Coefficient de friction dans les limites de pression latérale pendant les tirages de câble

La pression latérale est la pression normale exercée sur un câble tiré dans une section de conduit courbée. Cet article traite du calcul et des limites de la pression latérale.

Description qualitative de la pression des parois latérales

Dans la définition de la friction, la force normale qui entraîne la résistance au mouvement par friction provient du poids de l’objet (le vecteur opposé).  Lors du tirage d’un câble dans un conduit droit, la force normale est aussi égale au poids du câble.  Sur un plan incliné, la force normale est la force gravitationnelle vectorisée ou le poids.  Cependant, si le conduit présente une courbe sur le trajet du tirage, la force normale, parfois appelée « pression latérale », est plus grande que le simple poids du câble.  Elle comprend la force radiale du câble tiré dans la courbe ou le virage du conduit.  Cette force est due à la tension de traction et augmente avec celle-ci.

Pourquoi s’inquiéter de la pression latérale ?

La pression latérale est une force d’écrasement sur le câble.  Ce type de force peut endommager le câble. Dans les câbles à moyenne et haute tension, une pression excessive sur les parois latérales est connue pour affecter l’isolation, accélérant la formation d’arborescences et réduisant ainsi la durée de vie du câble.  La pression exercée sur les parois latérales peut déformer les blindages en métal et en aluminium des câbles.  Dans les câbles de bâtiment, une pression élevée exercée sur les parois latérales dans une courbe peut déchirer la gaine du câble, exposant ainsi le conducteur.  Même dans les câbles à fibre optique, on sait que la pression exercée sur les parois latérales peut écraser les fibres, ce qui entraîne des microfissures et une perte de signal.

Définition et limites de la pression latérale

En raison de ces dommages potentiels, les fabricants de câbles établissent des limites de pression sur les parois latérales de leurs câbles.  Ces limites dépendent du type et de la construction du câble.  Ces limites doivent être respectées pour une performance et une durée de vie maximales du câble.

La pression latérale est principalement un terme et un calcul utilisé dans le secteur de l’électricité.  Au niveau de base, il s’agit de la tension de traction à la sortie d’une courbe divisée par le rayon de la courbure.  Les limites de pression latérale typiques pour les câbles électriques sont de 4,4 à 14,6 kN/m.

Pour certains types de câbles, la limitation du rayon de courbure est le moyen le plus courant de limiter la pression sur les parois latérales.  Les fabricants de câbles à fibre optique limitent le rayon de courbure en fonction du diamètre du câble.  Les limites typiques de la traction des câbles à fibre optique sont un rayon de courbure dépassant 20 à 40 fois le diamètre extérieur du câble.  Bien que la détermination de la pression latérale ne soit pas typique des câbles à fibre optique, il est intéressant de noter qu’avec une tension de traction maximale de 2,7 kN, les limites de rayon ci-dessus donnent des limites de pression latérale de 5,3 à 10,6 kN/m ; dans la même gamme que pour les câbles électriques !

Les fabricants de câbles à fibre optique contrôlent la force latérale en recommandant des réas de grand diamètre.  Les recommandations relatives aux câbles d’alimentation comprennent des limites de pression sur les parois latérales ainsi qu’un rayon de poulie/réa minimum typique de 3,17 cm.

Mesure et contrôle de la pression sur les parois latérales

De petites différences dans le coefficient de friction ont un impact considérable sur la tension dans les courbes, comme indiqué dans l’article 3 de cette série. Comme l’augmentation de la friction intensifie la tension, elle intensifie également la pression sur les parois latérales. Diminuer le rayon d’une courbure fait aussi augmenter la pression sur les parois latérales.  Les courbures à petit rayon peuvent être un vrai problème lorsqu’on essaie de minimiser la pression sur les parois latérales.

La pression sur les parois latérales est directement proportionnelle à la tension à la sortie de la courbe et inversement proportionnelle au rayon de courbure. Elle dépend également du nombre de câbles tirés, de la configuration de ces câbles et du facteur de correction du poids qui en résulte.

Équations de pression latérale :
1 câble PL = Tde sortie / R
2 câbles PL = (w/2) * Tde sortie / R
3 câbles (en berceau) PL = (3w−2)/3 * Tde sortie / R
3 câbles (en triangle) PL = (w/2) * Tde sortie / R
4 câbles ou plus PL = (w/2) * Tde sortie / R
Où :
  PL = Pression sur les parois latérales
  Tde sortie = Tension à la sortie de la courbe (kg, kN)
  R = Rayon de la section courbée (mètres)
  w = Facteur de correction du poids (sans dimension)

 

Vous pouvez voir que la pression latérale est calculée à partir de la tension de traction à la sortie de la courbe. Elle ne contribue pas à la tension de traction, mais résulte de la tension de traction. Elle n’est pas additive, et la pression sur les parois latérales est généralement différente pour chaque courbe. La pression latérale peut être abaissée en diminuant la tension de traction ou en augmentant le rayon de la courbure.  La pression latérale la plus élevée n’est pas toujours dans la dernière courbe du parcours du conduit.  Il est très important de gérer la pression sur les parois latérales pour garantir le respect des limites fixées par les fabricants de câbles.

Pression sur les parois latérales et CDF

Les études sur la friction des câbles montrent que des pressions plus élevées sur les parois latérales ont un CDF mesuré plus faible. Une étude de l’EPRI (Electric Power Research Institute) de 1984 (référence 1) suggère l’utilisation de deux valeurs de CDF : une valeur supérieure pour une pression de paroi latérale inférieure à 0,203 kN.m, et une valeur inférieure pour une pression de paroi latérale supérieure. La réalité est un peu plus compliquée.

Nos études, en particulier pour les pressions latérale inférieures (< 0,027 kN.m), montrent généralement une diminution du CDF à mesure que la force latérale augmente. Pour mieux comprendre cela, regardez le graphique ci-dessous.

CDF par rapport à la pression sur les parois latérales

Ces données sont produites en augmentant la charge de fin de course sur un câble tiré à travers une série de courbes, en mesurant la tension de traction, puis en calculant le CDF à l’aide des équations de tirage.  Le graphique n’implique pas que la tension diminue lorsque l’on augmente la charge de fin de course.  Ce n’est pas le cas.  Mais la tension n’augmente pas autant que nous l’attendons avec un CDF constant.

Ce résultat n’est pas intuitif.  Nos études indiquent également qu’à des pressions latérales supérieures à 0,136 kN.m, la courbe est relativement horizontale, et les effets de CDF notables avec l’augmentation de la pression latérale disparaissent.  Les coefficients de pression latérale élevée sont inférieurs aux coefficients mesurés dans les tractions en section de conduit droite, de sorte que l’utilisation d’un coefficient de friction pour section de conduit droite dans les calculs est convenablement prudente.

Nous pouvons également mesurer les différences de performance des lubrifiants sous une pression latérale élevée.  Les lubrifiants pour tirage de câbles de haute qualité sont formulés pour mouiller uniformément les surfaces du câble et du conduit, même sous une forte pression latérale. La discussion sur le mouillage et le recouvrement par le lubrifiant fera l’objet d’un autre article.

1) D. A. Silver, G.W. Semen, R. A. Bush, G. H. Matthews, « Maximum Safe Pulling Lengths for Solid Dielectric Insulated Cables », Electric Power Research Institute EL-333, Vols 1 & 2, Rapport final, février 1984.