Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Les lignes de transport de l’énergie électrique sont l’une des structures les plus vulnérables au givrage atmosphérique. Le givrage atmosphérique est un phénomène météorologique qui se manifeste par un dépôt des gouttes d’eau ou des flocons de neige, sur une surface froide exposée à l’air ambiant. Lorsque la glace accumulée sur la structure subit des contraintes environnementales ou structurales, sa masse se réduit, d’une façon souvent brutale, menant au phénomène de délestage. Ce phénomène affecte considérablement la stabilité des équipements et des structures et constitue un danger véritable sur la vie des individus. La compréhension du phénomène de délestage nécessite une étude approfondie de la physique de la glace atmosphérique, de ses caractéristiques thermodynamiques, rhéologiques et mécaniques. L’objet de la présente étude est de développer des outils pour prévoir le phénomène de délestage de la glace atmosphérique, le but primordial étant de développer des critères de rupture sous chargement uniaxial et triaxial. Le premier type de critère de rupture se base sur les observations expérimentales lors des essais de compression et de traction uniaxiale, ayant une nature purement phénoménologique, le critère de rupture uniaxial prend en considération l’effet du taux de déformation, de la température et de la porosité. Le deuxième type de critère de rupture, quant à lui, se base sur l’identification structurale des constantes matérielles incorporées dans des critères de rupture triaxiaux, en se basant sur les résultats des essais de compression triaxiale réalisés au sein de la CIGELE (Chaire industrielle sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques) sur la glace atmosphérique, sous différentes conditions expérimentales. L’influence de la température et du taux de déformation sur la résistance sous confinement est également mise en évidence. La glace atmosphérique est accumulée au sein de la soufflerie de la CIGELE. Le flux et la vitesse à l'intérieur du tunnel sont contrôlés via un ordinateur de contrôle, la vitesse de l'air est ajustée à 20 m/s afin d’avoir un MVD (mean volume droplet diameter) de 40μm et une teneur en eau liquide (LWC) de 2,5 g/m3. La glace atmosphérique est accumulée sur un cylindre rotatif en aluminium de 78 mm de diamètre et de 590 mm de longueur, les températures considérées sont -5, -10, -15 et -20°C. Afin de déceler l’effet de la porosité, la glace granulaire désaérée est préparée en utilisant une autre technique développée au sein de la CIGELE. La structure cristalline et le taux de la porosité sont évalués en utilisant la microtomographie à rayon X. L’étude de la microstructure de la glace atmosphérique indique une taille des grains qui dépend fortement de la température. Le diamètre moyen des grains est d'environ 0.137 mm pour les échantillons de glace accumulés à -20°C, de 1.249 mm à -15°C et de 4.511 mm à -5°C. La porosité est de 2.25% à -20°C, de 1.06% à -15°C et de 0.28% à -5°C. Les essais de compression uniaxiale montrent que la résistance à la compression de la glace croît avec l’augmentation du Taux de déformation, la croissance se poursuit jusqu’à la transition ductile-fragile. Au-delà de cette transition, la glace se fragilise et sa résistance décroit. La glace colonnaire S2 présente un comportement fortement anisotrope. Sa résistance à la compression est maximale dans le sens parallèle à l’axe des colonnes. La résistance à la compression augmente avec la diminution de la température pour la glace granulaire désaérée. En ce qui concerne la glace granulaire poreuse, un seuil de résistance maximale est observé, au-delà duquel une diminution de la résistance à la compression est observée. La glace atmosphérique poreuse présente un comportement ductile même à des taux de déformation relativement élevés, ceci étant dû à la présence des cavités et des pores. Un critère empirique sous chargement uniaxial est proposé. Le critère permet de présenter le comportement de la glace atmosphérique en compression et en traction uniaxiale, sous différentes conditions. La dépendance du critère de rupture proposé de la température est présentée par la fonction shift WLF (Williams-Landel-Ferry). Afin de prédire la rupture fragile de la glace atmosphérique, un modèle neuronal est proposé. L’apprentissage dynamique par les données expérimentales permet d’apprendre le réseau, d’autres données sont utilisées pour la validation. Le modèle proposé montre une bonne capacité de prédiction, avec un taux d’erreur très acceptable. Les essais de compression triaxiale montrent que la résistance de la glace atmosphérique croît en augmentant la contrainte de confinement. Même sous confinement, la transition ductile-fragile de la glace atmosphérique est toujours observée à un taux de déformation de 10-3s-1, pour une température de -5°C, tandis que cette transition n’est plus observée pour des températures plus froides de -10 et -15°C. La dépendance de la résistance triaxiale de la glace atmosphérique à la température et du taux de déformation est toujours observée. Les trois critères de rupture de Mohr-Coulomb, de Hoek-Brown et de Larme sont considérés pour la glace atmosphérique, afin de prévoir la rupture de celle-ci sous des contraintes triaxiales. Les résultats des tests triaxiaux ont été utilisés pour identifier les constantes matérielles incorporées dans ces critères de rupture. Un modèle éléments finis a été appliqué afin de valider le critère de rupture de Mohr-Coulomb. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance avec les résultats des mesures expérimentales.