Comprendre les vibrations et l'impact sur les structures et personnes

Que sont les vibrations?

Les vibrations sont définies comme des mouvements cycliques continus et peuvent être expérimentées par tout système, vivant ou non, d’une personne se promenant dans un parc à une structure en acier oscillant par une machine vibrante. Du fait de l’excitation appliquée au système, il pourrait être obtenu soit des vibrations périodiques, comme un mouvement oscillatoire d’un alimentateur vibrant utilisé dans une mine, ou des vibrations aléatoires, comme les mouvements cycliques d’un véhicule traversant une route rugueuse et bosselée. Les vibrations ont lieu littéralement partout. Forage, dynamitage, travaux de construction ou de démolition, marteaux-piqueurs, sonnettes, chargeuses lourdes, turbines, ventilateurs, générateurs, transformateurs et moyens de transport : ce sont tous de très bons exemples d’activités et d’équipements qui génèrent des niveaux de vibration significatifs pour n’importe qui ou n’importe quoi dans les alentours.

Le cas du pont du détroit de Tacoma en 1940

Un des cas les plus étudiés de vibration est celui du pont suspendu du détroit de Tacoma. Traversant le détroit de Tacoma du Puget Sound entre Tacoma et la péninsule Kitsap dans l’Etat de Washington, le premier pont du détroit de Tacoma était le troisième plus long pont suspendu de par sa travée, devant le pont du Golden Gate et le pont George Washington. Il a été construit en employant une nouvelle approche de conception, ceci laissant de fait les ingénieurs incapables de prédire les fortes oscillations générées par la vitesse du vent. Ce qui s’est ensuite rapidement passé est aujourd’hui considéré comme l’une des plus grosses et des plus célèbres catastrophes de l’ingénierie dans l’histoire des Etats-Unis, bien qu’elle n’ait pas été fatale, puisque le tablier du pont s’est finalement effondré sous un vent de 64 km/h (40 mph) dans la matinée du 7 novembre 1940.

Les vibrations aéroélastiques : les responsables de la chute du pont

Les vibrations qui ont finalement causé la démolition du premier pont du détroit de Tacoma sont des vibrations auto-stimulées appelées vibrations aéroélastiques. Ces vibrations peuvent être définies comme « des vibrations instables, auto-alimentées et potentiellement destructrices pour lesquelles les forces aérodynamiques agissant sur la structure sont couplées avec les fréquences naturelles de cette même structure pour produire un mouvement périodique rapide ». Phénomène complètement inconnu à l’époque de l’incident du pont de Tacoma, les vibrations aéroélastiques sont maintenant omniprésentes dans une large gamme de secteurs dans l’ingénierie. Dans les utilisations qui dépendent fortement de l’intégrité structurelle de corps flexibles, le mouvement induisant un flux est une cause importante à considérer du fait qu’il joue un rôle clé dans la conduite de la dynamique de la structure. Pour cette raison, la vibration aéroélastique est largement étudiée dans l’industrie aérospatiale, en ciblant en particulier la compréhension de son effet sur les surfaces pouvant être soulevées, comme les ailes d’avion, et ses conséquences pour des applications aéronautiques.

Comment des vibrations affectent-elles les êtres humains et les structures?

Tout être humain et structure présente des propriétés de vibration individuelle qui dépendent de leur masse et raideur, et sont typiquement caractérisées en utilisant une fréquence de vibration. Cette dernière, mesurée en Hertz (Hz), correspond simplement au nombre de cycles par seconde. Dans le domaine de l’ingénierie vibratoire, ces fréquences sont appelées fréquences naturelles car elles sont inhérentes au système, dans certains cas semblables à leur masse ou forme. La figure ci-dessous montre les fréquences naturelles d’un corps humain :

Fréquences de vibration naturelles du corps humain.

La résonance, ça vous dit quelque chose?

Quand une structure ou un être humain est sujet à une force cyclique dont la fréquence est égale ou quasi égale à sa propre fréquence naturelle, un important phénomène d’ingénierie commence à apparaître : la résonance. Ce phénomène fait vibrer la structure ou la personne avec une plus grande amplitude que lorsque la même force cyclique est appliquée à d’autres fréquences. La résonance peut causer de violents mouvements de balancements et même des ruptures catastrophiques dans des structures peu résistantes au phénomène, ceci incluant les ponts, les bâtiments, les trains et les avions. Inutile de préciser que cela peut être très dangereux pour l’Homme aussi.

Dans les structures, un haut niveau de vibrations peut causer des fissurations, des pertes de boulons ou d’autres dégâts. Sur les Hommes, les vibrations peuvent engendrer de sévères séquelles comme de la fatigue, des migraines, des problèmes d’estomac, entre autres. De nombreuses réglementations ont pour objet le contrôle de l’exposition des êtres humains aux vibrations. A titre d’exemple, les constructeurs de voitures se doivent de réduire les niveaux de vibration pour assurer un certain confort aux passagers et prévenir des problèmes de santé.

Bonne pratique

Réparer les problèmes de résonance dans les structures qui supportent des machines ou des gens peut s’avérer très onéreux. C’est la raison pour laquelle prédire les propriétés vibratoires d’un système avant son usage normal constitue toujours une bonne pratique dans l’ingénierie.

Problèmes vibratoires typiques

Nos consultants en vibration sont régulièrement appelés pour traiter divers problèmes liés aux vibrations dans les secteurs résidentiels, industriels et environnementaux. Résoudre ces problèmes nécessitent des connaissances approfondies sur les vibrations et, plus important encore, une caractérisation appropriée du comportement vibratoire du système. Pour chaque secteur et type de problèmes, il existe diverses solutions et les ingénieurs en vibrations devraient être consultés pour identifier et mettre en œuvre la meilleure d’entre elles. Ci-dessous les situations les plus classiques ou les lieux où de hauts niveaux de vibrations sont typiquement engendrés :

Architecture

Salles mécaniques / chaufferie
Équipements de chauffage, ventilation et climatisation : conduite de ventilation, compresseurs, pompes
Ascenseurs, escalateurs et passerelles
Appareils domestiques : machines à laver et sécheuses
Activité humaine : la marche, la course, la danse et les exercices de sport
Coups de vent et bourrasques

Environnement

Systèmes de transport : voies ferrées, métro, tramways et axes routiers
Exploitation minière : dynamitage, perçage, concassage et tamisage
Équipements pour déplacer la terre : excavatrices, chargeuses et bulldozers
Activités de construction : démolition, enfoncement de pieux, dragage et marteaux-piqueurs

Industrie

Machines vibratoires : cribles vibrants, pompes centrifuges, broyeurs, mélangeurs et turbines
Manutention de matériaux et matières : courroies, transporteur à vis et élévateurs à godets
Équipement de transport : chariots élévateurs, empileurs et récupérateur
Résonance dans l’habitacle de véhicule

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Comment éviter la résonance ou des niveaux élevés de vibrations?

Comme nous l’avons vu plus haut, des niveaux de vibrations élevés et une résonance dans les structures ou les êtres humains doivent être évités puisqu’ils peuvent causer des séquelles irréversibles et sévères, et même conduire à une défaillance catastrophique du système. Par conséquent, il est important que les ingénieurs prédisent d’abord si un système présentera une résonance et qu’ils mettent en œuvre des actions correctives en amont.

La prédiction de la résonance est un sujet largement étudié. En attendant, il y a quelques cas simples où l’estimation des caractéristiques vibratoires d’un système peut être réalisée en utilisant simplement des équations basiques. Les scénarios réels tendent vers la complexité, avec de nombreuses variables jouant divers rôles dans les dynamiques d’un système. Dans de tels cas, l’ingénieur en vibration fait confiance à des techniques informatiques avancées pour analyser le système de plus près.

La méthode des éléments finis

De nombreuses techniques de simulation sont utilisées pour modéliser et analyser un système. Sur les dix dernières années, plusieurs procédés numériques ont été développés pour mieux comprendre le phénomène physique qui affecte les solides et anticiper les problèmes dans les conceptions mécaniques et structurelles. La technique la plus connue actuellement est celle des éléments finis (en anglais the Finite Element Method (FEM)). Issue de cette méthode, l’analyse d’éléments finis (en anglais the Finite Element Analysis (FEA)) est une discipline plutôt récente à la frontière entre les mathématiques, la physique et l’ingénierie. En simplifiant, FEA est une application de la méthode des éléments finis aux problèmes de la vie réelle. Elle s’appuie d’abord sur des ordinateurs pour prédire des contraintes et une température que le composant connaîtra une fois en service.

FEA est un outil très populaire chez les ingénieurs en vibration car il permet d’appliquer des lois physiques à des scénarios de la vie réelle avec précision, adaptabilité et sens pratique. Quand il est bien utilisé, FEA permet de prédire précisément le comportement vibratoire de n’importe quel système et de sélectionner correctement des variables si le modèle conduit à des niveaux de vibrations élevés. En effet, l’optimisation des composants dans leur phase de conception est la clé d’un meilleur développement, de produits plus sûrs, et en moins de temps.

Analyse par éléments finis d'une pièce de moteur d'avion

Nous aidons les entreprises à résoudre leurs problèmes de vibrations

Avec une expertise incomparable dans le champ de la vibro-acoustique, et plus de 20 ans d’expérience pratique dans le domaine, Soft dB est fier de proposer un service de conseils et des solutions technologiques innovantes à travers l’Amérique du Nord et l’Europe. Nous employons plus de 100 personnes, dont 30 ingénieurs dotés d’une expertise reconnue en architecture, dans l’environnement et dans le contrôle vibratoire en industrie. L’ensemble de nos collaborateurs mettent leur savoir cumulé et savoir faire collectif en commun pour s’attaquer au défi que représentent souvent les problèmes vibratoires, en utilisant une forte base théorique ensemble et des techniques informatiques avancées.

Nous exploitons la méthode des éléments finis pour définir dans un premier temps le comportement vibratoire de votre système puis mettre en évidence les ajustements ou mesures correctives nécessaires pour réduire les niveaux de vibration affectant sa performance et sa sécurité. À travers ces techniques prouvées, nous trouvons toujours la solution la plus pratique et la plus économique pour nos clients, quelle que soit la complexité des problèmes vibratoires.

Vous avez déjà investi une quantité considérable de temps et d’argent pour être sûr que votre équipement et vos infrastructures puissent répondre continuellement à vos besoins commerciaux. Aujourd’hui, l’anticipation des problèmes vibratoires avant leur apparition peut vous faire économiser des milliers de dollars en réparation post-construction et retards de production. Plus important encore, anticiper vous responsabilisera pour réduire de manière significative les chances d’accidents graves dans l’avenir.

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Références

Comprendre les vibrations et comment elles affectent à la fois les structures et les humains