FR 2755954 A1 19980522 FR 9614024 A 19961118 -1 RESERVOIR A TOIT SEPARABLE PAR LIAISON FRAGILISEE DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne les réservoirs et conteneurs verticaux à toit fixe de grandes dimensions contenant des produits pouvant rentrer, lors de leur stockage, en déflagration et créer une surpression accidentelle. On pense en particulier aux réservoirs contenant des hydrocarbures ou produits chimiques. Définitions Robe d'un réservoir: virole circulaire périphérique verticale constituant les parois verticales d'un réservoir. Toit: tôlerie fermant un réservoir en sa partie supérieure raccordée à la rive et reposant sur une charpente support. Rive: à l'extrémité supérieure de la robe, renforcement radial du bord de la robe pour renforcer mécaniquement celle-ci et participer à la fixation du toit du réservoir. Frangibilité d'un réservoir: état de moindre résistance au niveau de la jonction périphérique entre la robe et le toit d'un réservoir. B 11614.4 JB. Art antérieur et problème posé Les explosions internes de réservoirs d'hydrocarbures ou produis chimiques ont parfois provoqué une rupture des fonds des bacs de tels réservoirs, au droit de l'assemblage entre le fond et la robe. Ce type d'événement entraîne généralement la projection en l'air de l'ensemble constitué par le toit et la robe dudit réservoir et déclenche une vague massive du produit contenu dans le réservoir et pouvant être enflammée, qui déferle souvent hors des cuvettes de rétention du réservoir. Pour éviter de tels accidents, c'est-à-dire des déchirures de robes ou des découpes de l'assemblage robe/fond du réservoir, les règles de construction en vigueur en France (CODRES) définissent des dispositions constructives visant à favoriser l'ouverture du toit au niveau de son assemblage sur la robe. C'est à ce niveau que l'on utilise le terme de "frangibilité" pour l'état de moindre résistance au niveau de la jonction périphérique entre la robe et le toit du réservoir. Il est à ce jour admis que seuls les réservoirs du type à toit fixe construits dans le respect des règles établies par la réglementation CODRES et dont le diamètre est supérieur à 20 m peuvent être qualifiés de frangibles. Le but de l'invention est donc de proposer un type de réservoir dont la jonction entre le toit et la robe présente un caractère de frangibilité répondant à la réglementation en vigueur, quel que soit son diamètre. D'autre part, et en référence à la figure 1, on connaît, par le document de brevet américain US-A-4 989 752, un joint frangible pour un toit de réservoir de stockage. Le toit 1 est placé sur une B 11614.4 JB. plaque annulaire 5, reposant elle-même horizontalement sur la branche horizontale de la cornière 2, fixée à l'extrémité supérieure de la robe 3. La fixation du toit 1 se fait au moyen d'une première soudure 4 entre celui-ci et l'extrémité extérieure de la plaque annulaire 5. Cette dernière est fixée par son bord intérieur à la cornière 2 par une deuxième soudure 6. Tout ce montage est représenté sur la partie droite de la figure 1. Le processus de séparation du toit 1 par rapport à la robe 3 est schématisé sur la partie gauche de la figure 1. On a en effet représenté la plaque annulaire 5 avec son bord externe décollé vers le haut par rapport à la partie horizontale de la cornière 2. De même, le toit 1 a été représenté soulevé par une élévation brutale de pression à l'intérieur du réservoir. Compte tenu de la position inclinée de la plaque annulaire 5 par rapport à la cornière 2, on constate que les première 4 et deuxième 6 soudures subissent des déformations du fait des mouvements relatifs des pièces qui sont jointes par ces soudures. Une position du toit 1, en traits mixtes, symbolise donc un décollement total de ce toit et son détachement par rapport à la robe 3 du réservoir. Ce système permet d'obtenir un seuil de frangibilité souvent encore trop élevé. De plus, le fait que ce toit reste directement lié à la rive, par l'intermédiaire d'une plaque annulaire, d'une cornière et de deux soudures, engendre des compressions néfastes dans la rive, ce qui abaisse considérablement les performances et la sensibilité de ce système. Par ailleurs, ce montage favorise la corrosion entre l'anneau 5 et la cornière de rive 2 ainsi qu'au niveau de la deuxième soudure 6. B 11614.4 JB. Le but de l'invention est donc de remédier à ces inconvénients en proposant un concept différent de séparation du toit par rapport à la robe. Résumé de l'invention L'objet principal de l'invention est donc un réservoir à toit séparable par liaison fragilisée et comprenant: - un fond; - une robe renforcée dans sa partie supérieure par une rive en cornière; - un anneau radial fixé horizontalement sur la cornière; et - un toit fixé à la robe par l'intermédiaire de la cornière et de l'anneau radial et séparable par rapport à cet ensemble. Selon l'invention, on utilise deux coques tronconiques de faible épaisseur, reliées par soudure, d'une part, chacune à l'anneau par leur bord externe par des premières soudures à faible résistance mécanique et, d'autre part, respectivement à la robe et au toit par leur bord interne respectif. Dans le cas o la rive est une cornière tournée vers l'intérieur du réservoir par sa nervure horizontale, le toit possède une charpente qui repose sur la nervure horizontale de la rive, la coque tronconique inférieure étant soudée sur cette rive. Dans une première réalisation, l'anneau latéral est horizontal, les deux coques tronconiques étant soudées chacune à un bord. Dans une deuxième réalisation, l'anneau radial est composé de deux parties soudées entre elles, à chacune d'entre elles étant soudée une coque tronconique. B 11614.4 JB. Dans cette deuxième réalisation, une première variante consiste en ce que ces deux parties soient plaquées l'une contre l'autre, en étant horizontales. Dans une deuxième variante, ces deux parties sont soudées l'une à l'autre par leur bord interne, et sont décollées l'une par rapport à l'autre par leur bord externe. Dans une troisième réalisation du réservoir, les deux coques tronconiques sont placées dans le prolongement du toit, se chevauchant, reliées entre elles par l'anneau radial au niveau de ce chevauchement. Dans ce cas, il est avantageux que la coque tronconique, inférieure soit soudée à la rive. De manière préférentielle, les soudures de jonction de l'anneau radial et des coques tronconiques sont réalisées sous la forme d'un cordon de gorge calibrée à environ 3 mm. Liste des figures L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux comprises à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement: - figure 1, en coupe, un réservoir de l'art antérieur; - figure 2, en coupe, la jonction du toit à la robe d'un réservoir selon l'invention, dans sa première réalisation; figure 3, en coupe, la jonction du toit à la robe d'un réservoir dans la première version d'une deuxième réalisation; B 11614.4 JB. - figure 4, en coupe, la jonction du toit à la robe d'un réservoir dans la deuxième version de la deuxième réalisation selon l'invention; - figure 5, en coupe, une adaptation de l'invention sur un réservoir existant; et figure 6, en coupe, la jonction du toit à la robe d'un réservoir selon une troisième réalisation. Description détaillée de plusieurs modes de réalisation de l'invention Sur la figure 2, on retrouve la robe 3 du réservoir, ainsi que son toit 1. Celui-ci repose sur la robe 3 dont il est indépendant, par l'intermédiaire de la charpente 7 et en particulier au moyen de pieds périphériques prenant appui sur la branche horizontale de la rive en cornière 9. Cette dernière est placée dans cette réalisation à l'intérieur de la robe 3, toujours par soudage. De ce fait, le poids du toit et des éventuelles précipitations qu'il reçoit est donc repris directement par la cornière 9 et la robe 3 du réservoir. Dans cette première réalisation, l'anneau radial 10 est horizontal et est séparé de la robe 3 et de la rive 9 par une première coque tronconique 12. Cette dernière est inclinée, son extrémité inférieure 12I étant soudée sur la rive 9, son extrémité supérieure 12S étant fixée par une première soudure Sl sur le bord interne 10I de l'anneau radial 10. Par son bord extérieur 10E cet anneau radial 10 est relié par une deuxième soudure S2 au bord externe 14E de la deuxième coque tronconique 14. On remarque que l'inclinaison par rapport à la verticale de cette deuxième coque tronconique 14 est très accentuée, c'est-à-dire que cette deuxième coque tronconique 14 B 11614.4 JB. est presque plate. Le bord interne 14I de cette deuxième coque tronconique est fixé au toit 1 du réservoir. On précise que ce dernier a de préférence une pente d'environ 1/5e. De plus, la coque 14 peut prolonger un toit sphérique pour le rendre frangible (dans ce cas la pente sera plus importante). On constate que le toit 1 repose sur la structure charpentée 7 fixée sur la rive 9 soudée à l'extrémité supérieure de la robe 3 du réservoir. Dans le cas d'une augmentation subite de la pression à l'intérieur d'un réservoir, la tôlerie du toit 1 est soulevée par pression. Elle tire sur la deuxième coque tronconique 14 qui plie et s'incurve comme montré en traits mixtes sur la figure 2. La deuxième coque 14 tire uniformément sur la deuxième soudure périphérique S2 du bord extérieur de l'anneau radial 10, et exerce une force de traction dans une direction tangente à cette coque (cf. figure 2) qui provoque sur la soudure S2: - une force composante verticale d'arrachement vers le haut; - une force composante horizontale qui comprime uniformément l'anneau. L'anneau 10, soumis à ces forces composantes sur son bord extérieur, et, équilibré par les réactions qui agissent sur son bord intérieur (soudure Sl et coque 12) se contracte sous l'action de la compression et tourne autour du centre de sa section sous l'action du moment de torsion axisymétrique engendré par les forces composantes verticales d'arrachement exercées sur ses bords intérieur et extérieur (couple de torsion). B 11614.4 JB. Ainsi, le bord extérieur de l'anneau 10 et donc la soudure S2 contiennent: - des contraintes de compression engendrées par la compression générale déjà citée; - des contraintes de compression engendrées par la rotation de l'anneau. Ces deux effets s'ajoutent et la soudure S2 est soumise simultanément à: un effort d'arrachement direct augmenté d'un effet d'arrachement tournant qui sollicite vivement la racine intérieure de la soudure (effet cliquet), et - une compression circonférentielle décrite ci-avant. L'état de contrainte bi-axial en traction/compression dans la racine de la soudure s2 favorise une déformation plastique généralisée menant à la rupture. Par comparaison avec des essais de traction conventionnels normalisés, on détermine la déformation plastique généralisée dans la soudure et ainsi sa pression de rupture. Sur le bord intérieur de l'anneau 10, la soudure Sl contient: - des contraintes de compression engendrées par la compression générale; - des contraintes de traction engendrées par la rotation de la section de l'anneau. Contrairement à ce qui se passe sur le bord extérieur de l'anneau, les deux effets se retranchent et la soudure Si n'est soumise qu'à un effort d'arrachement fortement diminué (angle de rotation dans la soudure nettement inférieur). Ainsi, la rupture se produira dans la soudure de moindre résistance S. B 11614.4 JB. Sur le bord intérieur 0lI de l'anneau 10, elle se décompose en: - une force verticale qui équilibre la force verticale d'arrachement agissant sur l'autre bore 10E, - une force composante horizontale qui comprise aussi l'anneau 10. Cette dernière permet de doser l'effort de compression dans l'anneau en faisant varier l'angle de la génératrice de la première coque 12. De l'autre côté, au droit du raccordement sur la rive, la force contenue dans la première coque tronconique 12 se décompose en: - une force composante verticale qui tend à soulever la robe 3, - une force composante horizontale qui, contrairement S15 aux systèmes existants, tire la rive 9 vers l'extérieur et la met en tension, ce qui évite sa déformation. Les soudures Sl et S2 sont de préférence réalisées sous la forme de cordons de gorge calibrée. On réalise de préférence des gorges calibrées de 3 mm. Un ajustage par meulage peut également compléter de telles soudures Sl et S2. Le métal déposé doit être ductile et de même nature que l'acier constituant le réservoir. On pense notamment à l'acier E24-2ou3 de la norme NF A 35-501. Les coques tronconiques 12 et 14 doivent être suffisamment longues pour que: - la première coque 12 ait la souplesse nécessaire permettant d'accentuer sa déformation bombée et par conséquent l'angle formé avec l'anneau radial 10, - la deuxième coque 14 ait la souplesse nécessaire pour ne pas répercuter directement les efforts horizontaux de l'anneau 10 sur la rive 3 mais au contraire engager une tension vers l'extérieur de celle-ci. B 11614.4 JB. On note également que l'anneau radial 10 peut ne pas être horizontal, mais être légèrement incliné vers le bas de par son côté extérieur 10E. Ceci permet d'amplifier les déformations dans les soudures, lors d'une augmentation de pression à l'intérieur du réservoir. En référence à la figure 3, une deuxième réalisation de l'invention prévoit de réaliser l'anneau radial 20 en deux parties 21 et 22. Dans une première version, ces deux parties 21 et 22 sont tronconiques, c'est-à-dire inclinées. Elles sont réunies par une soudure S3 par leurs bords internes 21I et 22I. Les coques tronconiques 23 et 24 sont soudées chacune par leur extrémité externe 23E et 24E à une des deux parties 21 et 22 de l'anneau radial 20 et ceci par d'autres soudures S4 et S5. On note que la soudure S3 et les soudures S4 et S5 sont de même nature que celles mises en oeuvre dans la première réalisation. La coque tronconique inférieure 23 et 24 est également soudée par son extrémité interne 24I à la robe 3 du réservoir. La coque tronconique 24 supérieure est reliée par son extrémité interne 24I au toit 1, par l'intermédiaire d'un anneau tronconique 25 soudé lui-même au toit 1. On comprend que dans ce cas également, une surpression à l'intérieur du réservoir aboutisse à l'augmentation de l'angle séparant les deux parties 21 et 22 de l'anneau radial 20, à l'étirement de la soudure S3 et à la séparation de ces deux parties 21 et 22 et la libération du toit 1. B 11614.4 JB. 1l Sur la figure 4, une deuxième version de cette réalisation montre deux parties 26 et 27 de l'anneau radial plaquées l'une contre l'autre et fixées par une soudure externe S6. Dans ce cas, l'augmentation de pression à l'intérieur du réservoir conduit à une ouverture vers l'intérieur de ces deux parties 26 et 27 du joint radial. L'invention vient d'être décrite comme étant appliquée à des réservoirs neufs comportant un toit reposant sur une charpente fixée à la rive. En référence à la figure 5, on se propose d'illustrer l'adaptation de l'invention à des réservoirs existants. En effet, elle peut être adaptée à la robe 30 d'un réservoir dont l'extrémité supérieure est terminée par la rive 33 placée à l'extérieur de celle-ci. Le toit 32 est fixé directement à la deuxième coque supérieure 14. Cette dernière est reliée à l'anneau radial 10 et à la première coque inférieure 12. Cette dernière est elle-même reliée directement à la robe 30 du réservoir existant. On constate donc que le cordon de soudure reliant éventuellement la rive à la coque supérieure 14 est supprimé. On peut prévoir des trous d'évacuation des condensats 34 dans la robe 30 du réservoir existant. Dans la variante proposée sur la figure 6, nous retrouvons deux coques tronconiques 42 et 44 de faible épaisseur reliées à un anneau radial 40 par des soudures à faible résistance. Ces deux coques tronconiques 42 et 44 sont agencées dans le prolongement du toit 1 et se chevauchent à la manière de tuiles. La pente des coques tronconiques 42 et 44 est donnée par la pente du toit 1 et l'anneau radial 40 fait la liaison entre celles-ci. La coque tronconique inférieure 42 est soudée à la rive 49. B 11614.4 JB. La position de ces éléments suggérée en traits interrompus représente la manière par laquelle un soulèvement du toit 1 peut avoir lieu. Ce sont toujours les soudures S7 ET S8 entre les deux coques tronconiques 42 et 44 et l'anneau radial 40 qui lâchent. Dans la première réalisation, l'anneau 10 travaille en compression et torsion. Dans cette variante proposée, l'anneau 40 monté sur le toit 1 ne travaille qu'en torsion, ce qui est plus favorable et donne une pression de rupture inférieure. Cette variante permet la modification de réservoirs existants sans modifications au droit de la rive 49, notamment concernant la jonction robe/toit. Ceci est particulièrement intéressant dans le cadre de la "frangibilisation" des réservoirs existants, car cette procédure n'entraîne pas de modifications des équipements annexes proches, notamment: - escaliers ou échelles d'accès à la toiture; - garde corps périphérique de toiture; - piquages en toiture (niveaux, évents, etc.); piquages de haut de robe (tuyauteries de fluides divers et d'incendie, etc.). Avantages de l'invention Le concept selon l'invention permet, lors du soulèvement du toit 1, de ne pas répercuter sur la rive 9 et la robe 3 des influences néfastes, mais au contraire des forces qui tendent à préserver leur intégrité par une mise en tension périphérique. B 11614.4 JB. Les coques tronconiques 12 et 14 relativement longues et l'anneau radial 10 contribuent à ce résultat. En effet, lors d'un accident, c'est-à- dire d'une éjection du toit 1, la rive 9 n'est pas détériorée puisqu'elle n'est pas fixée au toit 1. La rupture de la soudure de moindre résistance de l'invention intervient à une très faible pression. Du fait de la préservation de l'intégrité de la rive 9 et de la robe 3, ainsi que de la très faible pression de rupture, l'invention: - supprime le risque de rupture de la liaison entre le fond et la robe 3 du réservoir par soulèvement dû à la surpression; - supprime le risque de déchirure sur la robe 9 dû à des déformations sur celle-ci, et - réduit la distance d'éjection du toit 1 et les dangers inhérents à un tel événement. Compte tenu que ce phénomène de frangibilité est mieux maîtrisé, il n'est plus nécessaire d'ancrer chaque réservoir par des fondations en béton armé ou des dalles de base. Dans le réservoir selon l'invention, il est possible de préciser et de quantifier la notion de frangibilité puisque celle-ci est séparée des contraintes du toit 1 sur la robe 3 du réservoir. Pour éviter les phénomènes de corrosion dans l'angle formé par la coque tronconique supérieure 14 et l'anneau radial 10 (soudure de moindre résistance), il suffit de donner à ce dernier une légère pente (-5%) permettant d'évacuer les condensats vers l'intérieur du réservoir. L'invention peut être facilement mise en place sur un réservoir existant. B 11614.4 JB. REVENDICATIONS 1. Réservoir à toit séparable par une liaison fragilisée, comprenant: - un fond; - une robe (3) renforcée dans sa partie supérieure par une rive (9) en cornière; - un anneau radial (10, 20, 40); - un toit (1) séparable et fixé par rapport à la rive (9), caractérisé en ce qu'il comprend deux coques tronconiques (12, 14, 23, 24, 42, 44) de faible épaisseur, reliées par soudage chacune à l'anneau radial (10, 20, 40) par leur bord externe (12E, 14E, 23E, 24E) par dçes soudures (S1, S2, S4, S5, S7, S8) à faible résistance mécanique et respectivement à la l'ensemble de la robe (3) et de la rive (9), et au toit (1) par leur bord interne (12I, 14I, 23I, 24I). 2. Réservoir selon la revendication 1, le toit (1) reposant sur une structure charpentée (7) qui repose sur la nervure horizontale de la rive (9), caractérisé en ce que la coque tronconique inférieure (12, 42) est soudée à la rive (9). 3. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'anneau latéral (10) est horizontal. 4. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau radial (20) est composé de deux parties (21, 22, 26, 27) soudées entre elles et à chacune d'entre elles étant soudée une coque tronconique (23, 24). 5. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux parties (26, 27) de l'anneau radial sont placées l'une contre l'autre et B 11614.4 JB. sont horizontales, fixées l'une à l'autre par une soudure externe (S6). 6. Réservoir selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux parties (21, 22) de l'anneau radial (20) sont décollées et soudées l'une par rapport à l'autre par leur bord interne (21I, 22I). 7. Réservoir selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux coques tronconiques (42, 44) sont placées dans le prolongement du toit (1), se ) chevauchant, reliées entre elles par l'anneau radial (40) au niveau de ce chevauchement. 8. Réservoir selon la revendication 7, caractérisé en ce que la coque tronconique inférieure (42) est soudée à la rive (49). 1i5 9. Réservoir selon la revendication 1, caractérisé en ce que les soudures (Sl, S2, S4, S5, S7, S8) reliant les coques tronconiques (12, 14, 23, 24, 42, 44) à l'anneau radial (10, 20, 40) sont des cordons de gorge d'environ 3 mm. B 11614.4 JB.