Dimensionnement d’une vanne de régulation d’un barrage hydraulique
Cette semaine chez AGICEA, nos compétences en calcul ont été une nouvelle fois mises à l’épreuve !
Notre client, le Groupe Moscatelli nous a fait confiance pour le dimensionnement de mécanique lourde, l’axe de rotation d’un barrage hydraulique pour le compte final d’EDF Hydraulique.
L’objet de l’étude
Il est question dans cette étude de vérifier la déformation, les contraintes maximales et la tenue à la fatigue mécanique des matériaux de l’axe de rotation d’une vanne sectionnelle d’un barrage hydraulique situé en France.
Qu’est-ce qu’une vanne sectionnelle ?
Une vanne sectionnelle permet de réguler le débit d’eau entre le niveau haut du barrage et le niveau bas, et ainsi alimenter en eau l’aval du barrage. Il s’agit d’une structure métallique lourde d’une seule pièce.
Modélisation de notre client
Dans un premier temps, notre client a modélisé l’ensemble de la porte (ou vanne) en 3D. Un fichier STEP (fichier 3D universel) des tourillons nous a ensuite été transmis.
De façon à bien comprendre cet article, le tourillon est composé d’une chape (ensemble mécanosoudé), dans laquelle vient se loger des coussinets de guidage en alliage mixte bronze-graphite fritté. Ces coussinets permettent de faire tourner un axe Ø200mm (rond plein) sans ajout de lubrification. L’ensemble est en alliage d’acier inoxydable à hautes capacités mécaniques (limite élastique et à la rupture élevés).
Application des charges sur un tourillon
Après avoir isolé un tourillon, il était question de déterminer la charge de poussée hydraulique à appliquer sur son axe central.
A la suite de cela, nous avons appliqué une charge de 126 T correspondant à la force de poussée hydraulique générée sur un des deux bras de rotation (donnée de notre client) sur notre logiciel de dimensionnement par éléments finis.
Cette charge est ensuite convertie en force surfacique répartie sur la demie surface de l’axe. Nous obtenons donc une force de poussée surfacique globale de 13 960 kN/m² !
Les combinaisons de charge de l’Eurocode
Les Eurocodes permettent de déterminer les combinaisons de charge et les coefficients de pondération à travers certaines équations pour l’ELU (Etat Limite Ultime) et l’ELS (Etat Limite de Service). Cela nous permet de dimensionner dans les règles de l’art en tenant compte de coefficients de sécurité propres à l’application.
Vérification des déformations
Après avoir maillé notre ensemble mécanique en solides (éléments finis 3D), nous avons vérifié les déformations globales de chaque sous-ensemble :
- Le coussinet en bronze et graphite
- L’axe central Ø200
- La chape du tourillon
Vérification des contraintes équivalentes
Nous analysons ensuite les contraintes équivalentes (Von Mises) afin d’éviter des pics de concentration indésirables.
Nous comparons ces valeurs à celles recommandées par rapport aux limites admissibles des matériaux.
Vérification des contraintes à la fatigue conformément à NF EN 1993-1-9
Les vérifications à la fatigue se réalisent selon la norme des Eurocodes : NF EN 1993-1-9.
AGICEA a développé une macro permettant de vérifier les contraintes maximales (équivalentes, traction et cisaillement) aux sites potentiellement soumis à une fissuration. L’ensemble du tourillon est vérifié pour 438 000 cycles. Cela correspond à un mouvement par heure tous les jours de l’année sur 50 ans. 
Chez AGICEA, nous apportons une expertise technique poussée pour des projets de grande envergure !
Nous éditons 4 notes de calcul pour chaque sous-ensemble de ce projet. De ce fait, notre client se rassure sur la tenue mécanique de cette vanne de barrage hydraulique sur une période de 50 ans.
Pour tout dimensionnement de pièces mécaniques lourdes, de structures hydrauliques en acier soumise à des cycles de chargement répétitifs, n’hésitez pas à contacter AGICEA !
En vue d’apporter une ouverture sur un prochain article, nous dimensionnons également vos pièces en milieu sismique ! Nous vous donnons les meilleures préconisations afin d’améliorer la tenue de votre structure sous l’action d’un tremblement de terre.
