Minimiser les risques de rupture

4.2 Comment minimiser les risques de rupture, dus à la résonance, dans une structure ?

L’amortissement ou comment jouer sur l’amplitude d’une vibration.
Revenons à la notion d’amortissement. L'amortissement4 est la capacité d'un élément à absorber l'éner­gie produite par les vibrations. Plus la dissipation d’un objet est grande moins il n’absorbera l’énergie ; à l’inverse moins la dissipation d’un objet est importante, plus il absorbera l’énergie. La dissipation est la capacité qu’un système a, à laisser partir l’énergie.
Dissipation et amortissement sont donc liés.
En fait, l’amortissement n’empêche pas la résonance, il empêche que celle-ci ne se développe à trop grande amplitude et donc entraîne la rupture de la structure.
Dr M. Argentina, professeur et chercheur théoricien à la faculté de science de Valrose, à Nice nous explique :
Pour tout objet on peut effectuer cette schématisation :
On exprime a l’amplitude en fonction de f la fréquence. Pour une fréquence définie (fréquence propre de l’objet) l’amplitude de la réponse à une excitation est maximale.
La dissipation est la distance entre les deux points de la courbe pour une même ordonnée (amplitude).
Sch
On peut jouer sur la dissipation. Voyons deux cas différents et les inconvénients qu’ils comportent…
Diminuer la dissipation d’un matériau
Dans le cas ci-contre, on a nettement diminué la dissi­pation et de ce fait l’amplitude du point maximum de la courbe est fortement augmentée.
Si dans ce cas ci on a réduit les risques de rentrer en résonance, les dégâts occasionnés si on y parvient sont inimaginables !
Sch
Dans le cas ci-contre on a augmenté la dissipation et ce fait l’amplitude du point maximum de la courbe est assez bas.
Si dans ce cas là il est plus simple de faire entrer en résonance l’objet considéré, les dégâts sont moins im­portants que dans le cas précédent.
La méthode de l’amortissement n’est donc pas parfaite et doit être couplée à une autre.

L’isolation

Nous nous sommes longuement poser la question de savoir si certains matériaux, plus que d’autres, pouvaient entrer en résonance.
Nous l’avons vu, l’aptitude d’un objet à entrer en résonance dépend de sa masse, de sa raideur, et sa « consistance ». Oui et alors ?
En fait, en cherchant bien nous nous sommes rendu compte que dans les matériaux, ce qui comptait le plus était leur capacité à absorber de l’énergie. C’est une autre manière de traiter le problème.
Ce qui nous intéresse, et ce fut notre fil conducteur, est de savoir comment éviter un phénomène de ré­sonance trop important (et donc destructeur) dans un bâtiment.
Une notion intéressante et indirectement liée est le traitement acoustique.
Explications
Pour l’expliquer, rappelons que :
Plus un matériau est lourd et plus il est difficile de le faire casser (car il faut davantage d’énergie pour l’amener à se déformer)
Plus un matériau est rigide, plus il sera facile de le casser, car il résistera difficilement à la contrainte qu’on lui impose.
Donc, plus un matériau mou et absorbant plus il « arrêtera » les ondes qui l’atteignent et, si elle sont de même fréquences propres que lui, il résistera aisément au phénomène de résonance, même s’il est de très grande amplitude.
Les bâtiments ne doivent bien évidemment pas être construit avec des matériaux mous dans leur intégralité, ils ne tiendraient pas debout !
Alors l’idée est de les « revêtir » ou combiner les matériaux de construction à des matériaux présentant ces caractéristiques ; en somme, construire une « barrière » aux fréquences de résonance des matériaux principaux.
Un autre petit détail à considérer est le fait que tous les matériaux n’arrêtent pas tous les mêmes fré­quences. Celles-ci se répartissent en trois catégories : les fréquences graves, médium et aigues.
Ainsi, après de minutieux calculs, les ingénieurs déterminent les fréquences fondamentales des maté­riaux de construction utilisés et donc, celle qu’il faut à tout prix éviter. L’emploi des matériaux jouant le rôle de « frontière aux ondes » est en accord avec ces résultats.
Notons tout de même qu’il ne faut pas trop isoler les bâtiments car on ne souhaite pas les transformer en chambres sourdes[1] !

Autres méthodes

Contrecarrer

Les ingénieurs peuvent aussi mettre des systèmes qui « luttent contre le mal avec le mal ».
Ils font en sorte d’envoyer au système qui commence à résonner une vibration de même amplitude mais de phase[2] opposée (en somme, un signe + contre un signe -) : la somme de­vient nulle.
Les ingénieurs doivent aussi se préoccuper du lieu de construction et des caractéristiques du sol (en effet tous les types de sols ne conduisent pas aussi bien les vibrations), ou encore d’éviter de coupler des ma­tériaux présentant les mêmes fréquences de résonance.
En somme on en revient toujours aux mêmes choses : jouer sur l’amplitude, la fréquence, la masse ou la rigidité d’une structure.
Il existe donc des méthodes permettant de limiter le phénomène voire de l’empêcher tout simplement.
Il est tout de même important de signaler que ces solutions ne correspondent pas toujours aux situations ren­contrées. Il faut donc, chaque fois, reconsidérer le problème. Souvent, une approche de tâtonne­ment par améliorations successives est nécessaire.
4 : D’ordinaire, les vibrations d’un objet sont toujours amorties. Dans le cas de notre verre elle sont amorties par l’air, un fluide ou un autre matériau que l’on y aurai placé (la farine par exemple).
[1] Chambres sourdes : de l’appellation scientifique de salle anéchoïde, ce sont des salles très absorbantes où les ingénieurs testent les haut-parleurs et l’équipement acoustique. Dans ce genre de pièces, les sons paraissent complètement étouffés d’où l’appellation de « chambres sourdes »
19 Phase : le terme de phase caractérise le décalage d’un signal sinusoïdal par rapport à un autre.