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Les plus petits silos dits «de grande capacité» permettent de stocker de l'ordre de 500 t en cellules de 100 t unitaires. Pour les plus grands, il existe aujourd'hui, notamment aux U.S.A., des silos géants tels ceux d'Hutchinson (Kansas) de 490 000 t ou d'Enid (Oklahoma) de 850 000 t.

Nous distinguons:

- les silos métalliques légers,
- les silos hermétiques,
- les silos en béton armé.

Les différents types de construction se rencontrent en zone tropicale; le choix n'est pas purement technique mais toujours le meilleur compromis technico-économique. Jusqu'à présent, la plupart des silos de grande capacité en Afrique ont été construits dans les ports pour stocker des denrées importées à rotation rapide (2 à 3 mois de stockage) ce qui limite fortement les risques en cours de conservation.

a) SILOS MÉTALLIQUES LÉGERS

Les silos métalliques légers sont composés de cellules métalliques en tôles d'acier galvanisé ou d'aluminium planes ou ondulées, boulonnées ou serties, fixées sur un socle en béton étanchéifié (plan ou conique selon le mode de vidange choisi).

Ce type de silo présente les avantages suivants:

• montage souvent facile et rapide,

• construction légère: le poids de métal rapporté à la tonne logée est de l'ordre de 12 kg, ce qui permet d'implanter un silo sur des sols de mauvaise portance.

Les types de construction les plus courants sont

- Cellules en tôles ondulées boulonnées

Ces cellules, bien connues, sont réalisées en tôles d'acier galvanisé (la charge en zinc varie selon les constructeurs: 380 à 450 g/m²). Ces tôles cintrées sont boulonnées entre elles et sur les montants verticaux répartis tous les mètres environ. La qualité de la galvanisation à chaud permet d'assurer une grande longévité (non-écaillage garanti pendant 10 ans). Certains constructeurs proposent des variantes avec la face extérieure prélaquée.

L'épaisseur des tôles varie de 75/100 à 300/100 selon la charge supportée par la tôle. Les ondulations classiques mesurent 76 x 18 mm. Des ondes plus plates (104 x 12 chez PRIVÉ, 101,6 x 11,1 chez BUTLER) permettent des économies de matériau et facilitent l'écoulement des produits.

Les renforts sont réalisés en tôle pliée ou emboutie de 1 à 4 mm d'épaisseur. Emboutis, ils comportent des bossages qui épousent l'ondulation des tôles pour améliorer la liaison tôle-renfort. Ils sont généralement placés à l'extérieur chez les constructeurs européens. Des fabricants américains les placent à l'intérieur. Ils doivent alors être carénés pour éviter les retenues de grain qui sont autant de foyers possibles d'infestation. Parfois les renforts extérieurs facilitent la mise en place éventuelle d'une isolation thermique (double paroi) ou d'une surface de captage des rayons solaires (cellule solaire sécheuse).

La liaison entre les tôles est assurée par des boulons à haute résistance (80 kg/mm²), galvanisés ou cadmiés, montés avec rondelle d'étanchéité (néoprène) et coupelle métallique sur les 2 faces. L'étanchéité entre les tôles est assurée par la mise en place d'un joint pendant le montage (néoprène, bitume...). Les cellules sont couvertes par un toit autoportant, en acier galvanisé.

Elles peuvent recevoir les équipements suivants:

• aérateur central de toiture;

• passerelle de 1,25 m de largeur pouvant supporter de 240 à 400 daN/m linéaire. (Ces passerelles ne doivent en aucun cas être bardées);

• fond perforé pour la ventilation (posé sur parpaings de 20 x 20 x 40 cm). Les équipements pour des débits de renouvellement de 10 m³/h/m³ de grains sont classiques;

• renforts spéciaux pour l'accrochage de sondes thermométriques (3 sondes verticales avec point de mesure tous les 3 mètres):

• systèmes de reprise par vis centrale enterrée (ou placée sous le faux fond) alimentée par gravité puis par vis balayeuse (diamètres inférieurs à 7 m) ou par vis de reprise intégrale au-delà (8 m à 15 m - débit 40 t/heure).

Fig. 125: Schéma du système de reprise intégrale.

Dimensions des cellules:

Les diamètres des cellules s'échelonnent entre 2 m et 22 m alors que les hauteurs atteignent une vingtaine de mètres.

Le montage des cellules s'effectue à l'aide d'un mât central qui soulève le toit puis les viroles à mesure de leur assemblage; 95 % du travail de montage peut ainsi s'effectuer au sol.

- Les cellules Lipp

Ces cellules font appel à un procédé ingénieux de profilage et de sertissage de la tôle sous forme d'une agrafe double. Les deux opérations sont réalisées sur le site même d'édification des cellules, ce qui permet de n'approvisionner que les bobines de métal (bobines de 2,5 t pour 320 m de tôle de 2 mm ou 160 m de tôle de 4 mm). Au cours du sertissage, la largeur utile de la tôle est réduite de 495 à 360 mm.

La vitesse théorique de défilement de la tôle est de 5 mètres par minute. En pratique, compte tenu des temps morts nécessaires pour araser à l'horizontale la première et la dernière virole, pour abouter les bobines de tôle (soudure ou boulonnage), et pour poser les accessoires, il faut prévoir le triple du temps théorique (environ 5 jours pour dresser un silo de 15 m de diamètre et 15 m de hauteur).

Le métal employé est la tôle galvanisée qui peut recevoir au besoin des traitements spéciaux pour produits corrosifs ou acides (aluminiage, plastification, résines époxy, etc.). Ce procédé permet de réaliser des cellules cylindriques de 5 à 20 m de diamètre et jusqu'à 20 m de hauteur. Le montage n'exige pas d'échafaudage si le toit est mis en place au sol dès la première virole. En pratique, il faut prévoir un camion semi-remorque de 20 t de charge utile équipé d'un bras de levage de 20 t de capacité, pour le transport et la mise en place de la profiteuse et de la sertisseuse.

Fig. 127: Schéma du sertissage par agrafe double.

- Cellules type Maryson

Ce sont des silos constitués de panneaux de 1 m x 1 m en tôle plane, emboutis en usine. La tôle d'une épaisseur de 15/10 à 25/10 est galvanisée. Les panneaux sont assemblés par boulonnage extérieur (montage en quinconce) et peuvent être garnis de joints étanches.

Les cellules qui, par cette technique, présentent des parois intérieures parfaitement lisses, ont des diamètres de 4 à 15 In et des hauteurs qui peuvent atteindre 20 m.

Fig. 130: Schéma d'un silo type Maryson.

LA CONDENSATION DANS LES SILOS MÉTALLIQUES

Les silos métalliques légers, plus rapides à construire que les silos classiques en béton armé, auraient la faveur des organismes stockeurs si la crainte du risque de condensations était levée.

Ces condensations sont liées aux variations de température lorsque la température extérieure est élevée, la chaleur se transmet à travers la paroi de la cellule à la couche de graines sous-jacente. La température étant plus élevée, l'humidité relative de l'air interstitiel est plus faible et provoque une migration de la vapeur d'eau de l'intérieur vers la périphérie. Lorsque la température extérieure baisse rapidement (écart diurne important), le refroidissement de l'air interstitiel provoque une augmentation de son humidité relative. Il peut alors se produire une condensation, réhumidification des grains, et création d'une zone favorable à la reprise d'activité des grains et des microorganismes, qui se traduit par la détérioration du produit et sa prise en masse («croûtage» sur les parois). Quantitativement cette altération n'intéresse qu'un très faible pourcentage du grain stocké dans la cellule mais elle a plusieurs inconvénients:

• nettoyage des parois dans des conditions difficiles d'accessibilité et de température,
• risque de corrosion accélérée des tôles,
• détérioration qualitative du produit. Le risque de développement de mycotoxines (telle l'aflatoxine) ne doit pas être négligé (même si elles ne sont pas encore prises en compte dans les standards commerciaux), car ces composés sont dangereux pour la santé des consommateurs.

Ce phénomène est particulièrement sensible avec les cellules métalliques dont les parois sont peu épaisses et bonnes conductrices de la chaleur. Il faut cependant noter que dans bien des cas, d'autres causes que les condensations peuvent être responsables du «croûtage»:

• produit stocké à une humidité trop élevée (cas fréquent dans les petits centres ne possédant pas d'humidimètres),

• joints déficients entre les tôles ou au raccordement du toit, laissant s'infiltrer l'eau de pluie,

• condensation de la vapeur d'eau contenue dans l'air au-dessus du grain. Il est courant d'observer, surtout pendant les saisons humides, des condensations nocturnes de l'air humide dans les cuves: par exemple il est recommandé de faire le plein de fuel des réservoirs des engins le soir pour éviter l'apparition d'eau dans les circuits d'alimentation en carburant. Il en est de même pour les cellules à grain. Pour éviter le ruissellement sur le grain, il faut étudier des formes de toiture permettant le ruissellement à l'extérieur de la cellule et au besoin prévoir une ventilation des hauts de cellule.

Sur ce sujet, le CEEMAT - en collaboration avec la CFDT et l'INRA -a initié un programme d'essais dont les objectifs sont de préciser la dynamique du phénomène et de rechercher les humidités maximum à recommander selon les produits et les zones climatiques sans devoir recourir à l'isolation thermique (coûteuse) ou à la ventilation forcée (source et coût de l'énergie). Le faible impact commercial en Afrique freine le financement de ces études de base. En Asie du Sud-Est l'aide australienne poursuit un programme analogue.

b) SILOS MÉTALLIQUES POLYGONAUX

Ces silos sont réalisés à partir d'éléments préfabriqués, soudés ou boulonnés. Chaque élément est constitué d'une tôle d'acier pliée dans le sens horizontal de 2 à 3 mm d'épaisseur, rigidifiée par des flasques latéraux. Les panneaux ont des dimensions variables, la largeur pouvant varier de 2 à 4 m, et la hauteur pouvant atteindre 10 m.

Lors du montage, les flasques sont soudés (soudure en montant) avec ceux des panneaux voisins et constituent des poteaux creux qui peuvent être remplis de béton et forment la carcasse verticale des cellules.

Fig. 131: Élément de cellule en tôle pliée renforcée.

L'avantage des cellules polygonales est d'utiliser au mieux les parois et de créer entre les cellules principales des petites cellules intercalaires très intéressantes pour stocker des petits lots, lots spéciaux, lots à ensacher, etc.

Fig. 132: Exemple montrant l'économie réalisée avec des cellules octogonales (d'après REIMBERT).

Le métal employé est un acier au carbone protégé par des revêtements antirouille et de peinture aluminisée. Il est également possible d'utiliser des aciers spéciaux «autopatinables», lesquels, à l'instar de l'aluminium, forment en se corrodant une couche d'oxyde très compacte, qui empêche une progression de l'oxydation en profondeur. Ces aciers aux caractéristiques mécaniques supérieures aux aciers ordinaires ont en outre une très bonne soudabilité.

Cette technique de construction de silos en cellules métalliques soudées est très intéressante car elle permet de disposer de structures étanches nécessaires pour les installations de stockage sous gaz inerte (exemple: silos étanches du programme de Silos Polyvalents de Côte d'Ivoire qui représente environ 100 000 t de stockage réparties en silos de 5 000 t et 10 000 t).

La construction de tels silos est cependant plus complexe que celle des silos métalliques légers car elle nécessite des moyens de montage plus conséquents et surtout un personnel qualifié pour la réalisation des joints par soudure. La durée d'amortissement appliquée est également plus longue.

c) SILOS EN BÉTON ARMÉ

Le béton armé présente des caractéristiques très intéressantes pour la construction d'installations de stockage:

• c'est un matériau durable n'exigeant ni revêtement ni entretien, donc pouvant être amorti sur une longue période, Il est particulièrement intéressant pour les silos portuaires où l'atmosphère marine est corrosive;

• c'est un matériau qui permet des constructions de grande hauteur.

Si avec les cellules métalliques les hauteurs sont couramment limitées à une vingtaine de mètres, on pourra en béton armé atteindre 40 m -50 m pour des cellules de 6 à 10 m de diamètre. Ce développement en hauteur permet de réduire la surface au sol, ce qui est très intéressant notamment en zone portuaire où l'on cherche à rentabiliser au maximum l'emprise des bâtiments;

• c'est un matériau local, car la plupart des pays ont maintenant leur cimenterie. Le facteur déterminant reste le prix du ciment qui varie énormément d'un pays à l'autre;

• c'est enfin un matériau assurant une assez bonne isolation thermique du produit malgré les faibles épaisseurs mises en œuvre (épaisseur des parois des cellules de 15 à 20 cm).

Le béton présente toutefois quelques inconvénients:

• il est poreux et permet donc des échanges gazeux avec l'extérieur, ce qui posera des problèmes pour le traitement des stocks par fumigation et ce qui rend son emploi difficile pour la construction de silos hermétiques à moins que l'intérieur des cellules ne reçoive un revêtement spécial d'étanchéification;

• il est lourd. Le poids du matériau rapporté à la tonne logée serait de 200 kg/t pour des cellules verticales en béton armé alors qu'il n'est que de 12 kg/t pour les cellules en tôles ondulées et de 25 kg/t pour des cellules en acier autopatinable. Il ne pourra donc être mis en œuvre que sur des sols ayant une bonne résistance à la pression. Sur des sols peu portants il exigera des fondations importantes (battage de pieux...) qui peuvent fortement grever le coût de la construction.

• enfin il doit être mis en œuvre par des personnes qualifiées et des entreprises parfaitement équipées.

TECHNIQUE DE CONSTRUCTION

Pour les silos verticaux en béton armé, la technique de construction, aujourd'hui largement utilisée, est celle du coffrage glissant.

Le coffrage, constitué de deux cylindres concentriques, est levé en continu par des vérins prenant appui sur des barres d'acier noyées dans le béton. La vitesse d'avancement est d'environ 20 cm/h.

Le coulage doit être continu et le béton de qualité homogène. Cette technique nécessitant un matériel important ne peut être mise en œuvre que par des entreprises très spécialisées.

Les problèmes qui ont pu apparaître au niveau de ces silos en béton armé ont souvent été dus à un mauvais enrobage des fers ou également à des fissures ou microfissures au niveau des barres de levage du coffrage glissant (où l'épaisseur de béton est plus faible). Ces fissures peuvent permettre des rentrées d'eau et être à l'origine de collages de produits sur les parois.

Fig. 134: Schéma de la paroi d'une cellule en béton armé.

d) EFFORTS SUR LES PAROIS DANS LES SILOS VERTICAUX

Il peut arriver que l'on observe sur les silos métalliques des déformations de parois. Ces déformations pouvant aller dans certains cas jusqu'à la rupture des cellules (cellule de béton armé éventrée par exemple). Tous ces accidents sont dus aux surpressions qui apparaissent dans la masse de grains au moment de la vidange.

- Pression des grains au repos

Contrairement aux liquides exerçant sur les parois des pressions hydrostatiques horizontales, la matière pulvérulente, et notamment les grains, exerce une poussée oblique par rapport à la paroi du fait des frottements de la matière sur celle-ci. Cette pression peut être décomposée en une pression normale (ou «poussée latérale»), et une pression tangentielle ou pression verticale.

Figure

Ces pressions verticale et horizontale sont liées aux paramètres suivants:

• poids spécifique de la matière,
• frottement (des grains entre eux et sur la paroi),
• hauteur de la masse de grains,
• dimensions de la cellule (diamètre pour cellule circulaire).

Les frottements ont une telle importance que les pressions tendent vers une limite à mesure que la profondeur augmente. La courbe de poussée n'est plus une droite mais une parabole. Il en est de même pour la courbe des pressions verticales.

Fig. 136: Représentation schématique de la poussée sur les parois.

- Vidange

Ne considérer pour le calcul des cellules que les pressions engendrées par du grain au repos risque de conduire à de sérieux déboires. En effet la vidange des cellules par une ouverture même très faible de la trappe de vidange provoque la mise en mouvement de l'ensemble de la masse et rompt l'équilibre de celle-ci. Cet écoulement de masse engendre des surpressions importantes, notamment entre la moitié et le tiers inférieur de la cellule.

Fig. 137: Vidange de produits granuleux.

• Une vidange et un remplissage simultanés accentuent encore cette déformation de la courbe des pressions. C'est donc en fonction du maximum de ces courbes, que les structures devront être calculées.

• Une technique permet d'éviter la mise en mouvement de la masse entière de la cellule à l'origine de ces surpressions. Elle consiste à placer au-dessus de l'orifice de vidange un tube vertical percé de nombreux orifices. La vidange du grain s'effectue alors par couches successives, la masse de produit reste immobile et seule la couche supérieure glisse dans le tube de vidange (procédé du tube antidynamique Reimbert).

Dans le cas d'une cellule à vidange latérale, les poussées sont dissymétriques et les pressions sont importantes sur le côté opposé à la vidange ce qui tend à ovaliser les cellules cylindriques. Pour annuler les effets néfastes de la dissymétrie, il sera parfois possible de placer dans la cellule un tube de centrage qui ramène la cellule à une vidange de type axial, cellule qui pourra également être équipée d'un tube antidynamique.

Un important programme d'essais est en cours en France pour quantifier avec précision ces phénomènes selon le type de cellule.

Fig. 138: Tube antidynamique Reimbert.

Fig. 139: Vidange excentrée.

Les silos horizontaux sont constitués par des grandes cellules ou cases de faible hauteur par rapport aux autres dimensions, par exemple: hauteur: 6 m - largeur: 7 à 10 m - longueur: 13 à 15 m. Le fond de ces cases est généralement plat.

Fig. 140: Schéma d'un silo métallique à fond plat.

Ces cases peuvent être construites en métal avec des panneaux de tôle pliée tels que nous les avons vus pour les silos verticaux, mais également en béton.

Béton armé traditionnel

Pour les cases de hauteur relativement faible, le coffrage ne pose pas de problèmes particuliers. Aujourd'hui certaines entreprises sont capables de mettre en œuvre des coffrages de plusieurs mètres de hauteur et de grande largeur permettant l'édification rapide de grandes surfaces de parois.

Béton armé préfabriqué

Des cornières à deux branches sont préfabriquées au sol puis assemblées pour former les parois des silos. Ces cornières sont reliées par des poteaux en béton armé. Les cellules ont un aspect qui rappelle les cellules en tôle pliée.

D'autres méthodes consisteront à assembler des éléments préfabriqués en béton armé en forme de cornières (verticales) ou de demidouve.

Ces éléments d'une longueur correspondant à la hauteur de la cellule sont préfabriqués au sol puis assemblés verticalement. Cette technique nécessite également des moyens de levage importants pour dresser les éléments préfabriqués.

Nous n'aborderons pas le calcul des parois des cellules des silos horizontaux, nous pouvons simplement rappeler qu'elles peuvent être calculées comme des murs de soutènement.

VIDANGE DES CELLULES

Pour les cellules à fond plat il faudra prévoir un couloir central ou latéral enterré, équipé d'un transporteur horizontal (transporteur à chaîne ou à bande). Le grain pourra s'écouler naturellement par gravité par ces trémies, mais il restera toujours un cône ou talus résiduel.

L'élimination de ce cône pourra se faire par un transporteur appelé transracleur qui permet la reprise intégrale. Ce transracleur peut également être utilisé au remplissage pour égaliser le niveau du tas (Fig. 141).

L'évacuation de ce cône peut cependant également être réalisée manuellement (petites cellules) ou à l'aide de petits engins: petites chargeuses compactes ou petits bouteurs (grandes cellules).

La vidange des cellules à fond plat peut également être pneumatique par un système de suceuses (mais exigeant en énergie) ou par un système spécial de ventilation (système LORIN). L'air refoulé dans les gaines est orienté vers les trémies et entraîne le produit vers ces orifices de vidange (Fig. 142).

Enfin les installations de stockage en sacs sont parfois utilisées pour du stockage vrac. Lorsque les parois sont trop faibles (ce qui est souvent le cas) pour supporter la pression latérale du produit, il faut prévoir des cloisons faites d'un mur de sacs ou de madriers de bois. Cependant la manutention restera difficile et les traitements insecticides délicats. L'emploi des magasins de sacs pour le stockage en vrac n'est qu'un pis-aller, à moins que le passage du sac au vrac ait été pris en compte lors de leur conception.

Fig. 141: Vidange d'une cellule à fond plat par un transracleur. (D'après REIMBERT.)

Fig. 142: Vidange par ventilation. (Doc. LORIN.)

Remarque: vidange des produits pulvérulents (farine par exemple).

Les produits pulvérulents peuvent poser des problèmes de vidange beaucoup plus complexes que les produits granuleux (grains).

L'écoulement du produit peut être modifié ou arrêté en raison de phénomènes de:

Pour favoriser l'écoulement, il faut que la pente des parties coniques des silos soit plus importante que pour les grains.

On peut retenir les valeurs suivantes:

Enfin, les produits les plus difficiles sont les produits fibreux ou en flocons de faible densité qui ont tendance à s'enchevêtrer (copeaux de bois, fibre d'amiante...) et qui ne tolèrent pas le moindre angle.

Pour l'extraction des produits difficiles, il existe de nombreux procédés. Nous rappellerons simplement que l'on distingue:

* les extracteurs pneumatiques:

• coussins gonflables,
• canon à air comprimé,
• fluidisation locale du produit.

* les extracteurs mécaniques:

• différents extracteurs à vis:

- vis multiples,
- vis à mouvement planétaire avec moteur central (exemple: vis à pas variable PARCEY),

• extracteurs à bandes, à chaînes... extraction par couches épaisses (20 cm) à vitesse lente 15 cm/mn.

*extracteurs vibrants:

• mise en vibration des parois du silo mais risque d'altération des structures;
• trémies placées sous fond conique mises en vibration;
• fond vibrant: fond conique, indépendant de la cellule, mis en vibration.

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