atténuer la fatigue des câbles du GC.actions-incitatives.ifsttar.fr/fileadmin/uploads/recherches/semin... · Remarques et Conclusions Définitions Matériaux « intelligents »

Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2011

Lamine DIENG

L. DIENG

SMC/DSOA/IfsttarDate : 29/06/2011

Utilisation d’amortisseurs à base

d’alliages à mémoire de forme pour

atténuer la fatigue des câbles du GC.

JOA- Marseille

Mercredi 29 et Jeudi 30 juin


Lamine DIENG

• Contexte

– Pathologie des câbles OA

– Effet du vent

– Solutions actuelles

• Les alliages à mémoire de forme (AMF)

– Définitions

– Comportement thermomécanique

– Domaine d’utilisation

• Applications

– Description du système

– Résultats des essais


Lamine DIENG

Contexte

Définitions

Applications

Remarques et Conclusions

Domaines

MatériauxE

nvir

on

ne

me

nt

So

llic

ita

tio

ns

• Aciers carbone

• Inox

• Alliages non ferreux

• Composites

• …

• Statiques

• Dynamiques

• Vieillissements

physico -

chimiques

• …

• Vents,

• Pluie, neige, mer

• UV,

• Pollution

• …


Lamine DIENG

Ponts à haubans Ponts suspendus Ponts en béton précontraint

Pathologies

Corrosion

selon les conditions environnementales

(milieu maritime, pluie, neige)

Phénomène de "fretting – fatigue"

charges cycliques (traffic, vent, …)

Contexte

Définitions

Applications


Problématique

Objectifs

• Comprendre ces phénomènes

• Augmenter la durabilité des OA


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Contexte

Définitions

Applications


Problématique

A droite : Effet pluie+vent : modes plus bas – amplitudes plutôt plus élevées

A gauche : Echappement des tourbillons de Karman : modes élevés – amplitudes

plutôt faibles (phénomènes observés pour les haubans et longues suspentes).

Phénomène de "fretting – fatigue"


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Phénomènes observés sur ouvrage :

• Le détachement tourbillonnaire (ou tourbillons de Karman) :

permanent, petite amplitude (0.1mm), haute fréquence (10 à 40

Hz) d’où un très grand nombre de cycles (40Hz = 3.5 106 cycles

par jour).

• L’excitation par la turbulence du vent : amplitude limitée (1 ,

fréquence faible (tempêtes).

• Le galop des câbles inclinés : grandes amplitudes (5 peu

fréquent car conditions de vent très particulières.

Contexte

Définitions

Applications


Chargement cyclique

Effets Vent et Pluie+pluie


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Contexte

Définitions

Applications


Réduction des

vibrations

+d’amortissement Gaine aérodynamique Augmentation des

fréquences propres

Détachement

tourbillonnaireRWIVgalop

Excitation

paramétrique

solutions actuelles


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Contexte

Définitions

Applications


Solutions actuelles

pour réduire les vibrations

Augmentation de la

fréquence des câbles

à l’aide d’aiguilles

+ d’amortissement =

ajout d’amortisseurs

Gaine aérodynamique

désorganisant les

filets d’eau


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• Contexte


– Effet du vent



– Définitions



• Amortisseur AMF


– Résultats d’essai labo

Contexte

Définitions

Applications

Remarque et Conclusion


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Contexte

Définitions

Applications


Définitions

Matériaux « intelligents » réagit à un stimulus détecté à l'extérieur

(naturel ou provoqué) et adapte sa réponse (modification des propriétés

physiques)

matériaux piézo-électriques

matériaux magnétostrictifs (électrostrictifs)

alliages à mémoire de forme

fluides électro-rhéologiques

polymères conducteurs

polymères à transparence variable

Domaine d’utilisation : capteur ou actionneur


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Contexte

Définitions

Applications


Caractéristiques

garder en mémoire une forme initiale et y retourner même après une

déformation importante (jusqu’à 8% en traction pour le NiTi)

alterner entre deux formes préalablement mémorisées lorsque sa

température varie autour d'une température critique

comportement super élastique permettant des allongements sans

déformation permanente supérieurs à ceux des autres métaux

AMF (SMA) parfois appelés « nitinol » nickel-titane Naval Ordonance

Laboratory


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Contexte

Définitions

Applications


Caractéristiques

Transformation sans diffusion

• sans déplacement d'atomes / displacive,

• pas de modification de la composition chimique du matériau

Transformation provoquée par

• changement de T°

• application d’une contrainte

Diagramme d’état


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Contexte

Définitions

Applications


Effet mémoire

Facteur de Qualité

Q

• Etat austénitique : frottement intérieur

faible (mouvement réversible

défauts/dislocations

• Etat martensitique : Q lié au mouvement

réversible des interfaces entre variantes de

martensites

• Transformation de phases : Q (où il est le

plus important) lié au mouvement des

interfaces austénite/martensite


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Contexte

Définitions

Applications


Exemples d’AMF

Nickel-Titane (bonnes performances effet mémoire simple sens, super-élasticité, résistance à la corrosion, bonne résistance à la fatigue)

Cuivreux (permet moins d’hystérésis que le Nickel-Titane)

Elongation relative de 4% (polycristal) à 10% (monocristal)

Cu-Zn-Al facile à mettre en œuvre, augmentation de As par stabilisation de la Martensite, possibilité de diminuer les tailles de grain (ajout de Zi, Bo, Ti, Co) (ajout de Al pour augmenter la T° de transformation)

Cu-Al-Ni mise en œuvre plus difficile, moins sensible à la stabilisation (« amnésie »), au vieillissement, domaine d’utilisation (50 à 180°C)

Cu-Al-Be grande stabilité thermique (ajout de Be pour diminuer la T° de transformation)

autres moins connus Cu-Zn-(Sn ou Si ou Mn ou Ga), Cu-Al-Mn, Cu-Sn

Ferreux principalement Fe-Mn-Si : effet mémoire simple sens incomplet (transformation martensitique non thermo-élastique), super-élasticité très faible, possibilité d’améliorer la résistance à la corrosion (ajout de Cr, Ni) au détriment de l’effet mémoire


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Contexte

Définitions

Applications


Domaines d’applications

• Automobile

activateurs électriques (déclenchement par un passage de courant) ex :

verrouillage central, bouchon de sécurité du réservoir

activateurs thermiques déclenchement par variation de température) ex :

régulateur de climatisation, amortisseurs variables

• Biomédical (Ni-Ti)

arches pour appareil dentaire (super élasticité)

agrafes pour fracture osseuse (effet simple sens)

stent pour éviter obstruction artères

• Aéronautique

Manchon d’accouplement pour circuits hydraulique

Entretoises


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Contexte

Définitions

Applications


Domaines d’applications

• Vestimentaire

Chapeaux

• ArchitectureStructures antisismiques

• SécuritéTrappes évacuation fumée (EMDS)

Valves de circuit de gaz (EMSS)

• AlimentaireThermomarqueur

• LunetterieMontures flexibles (super élasticité)

…. Génie Civil ….


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• Contexte


– Effet du vent



– Définitions



• Applications en GC


– Résultats d’essai labo

Contexte

Définitions

Applications


Plan


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Contexte

Définitions

Applications


Nouveau système en

cours de développement

Amortisseur AMF avec

Deux fils // NiTi

( = 2.46 mm ,

L = 1260 mm)

Education des fils avec 20 cycles

d’amplitude 8% de déformation

Evite l’allongement des fils lors

de leur utilisation

V. Torra, UPC, Barcelona, Spain

Amortisseur AMF avec

Quatre fils // NiTi , deux

étages, ( = 2.46 mm ,

L = 200 mm)

Brevet Ifsttar (M. Peigney, E. Merliot, L.

Dieng– 2010


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Contexte

Définitions

Applications


Comportement

Deformation 8 % < 2 %


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Contexte

Définitions

Applications


Application Génie Civil

Dispositif Expérimental

Règle de détermination de la longueur

du fil et nombre de fils

1. Estimation de l’amplitude x

résiduelle, admissible, “après

Amortissement”

2. choisir la longueur de l’AMF par

0.015 l x

3. nombre de fils déterminé à partir des

caractéristiques des fils et la force

de retenue


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Contexte

Définitions

Applications


Description de l’essai

• Excitation sous forme d’une fonction d’Heaviside avec

plusieurs niveaux de forces

(F= 500, 1000, 2000, 3000 et 4000 N),

F

Amortisseur

Diamètre

(mm)

Masse linéique (kg/m) Longueur

(m)

55 16,1 50,572


Lamine DIENG

Contexte

Définitions

Applications




Lamine DIENG


Lamine DIENG

Contexte

Définitions

Applications




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Contexte

Définitions

Applications



Sans AMF Avec AMF

Analyse temps fréquence


Lamine DIENG

ELSA -Ispra

Longueur 45 m, force: 250 kN, injecté de cire

Contexte

Définitions

Applications





Lamine DIENG

ampl.:

Contexte

Définitions

Applications





Lamine DIENG

• Etude expérimentale d’un dispositif d’amortisseur pour

structures de génie civil à base de matériaux « intelligents »

(NiTi SMA) - Application aux câbles de pont.

• Les AMF et leur transformation en phase solide-solide

permettent un amortissement efficace par l'intermédiaire du

cycle d'hystérésis et la conversion du travail mécanique en

chaleur.

• Les essais expérimentaux montrent que l'amortisseur AMF

permet :

– une réduction efficace de l'amplitude de l'oscillation,

– une augmentation de la fréquence

– une forte augmentation du coefficient de frottement

et donc une diminution des risques de fatigue

Contexte

Définitions

Applications


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