La problématique du délestage de la glace atmosphérique

Dans les pays nordiques, y compris le Canada, les composantes du réseau de transport d’énergie électrique subissent des dommages potentiels causés par la présence de la glace atmosphérique. La pluie verglaçante, les nuages et les brouillards givrants, la neige fondante et la condensation sont des phénomènes météorologiques responsables du givrage atmosphérique [1], [2]. Ces dépôts sont à l’origine de plusieurs problèmes de natures mécaniques et électriques, tels que les surcharges mécaniques, la fatigue et la rupture des câbles et des pylônes conséquents aux mouvements vibratoires, les contournements électriques, les vibrations dues aux forces aérodynamiques, etc. [1], [3]–[6].

Les recherches entretenues dans le domaine du givrage atmosphérique ont comme but de comprendre les différents mécanismes d’adhésion de la glace atmosphérique, les divers phénomènes associés, ainsi que les différents mécanismes de son délestage (réduction de la masse de la glace atmosphérique) [7]–[10], d’où vient la nécessité d’appréhender le comportement rhéologique et les limites de rupture de ce type de glace. La littérature englobe plusieurs travaux sur les différents aspects d’accumulation de la glace atmosphérique, alors que peu d’études ont été consacrées au problème de délestage [8]– [10].

La complexité du phénomène de délestage réside dans l’interférence de plusieurs mécanismes physiques. Ce phénomène doit être examiné à la fois d’un point de vue thermodynamique et mécanique. Les échanges thermiques peuvent être transmis à la glace sous forme de radiations solaires, d’effet Joule, de chaleurs latentes de sublimation, d’évaporation ou de fonte ,tandis que les efforts mécaniques englobent la force de pesanteur, le vent, les forces impulsives dues au détachement des morceaux de glace, la fatigue ,Chaque mécanisme de délestage (fonte, sublimation ou bris mécanique) doit être analysé en prenant en considération les divers phénomènes physiques associés.

Le délestage par bris mécanique est relié aux conditions rhéologiques de la glace atmosphérique, alors que le délestage par fonte et par sublimation sont reliés à ses propriétés thermodynamiques. L’étude couplée du phénomène du délestage est assez complexe et requiert sa décomposition à des problèmes moins embrouillés.

La présente étude s’inscrit comme une continuité des travaux de recherche réalisés sur le délestage de la glace atmosphérique par bris mécanique [9], [10], et aura comme but primordial de comprendre la rupture fragile de ce type de glace et de présenter des critères de rupture empiriques et physiques dans le cas des sollicitations uniaxiales et triaxiales.

Réalisation des tests de compression triaxiale 

➤ Préparation de la glace
Seule la glace atmosphérique poreuse a été prise en considération dans les tests de compression triaxiale. La glace a été préparée sous des conditions spécifiques, afin de reproduire le processus de givrage naturel.

➤ Réalisation des essais expérimentaux
Une cellule de confinement a été couplée avec la machine de test MTS 810 pour la réalisation des tests. La cellule permet d’avoir un contrôle indépendant de la pression du confinement. Les tests ont été réalisés sous différentes conditions de température, de taux de déformation et de pression de confinement.

➤ Présentation de critères de rupture triaxiale
Les résultats des essais de compression triaxiale permettaient de définir et de proposer des critères de rupture adéquats pour la glace atmosphérique. À cet effet, trois critères de rupture seront considérés : Mohr-Coulomb, Hoek-Brown et Larme.

➤ Modélisation par éléments finis
Un modèle éléments finis a été proposé en utilisant le code commercial Abaqus. La réponse élastique de la glace a été prise en considération par le module de Young, tandis que la rupture a été modélisée par le critère de Mohr-Coulomb. La modélisation a été réalisée en mode dynamique explicite.

À la suite de l’état actuel de l’art dans le domaine de la caractérisation mécanique de la glace atmosphérique, plus spécifiquement à la problématique du délestage par bris mécanique de la glace sur les lignes de transport électrique, il semble que la littérature scientifique reste limitée dans l’étude de la rupture de ce type de glace.

L’étude de la rupture fragile de la glace atmosphérique sous différentes conditions expérimentales reste une contribution originale aux travaux antérieurs sur la thématique du délestage de la glace. L’introduction de l’effet de la porosité sur le comportement mécanique de la glace atmosphérique reste une originalité spécifique à la présente étude.

La proposition d’un critère de rupture empirique, basé sur les résultats des essais de compression uniaxiale, est un point original de la présente étude. Le critère proposé prend en considération l’effet de la température, la porosité, ainsi que le taux de déformation. Le critère reproduit le comportement uniaxial de la glace atmosphérique avec une bonne précision. L’identification des paramètres intrinsèques de la glace dans le critère de rupture proposé, ainsi que la détermination des effets de la température et du taux de déformation sur ces paramètres, présente également un point original de la présente étude.

Les critères élaborés dans la littérature pour modéliser la rupture de la glace sont souvent des critères associés à des matériaux fragiles, qui omettent l’influence de plusieurs paramètres sur le comportement mécanique de la glace. L’un des critères de rupture proposé prend en considération l’effet de la température au voisinage du point de fusion et reproduit avec une bonne fidélité la rupture fragile de la glace atmosphérique.