Échecs de silo : histoires de cas et leçons apprises par le Dr John W. Carson

23 mars 2023 | Par Jenike & Johanson

Sponsorisé par

Les silos et les bennes tombent en panne avec une fréquence beaucoup plus élevée que presque tout autre équipement industriel. Parfois, la défaillance n'implique qu'une distorsion ou une déformation qui, bien que disgracieuse, ne présente pas de danger pour la sécurité ou le fonctionnement. Dans d'autres cas, la défaillance implique un effondrement complet de la structure avec perte d'utilisation et même perte de vie.

De nombreuses histoires de cas impliquant des défaillances structurelles sont présentées qui illustrent les erreurs courantes ainsi que les limites de la conception.

Bien que les statistiques ne soient pas disponibles, des centaines de silos, bacs et trémies industriels et agricoles connaissent un certain degré de défaillance chaque année. [1-3] Parfois, l'échec est un effondrement structurel complet et dramatique. D'autres fois, l'échec n'est pas aussi dramatique ou aussi évident. Par exemple, des fissures peuvent se former dans un mur en béton ou des bosses dans une coque en acier, l'une ou l'autre pouvant sembler inoffensives à l'observateur occasionnel. Néanmoins, ce sont des signaux de danger qui indiquent que des mesures correctives sont probablement nécessaires.

Le coût économique d'une rupture de silo n'est jamais faible. Le propriétaire fait face aux coûts immédiats de la perte de production et des réparations, le personnel à proximité est exposé à un danger important et le concepteur et le constructeur font face à des litiges possibles en raison de leur responsabilité.

Les principales causes de défaillance des silos sont dues à des lacunes dans une ou plusieurs des quatre catégories suivantes : conception, construction, utilisation et maintenance. Chacun d'entre eux est exploré ci-dessous, avec des exemples et des leçons apprises.

La conception de silos nécessite des connaissances spécialisées. Le concepteur doit d'abord établir les propriétés d'écoulement du matériau [4], puis prendre en compte des éléments tels que la géométrie du canal d'écoulement, le développement de l'écoulement et de la pression statique et les effets dynamiques. Des problèmes tels que les trous de rat et les vibrations auto-induites du silo doivent être évités, tout en assurant une décharge fiable au débit requis. Les charges non uniformes, les charges thermiques et les effets des détails de fabrication non standard doivent être pris en compte. Avant tout, le concepteur doit savoir être prudent face à des informations incomplètes ou trompeuses, ou à des recommandations issues de manuels, ou de personnes ayant le syndrome du "ça a toujours été fait comme ça".

Fig. 1, Pressions non uniformes causées par un retrait excentrique

Après avoir établi les critères de conception, une conception compétente doit suivre. Ici, le concepteur doit avoir une appréciation complète des combinaisons de charges, des chemins de charge, des effets primaires et secondaires sur les éléments structurels et de la flexibilité relative des éléments. [5,6] Une attention particulière doit être accordée à la façon dont les détails les plus critiques de la structure seront construits afin que toutes les exigences et l'intention de la conception soient réalisées.

Cinq des problèmes les plus courants que les concepteurs ignorent souvent sont décrits ci-dessous, accompagnés de quelques exemples pour chacun.

C'est l'une des causes les plus courantes des problèmes structurels des silos, car elle est si souvent négligée. Cela se produit lorsque le point de soutirage de la trémie n'est pas situé sur l'axe vertical d'un silo circulaire [7,8], et est particulièrement courant lors de l'utilisation de silos à trémies multiples dans lesquels seules une ou deux sorties de trémie sont utilisées à la fois. temps. Si le canal d'écoulement résultant croise la paroi du silo, des pressions non uniformes se développeront autour de la circonférence du silo, entraînant des moments de flexion horizontaux et verticaux. Voir la figure 1. De nombreux concepteurs de silos tiennent compte à tort de ces pressions non uniformes en augmentant uniquement la tension du cerceau. [9,10]

Quelques exemples:

Fig. 2, Le distributeur à vis à pas constant a provoqué un retrait excentrique

Un silo de mélange utilisait 24 tubes externes pour retirer les granulés de plastique à différentes hauteurs des sections cylindrique et conique. Des rides importantes se sont développées dans la section du cylindre au-dessus de plusieurs des tubes. Les leçons à retenir ici sont :

Les poutres de support, les cônes inversés, les tubes de mélange et d'autres types d'éléments internes peuvent imposer de grandes charges concentrées et/ou des pressions non symétriques sur une paroi de silo, entraînant des contraintes de flexion inacceptables.

Deux exemples :

Leçons apprises:

Fig. 3, Comparaison des pressions normales de paroi dues au débit supposé de l'entonnoir et au débit massique réel

Parfois, le flux massique se développe dans des silos, qui ont été structurellement conçus pour un flux en entonnoir. [4] Même si cela ne se produit pas, le pic de pression local, qui se développe là où un canal d'écoulement en entonnoir croise une paroi de silo, peut être dévastateur. [6]

Dans certaines circonstances, ignorer les propriétés du solide en vrac à stocker peut être pire que de supposer un schéma d'écoulement incorrect. Considérons, par exemple, la conception d'un silo en acier pour stocker le charbon. En l'absence d'un échantillon de charbon qui pourrait être testé pour former la base de conception, le concepteur peut recourir à un code de conception souvent cité [12] qui répertorie l'angle de frottement de la paroi pour le "charbon sur l'acier", sans tenir compte du type de charbon. , son humidité, sa taille de particules, sa teneur en cendres ou le type d'acier, son état de surface, etc. Les problèmes d'écoulement et de structure sont courants lorsque cette approche de conception est adoptée.

Deux exemples :

Leçons apprises:

Fig. 4, Comparaison des pressions normales de paroi dues à un frottement de paroi supposé élevé et à un faible frottement réel

De nombreux silos sont construits avec des panneaux métalliques boulonnés (généralement en acier ou en aluminium), tandis que d'autres sont construits en béton armé. Les deux types de construction ont des exigences de conception spécifiques.

Les assemblages boulonnés transfèrent les charges à travers divers chemins de charge et peuvent échouer dans au moins quatre modes différents : cisaillement des boulons, tension de la section nette, arrachement des trous et empilement autour des trous des boulons. Le mode qui entraîne la charge de rupture la plus faible dépend des spécificités du métal (par exemple, sa limite d'élasticité et ses résistances ultimes, son épaisseur), les boulons (par exemple, la taille, la résistance, qu'ils soient ou non entièrement filetés, à quel point le couple est élevé), l'espacement entre les trous de boulon , nombre de rangées de boulons, etc. [14-16]

Le flambage par compression doit également être pris en compte, en particulier si le silo boulonné a des parois ondulées ou est construit en aluminium.

La construction en béton armé pose différents problèmes [17,18]. Le béton est fort en compression mais très faible en traction. Ainsi, l'acier d'armature est utilisé pour fournir une résistance aux contraintes de traction. Un silo qui n'a qu'une seule couche d'acier d'armature horizontal est capable de résister à la tension circulaire, mais a très peu de résistance à la flexion ; par conséquent, si des pressions non uniformes se produisent (par exemple, en raison d'un canal d'écoulement excentrique), le silo est susceptible de se fissurer. Malheureusement, la face intérieure de la paroi du silo, où les fissures sont difficiles à détecter, est celle où les contraintes de traction maximales dues à la flexion sont les plus susceptibles de se produire. Des fissures non détectées peuvent continuer à se développer jusqu'à ce que le silo soit en danger d'effondrement imminent.

Un exemple:

Leçons apprises:

Les parois des silos métalliques extérieurs peuvent se dilater pendant la journée et se contracter la nuit lorsque la température baisse. S'il n'y a pas de décharge et que le matériau à l'intérieur du silo s'écoule librement, il se déposera à mesure que le silo se dilate. Cependant, il ne peut pas être repoussé lorsque les parois du silo se contractent, il résiste donc à la contraction, ce qui à son tour provoque une augmentation des contraintes de traction dans la paroi. Ce phénomène, qui se répète chaque jour où le matériau est au repos, est appelé cliquet thermique. [19-23]

Une autre condition de charge inhabituelle peut se produire lorsque l'humidité migre entre des particules stagnantes, ou des masses de particules stagnantes, qui se dilatent lorsque de l'humidité leur est ajoutée. Si cela se produit alors que le matériau n'est pas retiré, l'expansion vers le haut est fortement restreinte. Par conséquent, la majeure partie de l'expansion doit se produire dans le plan horizontal, ce qui entraînera une augmentation significative des pressions latérales et des contraintes circonférentielles dans les parois du silo.

Deux exemples :

Leçons apprises:

Dans la phase de construction, il y a deux façons de créer des problèmes. La plus courante d'entre elles est la mauvaise qualité de fabrication. Une construction défectueuse, telle que l'utilisation de matériaux inappropriés ou l'absence d'un renforcement adéquat, et un tassement inégal des fondations ne sont que deux exemples d'un tel problème.

L'autre cause des problèmes de construction est l'introduction de modifications mal choisies, voire non autorisées, pendant la construction afin d'accélérer les travaux ou de réduire les coûts.

Une inspection minutieuse du travail des entrepreneurs est importante afin de s'assurer que les spécifications de conception sont respectées. Cela comprend la vérification de l'utilisation des boulons corrects (taille, résistance, etc.), de la taille et de l'espacement corrects des barres d'armature, du type et de l'épaisseur spécifiés des parois du silo, etc.

Un exemple:

Leçons apprises:

La conception des fondations des silos n'est pas sensiblement différente de celle des autres structures. Par conséquent, les règlements inégaux sont rares. Cependant, lorsqu'il se produit, les conséquences peuvent être catastrophiques puisque généralement le centre de gravité de la masse est bien au-dessus du sol.

Exemple:

Leçons apprises:

Des modifications non autorisées pendant la construction peuvent mettre en danger la structure d'un silo. Des détails apparemment mineurs sont souvent importants pour assurer un type particulier de modèle d'écoulement (en particulier le débit massique) ou pour permettre à la structure de résister aux charges appliquées.

Exemple:

Leçons apprises:

Un silo bien conçu et bien construit doit avoir une longue durée de vie. Malheureusement, ce n'est pas toujours le cas. Des problèmes peuvent survenir lorsque les propriétés d'écoulement du matériau changent, que la structure change en raison de l'usure ou qu'une condition explosive survient.

Si un matériau en vrac différent est placé dans un silo que celui pour lequel le silo a été conçu, des obstructions telles que des voûtes et des trous de rat peuvent se former, et le schéma d'écoulement et les charges peuvent être complètement différents de ceux attendus. La répartition de la charge peut également être radicalement modifiée si des modifications sont apportées à la géométrie de la sortie, si une sortie latérale est placée dans un silo de décharge central ou si un insert ou un étranglement de contrôle du débit est ajouté. Le concepteur ou un expert du silo doit être consulté sur les effets de tels changements avant leur mise en œuvre.

Lorsqu'un matériau qui s'écoule mal est placé dans un silo qui n'a pas été conçu pour le stocker et le manipuler, des arrêts d'écoulement dus à des voûtes ou à des trous de rat sont probables. Parfois, ces obstacles se dégageront d'eux-mêmes, mais, le plus souvent, les opérateurs devront recourir à divers moyens (parfois drastiques) pour les éliminer. Quelle que soit la méthode utilisée, les charges dynamiques qui en résultent lors de la défaillance d'une arche ou d'un rathole peuvent effondrer le silo. [26]

Les vibrations auto-induites des silos peuvent également entraîner des charges dynamiques importantes auxquelles la plupart des silos ne sont pas conçus pour résister. [27,28] En outre, peu de silos, voire aucun, peuvent résister aux charges imposées par une explosion, qu'elle soit interne ou externe.

Deux exemples :

Leçons apprises:

La modification des propriétés des matériaux ou le polissage de la surface intérieure du silo peut entraîner le développement d'un écoulement massique dans un silo qui a été structurellement conçu pour un écoulement en entonnoir. (L'inverse peut également se produire - écoulement en entonnoir dans un silo conçu structurellement pour un écoulement massique - mais ce n'est généralement pas un problème aussi grave.) L'écoulement massique entraînera une charge de pression de paroi radicalement différente de celle avec un écoulement en entonnoir, en particulier la partie trémie.

Deux exemples :

Fig. 5, Résultat final du flux massique se développant dans un silo conçu structurellement pour un écoulement en entonnoir

Leçons apprises:

Un cylindre pressurisé est plus résistant au flambage par compression qu'un cylindre non pressurisé. [9] De plus, si cette pression est causée par un solide en vrac (par opposition à un liquide ou à un gaz), elle est encore plus résistante. La raison est la suivante : la pression du gaz ou du liquide est constante autour de la circonférence d'un silo et reste inchangée lorsque le silo commence à se déformer. D'autre part, la pression exercée par un solide en vrac contre la paroi d'un silo augmente dans les zones où les parois se déforment vers l'intérieur et diminue là où les parois se dilatent. Cela fournit un effet de retenue significatif une fois que le flambage commence.

Considérez maintenant ce qui se passe si une arche se forme à travers la section cylindrique d'un silo et que le matériau en dessous est retiré. Non seulement l'effet de retenue du solide en vrac est perdu, mais le poids total du contenu du silo au-dessus de l'arche est transféré à la région désormais non supportée des parois du silo. Une défaillance de flambage est probable lorsque cela se produit.

Exemple:

Leçons apprises:

L'entretien d'un silo relève du domaine du propriétaire ou de l'utilisateur et ne doit pas être négligé. Deux types de travaux d'entretien sont nécessaires. Le premier est le travail préventif régulier, tel que l'inspection et la réparation périodiques des murs et/ou du revêtement utilisés pour favoriser l'écoulement, protéger la structure, ou les deux. La perte d'un revêtement peut être inévitable avec un produit abrasif ou corrosif, mais le maintien d'un revêtement en bon état de fonctionnement est nécessaire si le silo doit fonctionner comme prévu. D'autres exemples d'éléments d'entretien préventif comprennent les évents de toit, les sondes de niveau, les alimentateurs, les déchargeurs et les portes.

Le deuxième domaine d'entretien consiste à rechercher les signes de détresse (par exemple, fissures, déformation des murs, inclinaison de la structure) et à y réagir. [29] Si la preuve d'un problème apparaît, l'aide d'un expert doit être immédiatement convoquée. Une réponse inappropriée à un signe indiquant que quelque chose ne va pas, y compris l'instinct commun d'abaisser le niveau de remplissage du silo, peut entraîner une défaillance plus rapide et peut-être plus grave.

Les parois des silos amincies par la corrosion ou l'érosion résistent moins bien aux charges appliquées que lorsqu'elles étaient neuves. Ceci est un problème particulier lors de la manipulation de matériaux abrasifs ou lors de l'utilisation d'une construction en acier au carbone dans des environnements humides ou autrement corrosifs. La combinaison des effets de l'abrasion et de la corrosion accélère considérablement le problème. Cela peut se produire, par exemple, avec des aciers spéciaux vieillissants. L'usure abrasive entraîne l'élimination de la couche de surface, exposant ainsi le nouveau matériau et accélérant le processus de vieillissement qui affaiblit considérablement la structure.

Trois exemples :

Leçons apprises:

Les défaillances de silo causent souvent des dommages importants et entraînent parfois la mort. Souvent, ces défaillances auraient pu être évitées ou les dommages auraient pu être minimisés grâce aux informations qui auraient pu être obtenues grâce à une inspection de routine.

Exemple:

Leçons apprises:

Une réaction courante aux signes de détresse en silo est de les ignorer, souvent parce que le personnel n'est pas conscient à la fois de la signification et des conséquences d'une telle action. Une autre réaction courante est la curiosité. Des gens ont perdu des vies parce que, par curiosité, ils se trouvaient au mauvais endroit au mauvais moment. Même si les signes de danger sont compris, il est courant que des mesures inappropriées soient prises pour tenter de « réduire » le risque d'échec. Dans certains cas extrêmes, une défaillance catastrophique a été provoquée là où, avec une action appropriée, les dommages auraient pu être relativement mineurs.

Deux exemples :

Leçons apprises:

Les silos qui sont conçus, construits, exploités et entretenus correctement auront une longue durée de vie. Chacune des études de cas présentées ci-dessus illustre les effets d'une ou plusieurs des lacunes possibles dans la conception, la construction, l'utilisation et l'entretien. Dans chaque exemple, le coût des réparations ou de la reconstruction, le coût des litiges et le coût de l'assurance totalisaient plusieurs fois le coût de la bonne exécution du travail au départ.

La meilleure approche pour la conception d'un silo, d'un bac ou d'une trémie pour les matériaux en vrac est celle qui est raisonnée, approfondie, conservatrice et basée sur des paramètres mesurés. Les ingénieurs concepteurs ne sont pas légalement protégés en s'en tenant à un code de pratique. Le respect du code applicable localement est, bien sûr, nécessaire, mais il ne doit jamais être considéré, à lui seul, comme une condition suffisante à la réalisation d'une conception satisfaisante.

Il est de la responsabilité du concepteur de s'assurer que la conception est basée sur une connaissance solide et complète des matériaux manipulés, que la conception est compétente et qu'elle couvre toutes les combinaisons de charges prévisibles. Il est de la responsabilité conjointe du concepteur, du constructeur et du propriétaire que la construction soit d'un niveau acceptable et réponde à l'intention de la conception. Il est alors de la responsabilité du propriétaire de bien entretenir les éléments structuraux et mécaniques. Il est également de la responsabilité du propriétaire de s'assurer que toute modification prévue de l'utilisation, de la géométrie ou du matériel de décharge, du matériau du revêtement ou de tout autre paramètre spécifié, est précédée d'une revue de conception avec un renforcement appliqué au besoin.