Prédiction des instabilités dynamiques couplées aux non-linéarités dans les lignes de téléportés monocâbles

Prediction of dynamic instabilities coupled to non-linearities in monocable ropeways

• Auteur / Autrice : Mathieu Babaz
• Direction : Louis Jézéquel, Fabrice Thouverez, Claude-Henri Lamarque
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des structures
• Date : Soutenance le 05/04/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel de Langre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Louis Jézéquel, Fabrice Thouverez, Claude-Henri Lamarque, Laurent Bonifat, Edouard Dovillaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Argoul, Sébastien Berger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stabilité

Téléphériques

Mots clés libres

Dynamique

Non-linéaire

Stabilité

Résonance Paramétrique

Equation de Hill

Pompage

Transport par Câble

Confort

Dynamics

Nonlinear

Stability

Parametric Resonance

Hill's equation

Sag-oscillations

Cable Transportation

Comfort

Résumé

Les lignes de téléportés monocâbles (télésièges et télécabines) sont très utilisées dans le Monde entier pour transporter des personnes dans les stations de sport d'hiver et les sites touristiques. Leur potentiel de développement est très élevé, en particulier dans des contextes urbains et péri-urbains en tant que moyens de transport en commun. Avec l'augmentation des performances au cours des dernières décennies, notamment en termes de vitesse, capacité de transport et longueur de portées plus élevées, des effets dynamiques inattendus sont apparus. En particulier, des instabilités sous forme d'oscillations verticales de certaines portées, portant le nom de « pompage » dans la profession, se sont manifestées de manière imprévisible sur quelques lignes, ainsi que des balancements importants de véhicules au franchissement de certains pylônes. Les accélérations engendrées par ces deux phénomènes sont potentiellement sources d'inconfort dynamique pour les passagers. Les solutions généralement mises en œuvre pour remédier à cette problématique, basées sur l'empirisme, se sont révélées coûteuses et n'ont fourni que des corrections a posteriori. L'ambition des travaux de thèse présentés dans ce mémoire était d'apporter une dimension prédictive afin d'anticiper les risques d'instabilités dynamiques dès le stade de la conception des lignes. Pour cela, une meilleure compréhension des mécanismes à l'origine du pompage et des forts balancements était nécessaire. Une étude combinant théorie, calculs numériques et essais a été menée tant à l'échelle d'une portée que d'une ligne de téléporté monocâble complète. Le pompage serait finalement dû à une mise en résonance paramétrique de certaines portées par une excitation provenant du franchissement des pylônes par les véhicules répartis de manière équidistante sur l'ensemble de la ligne, et propagée par le câble. Les balancements importants des véhicules viendraient d'une amplification de leur mouvement pendulaire lors du franchissement de deux pylônes successifs. Les paramètres d'influence ont été identifiés et des outils de conception ont été développés pour limiter les risques d'apparition de ces phénomènes dynamiques par des critères qualitatifs. Des modèles de simulation ont également été réalisés avec pour objectif de prédire quantitativement les accélérations ressenties par les passagers et ainsi aboutir à un dimensionnement des lignes vis-à-vis de critères de confort objectifs. Une confrontation des résultats des calculs avec les données expérimentales récoltées au cours de plusieurs campagnes d'essais dynamiques a été faite. Enfin, des idées de dispositifs techniques basés sur des principes de contrôle passif, semi-actif voire actif ont été émises dans le but de réduire l'amplitude des oscillations subies par les véhicules. Les résultats de cette thèse seront exploités par l'entreprise POMA, constructeur français parmi les leaders mondiaux du transport par câble.

Monocable aerial ropeways (chairlifts and gondola lifts) are much used nowadays in the entire world to transport people in ski resorts and touristic areas. Their potential of development is very high, particularly in urban and peri-urban environments as means of public transportation. With the increase of performances during the last decades, such as higher speed, transport capacity and length of spans, unexpected dynamic effects have appeared. In particular, instabilities taking the shape of vertical oscillations on some spans, named \sag-oscillations" in the profession, have occurred unpredictably on a few lines, but also important swings of vehicles when crossing some towers. The accelerations generated by those phenomena are potential sources of dynamic discomfort to passengers. The solutions generally employed to address that issue, based on empiricism, have revealed to be costly and have only brought a posteriori corrections. The ambition of the PhD research works presented in this thesis was to bring a predictive dimension in order to anticipate the risks of dynamic instabilities from the early stage of lines design. For this matter, a better understanding of the mechanisms giving rise to the sag-oscillations and the strong swings was necessary. A study combining theory, numerical calculations and experiments has been conducted both on a span and full monocable aerial ropeway scale. The sag-oscillation instability would finally be due to a parametric resonance of some spans, induced by an excitation coming from the crossing of towers by the equally-spaced vehicles on the whole line, and propagated by the cable. The important swings of the vehicles would come from the amplification of their swaying movement when crossing two consecutive towers. The influence parameters have been identified and some design tools have been developed to limit the risks of emergence of those dynamic phenomena by qualitative criteria. Some simulation models have also been made with the aim to predict quantitatively the accelerations experienced by the passengers and then lead to the dimensioning of lines with respect to objective comfort criteria. A confrontation of the calculation results with the experimental data collected during several dynamic test campaigns was performed. Finally, some ideas of technical devices based on the principles of passive, semi-active or even active control have been expressed in order to reduce the amplitude of the oscillations undergone by the vehicles. The results of these PhD research works will be used by the company POMA, a French manufacturer among the world leaders in cable transportation.