PATHOLOGIE DES HAUBANS ET CABLES FATIGUE...

P. BREVET PB/MMC 2005-212 21.09.2005 1/11 Journée « CABLES 2005 »

PATHOLOGIE DES HAUBANS ET CABLES

FATIGUE – CORROSION ___________________

P. BREV ET

Résumé Ce texte rappelle les différentes formes de dégradation qui affectent les f ils métalliques constitutifs des câbles de génie civil et les pertes de résistance mécanique qu’elles engendrent. Les dégradations propres aux éléments associés aux câbles (ancrages, tubes de transition, gaines, colliers, amortisseurs, déviateurs,…) ne sont pas traitées.

I - Préambule La major ité des câbles pour ouvrages de génie civil est constituée de f ils cylindriques ou f ils de forme (Z, �� ) en aciers non alliés tréfilés ou en aciers laminés à chaud puis traités thermiquement. Une partie des f ils a été mise en œuvre après avoir été revêtue de zinc ou d’alliage zinc / aluminium par immersion dans un bain de métal fondu. Au câblage (fabrication des torons sept f ils ou mult icouches), un produit de remplissage lubrif iant ou non lubrif iant peut avoir été introduit entre les f ils (ce produit étant défini essentiellement pour éviter la pénétration d’eau et la dissolution des aciers). Selon les systèmes d’ancrage et de protection, les câbles sont équipés de douilles, blocs d’ancrage, déviateurs, colliers, gaines, peintures, amortisseurs, …, qui peuvent intervenir sur la localisation, la cinétique et la nature des désordres affectant les f ils de câbles. Les quelques pathologies observées sur sites, décrites ci-après, affectent les f ils ou torons. Les dégradations des ancrages, amortisseurs, … ne sont pas décrites.

II - Mécanismes de dégradation des câbles métalliques II – 1 Corrosion généralisée Les aciers non alliés utilisés pour les câbles ont une sensibilité « ordinaire » à la corrosion par dissolution, c’est-à-dire qu’une perte de section plus ou moins homogène peut affecter tout ou partir des f ils et entraîner une perte de résistance à la rupture du câble.


Figure 1 : Dissolution « homogène » des fils avec pertes de section pouvant atteindre 90 %. II – 2 Corrosion localisée La dissolution de f ils peut prendre également la forme de cratères qui, outre la charge portante, diminuent la déformation à la rupture des f ils et favorisent par ailleurs la f issuration par fatigue.

Figure 2 : Cratère de dissolution (section réduite localement de 50 %).

Figure 2 bis : Ruptures amorcées sur des cratères de corrosion.


II – 3 Corrosion fissurante sous contrainte Les aciers pour f ils de câble sont également sensibles à la corrosion f issurante sous contrainte, sensibilité d’autant plus importante que la contrainte de service est élevée. Les câbles de précontrainte, en particulier, sont utilisés au-dessus du seuil de contrainte d’apparit ion des phénomènes de f issuration, alors que la contrainte moyenne appliquée aux haubans, suspentes et paraboles est inférieure à ce seuil.

Figure 3 : Amorces de rupture sur fissures de corrosion fissurante.

Figure 3 bis : Rupture par corrosion fissurante sous contrainte. II – 4 Fatigue Les f ils constitutifs des câbles ont, par ailleurs, une limite d’endurance à la fatigue qui est fonction de la contrainte moyenne appliquée mais qui ne dépend pas (pour les f ils « modernes ») du diamètre du f ils ou de la présence ou non d’un revêtement de galvanisation (données expérimentales extraites des travaux de divers laboratoires par Becker).


Figure 4 : Ruptures de fatigue toron multicouche.

Figure 4 bis : Rupture de fatigue à l’ancrage. Trois points particuliers peuvent être notés sur le diagramme de la f igure 5 :

� la limite de fatigue a pour amplitude crête – crête :

– 550 MPa pour une charge moyenne de 600 MPa ;

– 340 MPa pour une charge moyenne de 1000 MPa ;

– 280 Mpa pour une charge moyenne de 1400 Mpa.


Figure 5 : Diagramme de Goodman selon Becker [1] II – 5 Fretting fatigue Les mécanismes de frottement en petits débattements sont aussi des sources de désordres : usure ou f issuration par fatigue. Ils peuvent apparaître :

– soit aux contacts interf ils (intercouches)

– soit aux contacts entre torons voisins,

– soit aux contacts entre toron et pièces f ixes

��propres au câble (ancrage, trompette, déviateur, collier, selle, …)

��ou au pont (tubes de rigidité, amortisseur, tablier, boules de signalisation).


Figure 6 : Cas de fretting fatigue frottements torons / colliers.

Figure 6 bis : Cas de fretting fatigue frottements torons / torons.


Figure 6 ter : Cas de fretting fatigue frottements torons / torons.

II – 6 Fatigue – Corrosion – Câblage Les mécanismes de corrosion et de fatigue ont très souvent un effet combiné nocif. On note, en particulier, que le seuil de non f issuration en corrosion f issurante sous contrainte diminue fortement en présence de sollicitat ions de fatigue et que les forces de contact diminuent la limite d’endurance apparente des f ils (effet de câblage – fretting fatigue).

Figure 7 : Rupture d’un toron attribuée à la combinaison de phénomènes de corrosion fissurante et de fatigue (en flexion).

III – Les manifestations des désordres La conséquence des dégradations des f ils est leur perte de caractéristiques mécaniques et, donc, souvent de la capacité portante des câbles qu’ils composent.


III – 1 Dissolution généralisée La réduction de section conduit directement à la réduction de la force à la rupture.

Figure 8 : Courbes de traction schématiques pour un fil sain et un fil (ayant perdu X % de section).

Figure 8 bis : Faciès de rupture d’un fil corrodé.

Nota : Les courbes présentées sont des « modèles » de comportement. III – 2 Dissolution par cratères En plus de la perte de charge à la rupture, les cratères provoquent une forte diminution de l’allongement réparti.

Figure 9 : Courbes de traction schématique pour un fil sain et un fil présentant des cratères.

Figure 9 bis : Faciès de rupture sur cratère de corrosion.

III – 3 Corrosion fissurante sous contrainte La charge de rupture est réduite de même que l’allongement à la rupture qui se produit sans déformation plastique pour les f issures les plus profondes.


Figure 10 : Courbes comparées de fils sains et fils fissurés.

Figure 10 bis : Faciès de rupture sur fissure de corrosion.

III – 4 Fatigue / fatigue de contact Les f issures de fatigue ont les mêmes conséquences que les f issures de corrosion sous contrainte : chute de résistance, perte de ductilité (voir f igure 10).

Figure 11 et 11 bis : Faciès de rupture de fatigue de contact. III – 5 Fatigue de contact + corrosion / fatigue + corrosion Les faciès de rupture des f ils, lorsque l’effet de la corrosion est important, deviennent moins caractéristiques mais gardent l’aspect « perte de ductilité » typique de la présence d’une f issure comme origine de la rupture.


Figure 12 : Faciès de rupture en condition de fatigue de contact + corrosion.

Figure 12 bis : Faciès de rupture corrosion fissurante + fatigue.

IV - Pathologie des gaines Les gaines sont maintenant partie intégrante des torons (polyéthylène extrudé sur les mono ou multicouches). Les désordres qui les affectent (en dehors des défauts de fabrication) sont des f issures de fatigue (f igure 13) ou des f issurations différées sous déformation permanente (f igure 13 bis). Les phénomènes conduisant à ces f issurations sont mult iples : variations trop importantes d’épaisseur (gaine d’épaisseur moyenne trop faible), polymère non stable (ruptures des chaînes) sous déformation imposée…

Figure 13 : Rupture en hélice de la gaine d’un toron et rupture postérieure des fils.


Figure 13 bis : Rupture différée d’une gaine de toron (stockage en extérieur).

V – Conclusions La plupart des phénomènes décrits sont connus et les applications aux structures câblées tiennent compte de la lutte contre ces dégradations dont l’apparit ion peut être retardée par des entretiens préventifs ou des équipements complémentaires (amortisseurs, déviateurs, …). BIBLIOGRA PHIE [1] HAUBANS – Recommandations de la Commission Interministérielle de la Précontrainte –

Novembre 2001 – SETRA – F.92225 Bagneux Cédex [2] K. BECKER – 1979. « La Résistance à la fatigue des câbles d’acier – Influence sur la durée

de vie des câbles d’extraction ». Le Tréfilé – 29-5 – p. 212-215.

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