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Université du Québec à Chicoutimi
MODULE D’INGÉNIERIE
MÉCANIQUE
6GIN555-PROJET SYNTHÈSE EN INGÉNIERIE
Rapport final
# Projet : 2010-182
Conception et simulation d’un butoir
pour les véhicules sous terrains
Préparé par
St-Pierre Charles
Pour
M. Benoit-Claude Auclair ing.
Gestion Iamgold Québec Inc.
Division Mine Niobec
24 avril 2011
CONSEILLER : Mme Marie-Isabelle Farinas
COORDONNATEUR : M. Jacques Paradis, ing.
II
Approbation du plan de cours pour diffusion
Nom du conseiller Mme Marie-Isabelle Farinas
Date
Signature
III
Remerciements
Merci à Mme Marie-Isabelle Farinas, conseillère de projet, qui fut d’une aide précieuse tout au
long de la réalisation du projet.
Je tiens à remercier Benoit-Claude Auclair, ingénieur mécanique, pour m’avoir permis d’intégrer
l’équipe d’entretien de surface au cours de l’été 2011. C’est grâce à cette expérience que j’ai eu
accès à ce projet. Merci aussi aux différents intervenants dans le projet soit Marco Vachon et
Alex Thivierge, en géologie pour leur disponibilité et à Daniel Bolduc dessinateur, pour ses
conseils.
IV
Résumé
Conception et simulation d’un butoir pour les véhicules sous terrains
Les butoirs de retenue, appelés aussi pare-chocs, sont des installations permanentes situées sous terre. Ils sont placés au bout des galeries sous terraines. Ils servent à empêcher les véhicules de poursuivre leur course dans le réservoir de minerai lors du déchargement de roche. Ils sont des éléments de sécurité primaire. Le butoir doit être dimensionné en fonction de son utilisation, mais aussi en fonction de son transport par la rampe menant sous terre. Les objectifs du projet sont : concevoir un butoir de retenue pour les véhicules sous terrains et déterminer le facteur de sécurité de celui-ci.
Pour effectuer une bonne conception, une approximation de la force d’impact est effectuée. Une méthode d’analyse d’impact est choisie et appliquée sur les installations actuelles. La valeur estimée est déterminée et la conception est réalisée avec cette valeur. Des simulations permettent d’affirmer que la valeur est surestimée.
La conception du butoir a été réalisée en respectant les exigences du promoteur. D’abord, les articles de loi de la Loi sur la santé et la sécurité du travail dans les mines sont respectés. Les matériaux utilisés dans la conception sont l’acier et le béton et la hauteur du butoir a été fixée à 1.219m (48 po). Puis, le dimensionnement respecte l’ensemble des contraintes établies pour le transport, les dimensions du butoir sont de 1.66m*2.90m*7.315m. Enfin le choix de la structure rigide a été fait en considérant la difficulté d’évaluer la force d’impact. L’objectif fut alors de construire une structure massive et rigide en acier et en béton. Le butoir est fabriqué d’une seule feuille d’acier pliée. La forme triangulaire de la section permet de récupérer l’effort sur toute la hauteur et permet aussi le dégagement de la roche lors des activités. La feuille de 25.4mm (1po) pliée sera renforcée par une section triangulaire de même épaisseur. La fixation du butoir est assurée par l’utilisation de tiges d’acier (rebar). Afin d’éviter l’arrachement de la tête de ses tiges, un encastrement a été réalisé sur chaque ancrage. Pour finir, le butoir sera rempli de béton qui se repartit dans la structure grâce aux trous aussi effectués dans les parois de renfort.
Pour l’évaluation du facteur de sécurité, une évaluation de la force d’impact a été estimée. La méthode de la deuxième loi de Newton a été choisie. Un accéléromètre a été fabriqué pour prélever la décélération des camions lors de l’impact. La décélération a été évaluée à 1.09g. Avec cette valeur, l’estimation de la force a atteint 1122kN. La valeur a été utilisée lors des simulations du butoir. La contrainte maximale est atteinte à la base du butoir dans le coude à 90°. Le facteur de sécurité est de 2.58 et la déformation est de 0.3mm.
La principale recommandation consiste à contre-vérifier l’évaluation de la force d’impact et le facteur de sécurité avec une méthode énergétique. La conception peu aussi être amélioré en augmentant le rayon de courbure au niveau de l’angle de 90°, ce qui diminuerait la concentration de contrainte à cet endroit.
Mots clés : Force d’impact, mine, butoir.
Charles St-Pierre
V
Table des matières
REMERCIEMENTS .................................................................................................................................... III
RESUME .................................................................................................................................................. IV
TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................................... V
TABLES DES ILLUSTRATIONS ET DES TABLEAUX ...................................................................................... VII
ILLUSTRATIONS ............................................................................................................................................. VII TABLEAUX.................................................................................................................................................... VII
1. INTRODUCTION ............................................................................................................................... 1
2. PRESENTATION DU PROJET .............................................................................................................. 2
2.1. DESCRIPTION DE L’ENTREPRISE .............................................................................................................. 2 2.1.1. Iamgold ................................................................................................................................ 2 2.1.2. Division mine Niobec ............................................................................................................ 3
2.2. DESCRIPTION DE L’EQUIPE DE TRAVAIL .................................................................................................... 4 2.3. PROBLEMATIQUE ............................................................................................................................... 4 2.4. OBJECTIFS GENERAUX ET SPECIFIQUES DU PROJET ..................................................................................... 6
3. ASPECTS TECHNIQUES ..................................................................................................................... 7
3.1. RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE .............................................................................................................. 7 3.1.1. Théorie des impacts et échantillonnage ............................................................................... 7
3.1.1.1. Méthode 1 : Deuxième loi de Newton .................................................................................................. 7 3.1.1.2. Méthode 2 : Bilan d’énergie ................................................................................................................. 7 3.1.1.3. Méthode 3 : Bilan de la quantité de mouvement ................................................................................. 8
3.1.2. Législation des butoirs .......................................................................................................... 8 3.1.3. Film sensible à la pression .................................................................................................... 9 3.1.4. Étude des essais d’impact de véhicule .................................................................................. 9
3.2. MÉTHODOLOGIE UTILISÉE .................................................................................................................. 10 3.2.1. Mise en situation ................................................................................................................ 10 3.2.2. Détermination de la force d’impact ................................................................................... 10 3.2.3. Comparaison des estimations avec le modèle du butoir actuel ......................................... 11 3.2.4. Élaboration de la conception .............................................................................................. 11 3.2.5. Identification du facteur de sécurité................................................................................... 11 3.2.6. Planification temporel ........................................................................................................ 11
4. ÉLÉMENTS DE CONCEPTION ........................................................................................................... 12
4.1. ÉLÉMENTS DE CONCEPTION GÉNÉRAUX ................................................................................................. 12 4.1.1. Durée de vie utile des butoirs ............................................................................................. 12 4.1.2. Caractéristiques des véhicules ............................................................................................ 12 4.1.3. Dimensionnement maximal du butoir pour le transport .................................................... 13 4.1.4. Ancrages ............................................................................................................................. 13 4.1.5. Usure du butoir par abrasion ............................................................................................. 13
4.2. ÉVALUATION DE LA FORCE D’IMPACT .................................................................................................... 14 4.2.1. Première évaluation de la force ......................................................................................... 14 4.2.2. Accéléromètre et essaie de collision sur les camions MT-426 ............................................ 15
4.2.2.1. Évaluation de la force d’impact des camions MT-426 contre le butoir actuel .................................... 17 4.2.2.2. Évaluation de la force pour la conception .......................................................................................... 17
4.2.3. Analyse du butoir actuel ..................................................................................................... 18 4.2.3.1. Capacité maximal prescrite et capacité maximale des éléments d’ancrage du butoir actuel ............ 18 4.2.3.2. Évaluation de la capacité maximale du butoir actuel par modélisation ............................................. 18
VI
4.2.3.3. Comparaison résultats pour le butoir actuel ...................................................................................... 20 4.3. CONCEPTION DU BUTOIR : SOLUTIONS ENVISAGÉES ................................................................................. 21
4.3.1. Solution 1 Structure rigide en acier et en béton ................................................................. 21 4.3.2. Solution 2 Structure élastique ............................................................................................ 21 4.3.3. Solution 3 Arche en béton armé ......................................................................................... 22 4.3.4. Option d’encastrement avec des ancrages ........................................................................ 22
4.4. SOLUTION RETENUE .......................................................................................................................... 23 4.4.1. Dimensionnement .............................................................................................................. 23
4.4.1.1. Largeur des galeries ............................................................................................................................ 23 4.4.1.2. Hauteur du butoir ............................................................................................................................... 23 4.4.1.3. Épaisseur de la coquille d’acier ........................................................................................................... 24 4.4.1.4. Dimensions hors tout maximales ........................................................................................................ 25 4.4.1.5. Calcul du nombre d’ancrage ............................................................................................................... 25 4.4.1.6. Rayon de courbure minimal pour la feuille d’acier ............................................................................. 26
4.4.2. Présentation de la solution élaborée .................................................................................. 26 4.4.3. Résultats des études en éléments finis avec une force de 1122kN ..................................... 29 4.4.4. Estimation des coûts........................................................................................................... 31
5. BILAN DES ACTIVITES ..................................................................................................................... 32
5.1. ARRIMAGE FORMATION PRATIQUE/UNIVERSITAIRE ................................................................................. 32 5.2. TRAVAIL D’EQUIPE ............................................................................................................................ 32 5.3. RESPECT DE L’ECHEANCIER ................................................................................................................. 32 5.4. ANALYSE ET DISCUSSION .................................................................................................................... 33
6. CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS........................................................................................ 34
6.1. CONCLUSIONS ................................................................................................................................. 34 6.2. RECOMMANDATIONS ........................................................................................................................ 35
6.2.1. Recommandation principale .............................................................................................. 35 6.2.2. Recommandations secondaires .......................................................................................... 35
7. BIBLIOGRAPHIE .............................................................................................................................. 36
ANNEXE 1 DIAGRAMME DE GANTT ........................................................................................................ 37
ANNEXE 2 CARACTÉRISTIQUES DES VÉHICULES ...................................................................................... 39
CAMION MT-426......................................................................................................................................... 40 CAMION AD45B .......................................................................................................................................... 42 CAMION AD55B .......................................................................................................................................... 44 CAMION SANDVIK 50 .................................................................................................................................... 46 CHARGEUR SANDVIK 517 ............................................................................................................................... 49
ANNEXE 3 PROCÉDURE EXPÉRIMENTALE POUR L’ÉCHANTILLONNAGE DE LA DÉCÉLÉRATION DES VÉHICULES LORS DE LEUR DÉCHARGEMENT ........................................................................................... 52
ANNEXE 4 PLAN DU BUTOIR- PROTOCOL D’INSTALLATION-INFORMATION GÉNÉRALE .......................... 58
ANNEXE 5 UTILISATION DE LA MÉTHODE 2 BILAN D’ÉNERGIE POUR L’ÉVALUATION DE LA FORCE D’IMPACT ............................................................................................................................................... 62
VII
Tables des illustrations et des tableaux
Illustrations
Figure 1 Vue aérienne des installations avant l’agrandissement .................................................... 3 Figure 2 Représentation schématique du butoir dans son environnement ................................... 5 Figure 3 Véhicule choisi pour la conception : CAT AD55B ............................................................ 14 Figure 4 Modèle Solidwork d’un butoir présentement utilisé ...................................................... 19 Figure 5 Visualisation de l’élément critique du butoir pour une force de 50kN ........................... 19 Figure 6 Identification de la zone limite à une force de 512 kN.................................................... 20 Figure 7 Option de structure rigide en acier et béton .................................................................. 21 Figure 8 Option de poutre en I sur le butoir existant .................................................................... 21 Figure 9 Vue de haut de l’arche de béton ..................................................................................... 22 Figure 10 Coupe de l’arche de béton ............................................................................................ 22 Figure 11 Modélisation simplifié du butoir en une poutre encastré ............................................ 24 Figure 12 Ancrages (rebars) ........................................................................................................... 25 Figure 13 Vue d’ensemble du butoir ............................................................................................. 27 Figure 14 Vue des encastrements des ancrages ........................................................................... 27 Figure 15 Coupe transversale du butoir montrant une division interne....................................... 28 Figure 16 Résultats montrant le facteur de sécurité du butoir remplie de béton avec une charge
de 1122kN ................................................................................................................... 29 Figure 17 Aperçu du facteur de sécurité au niveau des encastrements des ancrages ................. 30 Figure 18 Aperçu du facteur de sécurité aux points d’ancrages au niveau des parois de côté .... 30 Figure 19 Résultats montrant la déformation du butoir remplie de béton avec une charge de
1122kN ........................................................................................................................ 31 Figure 20 Plan du butoir effectué avec AutoCad 2010 .................................................................. 60 Figure 21 Modèle énergétique où l’énergie est dissipée dans K1, K2 et retransmise à la masse en
vitesse .......................................................................................................................... 63
Tableaux Tableau 1 Types de véhicule ......................................................................................................... 12 Tableau 2 Données des accélérations pour les camions MT-426 ................................................. 15 Tableau 3 Diamètre des pneus pour les différents véhicules ....................................................... 23 Tableau 4 Estimation des coûts du projet ..................................................................................... 31
1
1. Introduction
Dans l’industrie minière, la santé et la sécurité prennent une place particulière étant donné
l’environnement hostile auquel les travailleurs sont exposés. La compagnie Iamgold ne fait pas
exception. Cette dernière place la santé et la sécurité au premier plan dans un programme de
zéro incident. De plus, la mine Niobec a réévalué sa durée de vie et par ce fait, elle a agrandi ses
installations afin d’augmenter la production. De nouveaux véhicules ayant une capacité
supérieurs seront achetés. C’est pourquoi la mine Niobec procède à une étude visant
l’amélioration des butoirs de retenue des véhicules sous terrains. Le projet consiste à concevoir
un nouveau butoir en fonction des nouveaux véhicules. Les butoirs servent à empêcher les
véhicules de tomber dans les silos à minerai. Il y a souvent collision entre les camions et le
butoir, c’est pourquoi la force d’impact sera étudiée pour mieux comprendre les forces en
présence.
Le rapport se divise en plusieurs points. Premièrement, une présentation globale du projet sera
exposée. Deuxièmement, les aspects techniques seront décris, incluant la recherche
bibliographique. Troisièmement, les éléments de conception seront abordés, comprenant une
sous-section sur l’étude des anciens butoirs et une autre sur la réalisation du nouveau butoir.
Enfin, pour compléter le tout, la conclusion suivie des recommandations seront présentées.
2
2. Présentation du projet
2.1. Description de l’entreprise
2.1.1. Iamgold
Iamgold est un important producteur aurifère dont la production annuelle atteint près d’un
million d’onces provenant de sept mines dans le monde. Il a pour objectif de produire 1.8
million d’onces d’or annuellement d’ici 2012. Iamgold a su prendre le marché grâce à sa santé
financière et centralise maintenant ses activités en Afrique occidentale, dans le bouclier
guyanais d’Amérique du Sud et au Québec. En 2010, Iamgold a eu des résultats intéressants.
D’abord, sur le plan financier, le bénéfice net pour l’exercice complet a atteint 212.2 millions
soit une augmentation de 97%. Des investissements de 98.1 millions$ en projet, principalement
attribuables au projet Camp Caïman, vont permettre l’augmentation de la production global
annuelle. Sa santé financière composée d’une trésorerie solide provenant des activités
d’exploitation de 257.0 millions$ a permis l’obtention d’un crédit de 122.6 millions$. Les
actionnaires ont reçu neuf dividendes au cours de la dernière année pour un versement total de
22.1 millions$.
Puis, la production aurifère a atteint 939 000 onces, soit 7% de plus que les prévisions initiales.
Le coût moyen d’exploitation par once est de 461$. La production à Rosebel a passé à 392 000
onces, un record. C’est 24% de plus que l’an dernier et les profits sont maximisés par un coût
d’exploitation moindre que la moyenne (396$ par once). Les réserves aurifères ont atteint des
sommets, avec un accroissement de 17% ou de 2.1 millions d’onces pour un total de 14.5
millions d’onces (à 1 257$/once). La production de niobium a aussi été augmentée. Un fort
volume de ventes de niobium atteignant 4.3 millions de kilogrammes (prix du marché à 53$/kg)
accompagné d’une faible marge d’exploitation de 20$ a permis de contribuer aux bénéfices de
la compagnie. Les réserves de niobium ont augmenté de 32% ou de 43.5 millions de
kilogrammes, passant à 181.3 millions de kilogrammes.
Ensuite, les différents projets d’exploitation vont bon train. Le projet Essakane au Burkina Faso a
commencé sa production cette année. Le projet Westwood au Québec respecte l’échéancier; la
production commerciale est prévue au début de 2013 et l'étude de faisabilité du projet des
sulfures en roches dures à Sadiola est approuvée.
Finalement, en santé et sécurité, le plan Zéro Incident se poursuit. Les résultats des efforts mis
en œuvre montrent une réduction de 31% des incidents nécessitant des jours d’absence.
3
2.1.2. Division mine Niobec
La mine Niobec (Figure 1) est une mine sous
terraine qui extrait et traite le niobium. Dans le
domaine minier, elle est considérée comme
une mine à longue durée de vie. Le niobium,
aussi appelé columbium, est un métal utilisé
dans des aciers spéciaux de grande résistance.
Le niobium en présence d’aluminium et de
titane forme un additif qui dans l’acier permet
l’affinement des grains lors de la solidification.
Cet acier ainsi créé est utilisé dans le domaine
spatial, automobile et pétrolifère.
La mine génère environ 15% à 20% des flux de trésorerie d’Iamgold. Elle fournit des capitaux
pour la stratégie de croissance générale d’Iamgold. En juin 2009, un agrandissement de l’usine a
commencé afin d’accroître le débit de 24% ainsi que la construction d’une usine de remblai en
pâte qui permettra une extraction quasi-totale du minerai aux niveaux inférieurs de la mine. Les
deux projets de construction sont maintenant terminés.
Niobec possède 10% du marché mondial de niobium. Le reste est détenu par Catalao (10%) et
CBMM (80%) qui sont situé au Brésil. Niobec exporte en Europe 57% de sa production et 20% en
Asie, le reste, soit 23% est vendu en Amériques.
La mine compte 320 employés distribués dans différents secteurs tels l’ingénierie, l’entretien de
surface, le concentrateur, le convertisseur et le secteur sous terre.
Figure 1 Vue aérienne des installations avant
l’agrandissement
4
2.2. Description de l’équipe de travail
Le projet est mené par un étudiant, Charles St-pierre qui est supervisé par Marie-Isabelle
Farinas. Benoit-Claude Auclair est promoteur du projet et ingénieur à la mine Niobec au secteur
Entretien de Surface. Ce projet est en collaboration avec le secteur sous terrain dont Marco
Vachon est le représentant pour ce projet. Les relevés sous terrains seront exécutés par
Alexandre Thivierge. Un dernier intervenant est Daniel Bolduc, dessinateur. Il fait la gestion de
l’ensemble des plans et participe à la conception des différents projets à la mine.
2.3. Problématique
Le butoir de retenue, appelé aussi pare-choc, est une installation permanente située sous terre.
Il est placé au bout des galeries sous terraines. Il sert à empêcher les véhicules de poursuivre
leur course dans le réservoir de minerai lors du déchargement de roche (voir figure 2). Cette
opération est effectuée des dizaines de fois par jour. Une mauvaise conception peut entraîner le
véhicule dans le silo à minerai. Dans un tel cas, le camion et son chauffeur effectueraient une
chute de plusieurs dizaines de mètres et pourrait entraîner la mort du chauffeur.
Le butoir est situé dans un environnement humide et salin où il est fixé avec des ancrages, dans
le roc. Les matériaux utilisés pour leur construction sont généralement l’acier et le béton. Il doit
être assemblé le plus possible à la surface et il doit être dimensionné en fonction de son
utilisation, mais aussi en fonction de son transport, soit par la rampe ou par le puits. La rampe
est un chemin creusé dans le roc permettant aux véhicules et aux employés de descendre sous
terre, sinon, les employés utilisent les ascenseurs circulant dans le puits.
Pour une bonne conception, une approximation de la force d’impact est effectuée. Une
méthode d’analyse d’impact est choisie et appliquée sur les installations présentement utilisées.
Avec ces résultats, la force d’impact des futurs véhicules est estimée et le butoir est conçu en
fonction de cette dernière.
5
Figure 2 Représentation schématique du butoir dans son environnement
6
2.4. Objectifs généraux et spécifiques du projet
L’objectif principal consiste à concevoir un butoir de retenue pour les véhicules sous terrains et
d’en déterminer le facteur de sécurité.
Les butoirs doivent être conçus en fonction des futurs véhicules utilisés à la mine. La conception
doit préserver la sécurité des employés. De plus, la mine Niobec désire augmenter la durée de
vie des butoirs afin de diminuer leur remplacement et par le fait même, augmenter la rentabilité
de la mine. La durée de vie des butoirs doit être de 5 ans, soit la durée d’exploitation d’un
secteur.
Le projet consiste en une étude de collision. Il faudra estimer la force appliquée sur les butoirs
par les nouveaux véhicules lors de l’impact.
7
3. Aspects techniques
3.1. Recherche bibliographique
3.1.1. Théorie des impacts et échantillonnage
La conception est basée sur la capacité du butoir à absorber l’impact. Le design sera effectué
avec la valeur critique, soit la force maximale appliquée. En théorie, la force peut être évaluée
avec trois méthodes. La première est associée à la deuxième loi de Newton (F = ma), la
deuxième est la méthode de l’énergie de déformation (F = E/ds) où le déplacement engendré
par l’impact doit être déterminé et finalement la troisième approche fait référence à la force
moyenne qui est déterminée en effectuant un bilan de la quantité de mouvement et en
déterminant le temps de l’impact (Fmoy =d(mv)/dt).
3.1.1.1. Méthode 1 : Deuxième loi de Newton
La force est obtenue en déterminant la masse du véhicule chargé et en mesurant avec un
accéléromètre la décélération du véhicule lorsqu’il entre en collision avec le butoir. La difficulté
réside dans l’ajustement de la fréquence d’échantillonnage.
F = Force appliquée
m = Masse impliquée
a = accélération maximale
3.1.1.2. Méthode 2 : Bilan d’énergie
Pour cette méthode, l’énergie cinétique du véhicule est déterminée. Par la suite, la déformation
doit être relevée avec un appareil de mesure qui mesure le déplacement, tel un Linear Variable
Differential Transformer (LVDT) ou un laser. La force est déterminée par la formule suivante :
F = Force appliquée
Ec = Énergie cinétique
ds = Déformation
m = Masse impliquée
v = Vitesse d’impact
8
3.1.1.3. Méthode 3 : Bilan de la quantité de mouvement
La méthode est basée sur la différence de quantité de mouvement. Dans notre cas, la vitesse
finale est supposé comme nulle. Alors la force est déterminée avec les formules suivantes :
F = Force appliquée
m = Masse impliquée
Vi = Vitesse initiale
Vf = Vitesse finale
dt = Temps d’impact
La problématique réside dans l’évaluation du temps d’impact (dt). Pour mesurer ce dernier, il
faut filmer l’impact avec une caméra haute vitesse.
3.1.2. Législation des butoirs
Les butoirs utilisés dans les mines sont régis par la Loi sur la santé et la sécurité du travail dans
les mines [8] du gouvernement du Québec. Il y a deux articles qui y font référence :
45.3. Un butoir doit être installé:
1° à tout endroit de déversement sous terre où les véhicules motorisés sont
exposés à une chute dans le vide de plus de 3 mètres (9,8 pieds) ;
2° à tout endroit en surface où les véhicules motorisés sont exposés à une chute
dans une trémie ou un concasseur.
45.4. Le butoir visé à l'article 45.3 doit :
1° être en bois, en acier ou en béton ;
2° avoir une hauteur équivalente à au moins le rayon de la roue du plus grand
diamètre de tout véhicule motorisé circulant aux endroits où il doit être installé ;
3° être maintenu dégagé en tout temps.
Avec ces articles de loi, la conception proprement dite, s’oriente vers deux matériaux, soit l’acier
et le béton. Avec de tels matériaux, la solution se définit davantage vers une structure rigide. De
plus, la hauteur maximale est directement reliée à la hauteur de l’essieu du plus gros camion tel
que spécifié par l’article 45.4.2.
9
3.1.3. Film sensible à la pression
Une autre méthode, simple et pratique, existe : un produit développé par une compagnie
nommé Pressurex [6]. Le film transparent (tactile pressure indicating sensor film) est appliqué
sur la surface à l’étude, soit au niveau du contact entre les roues et le butoir. Lors de
l’application de la pression, ce dernier se colore en teintes de rose. Chaque teinte correspond à
une pression. Il existe 8 types de film avec des intervalles différents de pression. Avec une telle
analyse, il suffirait de prendre l’empreinte des deux pneus du véhicule et de mesurer la surface
de l’empreinte pour relever la force appliquée. Cette solution été mise de côté en raison des
coûts élevé des films.
3.1.4. Étude des essais d’impact de véhicule
Le livre Vehicle crash mechanics [3] est spécifiquement dédié à l’étude des impacts de véhicule.
Les éléments intéressants se retrouvent dans la section Crash data recording. Les informations
trouvées sont relatives à l’accélération et à la programmation de l’accéléromètre.
L’enregistrement des accélérations est fait selon différentes normes, soit la SAE j211 et la ISO
6487. Dans ces deux normes, le filtrage numérique est utilisé. Ainsi, il est possible d’ajuster la
fréquence de la bande passante pour différentes classes de canal. La classe où se situe
l’accéléromètre a pu être déterminée ainsi que les caractéristiques pour filtrer adéquatement
les données. Il existe une autre possibilité utilisée par le National Higway Traffic Safety
Administrator (NHTSA). Elle consiste à faire l’acquisition de toutes les données et de les traiter
avec un logiciel en Fortran dont le script du programme est donné.
Une valeur d’accélération a aussi été relevée dans ce livre. Lors d’un impact à 8mph (12km/h)
une accélération de -6g est atteinte. Cette valeur sera utilisée pour une première estimation de
la force.
10
3.2. Méthodologie utilisée
Les objectifs ont d’abord été discutés avec le promoteur. L’objectif principal consiste à concevoir
un butoir de retenue pour les véhicules sous terrains et de déterminer le facteur de sécurité de
ce dernier. Pour ce faire, une modélisation sera effectuée pour dimensionner le butoir, et une
simulation sur ce modèle permettra l’identification du facteur de sécurité. Voici les différentes
étapes à suivre.
3.2.1. Mise en situation
Il faut d’abord caractériser l’objet et faire une mise en contexte de son utilisation. Pour ce faire,
il faut définir son utilité, l’environnement où il est utilisé et ses principales caractéristiques.
Plusieurs entrevues avec différents intervenants ont permis de répondre à ces questions. Le
butoir sert à retenir deux types de véhicule : les camions et les chargeurs. Cependant, Les
impact avec les chargeurs sont rares, alors seul les camions seront considérés. Il faut donc faire
aussi l’inventaire des véhicules utilisant les butoirs. La conception sera associée à la géométrie
de ces véhicules.
3.2.2. Détermination de la force d’impact
La résistance du butoir doit être déterminée. Elle est associée à la force maximale que ce dernier
peut supporter. Cette force est associée au plus gros véhicule. Il faut donc étudier la force
d’impact des véhicules sur les butoirs. La recherche bibliographique permet d’identifier les
différentes méthodes pour calculer la force d’un impact. Pour chacune des méthodes, il faut
prélever des informations sur le terrain et en faire l’analyse. Une technique d’échantillonnage a
été identifiée pour chacune des méthodes. Ainsi l’accélération, le temps d’impact ou la
déformation seront prélevés sur les butoirs existants afin de déterminer la force d’impact.
Cependant, la conception est réalisée pour une nouvelle génération de camion. Trois choix sont
considérés mais aucune décision n’a encore été prise. Il faudra donc déterminer la force
d’impact des présents camions et évaluer avec ces résultats la force d’impact des futurs
camions.
Le choix de la méthode d’analyse s’est arrêté à la méthode 1, soit la deuxième loi de Newton.
Les méthodes du bilan d’énergie et du bilan de la quantité de mouvement nécessitent
l’utilisation d’appareil dispendieux tels caméra haute vitesse, laser et système d’acquisition de
données. Ses équipements sont moins adaptés aux utilisations en environnement hostiles. C’est
pourquoi la méthode 1 a été choisie. Elle nécessite l’utilisation d’un accéléromètre. Ainsi la
décélération des véhicules sera prélevée. Avec cette décélération, la force est déterminée avec
les masses en présence.
11
3.2.3. Comparaison des estimations avec le modèle du butoir actuel
Avec le plan du butoir actuel, une modélisation de ce dernier peut être créée. Cela permettra
d’évaluer si l’estimé de la valeur de la force d’impact est sensé. La force maximale appliquée
avant la déformation plastique sera aussi déterminée. Cela permettra de visualiser les points
faibles de la structure.
3.2.4. Élaboration de la conception
Compte tenu que la capacité du butoir doit augmenter, la conception débuta par plusieurs
discussions concernant les caractéristiques et l’historique des butoirs. Cela a permis de
comprendre quels étaient les avantages et les inconvénients des différents concepts déjà
produits. Les discussions portaient sur les matériaux utilisés, la géométrie des butoirs et les
éléments de fixations. La capacité des éléments d’ancrage a été identifiée. Une recherche
bibliographique sur les aspects légaux entourant les butoirs, a établie les caractéristiques les
plus importantes à respecter, tels les matériaux à utiliser. La conception est en accord avec les
caractéristiques géométriques des véhicules et des contraintes de transport du butoir sous
terre.
La modélisation du butoir sur SolidWorks a permis de dimensionner les différents éléments.
Cette dernière étape a facilité la mise en plan du butoir.
3.2.5. Identification du facteur de sécurité
Pour achever le projet, le facteur de sécurité a été déterminé avec une simulation en appliquant
sur le modèle la valeur estimée de la force d’impact.
3.2.6. Planification temporel
Un échéancier permet d’établir un suivi entre les différentes étapes du projet. Ce dernier est
présenté à l’annexe 1.
12
4. Éléments de conception
4.1. Éléments de conception généraux
4.1.1. Durée de vie utile des butoirs
Les butoirs devraient avoir la durée de vie des galeries qu’ils desservent. La durée d’exploitation
d’un secteur d’une galerie est estimée à 5 ans. .Après cette période, le secteur est épuisé et il
est fermé. Le butoir est condamné et l’embouchure de la galerie est bétonnée. La duré de vie
correspond à 18250 cycles, soit 20 impacts par jours. Pour les éléments ferreux la contrainte
maximale pour 100000 cycles est de 350MPa. Cette valeur correspond à la limite élastique.
Alors avec un facteur de sécurité de 1 le butoir n’atteindra pas la limite en fatigue.
4.1.2. Caractéristiques des véhicules
Il y a deux sortes de véhicules utilisant les butoirs : les camions et les chargeurs (Scoop). Le
tableau 1 présente les différents véhicules. Présentement à la mine, les camions MT-426
utilisant les butoirs ont une masse totale chargée de 48TM. Le nouveau chargeur (Scoop)
Sandvik LH517 a une masse chargée de 61.2TM. D’autres chargeurs du même type seront
achetés.
Dans un avenir rapproché, il y a trois possibilités d’achat de camion. Premièrement, le CAT
AD45B avec une capacité de 45 tonnes et une masse totale de 85 tonnes. Deuxièmement, le CAT
AD55B, ayant une capacité de 50 tonnes et une masse totale de 105 tonnes. Finalement,
Sandvik 50 a une capacité 50 tonnes et sa masse totale chargée est de 82.5T.
Tableau 1 Types de véhicule
Nom Type Capacité[T] Masse chargé
[T]
Présentement
utilisé
MT-426 Camion 23.5 48
Sandvik Lh415 Chargeur 17.2 61.2
Possibilité d’achat CAT AD45B Camion 45 85
CAT AD55B Camion 50 105
Sandvik 50 Camion 50 82.5
La géométrie des différents véhicules, camions et chargeurs, est importante afin de permettre le
déchargement sans contact, autre qu’avec les pneus, entre le butoir et le camion. La hauteur de
des roues est aussi nécessaire afin de déterminer la hauteur du butoir [8]. Tous les plans des
véhicules, incluant l’ensemble des caractéristiques, sont à l’annexe 2.
13
4.1.3. Dimensionnement maximal du butoir pour le transport
Le transport des butoirs sous terre se fait par la cage d’ascenseur (le puits) ou par la rampe
d’accès. Les pièces du butoir passant par le puits ne peuvent excéder 1.5m*1.82m*10.60m
(60po*72po par 35pi). Celles passant par la rampe peuvent être de plus grandes dimensions,
soit 2.54m*3.00m*16.75m (10pi*12pi*55pi).
4.1.4. Ancrages
Les ancrages utilisés sont des rebars en acier cannelé de 1.9m. Ils sont utilisés pour fixer des
éléments sous terre, tels les équipements de levage et les supports de terrain. Les tiges ont un
diamètre de 19.5mm. Les limites élastiques et plastiques sont de l’ordre de 89kN (9.1TM) et
133.9kN (13.6TM). Le terrain de la mine est caractérisé par une roche stable. Les ancrages
peuvent donc se placer à un minimum de 0.30m de distance. Pour optimiser la durée de vie de
ces ancrages, ils sont utilisés avec une résine époxy qui isole l’acier de l’eau salée, empêchant
toute forme de corrosion. Les rebars sont utilisés pour maintenir les butoirs. Cependant, un
problème survient lors du nettoyage autour du butoir. Le chargeur scoop, à l’occasion, enlève
les débris rocheux tombés des camions. Lors de cette opération, les chargeurs scoops arrachent
les boulons des ancrages. Deux solutions sont envisagées pour résoudre ce problème. La
première consiste à fixer des rails de chemin de fer sur la plaque du butoir afin que le godet du
chargeur glisse sur ce dernier. La deuxième solution est d’encastrer chacun des boulons sur la
plaque pour éviter qu’ils soient arrachés. La seconde solution est retenue.
4.1.5. Usure du butoir par abrasion
Les butoirs sont utilisés durant de longues périodes jusqu’à ce qu’ils soient jugés non-
conformes. L’usure par abrasion sur les butoirs est fréquente. Elle se situe au niveau du contact
avec les pneus des véhicules. Pour limiter le problème, la solution est d’utiliser des matériaux
sacrificiels. Une plaque d’acier ou encore des blocs de caoutchouc peuvent être ajoutés au
butoir au niveau des roues des véhicules pour s’assurer qu’il préserve leur intégrité structurale
durant leur durée de vie utile.
14
4.2. Évaluation de la force d’impact
4.2.1. Première évaluation de la force
La première évaluation fait référence à l’accélération de -6g [3] citée plus haut. Avec la charge
maximale des véhicules de transport, soit 105T pour le CAT AD55B (tableau 1 et figure 3),
l’estimation de la valeur de la force d’impact atteint, avec cette méthode de la deuxième loi de
Newton, 6300kN.
Figure 3 Véhicule choisi pour la conception : CAT AD55B
15
4.2.2. Accéléromètre et essaie de collision sur les camions MT-426
Les essais avec l’accéléromètre ont permis d’établir la décélération. Un protocole expérimental
a été élaboré afin d’assurer le bon fonctionnement des opérations. Ce dernier se trouve à
l’annexe 3. L’accéléromètre donne la valeur maximale d’accélération à une fréquence
sélectionné à 100hz [3]. Cette méthode évite de faire de l’acquisition de données qui demande
trop de mémoire pour l’accéléromètre choisi. Les données sont présentées dans le tableau 2.
Tableau 2 Données des accélérations pour les camions MT-426
Véhicule : Les camions 7405 (Camion MT-426)
Mode Partie 1 Décélération (l’accéléromètre pointe le
derrière du camion) [en g]1
Partie 2 Accélération rebond (l’accéléromètre pointe le devant du
camion) [en g]
-Mode 1 : Impact léger
(en prêtant attention à diminuer la vitesse avant
l’impact)
1 1.12 1 1.66
2 1.31 2 1.79
3 1.02 3 1.43
4 1.38 4 1.65
5 1.2 5 1.52
6 1.28
7 1.02
8 0.9
9 1.22
10 1.16
-Mode 2 : Impact normal
(en activité normale)
1 0.91 1 1.15
2 1.10 2 1.65
3 0.83 3 1.77
4 1.04 4 1.85
5 1.10 5 1.70
6 1.16
7 0.90
8 1.00
9 0.90
10 0.98
-Mode 3 : Impact élevé
(en mode critique où la vitesse est peu réduite)
1 1.07 1 1.75
2 1.25 2 1.44
3 1.16 3 1.97
Les résultats montrent que la décélération ne réagit pas en fonction des modes. En mode
d’impact léger, la décélération est plus grande qu’en mode d’impact normal et semblable au
mode d’impact élevé. La moyenne des 23 essais sera utilisée pour les calculs plutôt que la valeur
maximale en raison de la méthode d’échantillonnage. Cela a pour but d’éviter d’utiliser un
maximum instantané dans les calculs.
1 1g = 9.8m/s²
16
Notons ici que la valeur prélevée est sur une période très courte, soit 0.01 seconde. La force
calculée sera la force moyenne appliquée pendant cette période. On peut considérer se
phénomène comme une impulsion.
17
4.2.2.1. Évaluation de la force d’impact des camions MT-426 contre le butoir actuel
La décélération moyenne pour le camion MT-426 présentement utilisée est de 1.09g. La force
appliquée sur le butoir est calculée ci-dessous :
La force appliquée sur le butoir est de l’ordre de 512kN avec ce camion. Avec ces mesures, la
valeur de décélération de -6g peut être exclue.
4.2.2.2. Évaluation de la force pour la conception
La valeur de la force de conception est évaluée en introduisant la masse maximale des futurs
camions, soit 105 000 kg pour les camions CAT AD55B et la nouvelles valeur de décélération.
Cette approximation est valable en supposant que les mécanismes de déformation seront
semblables.
La valeur de la force d’impact des futurs camions est alors de 1 122kN. Cette valeur est 5.6 fois
inférieure à la première estimation de 6 300kN. Ce qui signifie que cette dernière est exclue due
à sa surévaluation.
18
4.2.3. Analyse du butoir actuel
4.2.3.1. Capacité maximal prescrite et capacité maximale des éléments d’ancrage du butoir actuel
Sur les plans de fabrication du butoir actuel, le poids maximal des véhicules utilisant ce dernier
est prescrit à 38 863kg (85 500lbs). Une analyse au niveau des éléments d’attache, soit les
manilles, les chaînes, les rebars et les boulons à œil, a permis d’établir que les différents organes
résistaient à une capacité de 1 067kN. Le facteur de sécurité pour la capacité prescrite de
38 863kg, en considérant une accélération de 1.09g, est donc de 2.57. Par contre, la charge des
véhicules a augmenté. Les camions MT-426 pèsent 48 000kg (105 600lbs) chargés. Le facteur de
sécurité du butoir lors de l’utilisation des camions MT-426 est donc de 2.08, toujours en tenant
compte de l’accélération de 1.09g.
4.2.3.2. Évaluation de la capacité maximale du butoir actuel par modélisation
Cette analyse a pour objectif de simuler ce qui se passe présentement à la mine Niobec. Ainsi
avec les résultats, l’évaluation de la force d’impact sera validée. Une modélisation du butoir
actuel (figure 4) a été réalisée selon les plans donnés par le promoteur. Le modèle a été créé
avec le logiciel SolidWorks. L’analyse en mode statique a permis d’évaluer la force maximale que
le butoir de 4.8 mètres (16pi) pouvait supporter avant sa déformation permanente. La première
analyse, à la figure 5, a permis de constater que les attaches de côté résistent à une force de
50kN. Cette valeur n’est cependant pas représentative. Avec des calculs de cisaillement double
dans chaque attache, la contrainte, lors de l’application de la force de 512kN, ne dépasse pas la
limite d’élasticité. Le facteur de sécurité atteint 3.94. Les attaches ne sont donc pas les éléments
critiques.
19
Figure 4 Modèle Solidwork d’un butoir présentement utilisé
Figure 5 Visualisation de l’élément critique du butoir pour une force de 50kN
Une seconde analyse a été effectuée afin de déterminer l’effet d’un camion MT-426 sur le
butoir. Pour ce faire, une force de 512kN a été appliquée sur le butoir. Les résultats sont
présentés à la figure 6. La limite élastique est dépassée, il y a plastification. Elle est atteinte dans
une zone où il y a une concentration de contraintes. Le coefficient de sécurité est de 0.36. Avec
ce dernier, la capacité maximale du butoir avant l’atteinte de sa limite élastique est de 184kN.
Cette dernière valeur est validée avec le calcul de la contrainte maximale dans une poutre. Avec
les calculs on peut valider les résultats des analyses Solidworks et donc que la résistance du
butoir est de 184kN.
20
Figure 6 Identification de la zone limite à une force de 512 kN
4.2.3.3. Comparaison résultats pour le butoir actuel
Les facteurs de sécurité des différents éléments sont nettement différents. D’abord, le facteur
de sécurité pour une force appliquée de 512kN est de 2.09 pour les éléments d’ancrage, 3.96
pour les attaches et 0.36 pour la structure du butoir. La limite élastique de la structure est
atteinte lors de l’application d’une force de 184kN. Pourtant les butoirs utilisés présentement à
la mine Niobec résistent aux forces auxquelles ils sont soumis. Cela permet donc d’affirmer que
la force est une fois de plus surévaluer. La valeur de l’estimation de 1122kN sera utilisée pour la
conception en sachant quelle est plus grande que la valeur réelle.
21
4.3. Conception du butoir : Solutions envisagées
4.3.1. Solution 1 Structure rigide en acier et en béton
Cette solution consiste à faire un butoir avec une masse élevée. La structure sera en acier épais
et ensuite du béton sera coulé dans les différents compartiments. La masse élevée permettra
d’absorber d’avantage les chocs. Cette approche peut être modélisée par une poutre encastrée
à une extrémité (figure 7).
Figure 7 Option de structure rigide en acier et béton
4.3.2. Solution 2 Structure élastique
Cette solution est basée sur les butoirs existants. Afin d’augmenter la capacité d’absorption,
plutôt que d’utiliser un tubulaire carré, une poutre en « I » sera placée au niveau du contact des
pneus (figure 8).
.
Figure 8 Option de poutre en I sur le butoir existant
Le modèle est assez simple à calculer [1]. Il s’agit d’une poutre sur appui simple avec une force
au centre. Il faudra simplement dimensionner la poutre en fonction de la force calculée.
= Contrainte en X
M = Moment fléchissant
y = Distance de l’axe neutre
I = Inertie
22
4.3.3. Solution 3 Arche en béton armé
Cette solution consiste à créer une arche en béton armé qui sera ancrée dans les parois de la
galerie et dans le sol (figures 9 et 10). Cette solution demande une préparation du terrain plus
importante que les deux autres solutions. Les encastrements dans le sol et les parois doivent
être creusés avec des marteaux piqueurs.
Figure 9 Vue de haut de l’arche de béton
4.3.4. Option d’encastrement avec des ancrages
L’encastrement des butoirs dans les parois de la galerie serait utilisé sur les deux premières
solutions, soit pour la structure rigide en acier et en béton et pour la structure élastique. Cela
remplacera les chaînes qui reprenaient les charges sur le côté de la galerie du modèle de butoir
actuel. De plus, pour l’option des poutres, l’encastrement de cette dernière entraîne une
diminution du moment fléchissant [1] et du fait même une augmentation de la charge permise.
Figure 10 Coupe de l’arche de
béton
23
4.4. Solution retenue
La solution retenue est celle de la structure rigide en acier et en béton. La solution 2 a été
rejetée étant donné l’ensemble des ajouts à faire pour avoir une solution viable. La solution 3,
quant à elle, nécessitait une trop grande préparation de terrain, avec dynamitage et marteau-
piqueur. De plus, l’utilisation du dynamitage peut entrainer des fractures indésirables qui
affaibliraient le terrain.
Afin de minimiser le travail sous terre, le butoir devra être fabriqué en entier avant son
transport sous terre. Le butoir sera conçu avec une feuille d’acier plié. Il sera en un seul bloc
pour minimiser le soudage. D’abord, la soudure de plaque de 1po demande un chanfreinage de
toutes les pièces à souder, augmentant le temps de préparation, et une soudure à plusieurs
passes, nécessitant des soudeurs expérimentés. De plus, les soudures engendrent des
contraintes internes et la soudure profonde demande un bon contrôle qualité souvent onéreux.
Le pliage offre aussi l’avantage de l’écrouissage qui augmente la contrainte élastique. La
fabrication se fera par une entreprise externe et ensuite, le butoir dernier sera transporté à son
emplacement final.
4.4.1. Dimensionnement
4.4.1.1. Largeur des galeries
La largeur des galeries à la mine Niobec varie entre 4.8 mètres (16pi) et 7.3 mètres (24pi). La
conception sera réalisée pour un butoir de 7.3 mètres (24pi), étant donné que le moment
maximal sera supérieur pour une même force.
4.4.1.2. Hauteur du butoir
La hauteur est déterminée en fonction de la Loi sur la santé et la sécurité du travail dans les
mines (Voir section 3.1.2. article 45.4.2). Le butoir doit avoir une hauteur équivalente à au moins
le rayon de la roue du plus grand diamètre de tout véhicule motorisé. Le tableau 3 montre le
diamètre des pneus pour les différents véhicules. Ces valeurs sont tirées de l’annexe 2.
Tableau 3 Diamètre des pneus pour les différents véhicules
Nom Type Diamètre pneu
[m]
Présentement
utilisé
MT-426 Camion 1.449
Sandvik Lh415 Chargeur 1.900
Possibilité d’achat CAT AD45B Camion 2.023
CAT AD55B Camion 2.077
Sandvik 50 Camion 2.023
24
La hauteur du butoir sera associée au camion CAT AD55B qui a le diamètre de roue le plus élevé,
soit 2.077 mètres (81.7po). Le butoir doit avoir une hauteur minimale de 1.0385 mètre (40.8
po). La hauteur a été fixée à 1.219 mètres (48po) pour s’assurer d’avoir une marge de
manœuvre advenant le cas où le type de pneus serait changé et pour s’accorder avec les
dimensions standards des plaques d’acier.
4.4.1.3. Épaisseur de la coquille d’acier
Le butoir sera ancré avec des rebars au plancher de la galerie. En simplifiant le profil de la figure
7, le butoir est modélisé par une poutre en acier encastrée avec une force ponctuelle appliquée
(figure 11).
Figure 11 Modélisation simplifié du butoir en une poutre encastré
La contrainte dans la poutre se calcule comme suit :
= Contrainte maximale
P = Charge statique appliquée
a = Distance d’application de la charge
y = Distance e la fibre supérieur
I rect = Inertie de la poutre rectangulaire
b = base de la section rectangulaire
h = hauteur de la section rectangulaire
25
Avec la force évaluée pour la conception à la section 4.2.2.2 de 1 122kN, on peut calculer
l’épaisseur de la poutre. Avec une charge de 1 122kN appliquée sur une poutre à 1 mètre sur
une poutre de 7.3152 mètres (24pi) de large, la limite élastique était atteinte avec une plaque
de 0.051 mètres (2po) d’épaisseur. La charge est alors considérée comme répartie sur l’arrête.
L’épaisseur de la coquille sera donc de 0.0254 mètre (1po). Cette épaisseur est suffisante
considérant que la géométrie sera plus résistante que cet élément individuel.
4.4.1.4. Dimensions hors tout maximales
Le butoir sera conçu en un bloc tel que décrit à la section 4.4. Le butoir sera trop gros pour un
transport par le puits, il sera donc transporté par la rampe. Tel que mentionné à la section 4.1.3,
ses dimensions limites sont donc de 2.54m*3.00m*16.75m (10pi*12pi*55pi).
4.4.1.5. Calcul du nombre d’ancrage
Pour résister à la force évaluée à la section 3.2.2 de 1 122kN, des ancrages seront utilisés (figure
12). La limite élastique des ancrages est atteinte à 133kN. Le nombre nominal d’ancrage est
donc fixé à 10. Les ancrages servent aussi à mettre en place le butoir avant la coulée du béton, à
encastrer le butoir dans les parois de la galerie et à empêcher le glissement de la paroi arrière.
C’est pourquoi plus d’ancrages seront utilisés. L’utilisation de plusieurs ancrages a pour effet de
distribuer d’avantage la charge et d’alléger les contraintes au niveau des trous.
Figure 12 Ancrages (rebars)
26
4.4.1.6. Rayon de courbure minimal pour la feuille d’acier
Le calcul du rayon minimal de courbure lors du pliage d’une feuille de métal est décrit par une
formule simple [9]. Il suffit de trouver dans les tables la valeur de la constante d’un matériau,
0.71 pour l’acier, et de connaître l’épaisseur du dit matériel.
= Rayon de courbure minimal K = Constante du matériel
t = Épaisseur
Le rayon de courbure sera donc de 50.8 mm (2po).
4.4.2. Présentation de la solution élaborée
Le butoir fait 7.31 mètres (24pi) de largeur et sa hauteur est de 1.22 mètres (48po). Il est
composé d’une feuille d’acier 1 020 de 25.4mm (1po) d’épaisseur. La figure 13 montre l’allure
générale du butoir. Il faut prendre note que les sections du modèle ont été crée pour optimiser
le temps de modélisation et que dans la réalité le butoir est en une seule plaque pliée. Les
dimensions hors tout sont 1.66m*2.90m*7.315m. De plus, afin de reprendre le moment lors de
l’application de la charge, une forme triangulaire a été choisie. L’inclinaison permet le
dégagement de la roche derrière le butoir. La coquille en acier sera fixée à la roche avec des
ancrages avant que le béton soit coulé dans les différents compartiments. Les ancrages
susceptibles d’être arrachés sont protégés par un encastrement (figure 14). Un plan détaillé est
présenté à l’annexe 4.
27
Figure 13 Vue d’ensemble du butoir
Figure 14 Vue des encastrements des ancrages
Des sections transversales ont été posées à tous les 0.69 mètres (24po). Ses compartiments
seront remplis de béton. Plusieurs trous dans ces sections ont été prévus pour que le béton
puisse se distribuer entre les compartiments (figure 15). Le béton sera coulé par des trous de
6po situés à la partie supérieure du butoir.
28
Figure 15 Coupe transversale du butoir montrant une division interne
29
4.4.3. Résultats des études en éléments finis avec une force de 1122kN
La structure d’acier et de béton a été soumise à la force évaluée de 1 122kN pour la conception
à la section 4.2.2.
Les résultats de l’étude montrent que la structure est très rigide. La limite d’élasticité n’est pas
atteinte. Le facteur de sécurité est de 2.58 (figure 16), pour une charge appliquée au niveau du
contact des roues du camion. La contrainte maximale est atteinte au niveau de l’angle droit du
butoir, au niveau des encastrements des ancrages près de l’angle droit (figures 17) et au niveau
des ancrages sur les parois de côté (figure 18). La déformation est minime. L’acier étant soutenu
par le béton, le butoir réagit comme un gros bloc. La déformation maximale est alors de
0.32mm, en haut, au centre (figure 19).
Figure 16 Résultats montrant le facteur de sécurité du butoir remplie de béton avec une charge de 1122kN
30
Figure 17 Aperçu du facteur de sécurité au niveau des encastrements des ancrages
Figure 18 Aperçu du facteur de sécurité aux points d’ancrages au niveau des parois de côté
31
Figure 19 Résultats montrant la déformation du butoir remplie de béton avec une charge de 1122kN
4.4.4. Estimation des coûts
Le coût du butoir est estimé selon les prix de l’acier établi à environ 600$ par tonne. Le prix du
béton est quant à lui de 150$ par mètre cube, transport incluse. Le béton sera fourni par une
entreprise locale qui a déjà un contrat de service avec la mine Niobec. Le butoir sera fabriqué
par Découpage et Pliage Mauricie Inc, une entreprise de Trois-Rivières. La soumission de
construction comprend le découpage, le pliage et l’assemblage total du butoir. Il sera livré près à
installer. La livraison n’est pas comprise dans leur coût. L’installation est prise en charge par la
mine. Les coûts totaux sont de 39 481,00$. Les détails sont présentés dans le tableau 4.
Tableau 4 Estimation des coûts du projet
Estimation des coûts
Qté Prix unit. Sous-total Perte de 5%
Béton 10 m³ 150 $/m³ 1 500,00 $ 75,00 $ 1 575,00 $
Acier 9,4 TM 600 $/TM 5 640,00 $ 282,00 $ 5 922,00 $
Construction
N.A. 17 500,00 $
Transport du butoir
N.A. 1 950,00 $
Installation 144 40 $/h 5 700.00 $ 285,00 $ 5 985.00 $
Ancrages 56 25 $ 1 400,00 $ 1 400.00 $
Total
34 332.00 $
Taxe (estimée à 15%)
5149,00 $
Grand total
39 481,00 $
32
5. Bilan des activités
5.1. Arrimage formation pratique/universitaire
Plusieurs cours du baccalauréat ont permis la réalisation de ce projet. Les éléments appris dans
les cours de Calcul et conception de machine, Dynamique, de Conception assistée par ordinateur,
ainsi que de Résistance des matériaux ont été indispensables à la réussite du projet. Tout
d’abord, le cours de Calcul et conception de machine a permis d’établir les étapes à suivre lors
d’un projet de conception. Ensuite, le cours de Dynamique a servis pour la méthodologie de
travail ainsi que pour la définition des différents modèles pour l’analyse de l’impact. Puis, la
conception, ainsi que les simulations du butoir ont évidemment nécessité les notions acquises
dans le cours de Conception assistée par ordinateur. Les vérifications des simulations ont été
vérifiées avec des modèles simplifiés tirés du cours de résistance des matériaux. Les données
techniques sur le pliage de plaque d’acier ont été relevées d’abord dans le livre Machinery
Handbook [9], introduit en Éléments de machine, mais dû à l’épaisseur de la plaque recherché,
nos recherches se sont poursuivies sur internet [10].
5.2. Travail d’équipe
Le travail fut effectué seul par l’étudiant.
5.3. Respect de l’échéancier
Le projet, au niveau de la conception, s’est très bien déroulé. Les étapes ont été exécutées selon
la méthodologie et la planification réalisées Un diagramme de Gant (annexe 1) a permis de
suivre les l’objectifs étape par étape. Certains imprévue ce sont présentés. Les galeries où
s’effectuent les essais n’ont pas été accessibles pendant une période de 4 mois. Malgré tous, les
objectifs ont été remplis dans les délais.
33
5.4. Analyse et discussion
D’abord, la démarche utilisée pour réaliser ce projet a été très efficace et les résultats sont
concluants. La méthodologie fixée au départ a permis le bon développement de la solution
malgré les imprévues. Toutes les étapes de conception ont été réalisées, soit : l’établissement
des objectifs, la formulation du problème, la collecte des données et restrictions, l’analyse des
différents aspects, la recherche des solutions, la prise de décisions, l’élaboration de la solution,
le raffinement de la solution et la simulation du modèle. La conception du butoir est terminée. Il
sera commandé sous-peu et installé au début de l’été 2011.
Il est important de constater que lors de la simulation avec SolidWorks du butoir actuellement
utilisé à la mine, les résultats ont 178% d’erreur entre la valeur théorique (184kN) et la valeur
évaluée expérimentalement avec l’accéléromètre (512kN). En considérant le fait que
l’évaluation de la force d’impact (1 122kN) est majorée, et que la conception fut réalisée en
considérant cette valeur, la solution est sécuritaire. Les résultats de la simulation permettent
d’établir que le facteur de sécurité pour la force de 1 122KN est de 2.58, en considérant un
pourcentage d’erreur de 178% sur la valeur de référence. Le butoir est plus sécuritaire que ce
qui a été démontré jusqu’à présent. De plus, la capacité des butoirs n’est pas limitée à la valeur
de la limite élastique des matériaux qui le composent puisque la structure peut subir des
déformations plastiques sans qu’il y ait de rupture. L’énergie de l’impact sera dissipée dans la
plastification des éléments d’acier ductile et dans les fractures du béton fragile à l’intérieur des
caissons. Toutes ces raisons permettent de dire que le butoir est sécuritaire et prêt pour la
fabrication.
Pour assurer la sécurité, le butoir devra faire l’objet d’inspections annuelles pour vérifier son
état. Après une période de 5 ans, pour continuer son utilisation, une inspection rigoureuse
devra être effectuée incluant des essais non-destructifs pour vérifier s’il y a fissuration de la
structure. Avec ces mesures, la sécurité des utilisateurs sera préservée pour toute la durée de
vie du butoir jusqu’à sa mise hors-service.
Finalement, la méthode avec l’accéléromètre est une solution valable. Cette solution aurait pu
être améliorée. D’abord, en considérant la force en une impulsion plutôt qu’en une force
statique. Puis, en diminuant la fréquence d’acquisition, l’analyse se ferait sur une plus grande
période de temps et ainsi, la force trouvée serait répartie sur cette période. Enfin,
l’accéléromètre aurait pu faire l’acquisition de données en continu lors d’un impact. La courbe
d’impact aurait ensuite été analysée.
34
6. Conclusions et recommandations
6.1. Conclusions
L’objectif qui consiste à concevoir un butoir de retenue pour les véhicules sous terrains est
atteint. Le facteur de sécurité du butoir est sous estimé dû à une surestimation de la force. Le
coût de la structure est évalué à 39 481$.
La conception du butoir a été réalisée selon les exigences du promoteur. D’abord, les articles de
loi de la Loi sur la santé et la sécurité du travail dans les mines sont respectés. Les matériaux
utilisés dans la conception sont l’acier et le béton et la hauteur du butoir a été fixé à 1.219m
(48po), ce qui est supérieur à la mi-hauteur du diamètre de roue le plus élevé. Puis, le
dimensionnement respecte l’ensemble des contraintes établies pour le transport, les
dimensions maximales du butoir sont de 1.66m*2.90m*7.315m, ce qui est inférieur à
2.54m*3.00m*16.75m (10pi*12pi*55pi) et qui représentent la limite de passage dans la rampe.
Enfin le choix de la structure rigide a été fait en considérant la difficulté d’évaluer la force
d’impact. L’objectif fut alors de construire une structure massive et rigide en acier et en béton.
Afin de minimiser le temps de la main d’œuvre pour le soudage et le contrôle qualité, le butoir
est fabriqué d’une seule feuille d’acier pliée. La forme triangulaire de la section permet de
récupérer l’effort sur toute la hauteur et permet aussi le dégagement de la roche lors des
activités. La feuille de 25.4mm (1po) pliée sera renforcée à toutes les 1.218m (48po) par une
section triangulaire de même épaisseur soudée. La fixation du butoir est assurée par l’utilisation
de tige d’acier (rebars). Afin d’éviter l’arrachement de la tête de ses tiges, un encastrement a été
réalisé. Pour finir, le butoir sera rempli de béton par des orifices sur le dessus. Le béton se
repartit dans la structure grâce au trou aussi effectué dans les parois de renfort.
Pour l’évaluation du facteur de sécurité, une évaluation de la force d’impact a été estimée mais
cette dernière est supérieure à la force réelle appliquée. Par conséquent le facteur de sécurité
accordé pour la structure est inférieur à la réalité. Tout d’abord, trois modèles ont été soumis
pour évaluer la force d’impact. La méthode de la deuxième loi de Newton semblait la plus
simple. La première évaluation est tirée du livre Vehicle crash mechanics qui stipule que lors
d’un impact à 8mph (12km/h), une accélération de -6g est atteinte. Avec cette valeur et le poids
du plus gros véhicule la force d’impact a été estimée à 6 300kN. Par la suite, un accéléromètre a
été fabriqué pour prélever la décélération des camions MT-426 lors de l’impact contre des
butoirs. La décélération a été évaluée à 1.09g. Avec cette valeur, une deuxième estimation de la
force a été établie. La nouvelle valeur atteint 1 122kN. Pour vérifier cette valeur, un butoir déjà
existant a été modélisé dans SolidWorks. En simulant la valeur de la force d’impact pour les
camions MT-426, soit 512kN pour une accélération de 1.09g, il a été établi que le butoir ne
résiste pas à la force appliquée, le facteur de sécurité est de 0.36. Pourtant ces butoirs sont
utilisés pour ce type de véhicule à la mine Niobec et ils résistent. Cette dernière affirmation
permet donc de dire que l’estimation de la force avec la méthode de l’accélération ne
35
représentent pas la réalité. Pour l’instant la valeur de 1 122kN a été utilisée lors des simulations
du butoir à concevoir. Il résiste à la force malgré la surestimation. La contrainte maximale est
atteinte à la base du butoir au niveau du coude à 90°. Le facteur de sécurité est de 2.58 et la
déformation est de 0.3mm en haut au centre.
6.2. Recommandations
6.2.1. Recommandation principale
La recommandation principale est d’utilisé une autre méthode pour l’évaluation de la force
d’impact. Ainsi, le facteur de sécurité pourrait être davantage significatif. La méthode choisie est
la méthode 2, soit le bilan d’énergie un développement de modèle est présenté à l’annexe 5.
Afin de déterminer les vitesses avant et après impact ainsi qu’une évaluation de la déformation
dans le pneu, un film sera effectué.
6.2.2. Recommandations secondaires
Voici quelques recommandations supplémentaires :
Afin de diminuer la contrainte maximale atteinte à la base du butoir lors de l’analyse
avec le logiciel SolidWorks, le rayon de courbure de la plaque pourrait être augmenté ;
Pour diminuer la contrainte sur les encastrements des tiges d’acier sur le butoir, il
faudrait s’assurer que ces derniers soient entourés de béton ;
Lors de la fixation du butoir avec les tiges d’acier, utilisez de la résine pour isoler la tige
de la corrosion ;
Lors de la coulée du béton dans les compartiments, utilisez un appareil de vibration pour
s’assurer de faire sortir les bulles d’air. Utilisée aussi, un additif au béton pour accélérer
sa maturité ;
Il faudrait ajouter des plaques d’acier de 12.7mm au niveau du contact entre les pneus
des camions et le butoir pour éviter l’abrasion de la structure du butoir ;
Les véhicules Sandvik 517 devraient être exclus du processus d’achat. Leur géométrie
lors du déchargement, empêche le respect de la loi sur la santé sécurité des mines ;
Le butoir devra être inspecté annuellement pour vérifier son état. Si son utilisation va
au-delà de la durée de vie prescrite, une inspection approfondis avec analyse de
fissuration devra être complété pour jugé son état.
36
7. Bibliographie
1. BAZERGI, A., BUI-QUOC, T BIRON A., MCINTYRE, G., LABERGE, C., 2002. Résistance des
matériaux. Montréal : Presses internationales Polytechnique, 3e éd, xv, 715 p
2. ROYMEC.2010. En ligne
http://www.roymech.co.uk/Useful_Tables/Fatigue/Mechanics_Impact.html. Consulté le 29
septembre 2010
3. HUANG, Matthew. 2002. Vehicle crash mechanics. London: CRC Press, 481 p
4. BEDFORD, Anthony, FOWLER, Wallace, 2008. Engineering Mechanics dynamics. New Jersey:
Peason education Inc., 5e ed, 649p
5. Publication Québec.2010. En ligne
http://www2.publicationsduquebec.gouv.qc.ca/dynamicSearch/telecharge.php?type=2&file=%
2F%2FS_2_1%2FS2_1R19_1.htm. Consulté le 14 novembre 2010.
6. Sensor Product Inc.2010. En ligne
http://www.sensorprod.com/pressurex.php?mcode=GC-
Pressurex1&gclid=CNOYucvMpqUCFdJL5QodOEnX7g. Consulté le 14 novembre 2010.
7. The Physics Factbook.2010. En ligne
http://hypertextbook.com/facts/2006/restitution.shtml Consulté le 10 Décembre 2010
8. Publication Québec.2010. En ligne
http://www2.
publicationsduquebec.gouv.qc.ca/dynamicSearch/telecharge.php?type=2&file=/S_2_1/S2_1ru
rertyer.html Consulté le 12 décembre 2010
9. Oberg, E., Jones, F.D., Horton, H.L., Ryffel, H.H. (1996), Machinery's Handbook, 25th ed.,
Industrial Press (New York).3284p.
10. The Tinbasher: Sheet Metal Bending Calculator.2011.En ligne
http://www.sensorprod.com/pressurex.php?mcode=Ghttp://www.butlersheetmetal.com/tinbasherblog/sheet-metal-bending-calculator_143.htm
37
Annexe 1 Diagramme de Gantt
38
Avr
il
3
2
1
Mar
s
4
3
2
1
Févr
ier
4
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Jan
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39
Nu
m
1
2
3
4
6
5
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Annexe 2 Caractéristiques des véhicules
40
Camion MT-426
41
42
Camion AD45B
43
44
Camion AD55B
45
46
Camion Sandvik 50
47
48
49
Chargeur Sandvik 517
50
51
52
Annexe 3 Procédure expérimentale pour l’échantillonnage de la
décélération des véhicules lors de leur déchargement
53
Procédure expérimentale pour l’échantillonnage de la
décélération des véhicules lors de leur déchargement
Informations générales
Lorsqu’il est en marche, l’accéléromètre se place en mode veille après 10 minutes. Il a été
programmé pour afficher la valeur maximale d’accélération avec une vitesse d’échantillonnage de
100hz. Le bouton rouge est un bouton reset qui remet la valeur à zéro. La flèche indique le sens
dans lequel l’accélération sera mesurée. Veuillez prendre note qu’il faut retirer 1 batterie de
l’accéléromètre avant son remisage. Lorsque l’afficheur indique BATT, cela signifie que les
batteries sont à changer. La précision de l’appareil est proportionnelle à la charge des batteries.
Expérimentation
La procédure doit être faite sur les deux types de véhicules suivant :
-Les scoops 7170 ou 7171 (Toro 0010), ou encore 7172 (Toro LH517);
-Les camions 7402, 7403, 7404 ou7405 (Camion MT-426).
Les essais doivent être fais selon trois modes distincts soit :
-Mode 1 : Impact léger (en prêtant attention à diminuer la vitesse avant l’impact);
-Mode 2 : Impact normal (en activité normale);
-Mode 3 : Impact élevé (en mode critique où la vitesse est peu réduite).
Les essais seront effectués en 2 parties :
-Partie 1 : 10 essais pour le mode 1 et 2, et 3 essais pour le mode 3.
-Partie 2 : 5 essais pour le mode 1 et 2, et 3 essais pour le mode 3.
54
Procédure
L’accéléromètre doit être préalablement vissé sur le bâtit du véhicule. La flèche doit
pointer vers l’arrière du véhicule pour la première partie des essais (mesure de la décélération
dans le butoir) et pointer vers l’avant du véhicule pour la seconde partie des essais (mesure de
l’accélération du rebond).
Lors des essais le véhicule n’a pas besoin de décharger, il effectuera tous les essais selon
les trois différents modes avec le même chargement.
ATTENTION À LA SÉCURITÉ, la personne responsable de prélever les données doit
établir de façon précise les manœuvres avec l’opérateur. Les deux individus doivent rester en
communication tout au long des essais et avoir un contact visuel lors de chaque arrêt et
redémarrage du camion.
Lorsque le véhicule est chargé et est en approche du butoir, il s’arrête près du releveur.
Après l’établissement du contact visuel, le releveur appui sur le bouton reset pour
remettre la valeur à zéro.
Le releveur se déplace en zone sécuritaire.
Après le contact visuel du releveur, le véhicule peut amorcer son approche vers le butoir.
Le véhicule entre en contact avec le butoir selon le mode indiqué par le releveur.
Le véhicule revient vers le releveur et s’arrête.
Après un contact visuel, le releveur s’approche et prend en note la valeur indiquée par
l’accéléromètre.
Le releveur se replace en zone sécuritaire.
On répète pour les trois modes, pour chacun des véhicules et pour chacune des parties.
L’accéléromètre devra être dévissé et changer de véhicule ou de côté dépendamment des
informations à recueillir.
N’oublier pas de retirer 1 batterie avant le remisage.
55
Données
Véhicule : Les scoops soit 7170, 7171 ou 7172 (Toro 0010 ou
LH517)
Mode Partie 1 Décélération
(l’accéléromètre pointe le
derrière du camion)
Partie 2 Accélération
rebond (l’accéléromètre
pointe le devant du camion)
-Mode 1 : Impact léger
(en prêtant attention à
diminuer la vitesse avant
l’impact)
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6
7
8
9
10
-Mode 2 : Impact
normal (en activité
normale)
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6
7
8
9
10
-Mode 3 : Impact élevé
(en mode critique où la
vitesse est peu réduite)
1 1
2 2
3 3
56
Véhicule : Les camions 7402, 7403, 7404 ou 7405 (Camion MT-
426)
Mode Partie 1 Décélération
(l’accéléromètre pointe le
derrière du camion)
Partie 2 Accélération
rebond (l’accéléromètre
pointe le devant du camion)
-Mode 1 : Impact léger
(en prêtant attention à
diminuer la vitesse avant
l’impact)
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6
7
8
9
10
-Mode 2 : Impact
normal (en activité
normale)
1 1
2 2
3 3
4 4
5 5
6
7
8
9
10
-Mode 3 : Impact élevé
(en mode critique où la
vitesse est peu réduite)
1 1
2 2
3 3
57
Observations
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
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__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Relevé exécuté par ___________________________________
Signature
58
Annexe 4 Plan du butoir- Protocol d’installation-
Information générale
59
60
Figure 20 Plan du butoir effectué avec AutoCad 2010
61
Procédure d’installation du butoir
1. Transporter le butoir à son emplacement. Prendre soin d’informer l’ensemble des
travailleurs qui circuleront dans la rampe ;
2. Utiliser 2 signaleurs postés en avant et en arrière dans des véhicules distinct ;
3. Amener le butoir à l’extrémité de la galerie avec un chargeur ;
4. Positionner le, toujours avec les chargeurs ;
5. Une foreuse percera 6 trous pour les 6 premiers ancrages au bord du butoir et installer les
rebars ;
6. Tous les autres trous peuvent être percés et les rebars installés ;
7. Fabriquer des forme en contre-plaqué pour contenir le béton dans les bouts ;
8. Couler le béton par les trous prévus. Un additif doit être ajouté pour diminuer le temps de
murissement.
9. Un appareil de vibration doit être utilisé pour éviter les poches d’air dans la structure ;
10. S’assurer que le béton ait remplis le tour des ancrages près de la base et de l’angle droit.
11. Attendre 3 jours avant l’utilisation du butoir.
Information supplémentaire
Le butoir est conçu pour une capacité de 105TM et pour des véhicules ayant une hauteur de roue
maximale de 3.32m. La durée de vie des butoirs est prescrite à 5 ans.
Des inspections annuelles sont requises pour vérifier l’état des butoirs et faire un suivi. Pour
dépasser la durée de vie une inspection rigoureuse doit être effectuée, avec une analyse de
fissuration.
62
Annexe 5 Utilisation de la méthode 2 Bilan d’énergie pour
l’évaluation de la force d’impact
63
Détermination de la force d’impact-Modèle 2 : Bilan d’énergie Une nouvelle méthode sera utilisée pour l’évaluation de la force d’impact. Le modèle est
représenté à la figure 21. Il est divisé en trois étapes. D’abord la masse entre en contact avec les
divers éléments susceptibles d’absorber de l’énergie lors de l’impact. Les éléments sont
déformés et l’énergie se diffuse. Dans notre cas, K1 représente la constante de rappel du butoir.
K2 représente la constante de rappel des pneus. Ensuite, le reste de l’énergie est retransmise à
la masse.
Figure 21 Modèle énergétique où l’énergie est dissipée dans K1, K2 et retransmise à la masse en vitesse
Le bilan d’énergie
Ek = Énergie cinétique
Ep = Énergie potentielle
M = Masse du camion
V = Vitesse d’approche
K = Constante de rappel des matériaux
y = Déformation des matériaux
e = Coefficient de restitution
Le coefficient de restitution caractérise l’énergie retransmise lors d’un impact. Cette valeur,
décimale, représente le rapport des vitesses avant et après un impact. La valeur varie de 0 à 1
64
où 1 représente un choc élastique, tandis que 0 représente une collision parfaitement
inélastique. Ainsi, dans le modèle, le facteur de restitution sera considéré. La valeur du facteur
pour le caoutchouc est de 0.86 [7]. À l’aide d’une caméra standard un impact sera filmé et une
analyse image par image permettra d’évaluer la déformation dans le pneu et les vitesses initial
et final.
