Etude sur un site permettant d’évaluer les voies de transmission des vibrations.
1. Introduction
Dans les bâtiments, les sources de bruit et de vibrations interne au bâtiment sont nombreuses. Les machines tournantes ou à chocs sont souvent à l'origine de ces nuisances. Ces vibrations peuvent être perceptibles tactilement (ressenti du corps) ou réémettre du bruit par rayonnement acoustique (tel des haut-parleurs) – on parle d’acoustique régénérée.
Les vibrations engendrées par les passages de train ou de métro aux abords des bâtiments ne sont pas traités dans cet article, mais retrouvez notre brochure ici.
Ces vibrations peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine et sur le bon fonctionnement de certains équipements.
La désolidarisation vibratoire consiste alors à isoler une source vibratoire ou un récepteur de son support, en utilisant des systèmes d'isolation spécifiques. Pour comprendre leur fonctionnement, il est important de bien comprendre les sources de vibrations, les voies de transfert et les récepteurs
2. Les sources de vibrations
Les sources de vibrations sont généralement des machines tournantes (générant des vibrations continues) ou des sources intermitentes (chocs). Ces forces génèrent des vibrations qui sont transmises à la structure du bâtiment par les pieds ou le socle de la machine.
Dans l'industrie, de nombreuses machines peuvent engendrer des vibrations. Les machines tournantes, telles que les moteurs électriques, les pompes, les ventilateurs et les compresseurs, sont des sources courantes de vibrations. Les machines à chocs, telles que les presses hydrauliques, les perceuses et les machines de forage, génèrent également des vibrations importantes.
Les vibrations peuvent être transmises aux structures du bâtiment par les pieds de la machine, la tuyauterie, les réseaux fluides et les connexions électriques. Les vibrations peuvent également se propager à travers l'air, sous forme de bruit.
Pompe à chaleur au sous-sol d’un bâtiment de bureaux – Lagord (17)
3. Les voies de transfert des vibrations
Les voies de transfert des vibrations sont les chemins empruntés par les vibrations pour se propager de la source aux récepteurs. Elles peuvent être constituées de structures solides, telles que les murs, les planchers et les plafonds, ou de milieux fluides, tels que l'air et les liquides.
Dans les bâtiments, les voies de transfert des vibrations peuvent être complexes et impliquer plusieurs structures et milieux. Par exemple, les vibrations générées par une machine peuvent se propager à travers les pieds de la machine, la tuyauterie, les réseaux fluides et les connections électriques, avant d'atteindre les récepteurs. Il est important de prendre en compte toutes les voies de transfert possibles pour mettre en place une désolidarisation vibratoire efficace.
Modélisation des voies de propagation à l’aide des éléments finis
4. Perception des vibrations
Les vibrations peuvent être perçues de différentes manières, en fonction de leur fréquence et de leur amplitude. Les vibrations de basse fréquence sont généralement perçues comme des tremblements, tandis que les vibrations de haute fréquence sont perçues comme des bourdonnements.
Au-delà de l'amplitude de 0,1 mm.s-1, les vibrations peuvent devenir tactilement perceptibles par les individus, en posant la paume de la main sur un mur par exemple.
Les seuils de perception des individus sont définis dans la norme ISO 10137:2007. Cette norme propose des gabarits d'acceptabilité des vibrations, qui définissent la probabilité que les vibrations deviennent gênantes en fonction de l'usage des locaux. Ces gabarits, exprimés en niveau de vitesse vibratoire Lv en dBv (réf. 5.10-8 m.s-1), présentent des valeurs constantes dans les bandes de tiers d'octave comprises entre 8 Hz et 100 Hz dans la direction verticale.
Le graphique présente les gabarits issus de la norme ISO 10137 (reprenant les gabarits de la norme ISO 2631-2). Le gabarit généralement retenu est le seuil "logement de nuit". Il est important de prendre en compte la perception des vibrations pour évaluer les risques et mettre en place des mesures de désolidarisation vibratoire adaptées.
Les équipements sensibles aux vibrations, tels que les microscopes à balayage électronique, les palpeurs et les lithographes, nécessitent des conditions d'installation maîtrisées pour garantir leur précision et leur fiabilité. Des perturbations vibratoires peuvent réduire considérablement la précision des mesures, mettre l'équipement en défaut et même affecter la durée de vie des outils en augmentant les coûts de maintenance. Il est donc important de prendre en compte les risques liés aux vibrations et de mettre en place des mesures de désolidarisation vibratoire adaptées pour protéger ces équipements sensibles.
Télécharger gratuitement notre bulletin spécifique aux installations sensibles
Dans ce cas, les gabarits sont étendus vers des niveaux plus bas et prennent les noms VC-A, VC-B, etc. Plus la lettre est loin dans l’alphabet, plus les conditions microsismiques sont faibles.
Gabarits issus de l'ISO 10137 et ISO 2631 et ASHRAE VC
5. Quand désolidariser
Dans les bâtiments, il est recommandé de désolidariser toute source de vibrations des structures du bâtiment. Les sources de vibrations courantes dans les bâtiments comprennent les équipements de chauffage, de ventilation et de climatisation, les ascenseurs et les pompes.
Des appuis antivibratiles sont mis en place systématiquement pour éliminer le risque de gêne.
En effet, dans la plupart des cas, il est rare qu’une expertise vibratoire soit menée pour des équipements dits courants. L’équilibrage des pièces tournantes est meilleur qu’autrefois. De plus, le coût des appuis (centaine d’euros) n’est pas significatif par rapport au prix de la machine ce qui incite les installateurs à ne prendre aucun risque.
En revanche, dans les laboratoires de recherche et les sites de production sensibles aux vibrations, les équipements de métrologie et de production tels que les microscopes à balayage électronique, les palpeurs, les lithographes, etc. exigent des conditions d'installation maîtrisées.
Des perturbations vibratoires peuvent réduire considérablement la précision des mesures, mettre l'équipement en défaut, voire affecter la durée de vie des outils en augmentant les coûts de maintenance. Il est donc important de désolidariser ces équipements sensibles des sources de vibrations pour garantir leur précision et leur fiabilité.
L’intervention d’un expert vibratoire est essentielle pour garantir les conditions d’installation.
6. Quelles sont les solutions ?
Les différentes technologies d'appui de désolidarisation sont les suivantes :
- Caoutchouc naturel, polyuréthane, néoprène ou fibre de verre
- Ressorts métalliques hélicoïdaux, cables
- Appuis pneumatiques
Au-dessus des appuis, il peut être nécessaire de mettre en œuvre :
- Châssis métallique raidi
- Massif d’inertie en béton.
Le choix du support est réalisé en fonction de la structure du bâtiment, de la machine à désolidariser et du filtrage vibratoire à réaliser. Le paragraphe suivant détaille le fonctionnement d’un massif d’inertie ou massif antivibratiles.
Mise en place d’un système de ressort pour désolidariser un équipement en toiture.
7. Comment fonctionne une suspension antivibratile ?
Le dimensionnement d'une suspension antivibratile repose sur la maîtrise du comportement dynamique du système masse-ressort (ressort = 1/souplesse) et sur le positionnement de sa fréquence propre par rapport aux fréquences d'excitation générées par l'équipement.
En dessous de la fréquence de résonance, les efforts dynamiques sont majoritairement transmis au support par la raideur de la suspension. Au-delà de cette fréquence, le système entre dans son domaine d'isolation vibratoire et la transmission des vibrations décroît selon des lois dynamiques bien établies. La détermination de la fréquence propre constitue ainsi un paramètre essentiel pour garantir les performances attendues en matière de réduction des vibrations, de limitation des efforts transmis aux structures et de protection des équipements sensibles.
Pour un système de filtrage assimilé à un système à un degré de liberté, on distingue quatre fréquences :
- La fréquence de suspension (Frésonance),
- La fréquence de filtrage à partir de laquelle le système commence à filtrer (Ffiltrage),
- La fréquence d’excitation et le taux de filtration obtenu (Ffiltrage).
- La fréquence du premier mode propre de déformation du support (souvent > 100 Hz).
8. Dans les installations industrielles
Dans les installations industrielles, le comportement réel des machines suspendues s'écarte significativement du modèle théorique à un degré de liberté. Les ensembles mécaniques possèdent en réalité six degrés de liberté correspondant aux trois translations et aux trois rotations, auxquels s'ajoutent les modes propres de déformation de la structure suspendue. La réponse vibratoire résulte alors d'interactions complexes entre les caractéristiques dynamiques de la machine, celles de la suspension et celles de la structure support. L'analyse de ces couplages constitue un enjeu majeur pour éviter l'apparition de résonances parasites, de phénomènes d'amplification dynamique ou de transferts vibratoires indésirables.
Une attention particulière est portée à la rigidité dynamique de la partie suspendue. Une structure insuffisamment rigide peut présenter des modes propres à des fréquences proches de celles de la suspension, générant des interactions défavorables qui dégradent l'efficacité de l'isolation. Le maintien d'une séparation suffisante entre les fréquences propres de la machine et celles du système de suspension permet de conserver la rupture d'impédance mécanique indispensable à l'obtention de performances vibratoires élevées. Une analyse modale permet d'évaluer les modes de déformation du système.
Dans ce contexte, la mise en œuvre de massifs antivibratiles constitue une solution particulièrement efficace pour améliorer le comportement dynamique global des installations. L'augmentation de la masse suspendue permet d’utiliser des plots permettant une fréquence propre plus basse et donc d'accroître les performances d'isolation aux fréquences de fonctionnement de la machine. Par ailleurs, l'abaissement du centre de gravité contribue à réduire les amplitudes perçues des mouvements de corps rigide, notamment les phénomènes de basculement (tangage, roulis). Le massif participe également à la rigidification de l'ensemble suspendu, limitant l'influence des déformations locales et réduisant les niveaux vibratoires internes générés par le fonctionnement de l'équipement.
Grâce à cette approche intégrant l'analyse des fréquences propres, des modes vibratoires, des degrés de liberté, des couplages dynamiques et des transferts d'énergie, nous concevons des systèmes de suspension et des massifs antivibratiles adaptés aux exigences les plus élevées en matière d'isolation vibratoire, de stabilité dynamique, de fiabilité des équipements et de maîtrise des nuisances vibratoires.
Exemple de modélisation d’un bâtiment avec CTA en plénum technique
Conclusion
En conclusion, la désolidarisation vibratoire est un enjeu important dans de nombreux domaines tels que le logement, l'industrie, la construction, les transports et la recherche. Les vibrations peuvent avoir des effets néfastes sur la santé humaine, la précision des équipements et la durée de vie des machines. Il est donc essentiel de prendre en compte les sources de vibrations, les voies de transfert et les récepteurs pour déterminer quand et comment désolidariser.
Les normes et réglementations en vigueur fournissent des gabarits d'acceptabilité des vibrations en fonction de l'usage des locaux. Les équipements sensibles aux vibrations nécessitent des conditions d'installation maîtrisées pour garantir leur précision et leur fiabilité.
Dans certains cas, l’ajout d’un massif d’inertie est recommandé pour réduire efficacement les vibrations transmises à une structure du bâtiment.
Nos experts utilisent Code Aster pour résoudre toutes ces problématiques. Prenez contact avec l’un d'eux, il pourra vous faire gagner beaucoup de temps.
Restez informé !
Abonnez-vous à notre lettre d’information et recevez chaque trimestre notre bulletin en lien avec l’acoustique ou la mécanique des fluides.