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RÉSUMÉ
Cet article s'adresse aux ingénieurs devant évaluer le comportement d'une structure soumise à un projectile. En fonction des caractéristiques du choc et des enjeux associés, différentes approches peuvent être envisagées. Seront utilisées soit des méthodes empiriques basées sur des résultats d'essais car elles sont simples et rapides à mettre en oeuvre, soit des simulations numériques certes plus précises mais requérant des ressources conséquentes et des compétences particulières.
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Laurent pARIS : Ingénieur spécialiste des effets des incendies et explosions - Référent technologique Quantification des Risques, Technip France
INTRODUCTION
Certaines installations industrielles critiques du point de vue de la sécurité ou de la sûreté nécessitent que l'on examine le risque « projections » lorsque celui-ci est jugé inacceptable ou que les projectiles générés peuvent entraîner de graves défaillances au niveau des cibles potentielles, et ce malgré les mesures de réduction du risque déjà mises en place au niveau de la source. Il est alors nécessaire d'étudier explicitement le comportement des ouvrages concernés.
Les méthodes et outils de calcul usuels ne permettent pas de prendre en compte directement ce cas de charge accidentel très particulier en vue du dimensionnement. Ainsi, la violence d'un impact nécessite des techniques d'analyse adaptées compte tenu du fait qu'il s'agit d'un phénomène violent en intensité mais de très courte durée. Il est donc nécessaire d'exploiter la résistance des matériaux au-delà de leur limite élastique parfois jusqu'à la rupture et de prendre en compte leurs caractéristiques dynamiques.
Diverses méthodes d'analyse ont été développées selon que l'on étudie le choc entre deux solides de manière globale ou bien lorsque l'on souhaite également modéliser les effets locaux notamment dans une problématique de pénétration, voire de perforation. Ainsi il existe une large palette de méthodes disponibles qui vont des modèles empiriques aux modèles numériques complexes. Dans une situation donnée, le choix d'une approche dépend de la nature des projectiles considérés, du niveau de détails recherché et surtout des objectifs de l'étude. On distinguera les chocs rigides des chocs mous en passant par les chocs semi-rigides. Pour chacun d'entre eux, des techniques de calcul sont présentées en essayant autant que possible d'en définir le domaine d'application pour que l'ingénieur ayant à dimensionner ou renforcer de telles structures puisse trouver une approche adaptée.
Les notions introduites permettront au lecteur de se familiariser avec la problématique des impacts de projectiles qu'ils soient d'origine accidentelle ou intentionnelle tant au niveau de leur modélisation à partir des phénomènes physiques que de la caractérisation de leurs effets sur les structures.
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Modélisation des chocs « mous »
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2. Phénomènes associés aux chocs et à la pénétration
2.1 Principes fondamentaux
Les phénomènes de chocs et de pénétration peuvent être traités de différentes manières selon que l'on cherche à déterminer les grandeurs globales, par exemple l'énergie d'impact, la vitesse résiduelle après impact ou bien que l'on souhaite évaluer localement les efforts, les contraintes et les déformations dans les matériaux en vue du dimensionnement. Ainsi on peut retenir deux grandes approches pour résoudre cette problématique.
La première approche s'appuie sur la mécanique traditionnelle des solides, en considérant les corps, projectile et cible, dans leur ensemble et en déterminant les grandeurs physiques globales par application de la conservation de la masse, de l'énergie et de la quantité de mouvement. Les modèles utilisés seront relativement simples à mettre en œuvre car ils s'appliquent à des systèmes définis par quelques paramètres seulement.
Lorsque l'on souhaite également étudier les effets locaux, il est alors nécessaire de s'appuyer sur la mécanique des milieux continus. Elle prend en considération les phénomènes de propagation de l'onde de choc dans les matériaux afin de prédire l'état de contraintes et les vitesses à chaque instant en tout point de la cible. Elle permet notamment d'intégrer les spécificités du comportement dynamique des matériaux soumis à de forts gradients de contraintes. Les modèles utilisés seront soit complètement empiriques, basés sur des résultats expérimentaux ou plus rarement numériques.
Enfin, la mécanique des milieux continus est complétée pour les chocs à haute énergie (plusieurs milliers de m/s) par la théorie de l'hydrodynamique qui permet pour certaines configurations de traiter des matériaux considérés comme solides dans des conditions usuelles comme des fluides lors de chocs sévères. Les modèles utilisés sont très spécifiques et nécessitent des ressources particulières en termes de moyens de calcul et surtout de compétences. Ils sont toutefois de plus en plus abordables par des ingénieurs non spécifiquement formés compte tenu de l'évolution de la performance des outils.
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Phénomènes associés aux chocs et à la pénétration
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KOECHLIN (P.) - Modélisation de comportement membrane-flexion et critère de perforation pour l'analyse de structures minces en béton armé sous choc mou. - Thèse de Doctorat, Université Paris VI (2007).
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(2) - UFC-3-340-02 - Structures to resist the effects of accidental explosions. - United States of America, Department of Defence (2008).
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(3) - CEB - Bulletin no 187 – Concrete structures under impact and impulsive loading – Synthesis report. - Comité Euro-international du Béton (1988).
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(4) - UKOOA - Fire and explosion guidance. - Issue 1, Oil and Gas UK, mai 2007.
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(5) - MALVAR (L.J.), CRAWFORD (J.E.) - Dynamic increase factors for concrete. - Department of Defense Explosives Safety Seminar, Orlando, FL (1998).
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(6) - JOHNSON (G.R.), COOK (W.H.) - A constitutive...
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