Mécanique pour l'enseignement technique industriel/Notions de mécanisme et de structure

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Présentation

Le chapitre introduit des notions sur les structures et les mécanismes. Le but est d'introduire du vocabulaire technologique de base et de montrer le cadre dans lequel se fera l'étude.

Il ne s'agit pas à proprement parler d'un cours à délivrer tel quel. Il s'agit plus d'une collection d'exemples qui peuvent illustrer les différentes notions abordées le long du cours.

Objectifs

À la fin de ce chapitre, l'étudiant doit comprendre le contexte dans lequel seront placés les exemples et exercices abordés dans les chapitres suivants.

Structure

Une structure est un ensemble de pièces immobiles entres elles devant supporter une charge. Cette charge peut être un poids — ne serait-ce que le poids propre de la structure — mais aussi la poussée d'un objet. Les paramètres importants d'une structure sont :

• sa stabilité : la charge ne doit pas faire basculer la structure ;
• sa résistance : la structure ne doit pas se plier ou rompre sous l'effet de la charge.

Les exemples les plus simples sont les échafaudages, les bâtiments, les ponts, les supports de cuves ou de machines, …

Des murs porteurs aux structures métalliques

Historiquement, les habitations se sont faites sur deux modèles :

• une structure massive et rigide : construction de pierre, de brique ; la toiture, et éventuellement l'étage, repose sur des murs dits porteurs, les efforts sont encaissés par un élément unique et massif ;
• une structure légère et souple, pour un habitat permanent ou nomade (démontable) : maison à colombages, hutte, yourte (Mongols), tipi (Amérindiens), case (Afrique), … la structure est en bois et l'habillage en tissus, peaux, végétaux tressés ou terre séchée ; dans ce cas-là, les efforts sont répartis sur une multitude d'éléments qui, pris individuellement, ont une faible résistance. La souplesse des éléments permet de résister à des efforts importants du vent (voir la fable de La Fontaine Le Chêne et le roseau) et aux tremblements de terre ; toute l'architecture japonaise médiévale, à l'exception des châteaux, repose sur des structures en bois. Les charpentes en bois sont très répandues partout dans le monde.

La structure doit supporter des charges verticales — son propre poids, le poids de la neige, le poids des objets posés dessus — mais aussi des efforts horizontaux — poussée du vent, déplacement provoqué par les séismes. Les parties assurant cette stabilité horizontale sont appelées « contreventement ».

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  Maisons à colombage : structure de bois remplie par du torchis (mélange de paille et de terre)
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  Yourte : le toit repose sur un pilier central et sur un treillis périphérique
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  Case : construction du toit
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  sanctuaire d'Itsukushima (Miyajima, Japon)
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  Charpente traditionnelle française

La structure doit d’abord supporter son propre poids. Plus la structure est légère , plus on peut construire haut. Cela est particulièrement évident dans le cas de l'architecture monumentale, dont le but est d’être grand, pour montrer sa puissance. Dans le cas d'une construction massive, le haut doit être plus petit que le bas, ce qui a donné les pyramides (ziggourat de Mésopotamie à partir de -5000, pyramides d'Égypte à partir de -2700, pyramides d'Amérique précolombienne vers -1000).

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  Ziggourat de la dynastie Ur (Nassiriya, Irak)
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  Pyramide de Saqqarah (Égypte)
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  Pyramide maya (temple Kukulcan à Chichen Itza, Mexique)

Le principe poteau-poutre est apparu en Égypte vers -800, et sera très utilisé par les grecs (ordre dorique) : une poutre transversale reçoit le poids de la toiture et la répartit sur les poteaux. C'est le modèle du portique, ou du linteau de porte (poutre soutenant le mur au dessus de l'ouverture). La répartition des efforts sur une construction courbe, la voûte, apparaît en Égypte avec la voûte nubienne ; celle-ci est allongée vers le haut et peut être montée pierre par pierre ou bien en accumulant la terre crue. Les Étrusques (Toscane, avant -100) inventent la voûte en berceau (arc de cercle) : on utilise une charpente en bois pour monter les pierres ou briques, puis la charpente est démontée. La voûte est une sorte de « poutre courbe » reportant les efforts sur les piliers qui la soutiennent. Cela sera très utilisé par les Romains et permet la construction de ponts très grands comme les aqueducs (pour le transport de l'eau).

Cette répartition des efforts se retrouve aussi dans les barrages : on a des « barrages poids », où le poids de l'eau est transféré au sol, aux « barrages-voûte », où la courbure transmet l'effort aux côtés de la rive.

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  Linteau de porte
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  temple d'Héphaïstos a Athène (Grèce)
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  Voûte nubienne : maison en obus au Cameroun
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  Pont du Gard, aqueduc romain (Nîmes, France)
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  Barrage poids
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  Barrage voûte

L'architecture monumentale européenne, et en particulier les temples, les églises et les palais, a évolué d'une structure massive à une structure plus aérée. En France, l'exemple le plus flagrant est l'évolution entre les églises romanes et gothiques : les églises romanes (du x^e au XII^e siècle) ont des murs massifs renforcés par des contreforts, et peu d'ouvertures (vitraux) ; les églises gothiques (à partir du XII^e siècle) ont des structures plus aérées, les contreforts sont remplacés par des arcs boutants, les murs s'ouvrent de nombreux vitraux et rosaces. Cette évolution se fait en répartissant les efforts sur des éléments « minces » — piliers, arcs boutants, croisées d'ogives, … Cela permet d’avoir des monuments plus hauts et plus lumineux.

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  Intérieur d'une abbatiale romane
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  Intérieur d'une abbaye gothique : plus aérée, plus lumineuse, plus haute

La charpente traditionnelle est justement basée sur la répartition des efforts, mais le bois est putrescible et inflammable, ce qui a limité son utilisation dans le domaine industriel. La construction à base de poutres permet la normalisation : on produit en masse des poutres toutes identiques, ce qui permet une fabrication rapide et peu onéreuse. Au XIX^e siècle, le développement industriel de la fabrication du fer et de l'acier permet la création de structures légères et résistantes. Cela est particulièrement exploité par Gustave Eiffel ; cela a également permis la construction des gratte-ciels new-yorkais. Les poutres peuvent également être en béton. Cette solution a été utilisée par exemple par Auguste Perret au Havre pour la reconstruction du centre-vile du Havre, détruit pendant la Seconde Guerre mondiale ; les bâtiments ont une structure poteaux-poutres, les murs sont du « remplissage ».

Dans un contexte de bâtiment industriel (centre commercial, usine, entrepôt), on a fréquemment recours a une structure métallique, rapide à monter. La fermeture du bâtiment (protection contre les intempéries, la vue, les vols) se fait par du bardage, mais de nombreuses structures sont ouvertes comme par exemple les structures des raffineries de pétrole.

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  Viaduc Maria Pia (Portugal) conçu par Eiffel
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  Principe d'un pont en treillis (structure triangulée)
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  Centre-ville reconstruit du Havre : la structure poteaux-poutres a permis une reconstruction rapide et peu onéreuse
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  Raffinerie (Frankfurt-am-Oder, Allemagne)
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  Plateforme pétrolière (Point Conception, Californie, États-Unis d'Amérique

Transfert des charges

Transfert de charges dans le cas d'un treillis, d'une voûte nubienne, d'une voûte en berceau et d'un portique (palée)

Un élément capital des structures est donc le transfert des charges. Initialement, il s'agit de pouvoir pratiquer des ouvertures dans un mur — porte, fenêtre, ce qui rend une maison ou une fortification fonctionnelle : à quoi servirait un mur si l’on ne peut pas rentrer ni sortir… Comme nous l'avons vu, l’application de cette notion a permis d'alléger les structures et donc de construire plus léger (donc plus haut), plus aéré (plus lumineux), de libérer les formes (l'architecte n'est plus obligé de suivre certaines formes pour que la structure tienne), de construire plus rapidement et moins cher.

Dans le cas d'un treillis — structure triangulée —, l'effort sur un nœud (jonction entre deux poutres) se divise sur les différentes poutres ; chaque poutre prend une partie de l'effort (image de gauche), en compression ou en traction. Sur une voûte (images centrales), un effort réparti se reporte sur les appuis, de pierre en pierre. Sur un portique (image de droite), le linteau (poutre du haut) reçoit la charge en flexion, et la reporte sur les deux poteaux (chaque poteau reçoit la moitié de la charge).

Mécanisme

Parties fonctionnelles d'une machine

Un mécanisme est un ensemble de pièces dont au moins une est mobile par rapport aux autres. Le but d'un mécanisme est de réaliser un mouvement tout en effectuant un effort, soit essentiellement :

• saisir un objet et le déplacer ou
• déformer de la matière (fabrication, marquage).

Le mécanisme agit sur un objet, éventuellement sur une personne ou un animal (par exemple dans le cas d'un véhicule, d'un ascenseur).

Un tel système comporte :

• une partie commande (PC) :
  • pupitre de commande et de contrôle : c’est l'interface avec l'utilisateur, il comprend des moyens d'action (manivelles, manettes, pédales, boutons, volants, …) et de contrôle (voyants, cadrans) ; il peut s'agir d'un ordinateur,
  • automate : tout ou partie des opérations peut s'effectuer sans l'intervention d'une personne,
  • sécurités : évite l'accident ;
• une partie opérative (PO) :
  • effecteurs : ce sont les pièces qui agissent sur l'objet,
  • guidage : ce sont les pièces qui assurent que l'effecteur suit bien le mouvement prévu, comme les rails (déplacement en translation), les charnières (pivotement), …
  • actionneurs : ce sont les pièces qui provoquent le mouvement : moteurs, vérins, …
  • capteurs : ce sont les pièces qui renseignement la partie commande et permettent la régulation : détecteurs de position, de mouvement, thermomètre, …

Le présent cours concerne la partie opérative, et plus précisément le guidage, les actionneurs et les effecteurs.

De l'outil à la machine

L'Homme perçoit le monde grâce à ses sens (ouïe, vue, odorat, toucher, goût) et agit sur lui grâce à ses membres (mains, pieds) et ses mâchoires. À la préhistoire, il a commencé à prendre des objets en main pour agir sur le monde : les outils. Un outil est plus dur (arme, pelle, aiguille), plus long (manche), plus fin que les doigts (aiguille) ou plus large que la main (assiette, pelle), … L'outil est ce qui effectue le travail, nous l'appelons donc effecteur.

Par la suite, il a l’idée d’utiliser un autre objet pour guider l'outil : nous avons là une machine. On dénombre huit machines dites simples :

1. levier ;
2. roue ;
3. poulie ;
4. coin ;
5. plan incliné ;
6. vis ;
7. engrenage ;
8. treuil.

Considérons maintenant un moulin, à eau ou à vent, pour moudre du grain. L'effecteur est la meule, une pierre ronde. Ce n’est pas la main qui guide l'outil, mais en plus ce n'est plus la force humaine qui actionne l'outil. La transmission du mouvement entre les ailes du moulin et la meule se fait par des pièces en contact les unes avec les autres.

Un des deux éléments principaux de la Révolution industrielle du XIX^e siècle est le développement de la machine à vapeur : contrairement au vent et à l'eau des moulins qui varient selon le temps et les saisons, on peut gérer le feu comme l’on veut, et surtout obtenir une puissance bien plus importante. La transmission du mouvement se fait par la vapeur d'eau, un gaz, et non plus uniquement par des pièces mécaniques.

De nos jours, on utilise comme source de mouvement principalement l'électricité et la combustion de gaz ou d'essence (moteur électrique ou moteur à explosion). La transmission de mouvement peut être mécanique (par contact entre des pièces), mais aussi par des fluides (air comprimé, eau, huile : transmission pneumatique, oléo-pneumatique, hydraulique).

Les 8 machines simples

La partie opérative des machines complexes peut souvent se décomposer en une succession de machines simples. Il faut donc connaître ces machines simple.

Levier

Le levier peut être utilisé pour amplifier un mouvement ou une vitesse, ou bien pour amplifier un effort, les deux étant exclusifs (c'est l'un ou l'autre).

• 
  Catapulte (ou baliste) : levier pour amplifier la vitesse
• 
  Levier pour amplifier l'effort

Roue

Le but de la roue est de diminuer les effort de contact : le roulement est plus facile que le glissement. Cela permet de guider les pièces.

• 
  Roue de tombereau

Poulie

La poulie simple permet de dévier la direction de l'effort. La poulie renversée permet de diviser l'effort par deux, mais multiplie la longueur de corde nécessaire par deux.

• 
  Poulie simple : change la direction de l'effort
• 
  Poulie renversée : divise l'effort par 2

Coin

Le coin permet de transformer un effort horizontal (coup de masse) en un effort vertical (montée d'un objet). De manière générale, il transforme la direction d'un effort et permet par exemple d'écarter deux objets ou de fendre un objet.

• 
  Coins permettant de lever une porte

Plan incliné

Comme le coin, le plan incliné, ou rampe, permet de transformer un effort horizontal (pousser, tirer) en un effort vertical (monter).

• 
  On suppose que les Égyptiens ont utilisé des rampes pour monter les pierres servant à la construction des pyramides

Vis

La vis permet de transformer un mouvement de rotation en translation. On pense bien sûr à la vis de fixation, où la rotation du tournevis se transforme en un serrage, mais le système est aussi utilisé

• pour écraser des végétaux (pressoir à raisin, à pommes, …), imprimer des livres, frapper la monnaie,
• monter des liquides, poudres et grains (vis d'Archimède),
• ou pour faire avance un chariot (vis sans fin).

• 
  Pressoir
• 
  Presse d'imprimerie
• 
  Presse à vis pour frapper la monnaie
• 
  Principe de la vis d'Archimède

Engrenage

L'engrenage permet de transmettre un mouvement de rotation en amplifiant la vitesse ou l'effort, les deux étant exclusifs (à l'instar du levier).

• 
  Engrenage en bois à arbres parallèles dans un moulin
• 
  Engrenage en bois à arbres concourants perpendiculaires dans un moulin

Treuil

Le treuil transforme un mouvement de rotation en translation, en amplifiant l'effort.

Préactionneurs

Un préactionneur est un élément de machine se situant entre la commande et l'actionneur. Le but est de convertir la source d'effort ; on peut le voir comme « la machine qui sert à appuyer sur le bouton ».

Relais électromécanique : le courant électrique passant dans la bobine crée un mouvement activant l'interrupteur

Prenons l'exemple d'un relais électromécanique. Si une machine est alimentée par un courant électrique dangereux, il est hors de question que l'interrupteur soit manipulé par la main de l'Homme ou même soit géré directement par un circuit électronique. Au lieu de cela, l'utilisateur ou la commande électronique agit sur un interrupteur dans lequel passe un courant « faible », et cet interrupteur lui-même déclenche l'interrupteur dans lequel passe le courant dangereux. Le relais est en soi un actionneur, puisqu’il est commandé et effectue un mouvement, mais le mouvement qu’il effectue n’est pas une fin en soi, il met en route un actionneur.

Le relais convertit donc un courant faible en courant fort.

Principe d'une électrovanne

Une électrovanne, ou électrovalve, est une sorte de robinet électrique : une vanne commandée par le passage d'un courant électrique. On peut ainsi commander le passage d'un fluide de manière automatique, par de l'électronique. C'est bien un préactionneur : il est commandé et effectue un mouvement, mais le mouvement qu’il effectue n’est pas une fin en soi, il met en route un actionneur alimenté en fluide.

L'électrovanne convertit un courant électrique en une pression et un débit de fluide.

Principe du vérin double effet

Prenons maintenant l'exemple d'un vérin double effet : le vérin peut fonctionner en tirant ou en poussant. Mais il serait inutilement coûteux de prévoir deux systèmes hydrauliques complets (compresseur + circuit). Au lieu de cela, on a un seul circuit et un distributeur qui sert à orienter le fluide vers une entrée ou l'autre du vérin.

Le distributeur peut être actionné électriquement (conversion électrique → hydraulique), ou bien hydrauliquement (conversion hydraulique → hydraulique).