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RÉSUMÉ
Toute fluctuation de charge, de débit, de vitesse, toute irrégularité de mouvement des pièces d'une installation peut constituer une source d'excitation vibratoire de la structure. Ces perturbations sont susceptibles d'avoir des conséquences plus ou moins importantes sur la sûreté de fonctionnement du bâti, sa tranquillité de marche, sa durée de vie. Dans le cas de constructions industrielles, cela peut également troubler la régularité de la production ainsi que la santé des opérateurs concernés. Pour maîtriser réellement ces vibrations, qu'elles interviennent depuis la phase de projet jusqu'à l'exploitation de la structure, il est nécessaire de connaître les paramètres à prendre en compte ainsi que les modèles de représentation. Ainsi, il est possible d'effectuer des actions correctives soit pour supprimer des vibrations non souhaitées, soit pour remédier à la dégradation de la structure. Cet article présente les techniques à appliquer, ainsi que des cas pratiques pour comprendre les méthodes en situation réelle.
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Bernard GARNIER : Ingénieur civil de l'École nationale des ponts et chaussées - Consultant, BlueSolutions
INTRODUCTION
Le présent article présente des stratégies de maîtrise des vibrations, à différentes étapes du développement et de la vie d'une installation ou d'un produit industriel. Cinq qualités, techniques et humaines, peuvent être affectées en cas de problème de vibrations dans un contexte industriel ; ce sont :
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la sûreté ou au moins la sécurité de fonctionnement ;
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la tranquillité de marche ;
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la régularité de la production ;
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la durée de vie de la structure et de ses composants ;
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l'endurance et la santé des opérateurs au poste de travail.
Ces qualités, qui doivent pouvoir être quantifiées, sont à prendre en compte dès le projet, lors de la mise au point et durant l'exploitation de la structure, jusqu'à sa révision ou sa mise en réforme. Du bilan complet de fonctionnement d'une structure, il est possible d'estimer la part technique et le coût correspondant imputable aux effets vibratoires indésirables.
Des exemples d'interventions concrètes pour maîtriser les vibrations sont présentés aux paragraphes 3 à 5. Ils pourraient être beaucoup plus nombreux, car les vibrations sont omniprésentes. En effet, toute fluctuation de charge, de débit, de vitesse, toute irrégularité de mouvement des pièces d'une installation constituent une source d'excitation vibratoire des structures avoisinantes, d'autant plus riche et intense que cette fluctuation est rapide. Des chocs brefs peuvent, eux, exciter toutes les fréquences propres d'une structure.
Les réponses structurales, utiles à connaître, dépendent de la situation des fréquences propres dans le spectre, mais :
-
d'une part, les paramètres descriptifs d'une structure ne sont pas toujours faciles à dénombrer : évalués par excès, ils font état de modes physiquement inexistants ; évalués par défaut, ils omettent l'existence de modes moins manifestes relatifs à des paramètres cachés ;
-
d'autre part, le modèle représentatif, faisant presque toujours l'hypothèse d'une structure linéaire, reste d'une fidélité incertaine, à déterminer, cas par cas, dans le cas de non-linéarités, faibles ou fortes, mais souvent présentes.
De telles difficultés rencontrées en pratique sont décrites ici, ainsi que les solutions mises en œuvre.
Le présent texte fait suite aux articles :
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Actions correctives
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6. Conclusion
Les vibrations, les chocs et les bruits rencontrés sur les structures industrielles ont des conséquences internes et externes dans des domaines variés. Il est donc nécessaire de les prendre en considération :
-
en théorie, à partir du projet de structure ;
-
en pratique, durant tout la durée d’exploitation de la structure, depuis l'intégration et la mise en route, jusqu’à la réforme.
On a compris que toute structure présente, quelque soin qu'on prenne à sa conception, un grand nombre de modes propres, qui la rendent particulièrement sensible à toute excitation vibratoire dont la fréquence en serait proche. Et aussi que tout mécanisme, aussi bien conçu soit-il, est une source de vibrations.
Cela ne veut pas dire que les problèmes de vibrations soient inévitables ! En simplifiant, trois actions principales marquent les étapes à franchir :
-
concevoir la structure ; au niveau du projet, déterminer par calcul les zones sensibles et l’importance des vibrations significatives : c’est l’étape prédictive, dont l'objectif principal est de maintenir une séparation suffisante entre les excitations prévisibles et les résonances des structures avoisinantes ;
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tester la structure sous l'angle des vibrations ; comparer les résultats d’essais à ceux du calcul ; interpréter les écarts en reprenant, si besoin est, les hypothèses de travail pour assurer l’accord essai/calcul ; apporter les modifications qui s’imposent, comprendre l'impact des techniques de fabrication : c’est l’étape de mise au point, qu'on a particulièrement illustrée par nos exemples ;
-
contrôler par les vibrations produites ou provoquées la réponse de la structure tout au long de sa vie, la signature de sa réponse : c’est l’étape de la surveillance vibratoire qui souvent permettra de se prémunir de désordres autrement graves.
Ce qui va permettre à l'ingénieur spécialiste de consolider et développer son expertise, c'est de s'assurer qu'il est en position d'assurer le rebouclage entre ces trois étapes, et ainsi d’imaginer pour le projet suivant une nouvelle disposition structurale plus performante que la précédente : c’est l’étape prospective qui valorise les résultats de calculs et d’essais obtenus, permet d'en affûter l'usage,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOISSEAU (J.F.) - Amortisseur de vibrations réglable - Rech. Aérosp. n° 2 (mars-avril 1970).
-
(2) - DUPERRAY (B.) - Contrôles passifs et actifs de la vibration des structures mécaniques - Entretiens Science et Défense 90, tome I, p. 422, DGA, Dunod (1990).
-
(3) - MARCELIN (J.) - Optimisation des vibrations des structures mécaniques - Cépadues (2003).
-
(4) - MALBURET (F.), KRYSINSKI (T.) - Contrôle des vibrations mécaniques - Hermès Lavoisier (2003).
-
(5) - MOREL (J.) - Vibrations des machines et diagnostic de leur état mécanique - Eyrolles (1991).
-
(6) - VENIZELOS (G.) - Vibrations des structures - Ellipses (2002).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Isolation antivibratoire et antichoc – Définitions. Principes physiques
-
Vibrations des structures industrielles – Notions de physique des vibrations
-
Vibrations des structures industrielles – Outils de modélisation, de prédiction et d'interprétation
-
Vibrations des structures industrielles – Outils et méthodes d'analyse expérimentale
ANNEXES
Publications de l'ONERA (Office national d'études et de recherche aérospatiales) sur le site de l'ONERA http://www.onera.fr/synindex/controle-des-vibrations.html
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