Le matériel de vibration

Dans le cas d’une utilisation in situ, la pervibration ou vibration interne est le mécanisme de vibration

le plus fréquemment utilisé tandis qu’au sein des usines de préfabrication d’éléments en béton ou en

béton armé, la vibration externe est le mode de vibration privilégié.

1.1.1 Vibration interne ou vibration externe

Pour mettre en œuvre le béton, la technique la plus couramment utilisée sur les chantiers de

construction est la pervibration [1,2]. Celle-ci consiste en l’enfoncement répétitif d’une aiguille

vibrante dans le matériau frais. La Figure 1.2 présente l’utilisation d’un vibreur sur un chantier de

construction. La pénétration successive du vibreur génère intrinsèquement une vibration hétérogène dans le matériau. Enfin, elle sollicite le savoir-faire d’un ou plusieurs compagnons durant toute l’étape

de remplissage des coffrages.

Dans le cas d’une préfabrication en usine, la vibration externe est le mode de mise en œuvre

préférentiel [1]. Deux modes de vibration existent. Le premier correspond à une sollicitation verticale

homogène avec l’utilisation de table vibrante sous toute la surface de l’élément à vibrer. La seconde se

compose de moteurs électriques fixés sur les parois coffrantes. Les vibreurs, fixés à intervalles réguliers contre les parois des moules, génèrent une vibration homogène sur toute la surface

d’application. De plus, cette technique permet la mise en place d’une programmation centralisée et nécessite une main d’œuvre peu nombreuse pendant la phase de remplissage. En revanche, une

adaptation sur chantier présente de nombreuses difficultés (manutention délicate, gestion des réseaux

électriques…) limitant son déploiement à la préfabrication. La Figure 1.3 présente deux exemples de

Figure 1.2. Exemple d’une vibration interne d’un élément horizontal (dalle de plancher).

Figure 1.3.Exemples de moteurs vibrants fixés sur des coffrages. Vibration externe d'éléments vertcials (gauche) [3] et d'elements horizontals (droite).[1].

Notre étude a pour objectif d’interpréter les phénomènes mis en jeu pendant la vibration des bétons sur

les chantiers de construction. Par conséquent, nos travaux se focaliseront sur la pervibration des matériaux avec des configurations semblables à celles rencontrées in situ.

1.1.2 Fonctionnement d’une aiguille vibrante

Nous représentons sur la Figure 1.4, une coupe intérieure d’une aiguille vibrante traditionnelle de

chantier. Le bâti vibrant comprend une partie mobile, constituée d’une masse tournante appelée

Figure 1.4. Coupe intérieure d'une aiguille vibrante.

Soit :

w : enveloppe extérieure fixe, mb : la masse tournante ou balourd,

e : la distance entre le centre de gravité du balourd et celui de l’aiguille vibrante.

Bien qu’il existe plusieurs types d’aiguilles vibrantes, cette représentation correspond à un

fonctionnement généralisable à tous les vibreurs internes.

1.1.3 Types d’aiguilles

1.1.3.1 Vibreur mécanique

Historiquement, les vibreurs mécaniques sont les premiers matériels vibrants disponibles dans le commerce. Ils sont alimentés et reliés à un moteur thermique individuel, ce qui constitue leur inconvénient majeur. De plus, leur vitesse de rotation a tendance à diminuer avec l’augmentation du

diamètre. Leur utilisation est de moins en moins fréquente sur les chantiers de construction. En fonction des constructeurs, leur diamètre varie entre 25 et 75 mm avec une amplitude comprise entre 0,3 et 2,4 mm et une fréquence évoluant entre 150 et 210 Hz. (Cf. Annexe 1.1).

e Axe de

rotation

mb w

Figure 1.5. Aiguille vibrante mécanique [3].

1.1.3.2 Vibreur pneumatique

Les vibreurs pneumatiques sont très répandus. Ils nécessitent un raccordement avec un générateur

d’air comprimé. Celui-ci peut accueillir plusieurs aiguilles simultanément. Ils présentent des diamètres

dont la taille peut atteindre 1,5 fois la dimension des plus gros vibreurs des autres catégories. Ces dimensions importantes leur confèrent, dans la pratique, un rôle particulier pour une utilisation au sein des constructions de barrages hydrauliques, les volumes à vibrer étant nettement plus important qu’une

poutre de bâtiment. Cependant, cette catégorie de pervibrateur délivre un niveau de bruit compris entre 85 et 100 dB(A) tandis que celui des vibreurs électriques est inférieur à 85 dB(A). Il faut noter que

d’après l’Institut national de recherche et de sécurité, l’audition est considérée en danger lorsqu’un

niveau de bruit dépasse 80 dB durant une journée de travail [4]. Enfin, en fonction des constructeurs, le diamètre de ces aiguilles varie entre 25 et 155 mm avec une amplitude comprise entre 0,5 et 2,6 mm et une fréquence évoluant entre 170 et 400 Hz. (Cf. Annexe 1.1).

Figure 1.6. Aiguille vibrante pneumatique [3].

1.1.3.3 Vibreur électrique

Les vibreurs électriques constituent une gamme très utilisée de matériel sur les chantiers de construction. Ils sont connectés électriquement à un mini compresseur qui transforme une puissance

mécanique en une puissance électrique d’alimentation des aiguilles vibrantes. Ces moteurs peuvent constituer la source d’alimentation de plusieurs matériels en parallèle. Ils assurent une fréquence de

fonctionnement fixe de 200 Hz. Enfin, en fonction des constructeurs, le diamètre de ces aiguilles varie entre 28 et 80 mm avec une amplitude comprise entre 0,9 et 5,0 mm. (Cf. Annexe 1.1).

Figure 1.7. Aiguille vibrante électrique (gauche). Convertisseur électrique transportable (droite) [3].

1.1.3.4 Vibreur électronique

Une variante des précédents vibreurs consiste à remplacer le mini compresseur par un circuit électronique qui assure les transformations électriques nécessaires au fonctionnement du vibreur. Ils

présentent l’avantage de pouvoir se connecter directement sur des courants faibles traditionnels

(50 Hz, 220 V). Cette spécificité permet un gain de location de matériel et une diminution de la puissance électrique des installations de chantier. Leurs caractéristiques de vibration sont similaires à celles des vibreurs électriques. (Cf. Annexe 1.1).

Figure 1.8. Aiguille vibrante électronique [5].

Par conséquent, en fonction des constructeurs et du type de vibreur, les caractéristiques de ces

matériels présentent de nombreuses variations. Néanmoins, parmi l’ensemble des paramètres

présentés, une grandeur semble peu varier. En effet, la fréquence de rotation du balourd se situe aux

vibrantes varie entre 0,3 mm et 5,0 mm pour des diamètres compris entre 25 mm et 155 mm. Nous

étudions plus en détails au sein du Chapitre 3 l’influence de ces dimensions sur l’efficacité des

aiguilles vibrantes.

Enfin, il est important de garder à l’esprit que l’ensemble des caractéristiques mécaniques des aiguilles vibrantes (fréquence, amplitude, …) résumées dans les paragraphes précédents sont uniquement valables pour un fonctionnement dans l’air. En effet, les constructeurs ne garantissent pas ces données

lorsque les vibreurs sont plongés dans des matériaux cimentaires.