Hydraulique Appliquée III Et IV PDF [PDF]

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UNIVERSITE HASSIBA BENBOUALI CHLEF FACULTE DE GENIE CIVIL ET D’ARCHITECTURE DEPARTEMENT D’HYDRAULIQUE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE HASSIBA BENBOUALI DE CHLEF FACULTÉ DE GÉNIE CIVIL ET D’ARCHITECTURE DEPARTEMENT D’HYDRAULIQUE

HYDRAULIQUE URBAINE MASTER 1 2016/2017

2017

Hydraulique appliquée CHAPITRE III : Nature des canalisations CHAPITRE IV : Organes accessoires et robinetterie

L’enseignant : MESKINE Ahmed Faculté de génie civil et d’architecture Département d’hydraulique Type de document : Cours Destiné aux étudiants de master 1 A.MESKINE

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TABLES DE MATIERES CHAPITRE III :

NATURE DES CANALISATIONS (SOUS PRESSION ET A ECOULEMENT GRAVITAIRE) III.1. Tuyaux en fonte ...................................................................................................................... 4 III.2. Tuyaux en acier ...................................................................................................................... 5 III.3. Béton précontraint à âme en tôle. ........................................................................................... 5 III.4. Polychlorure de vinyle (PVC) ................................................................................................ 6 III.5. Poly Ethylène Haute Densité (PEHD) ................................................................................... 7 Gamme : ................................................................................................................................... 7 III.6. Polyester Renforcé en fibres de Verre (PRV) ........................................................................ 7 Raccords ...................................................................................................................................... 8 Manchons..................................................................................................................................... 8 Les principes du design de centrifugation ................................................................................... 8 III.7. Critères de conception et de choix ......................................................................................... 8 a.

Contraintes extérieures/mécaniques : ................................................................................... 8

b.

Résistance des matériaux ..................................................................................................... 8

c.

Critères d’ovalisation ........................................................................................................... 8

d.

Exigences ............................................................................................................................. 8

e.

Durabilité du matériau .......................................................................................................... 9

f.

Etanchéité (compatibilité inter matériaux) ........................................................................... 9

g.

Résistance à la corrosion ...................................................................................................... 9 CHAPITRE IV :

ORGANES ACCESSOIRES – ROBINETTERIE 4.1. Robinets-vanne à opercule ..................................................................................................... 10 4.2. Vannes papillon ...................................................................................................................... 10 4.3. Vanne stop .............................................................................................................................. 10 4.4. Manœuvre des robinets .......................................................................................................... 10 4.5. Colliers de prise en charge ..................................................................................................... 10 4.6. Robinets de branchement ....................................................................................................... 10 4.7. Clapets de retenue .................................................................................................................. 10 4.8. Dis-connecteurs hydrauliques ................................................................................................ 10 4.9. Crépines .................................................................................................................................. 11 A.MESKINE

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4.10. Purgeurs - ventouses............................................................................................................. 11 4.11. Obturateurs automatiques ..................................................................................................... 11 4.12. Réducteurs de pression et de débit ....................................................................................... 11 4.13. Stabilisateurs de débit - de pression ..................................................................................... 11 4.14 Robinet à flotteur ................................................................................................................... 11 4.15 Vanne de régulation (avale) .................................................................................................. 12 4.16 Vanne de régulation (amont) ................................................................................................. 12 4.17 Vanne de régulation de débit ................................................................................................. 12 4.18 Organes de sécurité ............................................................................................................... 12 4.19 Identification ......................................................................................................................... 12 4.20 Test sur les appareils (CE) .................................................................................................... 12

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CHAPITRE III :

NATURE DES CANALISATIONS (SOUS PRESSION ET A ECOULEMENT GRAVITAIRE) Divers tuyaux :  Ancien matériau : fonte grise, amiante ciment et plomb.  Fonte ductile.  Acier  Béton armé à âme en tôle.  Polychlorure de vinyle (PVC),  Poly Ethylène Haute Densité (PEHD)  Polyester Renforcé en fibres de Verre (PRV) III.1. Tuyaux en fonte Les tuyaux en fonte sont très robustes, mais en raison de leur fragilité, ils doivent être manutentionnés avec certaines précautions. Gamme de diamètre Les diamètres normalisés des tuyaux fonte sont les suivants (en mm) : 60-80-100-125-150-175200-250-300-350-400-450-500-600-700-800-900-1000-1100-1250. La longueur utile des tuyaux est de 6m ; à partir de 0.8m elle peut étre de 7m. Types de joints Joint express

Joint verrouillé

Joint gibault

Joint à bride

Joint rapid

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Protection zinc-ciment des Tubes pression fonte ductile : Revêtement intérieur : ciment de haut fourneau Protection Extérieure : couche de zinc et mortier de ciment Les tuyaux en fonte peuvent être percés pour les branchements de bâtiments. Le diamètre du perçage ne doit pas être supérieur au 1/3 du diamètre nominal du tuyau. Essai de pression : L'essai ne doit être effectué‚ qu'avec de l'eau; les tuyaux doivent être remplis lentement et l'air doit être ‚évacué. Il faut prévenir tout changement de position des tuyaux. Pour les conduites d'adduction et les conduites maîtresses, la pression d'essai ne doit pas dépasser de plus de 5 bar la future pression maximale de service. Les conduites de distribution PN 10 et PN 16 doivent en général être contrôlées avec une pression d'essai de 15, respectivement 21 bar. Durée de l'essai : Au minimum 2 heures; contrôle par manomètre ou manomètre enregistreur. La pression d'essai étant atteinte, la chute de pression ne doit pas dépasser 0,1 bar par heure pour une PN de 10 bars. III.2. Tuyaux en acier L’acier utilisé dans la fabrication des tubes et raccords est de l’acier doux, soudable. Les tubes sans soudures sont en longueurs courantes de fabrication : soit de 6m à 7.5m, soit de 7.5m à 16m. Les épaisseurs sont variables : de 3 à 8mm pour les tubes étirés sans soudure et pour les diamètres compris entre 0.04 et 0.35m. Toutefois, ces épaisseurs standard peuvent être dépassées des cas particuliers. Les tubes soudés sont livrés en longueurs fixes comprises entre 6 et 14m. Leur épaisseur varie de 5 à 9mm pour les diamètres compris entre 0,35 et 1,0m. Le tuyau en acier ne peut être utilisé tel quel sans avoir été revêtu intérieurement et extérieurement. Intérieurement, il sera protégé par un émail à base de bitume de pétrole, de 1 à 2 mm d’épaisseur, selon le diamètre, appliqué soit par centrifugation à chaud exécutée en usine, soit par l’intermédiaire d’une couche primaire d’adhérence. Extérieurement, il recevra un revêtement constitué par de la soie de verre noyée dans un bitume de houille et appliqué à chaud sur une couche primaire dont le tube aura été enduit au préalable. La soudure de conduites en acier doit être confiée uniquement à des soudeurs reconnus, spécialement formés pour la soudure étanche. Dans ces conditions, les radiographies ou autres examens non destructifs peuvent être espacés. Aux températures inférieures 5°C, les travaux de soudure doivent être effectués sous tente chauffée. III.3. Béton précontraint à âme en tôle. Les tuyaux sont constitués par :  Une âme en tôle d'acier cintrée et soudée longitudinalement,  Une armature de revêtement constituée de spires à pas constant et de génératrices,  Un revêtement extérieur et intérieur en béton enrobant parfaitement les armatures.

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Gamme Ø1200, 1400, 1800, 2000 et 2200 mm (diamètre intérieur). Avantage:  Résistance mécanique, résistance à la pression et à la dépression;  Pérennité garantie grâce à ses propriétés contre la corrosion, l’abrasion, et son insensibilité aux agents climatiques;  Pose en conduite enterrée, aérienne ou immergée. Ce type de tuyau assure une étanchéité totale et peut répondre a des pressions allant de 5 a 20 bars. L'emboîtement se fait soit par soudure soit par joint torique en caoutchouc. III.4. Polychlorure de vinyle (PVC) Les tubes PVC, destinés à l'adduction d'eau, sont équipés à une extrémité d’une emboîture à joint ou à coller et à l’autre extrémité, d’un chanfrein, ce qui permet d’assurer l’assemblage des tubes entre eux. Ils sont livrés habituellement en longueur de 6 mètres. Les tuyaux PVC sont fabriqués par une technique appelée l’extrusion. L’opération consiste à gélifier la matière et la pousser au travers d’une tête d’extrusion qui donnera une forme cylindrique qui sera travaillée pour obtenir un tuyau. A) Assemblage par collage : Ce type d’assemblage est particulièrement adapté pour la pose réalisée en aérien (comme à l’intérieur de bâtiments par exemple). Elle est aisée jusqu’au DN 110.

B) Assemblage par bague d'étanchéité Ces assemblages de gros diamètres font l'objet de nombreuses sollicitations qui peuvent être dues :  à l'environnement (tassement différentiel des remblais), 

aux charges roulantes éventuelles,

 

aux variations thermiques au moment de la pose, au remblaiement,



à la mise en eau,

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Tubes PVC à coller pour l'eau potable sans pression :  Diamètres : 63 – 75 – 90 – 110 – 125 – 160 – 200 mm 

Pression : PN 6 - PN 10 et PN 16



Longueur totale : 6 m

Tubes PVC à joint pour distribution d'eau potable  Diamètres : 63 – 75 – 90 – 110 – 125 – 160 – 200 – 250 – 315 – 400 – 500 – 630 mm 

Pression : PN 6 - PN 10 et PN 16



Longueur totale : 6 m

III.5. Poly Ethylène Haute Densité (PEHD) Les tubes en polyéthylène haute densité (PE80 ou PE100) sont livrés soit en barres de 5,8m6,0m-11,8m ou 12m soit en couronnes de 50, 100, 200 mètres ou autres longueurs sur demande. Ils sont de couleur noir et de qualité alimentaire. Des filets de repérage bleus sont répartis sur la circonférence du tube. Ces filets ont une faible épaisseur et une faible largeur de façon à ne modifier aucune des caractéristiques physiques et mécaniques du tube. Le tube PE est fabriqué par extrusion. L’extrudeuse avec un système de résistances et une ou plusieurs vis va chauffer le granulé, le transforme en pâte à 230°C et le pousse à travers un outillage de forme. La patte traverse une filière qui donne le diamètre et l’épaisseur désirés au tube. Gamme :  Diamètres : 20 – 40 – 50 – 63 – 75 – 90 – 110 – 125 – 160 – 200 – 250 – 315 – 400 – 500 – 630 mm  Pression : PN 10 et PN 16  Longueur : en couronne de 100 m jusqu’au diamètre 63, en couronne de 50 pour les diamètres 75 – 90 – 110 mm, en barre droite de 12 m à partir du diamètre 125 mm L’assemblage des tuyaux en PEHD se fait par deux méthodes : électro-fusion et bout à bout. III.6. Polyester Renforcé en fibres de Verre (PRV) Un plastique à renfort de verre (ou Polyester Renforcé de fibres de Verre ou Polymère Renforcé aux fibres de Verre, symbolisé habituellement par ses initiales PRV) est un matériau composite constitué de :  Fibre de verre  Résine polyester non saturée, liant  Résine spécifique pour le liner  Apports minéraux de renforcement  Sable Gamme Diamètres: 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1800, 1900, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000

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Raccords Les raccords fabriqués en polyester renforcé de verre. Ils sont fabriqués avec les mêmes matières premières que les tuyaux. L’avantage est de pouvoir proposer une gamme homogène entre tuyau et raccords afin de pouvoir réaliser un réseau de transport d’effluent. Manchons Les tuyaux standards en Polyester Renforcé de fibre de Verre sont associés par l’intermédiaire d’un manchon en PRV avec double joint d’étanchéité. Chaque tuyau est pré-monté en usine avec un manchon. L’étanchéité est assurée par la mise en compression des joints d’étanchéité sur la surface extérieure des tuyaux. Les principes du design de centrifugation 1. Couche de protection extérieure (sable) 2. Couche de renforcement extérieure (fibre et résine) 3. Couche de transition (fibre, résine, sable) 4. Couche de rigidité (sable, résine fibre) 5. Couche de transition 6. Couche de renforcement intérieur 7. Couche barrière 8. Couche de contact intérieure (résine pure) III.7. Critères de conception et de choix a. Contraintes extérieures/mécaniques : Plusieurs actions externe aux réseaux peuvent endommagées les canalisations. Les principaux risques sont d’ordre géotechnique. Le plus fréquent de ces risques géotechnique est le tassement du sol environnant. En effet, dès que les tassements sont importants il y a risque de tassements différentiels, et donc pour la canalisation, risque de déboitements avec pertes d’étanchéité, contre-pentes, fissuration, déformation, rupture. b. Résistance des matériaux La capacité portante diffère d’un type de tuyau à l’autre : - Pour un tuyau rigide (Béton), la capacité portante est limitée par la rupture ou un dépassement de contrainte, sans déformation significative de sa section - Pour un tuyau semi-rigide (Fonte, Acier), la capacité portante est limitée soit par la déformation/le dépassement de contraintes (comportement flexible), soit par la rupture (comportement rigide) selon sa rigidité annulaire - Pour un Tuyau flexible (PVC, PRV, PEHD), la capacité portante est limitée par une déformation diamétrale sous charge à une valeur maximale de calcul, sans rupture ou dépassement de contrainte c. Critères d’ovalisation Les tuyaux à comportement flexibles et semi-rigides sont soumis à des phénomènes d’ovalisation dont les tolérances sont fixées par les normes (cf annexe3).

d. Exigences Le calcul hydraulique doit être mené afin de prouver que le réseau : - satisfera les besoins estimés ; - sera exploité avec des vitesses d'écoulement acceptables ; - sera exploité sans dépasser la gamme de pressions prévues. En outre, la pression de calcul en régime permanent et la pression maximale de calcul doivent être fixée aux points correspondants du réseau. A.MESKINE

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e. Durabilité du matériau f. Etanchéité (compatibilité inter matériaux) L’étanchéité des réseaux dépend : - des conditions de mise en œuvre, - des assemblages qui sont essentiellement liés à la stabilité des raccords, ovalisation différentielle, déviation angulaire non respectée - de la conception des jonctions g. Résistance à la corrosion Interne : Tous les matériaux et joints proposés sont compatibles aux normes relative aux eaux destinées à la consommation humaine. Externe : Protection contre un environnement agressif Les mesures de protection peuvent comprendre : - des revêtements pour certains composants métalliques, lesquels sont conçus de façon adéquate pour divers niveaux de corrosivité du sol ; - des tuyaux de protection ou une protection métallique pour certains composants en matière plastique dans les sols contaminés ;

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CHAPITRE IV :

ORGANES ACCESSOIRES – ROBINETTERIE 4.1. Robinets-vanne à opercule Appareils de sectionnement fonctionnant soit en ouverture totale, soit en fermeture totale. La vanne est une sorte de lentille épaisse qui s'abaisse ou s'élève verticalement à l'aide d’une vis tournant dans un écran fixé à la vanne. Diamètres allant de 40 à 300 mm. 4.2. Vannes papillon Appareils de réglage de débit et de sectionnement et dont l'encombrement est faible. Il s'agit d'un élément de conduite traversé par un axe déporté entraînant, en rotation, un disque obturateur appelé papillon. Diamètres plus importants de 100 à 2500 mm parfois plus. 4.3. Vanne stop Organe de sécurité, placé en tête de la canalisation, permettant d'arrêter l'encombrement si le débit dépasse une certaine valeur. 4.4. Manœuvre des robinets  Manuellement par une clé (tête de bouche à clé, tube),  Electriquement pour des robinets de grande dimension,  Commandes hydrauliques et pneumatiques par vérin ou moteur à air. 4.5. Colliers de prise en charge Branchements à partir des canalisations en charge. Ils comprennent un orifice taraudé permettant le perçage de la canalisation et sur lequel vient s'adapter un robinet de branchement. 4.6. Robinets de branchement  Robinet d'arrêt.  Robinet de prise. 4.7. Clapets de retenue Ils sont destinés à empêcher le passage d’un fluide dans certaines conditions. Ils sont surtout utilisés dans les stations de pompage au point bas des canalisations d'aspiration (désamorçage) ou sur la conduite de refoulement (arrêt de la colonne d'eau). 4.8. Dis-connecteurs hydrauliques Appareils empêchant les phénomènes de retour d'eau. Le risque de pollution du réseau d’eau public par des eaux industrielles ou de buanderie est évité. A.MESKINE

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4.9. Crépines Ce sont des appareils en forme de panier percé de trous, placés à l'extrémité des canalisations d'aspiration, afin d'empêcher l'introduction de corps étrangers dans celle-ci. 4.10. Purgeurs - ventouses Appareils mis en place aux points hauts de la canalisation et servant à l'évacuation de l'air occlus. L’air, compressible, est le pire ennemi des installations. Les bouchons d’air se compriment et décompriment créant des pressions qui varient sans cesse. Les sous-pressions sont souvent plus dévastatrices que les surpressions. Si l’on ne prévoit pas d’entrée d’air lorsque l’on vide les tuyaux, cela engendre le phénomène de vacuum qui engendre des déformations et dégradations importantes des tuyaux. On injecte donc de l’air par les ventouses. 4.11. Obturateurs automatiques Pour éviter à la suite d’une rupture, la vidange de trop importantes parties d'un réseau ou d'une conduite ou fait appel à des obturateurs automatiques qui se ferment quand la pression aval tombe au-dessous d'un certain seuil taré au moyen d'un ressort. 4.12. Réducteurs de pression et de débit Les réducteurs de pression sont utilisés pour permettre l'alimentation d'une partie basse de pression à partir d'un étage à pression sensiblement plus élevé. Un réducteur de pression comporte toujours un clapet mobile et un ou plusieurs ressorts de compression, réglables, agissant sur le clapet dans le sens de l'ouverture. Si la pression tombe à l'aval au-dessous de la valeur désirée, le clapet s'ouvre sous l'action des ressorts. Au contraire, dès que la pression aval atteint la valeur fixée, le clapet se referme. Il est recommandé de placer un tel réducteur entre deux robinets-vannes et d'installer un by-pass avec vanne normalement fermée. Ce dispositif permet de mettre l'appareil hors circuit, soit pour une réparation éventuelle, soit en cas d'incendie, pour maintenir une haute pression dans le réseau. 4.13. Stabilisateurs de débit - de pression Il existe des équipements conçus pour maintenir un débit constant dans une canalisation sous pression, on les appelle stabilisateurs de débit. 4.14 Robinet à flotteur Situé dans les réservoirs, il permet d’arrêter ou d’activer leur alimentation. La commande est transmise par flotteur ou par la pression hydrostatique. Il sert à régler la tranche d’eau (marnage) sur laquelle on veut travailler.

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4.15 Vanne de régulation (avale) Fonctionne à action directe ou indirecte (hydraulique). Son but est de fournir une pression avale constante. La vanne à action directe est liée à un ressort : plus la course est grande et plus il faut de force. La vanne à action hydraulique possède une commande qui se situe hors appareil. 4.16 Vanne de régulation (amont) Elle maintient la pression amont à une valeur de consigne, quelles que soient les variations de pression et le débit à l’aval. La vanne règle en fait le débit pour assurer qu’à l’amont la pression reste suffisante. En freinant le débit, on diminue la perte de charge et on augmente la pression. On obtient ainsi un compromis entre un minimum de pression à l’amont et un minimum de débit à l’aval. 4.17 Vanne de régulation de débit Elle limite et stabilise le débit à une valeur de consigne constante quelles que soient les variations de pression amont et aval. 4.18 Organes de sécurité a) Robinet vanne à papillon de survitesse : permet un arrêt automatique et rapide en cas de rupture de conduite. b) Soupape de décharge : sert à la protection contre la surpression (ex : l’ouverture/fermeture d’un hydrant engendre des surpressions dues aux changements de vitesse puisque les consommations changent). On évacue le surplus de pressions. Cette mesure est très importante lorsque l’on a des appareils sensibles aux surpressions comme les membranes de filtration des stations de traitement des eaux. c) Clapet anti-retour : ne permet l’écoulement que dans une direction. On trouve des clapets à double battant, papillon, à contrepoids, tuyère, etc. d) Filtre : il sert à protéger les appareils raccordés à l’aval contre les impuretés, corps étrangers, graviers, etc. Sans cette mesure on risque une diminution de la section par encombrement ou une obturation complète. e) Pièce de démontage : elle permet de changer des appareils sans démonter une partie de la tuyauterie. 4.19 Identification Les appareils sont identifiés par principalement deux éléments : le diamètre nominal DN et la pression nominale de service PN. 4.20 Test sur les appareils (CE)  PFA : pression de fonctionnement admissible de façon permanente.  PMA : pression maximale admissible, y.c. les coups de bélier.  PEA : pression d’épreuve admissible. Il s’agit de la pression maximale sur une très courte durée.

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REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE ANDRE DUPONT (1978), Hydraulique urbaine Tome II, Edition Eyrolles, France. CARLIER M. (1972), Hydraulique générale et appliquée, Edition Eyrolles, France. LOUKARFI L. (2003), Problèmes résolus d’hydraulique appliquée, Edition Dar El Oumma, Algérie. J.P. LABORDE (2000), Éléments d'hydraulique générale, Université de Nice Sophia Antipolis Centre National de la Recherche Scientifique, France. Jacques BONVIN (2005), Hydraulique urbaine I, Ecole d’ingénieurs de canton de Vaud, Berne. José VAZQUEZ (2000), Hydraulique générale, Ecole nationale du génie de l’eau et de l’environnement de Strasbourg. Jean-Loup Robert (2002), Hydraulique urbaine, Université Laval. Souha BAHLOUS EL OUAFI (2002), Hydraulique cours et exercice, Centre de Publication Universitaire, Institut Supérieur des Etudes Technologiques de Radès, Tunisie.

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