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Câble de traction

Un câble de traction est un câble qui sert à tirer une charge, à soutenir une structure.

Câble du treuil de la mine de charbon de Zeche Zollern en Allemagne (nord–ouest de Dortmund).
Éléments constitutifs d’un câble en acier
Poulie d'ancrage, pour le labour Ă  la vapeur (Locomobile)

Les câbles de traction sont composés de fibres végétales, de fils d'acier très fins ou de fibres synthétiques, tressés en torons de plusieurs fils. Ces torons peuvent eux-mêmes être tressés ensemble pour former des câbles encore plus épais et donc plus résistants. Bien que la grande majorité des câbles de traction soient de section ronde, il en existe de section aplatie.

De nos jours, on parle plus volontiers de câble métallique, par opposition à la corde textile. L'usine ou l'endroit où on le fabrique s’appelle câblerie.

Histoire

Le câble désigne à l'origine un cordage de forte résistance employé à la manœuvre des ancres. On le retrouve en maçonnerie, il désigne de même un cordage très gros et très fort dont on se sert pour enlever les pierres avec une grue, une chèvre, etc.[1]. Le terme cableau (ou chableau), inusité maintenant, désignant lui un cordage de moindre section[2].

Le câble comme la corde est donc un corps long, flexible, résistant, généralement rond, composé de fils tortillés et/ou tressés ensemble appelés torons. Techniquement, le câble pourrait être aussi la réunion de plusieurs cordes ou aussières[3].

Les câbles sont d'abord constitués de fibres végétales (coco, chanvre, chanvre de Manille, etc.). Pour les câbles en acier, l'unité n'est plus le fil de chanvre mais un fil d'acier. Si les câbles à fils parallèles en acier sont connus depuis l'utilisation qu'en fit Marc Seguin pour un pont suspendu, la passerelle de Saint-Antoine, en 1823, c'est à l'Inspecteur des Mines allemand Wilhelm Albert (Clausthal, 1834) que l'on doit le câble toronné moderne.

Au XIXe siècle, le câble en acier est généralement utilisé pour l'exploitation minière et le transport par bateaux en général, et l'expérience a prouvé qu'il possède de nombreux avantages sur les cordes de chanvre, étant plus léger, plus durable, et moins cher que le chanvre ou le chanvre de Manille, et n'étant pas affecté par les changements atmosphériques. Les nombreuses applications auxquelles les câbles en acier ont été appliqués, là où la corde de chanvre aurait bientôt été détruite et les chaînes trouvées trop lourdes, a rapidement provoqué son adoption générale dans toutes les régions minières du monde moderne où que ce soit, là ou des puits sont créés vers les profondeurs, et/ou des plans inclinés sont aménagés. La consommation de câble à partir du milieu XIXe siècle est énorme et vise les domaines d'utilisation principaux suivants[4], etc. :

Dans la marine et dans les ponts

L'officier de la Royal Navy Samuel Brown (1776-1852) innove sur le HMS Penelope en 1806 en substituant aux câbles (aussières) des vaisseaux, des chaînes en fer. La société qu'il fonde par la suite fournira toutes les chaînes de la Royal Navy jusqu'en 1916 et il fait les chaînes pour le SS Great Eastern de Isambard Kingdom Brunel. Brown dépose un brevet pour la fabrication de chaînes en 1816 et des maillons brevetés en fer forgé pour un ponts suspendus en 1817. Cette espèce de pont soutenu par des chaînes se développe début XIXe siècle. Les chaînes dans les ponts et sur les bateaux sont par la suite remplacés par des câbles en acier.

Les câbles Ă  fil de fer galvanisĂ© pour manĹ“uvres dormantes des navires prĂ©sentent de nombreux avantages par rapport au chanvre, il ne nĂ©cessite pas de dĂ©capage ou de rĂ©amĂ©nagement que le chanvre impose chaque annĂ©e ; une fois installĂ©, il Ă©vite l'attention et les problèmes causĂ©s par l'Ă©tirement et le rĂ©trĂ©cissement du chanvre - Les câbles ne sont pas affectĂ© par les changements atmosphĂ©riques, et par consĂ©quent, ne s'allongent pas et ne rĂ©trĂ©cissent pas par temps sec ou humide, ce qui Ă©vite la nĂ©cessitĂ© de la mise en place rĂ©pĂ©tĂ©e comme pour le chanvre ; de par sa lĂ©gèretĂ© extrĂŞme, n'Ă©tant que deux tiers le poids du chanvre - une corde de chanvre de Manille d'1 pouce d'Ă©paisseur et de 1 000 pieds de long, pèse environ 2 200 livres Ă  sec tandis qu'un câble en acier rond de mĂŞme rĂ©sistance et mĂŞme longueur pèse 900 livres humides ou secs -, il augmente la capacitĂ© de chargement du navire; et l'avantage dĂ©rivĂ© de la surface moindre opposĂ©e au vent - La câble de fil de fer Ă©tant la moitiĂ© de la taille du chanvre - en particulier lors de la remontĂ©e au vent, ne nĂ©cessite aucun commentaire. Pour le foc et le foc volant, sa petitesse et sa douceur permettent aux Ĺ“illets (hanks) de glisser beaucoup plus librement. un grĂ©ement en câbles de fer, sauf en cas d'accident durera la vie du navire. Les câbles de fer en outre coĂ»tent beaucoup moins cher que les chaĂ®nes ou les cordes de chanvre. Les câbles de cuivre sont employĂ©s comme paratonnerre et pour la mise Ă  la terre, sur le mât d'un navire, les clochers, les grandes cheminĂ©es, etc.[4].

Dans les mines

Exemple de câbles de mine en acier, Allemagne
Machine d'extraction

Dans les mines, les câbles d'extraction se faisaient en aloès ou chanvre de Manille[3]. Ils Ă©taient Ă  section rectangulaire plate. Les fibres Ă©taient rĂ©unies entre elles par torsion, constituant le fil de caret, qui rĂ©unis eux-mĂŞmes par torsion constituaient un toron. Plusieurs torons rĂ©unis formaient une corde ronde ou aussière. Plusieurs aussières juxtaposĂ©es, aplaties, rĂ©unies entre elles par une couture transversale, formaient un câble plat. Les câbles plats ne sont pas sujets Ă  se dĂ©tordre en charge comme cela se passe pour les câbles ronds, ensuite ils prĂ©sentent plus de surface de contact avec la poulie ou Ă  l'arbre du treuil sur lesquels ils adhèrent plus fortement. Les câbles d'extraction Ă©tant longs de 100 Ă  1 000 mètres, on les fabrique d'une seule pièce de section dĂ©croissante, ou en section de 100 mètres de long.

Les chaĂ®nes sont employĂ©es pour le levage dans les mines du Haut-Hartz mais se dĂ©forment rapidement au fil des cycles et nĂ©cessitent des rĂ©parations frĂ©quentes, leur rupture accidentelle entraĂ®nant parfois des consĂ©quences dramatiques. Pour remĂ©dier Ă  la rupture localisĂ©e des chaĂ®nes, l'ingĂ©nieur Wilhelm Albert entreprend ses expĂ©riences sur un câble toronnĂ© pour l'exploitation minière de Caroline Ă  Clausthal-Zellerfeld[5]. Ce premier câble comportait trois torons faits chacun de quatre fils en fer puddlĂ© de 3,5 mm de diamètre. Le câble d’Albert reste cependant toronnĂ© Ă  la main[6]. Ce câble Ă©quipa d'abord en 1834 la Fosse Elisabeth de Clausthal. La machine Ă  toronner est inventĂ©e par l'Autrichien Wurm en 1837 et dĂ©veloppĂ©e Ă  une Ă©chelle industrielle dès la dĂ©cennie suivante par Felten & Guilleaume[6].

En 1910, la tension d'un câble sous charge maximale d'extraction ne doit pas dépasser le sixième de la charge de rupture pour les câbles végétaux et le huitième pour les câbles métalliques[7].

Dans le transport

Transport aérien par câble

Il y a de nombreux endroits en montagne où il est impossible de construire une voie de chemin de fer ou une route. Dans un tel lieu, la méthode pratique et économique de livraison de matériel consiste à déployer un câble des points supérieurs aux points inférieurs, quand la distance n'est pas trop longue pour une seule portée. On la tend suffisamment pour supprimer toute obstruction et sur ce câble, on fait glisser une poulie en dessous de laquelle pend un panier contenant les roches par exemple. Si c'est du bois d'œuvre, une poulie à chaque extrémité du bois est nécessaire. On trouve préférable d'utiliser trois poulies dans le cas de la roche, deux au-dessus et une sous la corde, l'une des poulies supérieures étant en avant et l'autre en arrière.

Dans la transmission de force

Les câbles en acier sont largement utilisés au XIXe siècle comme transmission mécanique. Comme dans le cas d'un moulin situé à une demi-mille environ de la roue hydraulique à partir duquel l'énergie est obtenue. Cette méthode s'est révélée très économique et durable, en France et en Allemagne où des distance de 5 ou 6 milles peuvent exister entre la source de force motrice et la machine à mettre en mouvement.

Améliorations successives

En 1963, l'ingénieur britannique Kit Scruton eut l'idée d'entourer les câbles de retenue d'une petite ailette en spirale, ce qui a pour effet de diminuer considérablement les vibrations dues au vent ; plus généralement, entourer d'une hélice toute construction permet de réduire les oscillations dues au vent[8] - [9].

Emploi

Leurs utilisations sont très variées et très courantes dans l'industrie, la manutention, etc. C'est ainsi qu'on peut les retrouver par exemple dans les remontées mécaniques, les ascenseurs, les treuils et cabestans ou les grues, dans le domaine de la manutention. Ce sont également des câbles de traction qui sont utilisés dans les ponts suspendus pour maintenir le tablier.

Les câbles en fibres synthétiques, plus légers, sont notamment utilisés en exploitation forestière[10].

DĂ©formation

Les câbles sont sollicités en traction. Il en résulte différents types d'allongements :

  • allongement constructif, lorsque le câble est mis en charge pour la première fois ;
  • allongement Ă©lastique, allongement rĂ©versible sous charge uniquement ;
  • allongement plastique, allongement irrĂ©versible lorsque la limite d'Ă©lasticitĂ© est atteinte et dĂ©passĂ©e ; la limite d'Ă©lasticitĂ© pour les câbles de manutention est gĂ©nĂ©ralement de 55 % Ă  60 % de la charge de rupture[11].

De manière générale les lois de l'allongement des corps sont résumées par la Loi de Hooke :

.

L'allongement d'une tige prismatique est proportionnel Ă  la longueur de cette tige ;

  • il est proportionnel aussi Ă  la charge qui agit suivant l'axe ;
  • il est inversement proportionnel Ă  la section de la tige ;
  • il est inversement proportionnel au module de Young (module d'Ă©lasticitĂ©) .

Les câbles en acier supportent des charges plus importantes qu'une barre en acier de section égale. Toutefois le Module de Young des câbles, avec des valeurs comprises entre 155 GPa et 165 GPa est inférieur à celui des barres (210 GPa)[12].

Modélisation d’un câble suspendu

On pourrait essayer de reprĂ©senter un câble en trois dimensions dans le but de le modĂ©liser par ordinateur et crĂ©er ainsi des maquettes 3D de diffĂ©rentes installations (tĂ©lĂ©phĂ©rique, tyrolienne, ascenseur…), cependant il est possible de modĂ©liser gĂ©omĂ©triquement un câble en un fil d’épaisseur nĂ©gligeable afin de faciliter les calculs et la gĂ©nĂ©ration par ordinateur. En effet lorsque les dimensions le permettent, un câble peut ĂŞtre modĂ©lisĂ© sous la forme d'un fil d'Ă©paisseur nĂ©gligeable : typiquement, cela est envisageable lorsque la longueur du câble est 1 000 fois supĂ©rieure Ă  son diamètre moyen[13].

Le but de définir un câble comme un fil, et non comme une poutre communément utilisée en résistance des matériaux, est de pouvoir négliger le moment fléchissant en un point M dans une section droite de l'objet. En effet, un fil parfait se déforme à volonté selon les efforts et les moments qui le fléchissent[14]. Un moment fléchissant sera donc négligé, c'est pour cette raison qu'un fil adapte sa forme d'équilibre pour n'être soumis qu'à la contrainte normale. On peut notamment plier un fil à volonté sans ressentir de résistance lors de son fléchissement. Toutefois, cette affirmation n’est pas vraie dans la réalité parce qu'un fil possède une certaine rigidité, et cette rigidité se ressent d’autant plus lorsque le diamètre de l’objet filiforme ne peut plus être négligeable face à la longueur.

Notes et références

  1. D'après J.-M. Morisot, Tableaux détaillés des prix de tous les ouvrages du bâtiment, Paris, Carilian,
  2. Morisot J.M., Tableaux détaillés des prix de tous les ouvrages du bâtiment, Carilian, 1814
  3. D'après H.J.Jacquemin, Traité pratique des constructions métalliques., Charleroi-Nord, Aumôniers du travail. Institut Industriel professionnel., .
  4. (en) Andrew Smith Hallidie (en). The Mechanical Miners' Guide. Wire and Wire Rope Works, 1873. Lire en ligne
  5. (de) Wilhelm Albert, Ăśber teibseile am harz, Archive fĂĽr mineralogie geognosie bergbau und hĂĽttenkunde vol. 10, WAJ, , p. 215-34
  6. Pierre-Louis Roy, L'Aiguille du Midi et l'invention du téléphérique, Glénat, , p. 11
  7. Recueil des lois, décrets, ordonnances et règlements, Volume 97. Impr. du Moniteur belge
  8. International Association for wind engineering
  9. RMC Decouverte 15/12/2016 Les bâtisseurs de grands ponts
  10. Paul Magaud, « Le câble synthétique en exploitation forestière : synthèse de trois années de suivi », FCBA Info, FCBA,‎ , p. 1-11 (lire en ligne, consulté le ).
  11. Sur veltkamp.pro
  12. Helmut C. Schulitz, Werner Sobek, Karl J. Habermann Construire en acier. PPUR presses polytechniques, 2003 - 404 pages
  13. Jean-Pierre LAUTE, « Constructions métalliques - Structures à câbles », sur Ref : TIP254WEB - "Travaux publics et infrastructures", (consulté le )
  14. (en) Jean-Jacques Marigo, Mécanique des Milieux Continus I, École Polytechnique, coll. « Engineering school. MEC 430 », , 340 p. (lire en ligne)
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