INSA de STRASBOURG – Spécialité Génie Civil STRUB KLEIN Lucie élève ingénieur de 5 ème année Projet de Fin d'Etudes RHEOLOGIE DE LA GLACE DE MER sous des charges dépendant du temps

Description

Niveau: Supérieures

• exposé

INSA de STRASBOURG – Spécialité Génie Civil STRUB?KLEIN Lucie, élève ingénieur de 5 ème année Projet de Fin d'Etudes  RHEOLOGIE DE LA GLACE DE MER sous des charges dépendant du temps  Mme S. Mouhoubi  M. A. Marchenko INSA STRASBOURG  UNIS  Juin 2007

• un  objet  sphérique


• utilisation  de 


• deux  atomes  d'hydrogène  et  d'un  atome d'


• ? 16 ? 3


• cristallin  à 


• chaque  molécule  d'eau  est 


• eau  liquide 


• dans  des 


• la  glace


• ? 25 ? 2

Sujets

• Exposé

Informations

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Extrait

INSA de STRASBOURG – Spécialité Génie Civil STRUBKLEIN Lucie, élève ingénieur de 5 èm e année Projet de Fin d’Etudes

HEOLOGIE DE L AGLCAE DE MER 

R sous des charges dépendant du temps  

Mme S. Mouhoubi INSA STRASBOURG

M. A. Marchenko UNIS  

Juin 2007

Rhéologie de la glace de mer sous des contraintes dépendant du temps 

SOMMAIRE

INT RODUCT ION .......................................................................................................  4   

PART IE A – ET AT DE L´ART ....................................................................................  5  1. Physique de la glace................................................................................................................... 5  1.1. Structure de la glace................................................................................................................. 5  1.2. Formation de la glace............................................................................................................... 7  1.3. La saumure.................................................................................................................................. 9  1.4. Quelques v aleurs caractéristiques de la glace pure......................................................... 9  2. Rhéologie de la glace...............................................................................................................  10  2.1. Le fluage 10 .....................................................................................................................................  2.2. La relaxation..............................................................................................................................  15  3. Mécanique de la glace..............................................................................................................  16  3.1. Propriétés des matériaux et paramètres 16 ............................................................................  3.2. Contraintes limites................................................................................................................... 17  

PART IE B EXPERIMENT AT ION .............................................................................. 20 

B1. LES ESSAIS ..................................................................................................... 20   1. Les appareils 20 ...............................................................................................................................  1.1. Knekkis.......................................................................................................................................  20  1.2. Le nouv el appareil 22 ....................................................................................................................  2. Fieldwork 25  ................................... ................................ ................................................................ ... 2.1. Situation géographique...........................................................................................................  25  2.2. Extraction de la glace............................................................................................................. 26   3. Procédure expérimentale 28 ..................................................................................................  ...... 3.1. Préparation av ant le test........................................................................................................  28  3.2. Conduite de l’essai..................................................................................................................  31  3.3. Test de salinité 32 ......................................................................................................................... 

B2. RESULT ATS ET ANALYSE ................................................................................ 34   1. Résultats ....................................................................................................................................... 34  1.1. T = 20°C....................................................................................................................................  34  1.2. T = 10°C....................................................................................................................................  38  2. Analyse..........................................................................................................................................  41  2.1. Echantillons cylindriques........................................................................................................  41  2.2. Disques 45 .......................................................................................................................................  2.3. Fiche récapitulative de la procédure...................................................................................  51  2.4. Analyse complémentaire........................................................................................................  53  3. Discussion 55 ....................................................................................................................................  3.1. Echantillons cylindriques 55 ........................................................................................................    3.2. Disques 56 ....................................................................................................................................... 

Projet de fin d’études

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Génie Civil 2007

Rhéologie de la glace de mer sous des contraintes dépendant du temps 

B.3 ET UDE D´UNE PLAQUE DE GLACE ................................................................... 58 

1. Position du problème...............................................................................................................  58 

2. Données du problème..............................................................................................................  59 

3. Méthode de résolution.............................................................................................................  60 

CONCLUSION ......................................................................................................... 63 

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ....................................................................... 64 

REMERCIEMENT S .................................................................................................. 66 

Projet de fin d’études

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Génie Civil 2007

Rhéologie de la glace de mer sous des contraintes dépendant du temps 

INTRODUCTION 

Les gens v ivant dans les zones arctiques ont développé un style de v ie compatible av ec des conditions rudes. L’aménagement de ces endroits est plutôt ancien si l’on considère que les hommes ont très v ite appris à faire glisser de lourdes charges sur la glace. Le Spitzberg puis le Pôle Nord ont été découv erts depuis bien longtemps déjà (au XVI è me siècle) mais les pionniers et les explorateurs de la glace ne s’y intéressèrent v raiment qu’à partir du XIX è me siècle, av ec notamment Fridtjof Nansen (18611930), premier homme à traverser le Groenland à ski ou encore à effectuer une dérive transpolaire. Dans les années 60, l’extraction du pétrole et du gaz posa problème dans les régions côtières nordiques, comme par exemple au Canada ou en Alaska. Les ingénieurs réalisèrent qu’une nouv elle ère s’ouv rait dev ant eux et dans laquelle se posaient de un certain nombre de problèmes av ec la glace. De nombreuses stations scientifiques, comme par exemple la station russe Barneo, sont installées l’été sur la banqui se et démontées au début de l’automne. Elles permettent d’étudier les propriétés physiques et mécaniques de la glace in situ, ainsi que l’influence des courants marins ou encore du v ent. Le facteur glace est à présent très important dans la conception, la construction et l’utilisation de plateformes offshore, ainsi que dans le transport de marchandises dans les zones arctiques. Le dév eloppement offshore nécessite de mieux connaître la glace, matériau sur lequel on trav aille, en examinant non seulement son type, la distribution des plaques, leur épaisseur, mais aussi en prév oyant les déplacements et les vitesses de déplacement de la glace, qu’elle soit sous forme d’iceberg ou de plaque. Il est également très important de connaître ses propriétés mécaniques et de prév oir son comportement, car lorsque celleci heurte des constructions, des crêtes de compression se forment, engendrant ainsi des contraintes plus élev ées sur la structure. Une attention particulière a été portée au fluage. Ce dernier décrit le comportement du  matériau soumis à une charge constante à long terme. Il est intéressant de décrire ce comportement précis de la glace pour prév enir d’év entuels risques d’accident lors du dépôt de marchandises par des cargos briseglace ou encore lors de l’installation de ces fameuses stations scientifiques : elles nécessitent entre autres l’utilisation de gros engins de chantier et amènent des charges conséquentes sur la glace. De nombreuses études ont été menées sur le fluage de la glace pure, mais on ne connaît que très peu le fluage de la glace de mer. Il est possible d’étudier le fluage de la glace en laboratoire à l’aide d’un appareil de compression uniaxiale placé en atmosphère froide. Après un état de l’art rappelant les bases théoriques sur la physique et la mécanique de la glace, les appareils, la collecte de la glace et la procédure expérimentale seront exposés. Puis les résultats des tests ainsi que leur analyse seront présentés. Enfin, l’étude d’une plaque de glace à échelle réelle sera dév eloppée, afin de voir l’influence du fluage sur la contrainte totale.

Projet de fin d’études

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Rhéologie de la glace de mer sous des contraintes dépendant du temps 

PARTIE A – ETAT DE L´ART 

1. Physique de la glace

1.1. Structure de la glace 

1.1.1. La molécule d’eau 

Chaque molécule d’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Lorsque l’oxygène crée deux liaisons cov alentes comme dans l’eau, l’atome est entouré de quatre paires d’électrons dans un arrangement tétraédrique. La molécule d’eau peut être grossièrement considérée comme un objet sphérique, disposant du noyau d’oxygène en son centre, séparé de deux protons d’hydrogène par une distance d’env iron 0,95Å et formant un angle d’environ 104,5°.  

Figure 1. Croquis schématique de la molécule d’eau  Løset et al. (2006) [1]  

1.1.2. La glace 

Si de l’eau liquide est gelée dans des conditions atmosphériques normales à des températures négativ es (mais n’allant pas audelà de 80°C), les molécules d’eau s’arrangent dans des positions ordonnées pour former un solide cristallin à symétrie hexagonale que l’on réfère comme étant la glace hexagonale, glace I(h). Pour des températures inférieures à 80°C, la glace cubique, glace I(c) apparaît. Nous ne considèrerons que la glace hexagonale I(h).

Projet de fin d’études

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Rhéologie de la glace de mer sous des contraintes dépendant du temps 

La glace consiste en fait en un arrangement cristallin des molécules d’eau. Ce cristal présente lui aussi une symétrie hexagonale. Les lois de BernardFowler nous donnent la structure atomique de la glace :   atome d’oxygène a deux atomes d’hydrogène attachés à des distanceschaque d’environ 0,95Å, formant par conséquent une molécule d’eau   chaque molécule d’eau est orientée de telle façon que ses deux atomes d’hydrogène soient approximativement dirigés v ers deux des quatre atomes d’oxygène qui l’entourent de façon tétraédrique   l’orientation des molécules d’eau adjacentes est telle que seulement un atome d’hydrogène se trouv e entre chaque paire d’atomes d’oxygène   peut exister dans un grand nombre desous des conditions normales la glace I(h) configurations, chacune correspondant à une certaine distribution des atomes d’hydrogène

Dans cette configuration, les atomes d’oxygène sont concentrés en série de plans parallèles, que l’on appelle des plans basaux. La direction perpendiculaire au plan basal est désignée sous le nom de caxe principal hexagonal (ou axe optique). Il faut prêter une attention particulière au fait que les propriétés physiques de la glace seront inv ariablement différentes quand elles sont mesurées soit parallèlement au caxe, soit perpendiculairement au caxe.  

Plans basaux 

c axe

Figure 2  (a) Vue perpendiculaire au caxe (b) Vue le long du caxe   Michel (1978)[2]  

Le réseau est relativ ement ouvert, et les molécules d’eau peuv ent se rapprocher si elles le brisent et se rassemblent de façon aléatoire et liquide. Ceci explique pourquoi la glace est moins dense que l’eau liquide et flotte à la surface de la mer.

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