La résilience des équipements et des usines, en chiffres — Conditions de conception par infrastructure et par aléa

Un équipement ne fonctionne pas seulement dans les conditions inscrites sur sa plaque signalétique. La tension d’alimentation peut s’écarter brièvement de sa valeur nominale, un séisme accélère le sol, la pression du vent s’exerce sur les surfaces extérieures et la charge de neige sur les toitures. Côté équipement, chacune de ces conditions extérieures devient une grandeur physique différente : l’écart de tension devient le temps pendant lequel une alimentation peut maintenir sa sortie et le couple qu’un moteur peut fournir ; l’accélération devient une charge d’ancrage ; la vitesse du vent, une pression sur la face ; la hauteur de neige, une charge.

Ce qui compte n’est donc pas le nom de la catastrophe, mais quelle grandeur agit sur quoi. Cet article commence par l’alimentation électrique et le raccordement, présents dans toute usine, puis traite des séismes, des typhons et de la neige, en se concentrant sur les phénomènes et leurs conséquences.

Points clés de cet article

Section	Ce que cette section explique
Écarts de tension et tolérance des équipements	Pour un même creux de tension, l’alimentation 24 V, les moteurs, les postes de soudage et la CVC s’arrêtent de façons différentes
Classe de raccordement et risques côté usine	Aux États-Unis, en Europe, au Japon et au Brésil, la même charge change l’endroit où la tension chute et l’étendue d’une coupure
Accélération sismique et charge d’ancrage	Convertir les valeurs indicatives d’intensité en force horizontale ; l’accélération tire sur les ancrages
Vitesse du vent de typhon et pression du vent	Convertir la vitesse du vent en charge de vent, avec une armoire extérieure comme exemple
Hauteur de neige et charge de neige	Convertir la hauteur en charge descendante, avec une toiture d’auvent comme exemple

Écarts de tension et tolérance des équipements

Même si la plaque d’une armoire de commande indique 200 V, la tension réelle peut s’écarter du nominal. Une baisse brève s’appelle un creux de tension ; une interruption brève, une coupure momentanée ; une hausse brève, une surtension momentanée. Leur fréquence dépend de la région et du réseau. Côté équipement, la première chose à vérifier est la tension concernée par l’écart : l’entrée alternative, le 24 V de commande ou les bornes du moteur.

Ce faisant, gardez à l’esprit que le « ±10% » de la plaque ne signifie pas que la tension du site reste toujours dans cette plage. La plage admissible, la plage garantie par le fabricant et la marge de conception sont trois nombres différents. De même, un même ±10% ne vise pas la même tension à l’entrée 200 V alternative, sur le 24 V de commande ou aux bornes du moteur. Ainsi, même quand l’entrée alternative reste dans la tolérance, l’automate (PLC) s’arrête dès que l’alimentation régulée épuise le temps pendant lequel elle peut maintenir sa tension de sortie.

Un même écart de tension arrête les équipements dans des conditions différentes. Le 24 V de commande, les moteurs, les postes de soudage et la CVC (HVAC) surveillent chacun une tension différente, et chacun agit différemment sur les autres. Le tableau ci-dessous résume ces différences.

Équipement	Tension concernée	Ce qui lâche en premier	Effet sur les autres équipements
PLC / commande (24 V)	La sortie de l’alimentation régulée et le temps pendant lequel elle peut la maintenir	Le 24 V tombe et la CPU, les capteurs et le bus de terrain s’arrêtent. Les contacteurs retombent souvent avant le PLC	Faible en tant que charge
Moteur	Tension aux bornes ; le bus continu pour les variateurs	Le couple est à peu près proportionnel au carré de la tension. À tension basse, le courant augmente à charge égale, jusqu’à la surchauffe ou au calage	Le courant de démarrage fait chuter la tension environnante
Poste de soudage	Tension aux bornes pendant l’impulsion	L’arc devient instable. Les postes à onduleur s’arrêtent par sous-tension du bus continu	Souvent une cause majeure de creux dans l’usine
CVC	Bornes du compresseur et contacteur	Un creux fait retomber le contacteur, et le redémarrage fait de nouveau chuter la tension. Si la CVC de process s’arrête, le process s’arrête	Le démarrage du compresseur provoque des creux

Une précision sur la ligne PLC : certaines alimentations régulées à large plage acceptent des entrées alternatives de 85 V à 264 V. C’est pourquoi « le PLC tiendra si l’alternatif reste à ±10% » confond l’entrée alternative et la sortie 24 V. Que le PLC reste en marche dépend du nombre de millisecondes pendant lesquelles la sortie 24 V peut être maintenue. Les postes de soudage et la CVC, en revanche, ne subissent pas seulement les chutes de tension : ils en sont aussi la cause. Sur les variateurs et servomoteurs, surveillez la tension du bus continu, comme pour les moteurs.

La figure ci-dessous montre, pour une même forme d’onde de tension, la valeur précise à laquelle la CVC, le moteur, le poste de soudage et le 24 V s’arrêtent chacun.

Lecture Pause Recommencer

Classe de raccordement et risques côté usine

La classe de tension à laquelle une usine reçoit l’énergie change deux choses : l’étendue d’une coupure, et l’endroit où les charges internes font chuter la tension. Les noms des classes et les tensions courantes varient selon les régions ; la conversion utilisée côté équipement, elle, est partout la même : de la classe vers l’endroit où la tension chute et l’étendue de la coupure. Gardez à l’esprit qu’un nom de classe est une plage de tension, pas une garantie que les équipements continueront de fonctionner.

Avant de lire le tableau, deux termes : un jeu de barres est un tronçon où les armoires sont reliées à la même tension, et le secondaire est le côté basse tension d’un transformateur. Le tableau ci-dessous se commute par région ; la région ouverte en premier correspond à la langue de cet article.

Dans toutes les régions, monter en classe de raccordement réduit le courant vu par le réseau. Restent en revanche le soudage et les démarrages moteurs placés au secondaire du transformateur.

La figure ci-dessous montre que, même si les noms des classes varient selon la région, le mécanisme est le même. De haut en bas : en tension d’utilisation, le creux atteint le réseau ; avec un transformateur sur site, le courant réseau est faible ; à la classe la plus haute, une coupure couvre une zone vaste. Et le 24 V chute à toutes les classes.

Lecture Pause Recommencer

En revanche, avec une seule ligne d’arrivée, un défaut sur cette ligne arrête toute l’usine. Même avec deux lignes, un tracé commun peut les faire perdre ensemble. Et si un défaut interne ne peut pas être éliminé par un disjoncteur interne, celui de l’amont s’ouvre en premier et toute l’usine s’arrête. Les procédures d’installation sortent du cadre de cet article.

Une fois la classe et le nombre de lignes fixés, l’étape suivante est la protection et l’emplacement des équipements de maintien de tension (onduleurs/UPS). La capacité nécessaire dépend de ce que l’on maintient : seulement le 24 V, ou tout le process.

Accélération sismique et charge d’ancrage

Quand un séisme accélère le sol, la masse de l’équipement ne suit pas instantanément. Multiplier l’accélération par la masse donne une force, appelée force d’inertie. Avec un poids propre W, l’accélération de la pesanteur g et une accélération horizontale a, la force d’inertie horizontale vaut F = (a/g) W. Ainsi, 0.3 g correspond à une force horizontale de 0.3 fois le poids propre, et 1 g à une force qui lui est égale. Cette force tire sur les ancrages et la platine, ou tend à soulever les pieds.

Cette accélération ne peut pas être tirée telle quelle d’une intensité publiée. La magnitude décrit la taille de la source ; l’intensité, la secousse en un lieu donné. Le Japon utilise l’échelle d’intensité sismique de la JMA, de 0 à 7, dont les niveaux 5 et 6 sont chacun divisés en inférieur et supérieur. Ailleurs, la secousse est souvent rapportée sur l’échelle de Mercalli modifiée (MMI). Les calculs d’équipement, eux, utilisent l’accélération horizontale en g. Il n’est pas rare qu’un séisme proche de magnitude 5 produise sur le site une accélération plus grande qu’un séisme lointain de magnitude 7.

Le tableau ci-dessous est un ordre de grandeur pour le cas où l’accélération horizontale s’applique sans réduction à une masse fixée au sol. L’intensité JMA n’est pas déterminée par la seule accélération de pointe : au sein d’un même niveau, l’accélération varie d’un site à l’autre. Ce ne sont donc pas des valeurs de dimensionnement.

Cas	Mercalli modifiée	Intensité JMA	Exemple d’accélération horizontale	Multiple du poids propre
La plupart des personnes sont surprises	V–VI	4	0.03–0.08 g	0.03–0.08 fois
Des meubles peuvent basculer	VII	5 Upper	0.15–0.25 g	0.15–0.25 fois
Difficile de rester debout	VIII	6 Lower	0.25–0.3 g	0.25–0.3 fois
La plupart des meubles non fixés basculent	IX	6 Upper	0.3–0.4 g	0.3–0.4 fois

Note : L’échelle de Mercalli modifiée (MMI) est l’échelle de secousse utilisée aux États-Unis et ailleurs. L’intensité JMA est l’échelle de l’agence météorologique japonaise. La correspondance du tableau est approximative.

Par exemple, une armoire d’une tonne, à la valeur indicative du niveau 6 Lower (environ 0.3 g), subit une force horizontale d’environ 3 kN (équivalent d’environ 300 kg). Aux étages ou sur des châssis peu rigides, l’accélération peut dépasser celle du sol. De plus, un centre de gravité haut augmente encore la charge des ancrages côté traction à accélération égale.

Côté montage, précontraindre les boulons permet aux faces d’assemblage d’encaisser en compression l’essentiel des fluctuations d’effort.

La figure ci-dessous montre la relation : plus l’accélération augmente, plus la charge des ancrages côté traction augmente. Le dimensionnement des ancrages n’est pas traité.

Lecture Pause Recommencer

Vitesse du vent de typhon et pression du vent

Ce qui agit sur les armoires extérieures, les châssis et les capots de convoyeurs n’est pas la vitesse du vent elle-même, mais la pression sur leurs faces. La pression étant à peu près proportionnelle au carré de la vitesse, doubler la vitesse multiplie la charge par face par environ quatre. Une carte de trajectoires ne remplace pas cette pression.

Prenons comme exemple une armoire extérieure de 0.8 m de large et 2.0 m de haut ; la surface exposée au vent est de 1.6 m². La pression dynamique q — la pression calculée à partir de la vitesse du vent — vaut 0.6 v² (en N/m², v en m/s) pour une masse volumique de l’air d’environ 1.2 kg/m³. La charge horizontale de vent est cette pression dynamique multipliée par la surface, avec un coefficient de force de 1 : un ordre de grandeur, pas une valeur de dimensionnement.

Cas	Vitesse du vent	Pression dynamique	Charge horizontale de vent
Autour du seuil de typhon	18 m/s	Environ 190 N/m²	Environ 0.3 kN (équivalent d’environ 30 kg)
Zone de vents violents	25 m/s	Environ 380 N/m²	Environ 0.6 kN (équivalent d’environ 60 kg)
Vitesse double (pression quadruple)	36 m/s	Environ 780 N/m²	Environ 1.2 kN (équivalent d’environ 130 kg)
Typhon fort	40 m/s	Environ 960 N/m²	Environ 1.5 kN (équivalent d’environ 160 kg)

Note : Coefficient de force 1 ; pas de majoration selon la hauteur au-dessus du sol. 1 kN correspond à peu près à une force équivalente à 100 kg. Le seuil de typhon suit la définition de la JMA (vent maximal d’environ 17 m/s ou plus) ; la zone de vents violents correspond à un vent moyen de 25 m/s ou plus ; un typhon fort, à un vent maximal de 33 m/s ou plus et moins de 44 m/s.

Pour cette armoire, un typhon fort (40 m/s) applique une force horizontale d’environ 1.5 kN (équivalent d’environ 160 kg). La hauteur, les rafales et un autre coefficient de force changent la valeur, même à vitesse égale.

La figure ci-dessous montre la pression sur la face de l’armoire et la force horizontale qui augmentent avec la vitesse du vent ; la vitesse actuelle, la pression dynamique et la force horizontale (kN et équivalent kg) évoluent en chiffres. Elle situe aussi la vitesse actuelle dans les catégories de typhon de la JMA et sur l’échelle des ouragans (SSHWS). La JMA utilise des moyennes sur 10 minutes et l’échelle des ouragans sur 1 minute : les catégories ne coïncident donc pas à vitesse égale. La tenue des enveloppes varie selon l’appareil ; ni le tableau ni la figure ne remplacent une valeur admissible.

Lecture Pause Recommencer

Hauteur de neige et charge de neige

Ne dimensionnez jamais la charge d’une toiture d’après la seule hauteur de neige. La neige s’alourdit en absorbant la pluie et, au gré de la météo, elle peut fondre et se densifier avant qu’une neige fraîche ne la recouvre, finissant plus lourde qu’elle n’en a l’air. Les lanterneaux et les ossatures peuvent en outre manquer de capacité sous une accumulation locale avant que la charge moyenne de la toiture ne devienne critique. La neige, enfin, est une condition aux fortes différences régionales.

Prenons comme exemple une toiture d’auvent extérieure de 2.0 m × 2.0 m ; la surface est de 4.0 m². Fixons la charge de neige unitaire à la valeur couramment utilisée avec la loi japonaise sur les normes de construction : 20 N/m² par centimètre de hauteur, soit 2 kN/m³. La charge de neige est la force verticale par unité de surface, et la charge de toute la toiture, cette valeur multipliée par la surface. Ce sont des ordres de grandeur, pas des valeurs de dimensionnement.

Cas	Hauteur de neige	Charge de neige	Charge de toute la toiture
30 cm de neige	0.3 m	0.6 kN/m²	Environ 2.4 kN (équivalent d’environ 240 kg)
60 cm de neige	0.6 m	1.2 kN/m²	Environ 4.8 kN (équivalent d’environ 490 kg)
1 m, courant en région très enneigée	1.0 m	2.0 kN/m²	Environ 8 kN (équivalent d’environ 800 kg)
Le même 1 m, gorgé d’eau	1.0 m	4.0 kN/m²	Environ 16 kN (équivalent d’environ 1 600 kg)

Note : La charge unitaire est de 20 N/m² par centimètre de hauteur (2 kN/m³). Seule la dernière ligne double la charge unitaire, comme ordre de grandeur pour une neige gorgée d’eau. 1 kN correspond à peu près à une force équivalente à 100 kg.

Pour cette toiture de 2 m de côté, 1 m de neige applique une force descendante d’environ 8 kN (équivalent d’environ 800 kg). La dernière ligne montre qu’à hauteur égale, la neige gorgée d’eau pèse plus.

La figure ci-dessous montre la charge des poteaux qui augmente avec la hauteur — puis, quand la pluie tombe sur la neige en place, la densité qui monte et l’effort dans les poteaux qui continue de croître à hauteur égale. Le dimensionnement des profils n’est pas traité.

Lecture Pause Recommencer

Résumé

Pour la tension, séparez les points observés — l’entrée alternative, le 24 V de commande — et vérifiez pour chacun l’écart et le temps de maintien (hold-up). Le raccordement, quel que soit le nom de la classe dans votre région, détermine où la tension chute et jusqu’où s’étend une coupure. En séisme, l’accélération devient charge d’ancrage ; au vent, la vitesse devient pression sur la face ; en neige, la hauteur devient charge. Ce que la conception utilise, ce sont les valeurs après ces conversions. Les épaisseurs de tôle ou diamètres d’ancrage recommandés, comme les jugements fondés sur les seuls lieux des événements passés, sortent du cadre de cet article.

Questions fréquentes

Q1. Un PLC tient-il à ±10% de la tension nominale ?

A. La plage de plaque de l’entrée alternative et le temps de maintien de la sortie 24 V sont deux choses différentes. Avec une alimentation à large plage, la sortie peut donc tomber en premier alors que l’alternatif est encore présent. Et les contacteurs peuvent s’ouvrir avant cela encore.

Q2. Monter en classe de raccordement supprime-t-il les creux de tension ?

A. Le courant côté réseau devient plus petit, mais les démarrages et le soudage au secondaire demeurent. À l’inverse, en tension d’utilisation, la même impulsion atteint plus facilement le réseau.

Q3. Intensité et accélération, est-ce la même chose ?

A. Non. L’intensité est une échelle de la secousse en un lieu, pas une force. Ce qui agit sur les ancrages, c’est l’accélération multipliée par la masse. Et au sein d’un même niveau d’intensité, l’accélération varie largement.

Q4. Si la vitesse du vent double, que devient la pression du vent ?

A. La pression sur une face est environ multipliée par quatre, car la pression est proportionnelle au carré de la vitesse. Dans le tableau de la section typhon, 18 m/s et 36 m/s forment cette paire. Pour l’armoire extérieure de 0.8 m de large et 2.0 m de haut, cela donne un équivalent d’environ 30 kg à 18 m/s et d’environ 130 kg à 36 m/s.

Q5. La hauteur de neige suffit-elle à déterminer la charge ?

A. Non, pas à elle seule ; multipliée par la charge unitaire, elle devient une force descendante. Pour la toiture de 2 m de côté, 1 m de neige équivaut à environ 800 kg, et le même 1 m de neige gorgée d’eau à environ 1 600 kg. Une accumulation locale peut en outre dépasser la capacité d’un profil avant la charge moyenne.