemple disposés à mi-longueur des côtés de chaque châssis. 5 Chaque suspente 10 est reliée par son extrémité inférieure 12 de façon articulée au châssis inférieur 80 et traverse le châssis supérieur 81 à la faveur d'une ouverture correspondante 86, avec un faible jeu. Ainsi, lors de l'oscillation pendulaire du bâti mobile 20, la variation de l'angle des suspentes relativement au châssis inférieur 80 s'accompagne d'un déplacement du 10 châssis supérieur 81 relativement au châssis inférieur 80. Les parties centrales 86 des châssis 80 et 81 présentent ainsi un désaxement qui est variable au cours de l'oscillation du bâti mobile 20. L'amortisseur dynamique accordé 1 comporte une unique masse inertielle 30 qui comporte quatre blocs 90 de forme générale pyramidale convergeant vers le centre, 15 reliées par deux croix 92 espacées verticalement. Les croix 92 sont reliées par un arbre 95 d'axe Z vertical lorsque l'amortisseur 1 est au repos. L'arbre 95 comporte des rotules 97 qui sont respectivement engagées dans les parties centrales 86 des châssis supérieur 81 et inférieur 80. Ainsi, le mouvement relatif du châssis supérieur 81 par rapport au châssis 20 inférieur 80 s'accompagne d'un basculement de l'arbre 95 et d'une rotation des blocs 90. Ces derniers s'inscrivent dans les triangles formés par les structures en X des châssis supérieur et inférieur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits. 25 On peut notamment réaliser autrement la masse inertielle et le mécanisme permettant de transmettre la variation angulaire d'une suspente relativement à la verticale à la masse inertielle pour l'amener à tourner sur elle-même. L'expression « comportant un » doit être comprise comme étant synonyme de « comprenant au moins un », sauf si le contraire est spécifié. L'expression « compris 30 entre » s'entend bornes incluses. REVENDICATIONS1. Amortisseur dynamique accordé pendulaire (1), comportant : - un ensemble de suspentes (10) à relier de façon articulée à un bâti fixe (2), - un bâti mobile (20) porté par les suspentes (10), - au moins une masse inertielle (30) portée par le bâti fixe ou le bâti mobile (20), - un système d'entraînement de la masse inertielle, configure pour transformer une variation de l'angle d'au moins une suspente (10) par rapport au bâti fixe ou au bâti mobile (20) en un mouvement relatif de la masse inertielle (30) par rapport au bâti qui la porte. 2. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 1, le mouvement relatif de la masse inertielle par rapport au bâti qui la porte étant un mouvement de rotation. 3. Amortisseur dynamique accordé selon l'une des revendications 1 et 2, la masse inertielle étant portée par le bâti mobile. 4. Amortisseur dynamique accordé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, le système d'entraînement comportant un mécanisme démultiplicateur. 5. Amortisseur dynamique accordé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le système d'entraînement comportant un engrenage menant (26) guidé en rotation relativement au bâti mobile et auquel est accrochée une suspente (10). 6. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 5, l'engrenage menant (26) engrenant avec un engrenage mené (33), guidé en rotation par le bâti mobile et tournant avec la masse inertielle (30). 7. Amortisseur dynamique accordé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, le système d'entraînement comportant au moins une crémaillère (50). 8. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 7, la crémaillère (50) étant accrochée à ses extrémités à des suspentes (10). 9. Amortisseur dynamique accordé selon l'une des revendications 7 et 8, comportant un pignon (33) tournant avec la masse inertielle (30) et engrenant sur la crémaillère (50). 3059747 10 10. Amortisseur dynamique accordé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, comportant un pignon (33) engrenant sur la crémaillère (50) et entrainant par le biais d'un mécanisme adapté, notamment un renvoi à engrenages coniques (71, 72), la masse inertielle, cette dernière ayant de préférence un axe de rotation (Z) vertical lorsque 5 l'amortisseur est au repos. 11. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 10, comportant deux crémaillères (50) parallèles et une paire de pignons (33) engrenant sur ces crémaillères et couplés à un même arbre d'entraînement (70a ; 70b) de la masse inertielle. 12. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 11, le bâti mobile 10 (20) comportant un premier (80) et un deuxième (81) châssis, les suspentes (10) étant accrochées au premier châssis (80) et étant couplées au deuxième châssis (81) de telle sorte qu'un mouvement angulaire des suspentes par rapport à la verticale s'accompagne d'un déplacement du deuxième châssis (81) relativement au premier (80), la masse inertielle (30) étant reliée aux châssis (80, 81) de telle sorte que le mouvement relatif des châssis 15 s'accompagne d'un mouvement de rotation de la masse inertielle relativement aux châssis. 13. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 12, la masse inertielle étant reliée par des rotules (96, 97) aux châssis. 14. Amortisseur selon l'une des revendications 12 et 13, les châssis étant reliés par des amortisseurs visqueux (83). 20 15. Amortisseur dynamique accordé selon l'une quelconque des revendications précédentes, étant unidirectionnel. 16. Amortisseur dynamique accordé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, étant bidirectionnel, de préférence à deux volants d'inertie au moins, tournant autour d'axes de rotation respectifs perpendiculaires entre eux ou coaxiaux et orientés 25 verticalement lorsque l'amortisseur est au repos. 17. Amortisseur dynamique accordé selon la revendication 16, comportant quatre volants d'inertie tournant, pour les volants d'inertie diamétralement opposés, autour d'axes de rotation parallèles. 18. Amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, le 30 rapport ECR/ECT de l'énergie cinétique nominale en rotation sur elle-même de la masse inertielle à l'énergie cinétique nominale en translation de la masse inertielle étant compris entre 0,4 et 100, mieux entre 0,4 et 10. 3059747 11 19. Amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un frein à induction et/ou un système de génération d'énergie électrique par ralentissement de la masse inertielle. 20. Ouvrage de génie civil, notamment tour ou passerelle, équipé d'un 5 amortisseur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes. 21. Procédé pour réduire l'amplitude des oscillations d'un ouvrage de génie civil, notamment une tour ou une passerelle, à l'aide d'un amortisseur dynamique accordé (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, dans lequel on permet au bâti mobile (20) d'osciller de façon à réduire l'amplitude des oscillations de l'ouvrage.