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Submitted on 1 Jan 1987
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ETUDE COMPARATIVE DE LA RESISTANCE A LA TRACTION ET A LA COMPRESSION DE LA
GLACE ATMOSPHERIQUE
J. Druez, J. Cloutier, L. Claveau
To cite this version:
J. Druez, J. Cloutier, L. Claveau. ETUDE COMPARATIVE DE LA RESISTANCE A LA TRAC-
TION ET A LA COMPRESSION DE LA GLACE ATMOSPHERIQUE. Journal de Physique Collo-
ques, 1987, 48 (C1), pp.C1-337-C1-343. �10.1051/jphyscol:1987147�. �jpa-00226293�
Colloque no 3, 48,
ETUDE COMPARATIVE D E LA RESISTANCE A LA TRACTION ET A LA COMPRESSION DE LA GLACE ATMOSPHERIQUE
J. DRUEZ, J. CLOUTIER et L. CLAVEAU
Département des Sciences Appliquées, Université du Québec à Chicoutimi, 555, Bd de l'Université, Chicoutimi (Québec), Canada, G7H 2B1
La résistance à la traction et la résistance à la compression de la glace atmos- phérique sont mesurées pour des échantillons formés dans une soufflerie placée à l'intérieur d'une chambre froide. La glace atmosphérique est obtenue à partir de gouttelettes d'eau surfondues qui viennent frapper un cylindre en aluminium de 32 mm de diamètre, tournant à un tour par minute dans la section d'essai de la souf- flerie. La résistance à la traction et la résistance à la compression de cette glace sont mesurées pour 11 vitesses de déformation variant de 0,006 à 26 mm/min.
Ces valeurs sont comparées avec la résistance au glissement axial du manchon de glace atmosphérique formé sur un cylindre en aluminium de 6,5 Um de rugosité totale de surface. Les diamètres volumiques moyens des gouttelettes d'eau utilisées lors de ces essais sont respectivement égaux à 20 et à 40 um et la teneur en eau de l'écoulement d'air à 0,4, 0,8 et 1,2 g/m3. La résistance à la traction et la résistance à la compression de la glace sont présentées en fonction de la tempéra- ture (entre -2 et -20°C), de la vit-se du vent (entre 4 et 23 m/s), du tairx de déformation (entre 4x10-~ et 4x10-' s l) et de la densité de la glace.
ABSTRACT
The tensile and compressive strengths of atmospheric ice are measured for samples produced in a wind tunnel placed in a cold room. The atmospheric ice is grown from supercooled water droplets impinging on an aluminium cylinder rotating at 1 rpm in the test section of the wind tunnel. The aluminium cylinder is 32 mm in diameter and has a total surface roughness of 6,5 Um. The tensile and compressive strengths of the ice are measured for 11 speeds of deformation varying from 0,006 to 26 mm/min. These values are compared to the adhesive strength, which is the axial bonding force per unit area between the aluminium cylinder and the atmospheric ice sample. The mean volume droplet diameters used in the experiments are 20 and 40 Pm and the liquid water contents of air 0,4, 0,8 and 1,2 g/m3. The tensile and compressive strengths of atmospheric ice are presented as a function of temperature (between -2 and -20°C), air velocity (between 4 and 23 m/s), strain rate (between 4x10-~ and 4x10-~ s-l) and density of the ice.
INTRODUCTION
Dans de nombreux pays, l'accumulation du givre et du verglas sur diverses structu- res est un problème très important pour beaucoup d'ingsnieurs et de scientifiques.
En effet, les conséquences de la formation de glace atmosphérique sur les structu- res et les mécanismes sont extrêmement importantes en termes d'accidents, de dommages matériels et de pertes de vie.
Alors que les propriétés mécaniques de la glace ordipaire sont maintenant bien connues, les études portant sur les propriétés mécaniques de la glace atmosphérique sont encore peu nombreuses car il est difficile de produire, conserver et faire des mesures sur ce type de glace. De plus, Les propriétés mécaniques de la glace
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987147
JOURNAL DE PHYSIQUE
atmosphérique varient considérablement suivant le type de glace formé, qui dépend pour sa part des conditions météorologiques observées durant la formation de la glace. Il suffit en fait d'une petite variation d'un .des paramètres déterminant les conditions météorologiques pour faire passer le type de glace du verglas au givre dur ou du givre dur au givre léger, chacun possédant ses propriétés mécani- ques particulières.
Ce travail, qui complète des études précédentes (1,2,3), compare les valeurs de la résistance à la traction, à la compression et à l'adhésion de la glace atmosphéri- que, mesurées en fonction de la température, de la vitesse du vent, du taux de déformation et de la densité.
Les échantillons utilisés pour mesurer les propriétés mécaniques de la glace atmos- phérique sont produits dans une soufflerie placée à l'intérieur d'une chambre froide dont les dimensions sont 6 x 4,3 x 3,3 m. La glace atmosphérique est formée à partir de gouttelettes d'eau surfondues venant frapper un cylindre en aluminium tournant à 1 tourlminute dans la section d'essai de la soufflerie. Cette section d'essai est carrée et mesure 23 cm de côté, ce qui correspond à la longueur du manchon de givre ou de verglas formé. Le diamètre du cylindre en aluminium sur lequel la glace atmosphérique est accumulée est égal à 32 mm, ce qui correspond au diamètre des conducteurs électriques utilisés au Québec pour les lignes à très haute tension (735 kV). Ce cylindre est usiné au tour de façon à obtenir une rugosité totale de surface Rt = 6 , s Pm. Les gouttelettes d'eau surfondues sont produites par un gicleur airleau de marque Spraying Systems, en utilisant les orifices calibrés no 67 147SS pour l'air et no 20 50SS pour l'eau. La distance séparant le gicleur et la section d'essai de la soufflerie est suffisante pour permettre aux gouttelettes d'eau d'atteindre l'état d'équilibre cinétique et thermodynamique avec l'écoulement d'air (4).
Avant chaque test, le cylindre en aluminium est soigneusement nettoyé avec de l'eau tiède et du savon. Il est ensuite nettoyé avec de l'alcool, séché et placé dans la section d'essai de la soufflerie pendant 2 heures afin d'assurer une stabilisation de sa température. Finalement, la glace atmosphérique est accumulée jusqu'à ce que l'épaisseur du manchon de glace formé sur le cylindre soit de 12 -+ 3 mm, ce qui nécessite une durée de formation moyenne de l'ordre de 2 heures.
La force d'adhésion axiale de la glace atmosphérique sur le cylindre en aluminium, qui représente sa résistance au glissement axial, est mesurée sur un échantillon cylindrique de 50 mm de longueur, découpé dans la partie centrale du manchon de glace atmosphérique où les conditions de formation sont plus uniformes. La mesure est faite sur une presse mécanique à l'aide d'un capteur de force, pour une vitesse de déformation égale à 26 mm/min. La résistance à la compression est ensuite mesurée à partir d'échantillons cubiques d'environ 12 mm de côté, taillés eux aussi dans la partie centrale des manchons de glace atmosphérique. La résistance à la traction est pour sa part mesurée en utilisant un montage composé d'un cylindre en aluminium formé de deux parties mises bout à bout suivant l'axe, centrées et rendues solidaires par une vis intérieure (figure 1-a). Une fois le manchon de glace atmosphérique formé, il est dressé sur un tour de façon à obtenir une section cylindrique uniforme de 10 mm d'épaisseur. La vis de centrage et de fixation est alors enlevée (figure 1-b), ce qui permet de fixer l'échantillon sur une presse et de mesurer la résistance à la rupture en traction de la glace puisque les deux parties du cylindre ne sont plus solidaires.
La variation de la résistance à la compression dans la direction radiale et celle de la résistance à la traction dans la direction axiale de la glace atmosphérique sont analysées en relation avec la température, la vitesse du vent et le taux de déformation. Les valeurs de la température utilisées lors des essais sont compri- ses entre -2 et -20°C tandis que la vitesse du vent varie de 4 à 23 m/s. L'utili- sation de deux presses mécaniques équipées d'un réducteur de vitesse supplémentaire permet de déterminer la résistance à la compression et la résistance à la traction
des taux de déformation s'échelonnant de 4x10-~ à 2x10-~ s-l en traction et de 2xl0-~ à 4x10-~ s-l en compression.
( a ) SANS GLACE
glace Figure 1: Hlontage utilisé pour les essais
de traction
(Apparatus for tests in tension)
( b ) AVEC GLACE
Les diamètres volumiques moyens des gouttelettes utilisés lors des essais sont res- pectivement 20 et 40 Um et le spectre diamétral des gouttelettes est mesuré dans la section d'essai de la soufflerie par la méthode du film d'argent colloIdal (5).
Les pressions utilisées pour obtenir ces valeurs du diamètre volumique moyen des gouttelettes sont décrites dans une étude précédente (1). Les valeurs de la teneur en eau, mesurées par la méthode du simple cylindre (6), sont respectivement 0,4, 0,s et 1,2 g / m 3 .
Finalement, la résistance de la glace est étudiée en relation avec sa densité. La densité de la glace atmosphérique est mesurée en utilisant de principe d'Archimède, pour des échantillons de glace plongés dans un contenant rempli d'huile après avoir été recouverts d'une pellicule de formvar en raison de leur porosité.
RfiSULTATS ET DISCUSSION
En raison de l'espace limité, seuls quelques résultats caractéristiques sont présentés ici.
La figure 2 montre la variation des résistances à la compression, à la traction et à l'adhésion de la glace atmosphérique en fonction de la température de l'air. Les valeurs de la résistance à la compression de cette glace sont de 2 à 5 fois supé- rieures à celles de sa résistance à la traction pour le même taux de déformation.
Figure 2: Effet de la température sur la résistance
(Effect of temperature on mecha- nical strength)
TEMPERATURE ( O C ) 1,5
1.0
- 2
15C,
a - 2 -
, / O
8
-k-
\ :
5--/ - 0 5
I - R
0.0 O - 4 - 8 -12 -16 -20
W =0.ag/m3 O Compression -
:+
=40 ( e = 2 X ~ o - 4 ~ ' ) . i Traction _4-,
.. V =16mis ( ~ ~ 2 ~ 1 0 s ) -
X Adhésion
O -
JOURNAL DE PHYSIQUE
Les valeurs de la force d'adhésion, encore plus faibles, correspondent à l'échelle située à droite de la figure. Dans les domaines considérés, les résistances à la traction et à la compression présentent un maximum lorsque la température diminue.
La résistance à l'adhésion croit jusqu'à un palier. La résistance à la compression de la glace atmosphérique varie beaucoup plus en fonction de la température que sa résistance à la traction. Cette différence de comportement en traction et en compression correspond à ce qui a déjà été observé par d'autres chercheurs dans le cas de la glace de lac ou de rivière.
La figure 3 présente la résistance à la compression, à la traction et à l'adhésion de la glace atmosphérique, mesurées en fonction de la vitesse du vent utilisée lors de la formation. A -8OC, la résistance de la glace atmosphérique présente un maximum aux environs de 15 m/s lorsque la vitesse du vent augmente. La diminution de résistance observée ensuite pourrait être attribuée à un changement dans les conditions de formation de la glace atmosphérique, alors que l'on passe d'un régime de croissance sec à un régime de croissance humide. La résistance à la traction, pour sa part, est peu influencée par une augmentation de la vitesse du vent. Comme dans le cas de la figure 2, les valeurs de la résistance à la compression sont supérieures à celles de la résistance à la traction. Les valeurs de la résistance à l'adhésion, encore plus faibles, correspondent toujours à l'échelle située à droite de-la figure. Le taux de déformation utilisé dans les figures 2 et 3 (2x10-4 s l) correspond à un comportement ductile de la glace dans le cas de la compression et à un comportement fragile dans le cas de la traction.
Figure 3: Effet de la vitesse du vent sur la résistance
- 2
15-
(Effect of wind velocity on me- chanical strength)
VITESSE DU VENT ( r n l s ) -W = 0 . 8 g i m 3 O Compression -
- = 40 Fm ( 6 = 2 x IO-^;') - Traction -4
-,
-La résistance à la traction et la résistance à la compression de la glace atmosphé- rique sont fortement dépendantes du taux de déformation. Les figures 4 et 5 mon- trent que le comportement en traction et en compression est similaire. On observe en effet que la résistance de la glace augmente avec la vitesse de déformation dans le domaine où la glace est ductile, soit pour les faibles taux de déformation (inférieurs à 10-6 s-1 en traction et à 10-3 s-1 en compression). La résistance de la glace atmosphérique, comme celle de la glace ordinaire, est alors maximum pour la vitesse de déformation correspondant au passage d'un comportement ductile à un comportement fragile. Pour les taux de déformation supérieurs à ce seuil, la résistance de la glace atmosphérique décroit généralement.
1,5
La figure 4 permet aussi d'observer l'effet de la température sur la résistance de la glace. La résistance à la traction et la résistance à la compression augmentent lorsque la température passe de -3 à -14"C, ce qui correspond à ce qui a été observé sur la figure 2. Sur la figure 5, on observe qu'une augmentation de la vitesse du vent de 10 à 16 m/s entraîne une augmentation de la résistance de la glace. Les augmentations sont beaucoup plus importantes pour la résistance à la
-
m1.0 a
> -
Z
a 2 - - z
O
0
O - Ln
4 - W
5 1 / - 0.5
8
- Q
n 0 . 0 O 5 10 15 2 0 2 5
. T = - 8 ° C ( L = 2 x I O S ) - x Adhésion -
-
.
0.11
. .
, a....l. . . ...
i.
, . , , . . . I ,.
,...
I ,.
, ,,... I ,.
. , . J10.' 10.~ 10'~ 10.~ 10-3 1 0 ' ~ 10'
TAUX DE DEFORMATION (<' )
- a
Io-I - .
Figure 4: Effet du taux de déformation pour Les températures T = -3°C et T =
-
14OC= ag1m3 0 ~ompression ( T = -3'0 j
: = 40 Fm
.
Cmpressim ( T =-14*C)-
= l6 O Tractim ( T = - 3 O C )
Traction ( T = -14-C
.
) - ~ - - g - - -.--. .
:
_--- - _
7-eV-- -0--73.. -mi :
(Effect of strain rate for temperatures T = -3'C and T = -14'12)
8 : .
z c O p o 'm._
.
o -- m .
1
> yiir, Compression ( V = 16 m l s
' ' 40 O Tractim ( V = 1 0 m l s )
=-14" Traction ( V = 1 6 m l s )
.
O1 m-' 1 0 - ~ m.'
TAUX DE DEFORMATION (5.' )
Figure 5: Effet du taux de déformation pour les vitesses V = 10n/s et V = 16n/s (Effect of strain rate for wind velocities V = 10m/s and V = 16m/s) compression, qui est plus élevée, que pour la résistance à la traction. La résis- tance de la glace atmosphérique est assez élevée comparativement à celle de la glace ordinaire, ce qui s'explique par la microstructure de la glace atmosphérique qui présente un grain de dimensions plus faibles. Ce résultat a été montré par des études précédentes effectuées à notre laboratoire (7,8). La variation de la résistance de la glace atmosphérique avec la température et la vitesse du vent est également reliée à la taille des grains ( 4 , 9 ) . De plus, la porosité de la glace atmosphérique, qui est fonction de sa densité, est importante dans le cas du givre et elle peut jouer un rôle au niveau de la propagation des fissures. La relation entre la résistance à la traction et la densité est présentée à la figure 6 pour deux températures: -8 et -20°C.
-
Figure 6: Relation entre la résistance à la traction, la densité et la tempé-
4
3 ratureg
2 (Relation between tensile strength,s
density and temperature)m 1
"l 00
065 070 075 O 8 0 085 090 0%
MNSITE
JOURNAL DE PHYSIQUE
CONCLUSIONS:
1. La résistance mécanique de la glace atmosphérique augmente ou passe par un maximum lorsque la température décroît ou que la vitesse du vent croît.
2. La résistance à la traction et la résistance à la compression varient avec le taux de déformation et sont maximum pour le taux de déformation qui correspond au passage d'un comportement ductile à un comportement fragile (environ 10-~
s-l en traction et 5x10-~s-l en compression).
3. Les valeurs maximums mesurées pour la résistance de la glace atmosphérique sont 17,40 MPa en compression, 2,90 MPa en traction et 0,36 MPa pour l'adhé- s ion.
REMERCIEMENTS
Ce travail a été subventionné par le C.R.S.N.G. (Ottawa), le F.C.A.R. (Québec) et la Fondation de 1'U.Q.A.C.. Les auteurs remercient M. Benoit Thériault pour avoir dessiné les figures, et Mme Julie Gauthier pour avoir dactylographié le texte.
1. DRUEZ, J., LAFORTE, J.L., NGUYEN, D.D., 2nd Int. Workshop on atmospheric icing of structures, Trondheim (~orway), june 19-21, 1984, 5 pages.
2. DRUEZ, J., NGUYEN, D.D., LAVOIE, Y., Proc. Tenth Canadian congress of applied mechanics, London, june 2-7, 1985, vol. 1, pp. A.339-A.340.
3. DRUEZ, J., McCOMBER, P., LAVOIE, Y., Proc. 3rd Int. Workshop on atmospheric icing of structures, Vancouver (C.B.), may 6-8, 1986, paper 11'5-1, 6 pages.
4. DRUEZ, J., PHAN, C.L., LAFORTE, J.L., NGUYEN, D.D., trans. CSME, 5, 1979, pp 215-220.
5. GODARD, S. , Bull. obser. du Puy-de-Dôme, 2, 1960, pp 41-46.
6. RUSH, C.K., WARDLAW, R.L, N.A.E.C. Res. Rep., paper No. LR-206, 1957.
7. LAFORTE, J.L., PHAN, C.L., FELIN, B., MARTIN, R., Proc. 1st Int. Workshop on atmospheric icing of structures, Hanover (N.H.), U.S.A., june 1-3, 1982, pp.
83-91.
8. LAFORTE, J.L., NGUYEN, D.D., Proc. Tenth Canadian congress of applied mecha- nics, London, june 2-7, 1985, vol. 1, pp. A.343-A.344.
9. LAFORTE, J.L., PHAN, C.L., FELIN, B., J. of Climate and Applied Meteorology, vol. 22, no. 7, july 1983, pp. 1175-1189.
COMMENTS
K. ITAGAKI
What was the roughness of your Al cylinder ? Answer :
The roughness of the aluminium cylinder was 6.5J(m total rugosity.
b
-
Did you try to combine rm, vo, TS in a sort of impaction parameter (e.g. Macklin X =-
rm vo/TS)rm median volume radius Vo Liquid velocity TS Surface temperature Answer :
a) Density is measured using the Archimede principle for atmospheric ice samples covered with a film of FORMVAR and immersed into oil.
b) We plan to do that, but it is not realized at the moment.
S.D. HALLAM
Can you explain why the compressive strength of the ice shows a maximum as a function of the temperature ?
Answer :
A decrease in temperature of a few degrees is sufficient to change the type of atmospheric ice produced, i.e. glaze to hard rime, or hard rime to soft rime, each having very different mechanical strengths. Two effects must be considered. First, the grain size of atmospheric ice is related to the temperature during ice accreation, and the mechanical strength is a function of the grain size. Secondly, the growth regime of atmospheric ice depends on temperature and changes from wet to dry when temperature decreases. Supercooled droplets freeze more quickly, and weak and porous soft rime is obtained.
E. SCHULSON
Did you examine the structure of your material ? It so, would you please describe it ?
Answer :
Yes, in the case of compressive tests, not yet in the case of tensile tests. For the description, refer to the publications by J.L. LAFORTE and J. DRUEZ, Proceedings of the 3 workshops an the atmospheric Icing of Structures.
