Efforts agissant sur les tuyauteries

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2.10 EFFORTS AGISSANT SUR UNE TUYAUTERIE
Une tuyauterie est soumise à des forces d’origines diverses que le projeteur devra évaluer pour concevoir au mieux le supportage de cette tuyauterie afin que les contraintes, les déformations et autres réactions d’extrémités restent inférieures aux valeurs limites pour la tuyauterie, mais également pour les supports et les appareils. On distingue:

1. Les forces gravitaires

a) Du tube : P =
= daN
de = f est. du tube mm
e = épaisseur du tube mm
dt = masse volumique du matériau de la tuyauterie kg/dm3

b) Du calorifuge ( voir première partie de cet ouvrage paragraphe 3.10 )
c) Du fluide véhiculé: pour la vapeur et le gaz on considère la masse volumique comme négligeable, pour les liquides

P’ =
x df » daN

di = f intérieur de la tuyauterie mm
df = masse volumique du fluide kg/m3

Pour les fluides ayant une masse volumique < 1000 kg/m3 il faut adopter pour le calcul des structures et supports rigides df = 1000 kg/m3

2 Les forces climatiques

a) Neige suivant NBN B51-001 1977 soit 400 N/m² pour le Hainaut, par exemple

b) Vent suivant NBN B03.002.1 et 2 1988 ou ABS N°1 que nous utiliserons ici.

Hauteur au-dessus du sol Pression dynamique normale Pression dynamique exceptionnelle

0 à 25 m 75 daN/m² ( v= 34,64 m/s ) 150 daN/m² ( V = 48,99 m/s )
26 à 50 m 80 ‘’ 35,78 m/s 160 ‘’ 50,6
51 à 75 m 85 ‘’ 36,88 170 ‘’ 52,15
76 à 100 m 90 ‘’ 37,95 180 ‘’ 53,66

Wh = ( Ch x Sv ) q

Ch = coefficient de trainée horizontale

Tuy. de > 0,2 m .......... Ch = 0,45

0,05 m de Ø 0,2 m = 0,8

de < 0,05 canalisations = 1,2 ( également pour garde-corps, fils, câbles,.......)

Câbles fortement tendus Ch = 1,4


Sv = section de la tuyauterie y compris calorifuge dans un plan diamétral

D x L = m².

Exemple: Soit un tube dn 400 situé à 10 m au-dessus du sol et d’une longueur de 20 m, calculer Wh.

Qex.= 150 daN/m² et Sv = 0,45

Soit Wh = 0,45 x 150 x 0,4 x 20 = 540 daN appliqué au centre de gravité de la tuyauterie.

Remarques : Etant donné que la tuyauterie possèdent des vannes, brides, voir des appareils, nous recommandons d'adopter pour Ch la valeur de 0,66 ( ≈ 2/3 ).

- Ce sont les tuyauteries de vapeur dediamètres moyens, du fait de leur calorifuge qui offrent une grande
surface au vent pour une faible inertie, qui sont les plus sensibles.

3. Les pressions intérieures ou extérieures

4. Les forces dues à l'écoulement du fluide : effet de fond, coups de bélier, etc

Pour les points 3 et 4 voir la première partie de cet ouvrage.

5. Les vibrations : Celles-ci constituent un mode particulier de sollicitations d'une tuyauterie. On a pu constater, par expérience, que lorsqu'une tuyauterie est animée d'un déplacement dont l'amplitude peut être suffisamment importante, il apparaît des contraintes élevées pouvant donner naissance à :

- Une rupture par fatigue
- Un débit pulsatoire produisant du bruit et augmentant les turbulences de l'écoulement avec pour conséquences immédiates :
- Des taux de transfert calorifique plus élevés, d’où pertes d’énergie.
- Augmentation de la perte de charge
- Accroissement des risques de corrosion et/où d’érosion
- Entraves au bon fonctionnement des pompes, vannes et autres accessoires .
- Dégâts ou fuites aux joints et bourrages.
- Effets psychologiques détestables sur le personnel, même si la tuyauterie est intrinsèquement sûre.

On le sait, les causes pouvant provoquer les vibrations sont nombreuses, mais il est possible de les scinder en deux grandes familles.

- Les vibrations d’ordre mécanique
- Les vibrations d’ordre acoustique

Les vibrations d’ordre mécanique: sont principalement dues aux machines tournantes ( pompes, compresseurs,..... ) et la fréquence du phénomène est un multiple de la vitesse de rotation. Une amplification des rotations se produira dans le cas de la résonance, autrement dit lorsque la fréquence excitatrice sera voisine des fréquences propres de la tuyauterie. Ces vibrations peuvent également être induites par l’écoulement des fluides, notamment dans les Tés, Y, etc ..... c’est-à-dire là où les veines fluides sont très perturbées.

Les vibrations d’ordre acoustique: sont dues à un phénomène vibratoire propagé par le fluide et constitué par des variations périodiques de pression. Les machines alternatives sont généralement productrices de ce type de vibrations. La résonance peut, ici aussi, être atteinte si la fréquence du phénomène est voisine de la fréquence propre de la tuyauterie, celle-ci se comportera comme un instrument de musique. L’intérêt de pouvoir établir la distinction entre ces 2 types de vibrations, réside dans les remèdes à y apporter. Quand une tuyauterie vibre, la tendance générale veut que l’on fixe la tuyauterie, ce qui est une idée fausse, en fait il faut amortir, c’est-à-dire placer un amortisseur dans le sens de l’amplitude maximum, cela suffit dans la majorité des cas et reste peu coûteux.

Méthode de recherche du problème:

- Procéder à une investigation pour déterminer les caractéristiques du phénomène.
- S’assurer que c’est bien la tuyauterie incriminée qui est source du phénomène, car les vibrations peuvent être transmises par les supports d’une des tuyauteries. Pour ce faire, isoler les tuyauteries les unes après les autres du support commun.
- Déterminer sur la canalisation les zones de fort déplacement dynamique ( ventre ) ou il sera préférable d’installer des amortisseurs

6.Séismicité: Dans de nombreux pays, la fréquence et l’ampleur des secousses sismiques sont importantes et il est important d’en tenir compte lors de l’étude. Chaque pays à forte séismicité à son code de calcul et différentes tables donnent les valeurs de séismicité. Ce calcul n’est pas encore d’application en Belgique sauf pour les centrales nucléaires, pour qui les normes américaines sont requises.

Lorsqu’il y a lieu, pour convertir les effets d’un éventuel séisme sur la tuyauterie, celle-ci peut être vérifiée par un calcul statique équivalent sur base des forces d’inertie susceptibles d’être induites. D’autres méthodes de calcul plus sophistiquées existent: analyse nodale, analyse dynamique directe en fonction du temps, .....

Le code ANSI B31-3 renvoie aux prescriptions de l’ANSI A58-1 pour cette vérification aux séismes. Les ANSI B31-1 & 3 mentionnent qu’il n’y a pas lieu de considérer une coïncidence des effets du vent et d’un séisme.

7.Remarque: Le calcul de limitation des contraintes dues au poids et autres charges mécaniques seront étudiés au chapitre 3. Notons que les calculs dynamiques sont réalisés par le logiciel ALGOR, CESAR.

 
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