La physique de base de la tension et de la force dans le tir de fils

Chaque fois qu'un conducteur est tiré par un conduit ou un câble est fileté par un conduit souterrain, les principes de tension et de force déterminent si l'installation réussit ou échoue. La mauvaise technique entraîne des dommages au fil, une isolation compromise ou des blessures aux travailleurs. Cet article examine la physique derrière la tension et la force pendant le tir au fil, donnant aux ingénieurs, aux électriciens et aux gestionnaires de projet une base technique pour améliorer la sécurité, réduire les déchets de matériaux et optimiser le flux de travail.

La tension est la force axiale interne qui se développe le long d'un fil lorsqu'il est soumis à une charge de traction. Elle agit uniformément sur la section transversale du conducteur et étend le matériau de façon élastique jusqu'à ce que le point de rendement soit atteint. La sortie du point de rendement provoque une déformation permanente; elle augmente encore la force de cou et éventuellement la rupture. La force est l'effort externe appliqué par une poignée de traction, un treuil ou un effort manuel pour déplacer le fil à travers le conduit. La relation entre la force appliquée, la tension interne et les forces résistives détermine le résultat de la traction.

La première loi de Newton stipule qu'un objet au repos reste au repos, sauf si une force déséquilibrée l'a été. Par conséquent, la force de traction doit dépasser la résistance combinée de frottement, de composants gravitationnels sur les pentes et de résistance à la courbe pour déclencher et maintenir le mouvement. Une fois déplacée, la tension à tout point le long du fil est le résultat cumulatif de ces résistances de l'extrémité de traction à ce point. La compréhension de cette base permet aux praticiens de prédire où la tension peut s'élever, généralement aux virages ou près de l'extrémité de traction, et de prendre des mesures préventives telles que l'utilisation de lubrifiants de traction ou l'augmentation du nombre de points de traction.

Principes physiques fondamentaux régissant le tirage de fils

Deuxième loi de Newton et accélération des fils

Bien que les tractions de fil soient généralement effectuées à basse vitesse, la relation de base F = m·a s'applique. La force de traction doit surmonter les charges de résistance et toute accélération de la masse du fil. Dans la pratique, l'accélération est faible, de sorte que le terme dominant est la force de résistance. Cependant, pendant le démarrage du repos, la friction statique est plus élevée que la friction cinétique, nécessitant une pointe de force de traction momentanée. Cette pointe peut être importante pour les longs parcours ou les conducteurs lourds.

Limites de stress et de déformation

La tension crée stress[, définie comme force par unité de surface transversale (ε = F/A). Chaque fil a une contrainte de traction maximale admissible, souvent spécifiée comme un pourcentage de sa résistance à la traction ultime. Pour les conducteurs de cuivre, les tensions de traction typiques varient de 40 à 60 % de la résistance à la rupture, avec des valeurs plus faibles pour l'aluminium en raison de sa ductilité inférieure et de sa plus grande sensibilité au fluage. La souche, l'allongement par unité de longueur, augmente linéairement avec la contrainte dans la région élastique décrite par la loi de Hooke.

Effet capstan : amplification de tension à la flexion

Lorsqu'un fil passe autour d'un virage, la tension du côté sortant est plus grande que sur le côté entrant. Cette relation exponentielle est donnée par l'équation capstan : T2 = T1 · e^(μ·γ), où μ est le coefficient de frottement et γ est l'angle de flexion total en radians. Par exemple, un pli de 90° (π/2 radians) avec μ = 0,3 multiplie la tension par environ 1,6. Les pliages multiples compilent cet effet de façon spectaculaire. Un parcours avec trois pliages de 90° et le même coefficient de frottement verrait un multiplicateur total de e^(0,3 × 3π/2) Φ 4.1. C'est pourquoi les codes de construction, tels que le Code électrique national (NEC), limitent l'angle de pliage total entre les boîtes de traction à 360 degrés au maximum.

La friction et son rôle dans la résistance au fil

La friction est la principale force de résistance pendant une traction par fil. Elle résulte du contact entre la veste et la surface intérieure du conduit. La force de friction F f = μ · N, où N est la force normale qui presse le fil contre la paroi du conduit. La force normale provient du poids du fil en raison de la gravité et des forces latérales lorsque le fil est forcé contre les virages ou les décalages. L'impact de la friction ne peut pas être surestimé; dans de nombreuses tractions horizontales droites, la friction représente 80 à 90 % de la résistance totale.

Coefficient des valeurs de frottement

Le coefficient μ dépend des matériaux en contact. Les valeurs typiques pour les conditions sèches sont les suivantes:

  • conduit en PVC avec câble en PVC: μ 0,4–0,6
  • conduit en acier avec veste en PVC: μ 0,35–0,55
  • conduit en aluminium avec veste en PVC: μ 0,3–0,5
  • Surfaces lubrifiantes : μ peut tomber à 0,05–0,15

Le lubrifiant commercial de traction de fil[ réduit considérablement les μ, abaissant la tension et empêchant l'abrasion de la veste. La sélection du lubrifiant doit correspondre à la fois au matériau du conduit et à la veste de câble pour éviter la dégradation chimique.

Effets de gravité sur les courses inclinées et verticales

Sur les conduits inclinés, la composante du poids du fil parallèle à la pente ajoute ou soustrait de la force de traction requise. Pour un parcours horizontal, le poids ne contribue qu'à la force normale. Pour un parcours vertical ou incliné, la force de traction doit dépasser mg·sin(γ) en plus de la friction. Dans un riser vertical, le poids total du câble est suspendu au point de traction, ce qui peut ajouter des centaines de livres de tension. Par exemple, un parcours vertical de 100 pieds de câble de cuivre pesant environ 0,6 lb/pi crée une tension supplémentaire de 60 livres de pesanteur seule.

Impact des pliages de conduits et de la géométrie

Les virages à conduits introduisent un contact de friction et une redirection de force supplémentaires. La physique de chaque virage implique à la fois la friction et l'effet capstan. Le fil doit être tiré par un chemin courbé où il presse contre la paroi intérieure du virage. La force normale augmente avec la tension elle-même, créant une boucle de rétroaction: une tension plus élevée conduit à une force normale plus élevée, ce qui augmente la friction, ce qui augmente la tension.

Pression du flanc et rayon de bend

La pression du flanc (SWP) sur le fil à un virage est donnée par SWP = T / R, où T est la tension au virage et R est le rayon de virage. La pression du flanc élevé peut écraser l'isolation ou déformer le conducteur. De nombreux fabricants de câbles spécifient un SWP maximal, généralement autour de 150-300 lbs par pouce de rayon de virage. L'utilisation d'un rayon de virage plus grand réduit le SWP et permet une tension de traction plus élevée sans dommage. Les pliages de conduit EMT standard ont un rayon d'environ 4-6 fois le diamètre du conduit, mais les pliages de champ peuvent être plus serrés. Par exemple, un conduit EMT de 2 pouces a un rayon de virage standard d'environ 8 pouces. Si la tension à ce virage est de 1 200 lbs, le SWP est de 150 lbs/in, ce qui est à la limite supérieure de nombreux câbles.

Placement de plusieurs plis et de la boîte de traction

Pour éviter une accumulation excessive de tension, les codes de construction exigent des boîtes de traction ou des points de traction après chaque pli cumulé de 360 degrés. En de longs temps, les points de traction intermédiaires permettent de remettre la tension à zéro à chaque boîte. Le calcul de la tension pour un pli multi-bend nécessite des contributions de synthèse méthodiquement : commencer à l'extrémité du fil où le fil sort de la bobine, et ajouter des incréments de tension à chaque pli à l'aide de l'équation capstan, plus friction de section droite entre les virages. Une approche commune est la méthode de "tension cumulative" utilisée dans des logiciels comme Pull-Planner et décrite dans IEEE 399 (le livre Brown).

Calculs de tension et de force pratiques

Pour une section horizontale droite, la contribution de la tension due au frottement est T = μ · w · L, où w est le poids par unité de longueur du fil et L est la longueur. Pour plusieurs conducteurs, w est le poids total. Pour les sections verticales ou inclinées, ajouter w·L·sin(-). À un virage, multiplier la tension entrante par e^(μ·-) pour la tension sortante. La force de traction totale requise est la somme de toutes les contributions du segment, à partir de l'extrémité de la ligne et en travaillant vers l'extrémité de traction.

Un exemple détaillé illustre comment le ballon de tension est très important : Considérez un parcours horizontal de 150 pieds de 3/C #10 câble de cuivre pesant 0,1 lb/pi dans un conduit en acier avec μ = 0,4. La tension de frottement de section droite est T0 = 0,4 × 0,1 × 150 = 6 lbs. Ajoutez maintenant deux virages de 90° (γ = π/2 chacun). Pour le premier virage avec une tension entrante de 6 lbs, la tension sortante T1 = 6 × e^(0,4 × π/2) = 6 × 1,87 = 11,2 lbs. Pour le deuxième virage, T2 = 11,2 × 1,87 = 20,9 lbs. Si le second virage comporte une section droite supplémentaire de 20 pieds après le deuxième virage, ajoutez un autre 0,4 × 0,1 × 20 = 0,8 lbs, ce qui donne une force de traction totale d'environ 21,7 lbs.

Pour une analyse plus précise, les ingénieurs utilisent des méthodes du Guide IEEE pour sélectionner et installer des câbles d'alimentation (IEEE 576) ou un logiciel qui explique la rigidité des câbles, le brouillage dans les tractions à conducteurs multiples et les effets dynamiques pendant l'accélération.

Outils et techniques pour gérer la tension

Équipement de traction mécanique

Pour les grands conducteurs, une poignée pull-in, telle qu'une poignée de tissage ou Kellems, distribue la force sur une plus longue longueur de la veste, évitant le chargement pointé qui pourrait couper à travers l'isolation. La poignée doit être appliquée légèrement derrière la tête de traction du fil pour empêcher l'œil de tirer de prendre la charge complète. Les compteurs de tension[ ou les cellules de charge fournissent une rétroaction en temps réel, permettant à l'opérateur de rester dans des limites sûres.

Systèmes de lubrification et sélection

Pour les longs trajets, les injecteurs automatiques de lubrifiants à l'extrémité d'alimentation ou les applications manuelles périodiques réduisent continuellement le frottement. Les lubrifiants à base d'eau sont courants mais peuvent sécher dans des conditions chaudes ou de longues tractions, laissant un résidu collant. Les lubrifiants à base de silicone ou de polymères durent plus longtemps mais peuvent affecter certains matériaux de la veste de câble. Vérifiez toujours la compatibilité : les vestes de polyuréthane peuvent gonfler lorsqu'elles sont exposées à certaines huiles, et certains lubrifiants peuvent dégrader l'isolation XLPE au fil du temps.

Technique de tirage et meilleures pratiques

Maintenir une vitesse de traction constante et lente, généralement de 5 à 10 pieds/min pour les câbles de grande taille. Commencer rapidement ou rapidement crée des forces d'impact qui contraintent le fil et peuvent causer le glissement de la poignée de traction ou endommager la veste. Utilisez un œil de traction qui pivote pour empêcher les conducteurs de tourner, ce qui peut créer des contraintes internes et réduire la flexibilité. Pour les câbles multiconducteurs, gardez la bobine d'alimentation alignée sur l'axe du conduit pour éviter de se plier au point d'entrée.

Considérations de sécurité et intégrité des fils

La sécurité pendant la traction du fil implique à la fois des facteurs humains et des limites matérielles. Les dangers mécaniques[ comprennent les ruptures de corde sous tension, qui créent un risque de fouet qui peut causer des blessures graves, ainsi que des basculements d'équipement et des points de pincement aux treuils et aux capstans.

Du point de vue matériel, l'allongement de 10 % peut réduire la surface de section transversale du conducteur de cuivre d'environ 10 %, accroître la résistance et réduire la capacité de charge du courant. Cela peut entraîner une surchauffe aux terminaisons et une défaillance prématurée. Les dommages d'isolation dus à la pression ou à l'abrasion latérales ne sont pas visibles à l'extérieur, mais peuvent créer des points faibles qui conduisent à des courts circuits mois ou années après l'installation.

Après avoir tiré, effectuer des essais de continuité et des essais de résistance à l'isolation à l'aide d'un megger pour vérifier qu'aucun dommage n'a été causé pendant la traction. Une baisse importante de résistance à l'isolation par rapport à la base du fabricant indique des dommages possibles à la veste.

Conclusion

En comprenant la friction, l'effet capstan, la géométrie de virage et les limites mécaniques des conducteurs, les professionnels peuvent planifier des tractions qui minimisent les risques et maximisent l'efficacité. L'application des outils, lubrifiants et techniques corrects basés sur ces principes garantit que le fil arrive à destination sans dommages et prêt à la terminaison. Pour plus de détails sur les pratiques d'installation de câbles, consultez le NEC, IEEE 576 et les manuels de l'industrie d'organisations telles que NECA et l'Association des ingénieurs de câbles isolés (ICEA).