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La présente invention concerne généralement les soupapes servant à commander l'écoulement des fluides et, plus particulièrement, les soupapes fai- sant usage de dispositifs d'étanchéité du type à anneau de section circulaire.
On a autrefois construit divers types de soupapes dans lesquels il était fait usage de dispositifs d'étanchéité élastique du type à anneau de section circulai- re,Comme décrit dans le brevet délivré aux Etats-Unis d'Amérique sous le N 2.713.989 du 26 Juillet 1955 au nom de BRYANT, il est possible de construire une telle soupape qui soit capable d'être utilisée sous des pressions de travail relativement élevées sans risque que l'anneau se dégage de son logement. Les anneaux d'étanchéité de section circulaire autrefois utilisés dans les soupapes étaient faits de matières élastiques telles que le caoutchouc synthétique et, à l'état détendu, leur forme était circulaire en section.
Dans certains types de spupapes, ces anneaux de section circulaire sont susceptibles de ne pas pos- séder toutes les propriétés désiréeso Par exemple, s'il est fait usage d'un tel anneau d'étanchéité dans une soupape du type "papillon" ayant été construite avec un jeu entre la périphérie du disque de soupape et le corps ou boite à sou- pape, il est possible que l'anneau ne maintienne une étanchéité satisfaisante entre le corps et le disque dans toutes les conditions de travail, en particulier si l'anneau est fait d'une matière élastique relativement dure, telle qu'un caoutchouc synthétique dur, ou de matières du genre du "Nylon" ou du "Teflon".
De plus, l'utilisation d'un anneau de section circulaire tend à exiger des couples relativement élevés pour faire tourner l'élément de soupape entre ses positions d'ouverture et de fermeture.
D'une façon générale, la présente invention vise à établir une con- struction de soupape perfectionnée faisant usage d'un anneau d'étanchéité élas- tique.
D'autres buts sont d'établir une telle construction de soupape per- fectionnée dans laquelle le dispositif d'étanchéité met à profit, d'une manière nouvelle, la pression du fluide qui règne en amont pour maintenir l'étanchéité désirée entre la boite ou bâti et l'élément de soupape ; soupape du type papillon, pourvue de moyens d'étanchéité élastiques perfectionnés, caractérisée par le fait que le couple nécessaire pour faire tourner l'élément de soupape entre ses positions d'ouverture et de fermeture est relativement faible ;
laquelle l'anneau d'étanchéité en matière élastique est d'un type nouveau destiné à des soupapes servant à maintenir un joint étanche lorsque l'élément de soupape occupe sa position de fermetureo
La présente soupape, du type papillon de construction perfectionnée, se prête à son utilisation sous des pressions de travail élevées.
D'autres buts et particularités de l'invention seront mis en évidence au cours de la description donnée ci-après des formes de réalisation préférées de la dite invention, décrites ci-après en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels :
Figo 1 est une vue en bout d'une soupape du type papillon établie conformément à l'invention.
Figo 2,est une coupe transversale par la ligne 2-2 de fige 1.
Figo 3 est une coupe transversale par la ligne 3-3 de figo 1.
Figo 4 est une vue semblable à figure 3 mais représentant l'anneau d'étanchéité dans une position de travail différente.
Figo 5 est une coupe transversale à plus grande échelle par la ligne 5-5 de figo 1.
Figo 6 est une vue de détail en plan représentant le dispositif de commande de la soupape et le dispositif d'encliquetage y associée
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Figo 7 est une coupe en section transversale à plus grande échelle illustrant une autre forme de réalisation de l'invention.
La construction de soupape représentée aux figures 1 à 5 des dessins est composée d'un corps ou boite à soupape formé de deux pièces 10a, 10b. Les passages ou conduits d'écoulement 11 formés par ces pièces sont destinés à être reliés à une tuyauterie associée. Les portions adjacentes des deux pièces du corps ou boite à soupape, sont usinées de manière qu'elles forment les faces complémentaires annulaires 12 et 13, conjointement avec les faces complémentaires annulaires déportées 14,et 16. Une rainure ou creusure annulaire prévue dans la pièce 10a est destinée à recevoir un anneau d'étanchéité élastique 18 dont le rôle est d'établir un joint élastique étanche au fluide entre les deux pièceso
L'élément de soupape 19 est un disque monté pour tourner autour d'un axe 21.
Comme il sera expliqué plus loin, ce disque présente une surface de travail destinée à entrer en contact avec un anneau d'étanchéité élastique porté par le corps et à assurer l'étanchéité avec l'aide dudit anneau. Des portions de bord opposées du disque 19 sont assujetties aux extrémités intérieures de 'deux arbres 22 et 23 mutuellement alignéso Ces arbres sont reçus à l'intérieur de forures 25 et 26 pratiquées dans la pièce 10b du corps et sont supportés de façon rotative par des coussinets 27 et 28 qui les entourent. Une oreille ou saillie plate 31 formée sur l'extrémité intérieure de chacun des arbres 21, 22, est destinée à se loger à l'intérieur d'une cavité annulaire 32 pratiquée au bord du disque.
Des vis 33 fixent les deux saillies au disque, les tolérances étant telles que les pièces peuvent être alignées exactement avant que les vis de fixation aient été serrées à fonde
Des moyens d'étanchéité appropriés sont prévus pour empêcher que des fuites se produisent autour des deux arbres. Ainsi, un anneau élastique de section circulaire 36 est disposé près de l'extrémité intérieure du coussinet 27, cet anneau étant retenu par un collier annulaire 37 formé sur l'extrémité correspon- dante de l'arbre. L'extrémité extérieure du coussinet 27 entre en contact avec un jonc élastique 380 Un autre anneau de section circulaire 39 sert à assurer une protection contre la pénétration de matières étrangères et à retenir le lubrifiant.
L'arbre 23 est similairement pourvu d'un anneau 40 d'étanchéité pour fluides sous pression, lequel est retenu par une bride ou rebord 41. L'extrémité extérieure du coussinet 28 bute contre un jonc élastique 42. L'extrémité exté- rieure de l'alésage 26 peut être fermée par un tampon 43.
L'extrémité extérieure de l'arbre 22 est établie de manière qu'elle s'accouple avec un organe de manoeuvre approprié, tel qu'une poignée de manoeuvre 46. Cette poignée est reçue dans une creusure d'un bras 47 faisant corps avec un manchon 48 qui est dentelé intérieurement pour s'ajuster sur l'extrémité den- telée 49 de l'arbre 22. Une plaque 51 est convenablement fixée, par exemple à l'aide de vis, au corps de la soupape et est pourvue d'une portion 52 en forme de secteur, qui est dentelée. Dans une forure 50 du'.bras 47 est ajusté de façon coulissante un poussoir d'encliquetage 53, qui est sollicité par un ressort 54 vers les dents du secteur 52.
Une vis 55 permet de régler la poussée du ressort 54, et il est prévu une vis 60 qu'on peut faire tourner pour bloquer le poussoir 53 contre le secteur dentelée Grâce à cette disposition, l'arbre 22 peut être soit retenu dans toute disposition de travail à laquelle il peut avoir été amené par rotation, soit bloqué dans toute position désiréeo Une dent 56 portée par lai douille 48 (figure 6) entre en contact avec une vis d'arrêt réglable 57 dans la position de complète ouverture de la soupape, alors qu'un épaulement de butée 58 porté par le bras 47 vient buter contre une vis d'arrêt réglable 59 à la position de complète fermeture.
Un dispositif approprié est prévu qui permet de bloquer rigidement l'une à l'autre les deux pièces du corps ou boite à soupape. C'est ainsi que des
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oreilles circonférentiellement espacées 61 de la pièce 10a dudit corps sont soumises à la poussée de vis 62 qui se vissent dans des oreilles 63 (figure 1) de la partie lOb du corps.
Les figures 1 et 2 représentent la façon dont la soupape peut être installée entre des brides d'accouplement 64 faisant partie d'une canalisation associée. Des boulons de serrage 66 sont vissés dans les oreilles 67 de la pièce 10b du corps et bloquent les deux pièces du corps entre les brides 64.
Le dispositif d'étanchéité prévu entre le disque et le corps a été représenté en détail aux figures 3 à 5. La périphérie du disque est usinée de manière à former une surface de travail 71 pour cet élémento Cette surface pos- sède la forme d'un tronc de cône qui est tangentiel à une sphère dont le centre coïncide avec l'axe 21 et avec l'axe du passage 11 et dont le rayon correspond à la distance comprise entre ce centre et la portion médiane de la surface 71.
Des surfaces biseautées sont formées près des bords de la surface 71 et, vues en coupe (figo 5), ces surfaces biseautées font un angle d'environ 30 avec la surface de travail de la soupapes Dans la portion de la boite à soupape qui entoure le disque de soupape 19, il est prévu une cavité annulaire 74 destinée à recevoir l'anneau d'étanchéité élastique 76. Cet anneau est fait d'un élasto- mère approprié, tel que le "Nylon" ou le "Téflon". Sa dureté (mesurée sur le Duromètre) peut être de l'ordre de 90 ou davantage. Le profil de l'anneau, en section (figo3), est généralement triangulaire. Il est pourvu de faces latérales relativement plates 77 et d'une base concave 78, comme représenté.
La surface 79 qui forme le sommet est, arrondie et destinée à faire pression sur la surface de travail 71 du disque pour établir un joint étanche avec ladite surface.
Les surfaces 81 formant les coins de la base de l'anneau sont elles-mêmes arron. dies et se raccordent aux surfaces latérales 77 et à la surface de bas 78. Les portions de base 82 de l'anneau forment des jambages capables de travailler à la fois à la flexion et à la compression, ce qui accroît effectivement le degré de souplesse offert par une matière élastique d'une dureté donnée. Les extrémités des jambages 82 coïncident avec la surface d'un cône dont l'axe coïncide avec l'axe central du disque lorsque celui-ci occupe sa position de fermeture.
La cavité 74 recevant l'anneau d'étanchéité possède elle-même un profil et une section généralement triangulaires. Les côtés de cette cavité sont délimités par des lèvres 83 et 84 formées respectivement sur les parties respectives 10a et 10b du corps. Les surfaces latérales 86 de la cavité sont formées sur les faces intérieures des lèvres 83 et 84. L'intervalle qui sépare ces lèvres est tel que lesdites lèvres compriment normalement l'anneau à un degré limité dans deux régions opposées, lorsque l'anneau est à l'état détendu (c'est-à-dire lorsqu'il n'est pas soumis à une pression différentielle). Il s'ensuit que. chacune des lèvres est en contact étanche avec l'anneau, lorsque celui-ci est dans cet état détendu, outre que ce contact est tel qu'il assure une force de retenue mécanique importante.
La surface de base 87 de laccavité épouse généralement la surface d'un cône dont l'axe coïncide avec l'axe du disque en position de fermeture, et cette surface 87 est en contact étanchée avec l'une et l'autre des surfaces arrondies 81, à l'état détendu de l'anneau. Les coins de la cavité sont formés par des surfaces arrondies 88, dont le rayon est légè- rement supérieur au rayon des surfaces 81.
Les dimensions adoptées sont telles que des espaces 89 existent entre les surfaces 77 et 86, de même qu'entre les surfaces 78 et 87, à l'état détendu de l'anneau. De préférence, les espaces 89 communiquent avec les passages d'é- coulement correspondants de la soupape d'une manière propre à assurer la trans- mission de la pression. C est ainsi qu'un ou plusieurs conduits de faible section 90 établissent une telle communication pour un des côtés de la cavité et qu'un ou plusieurs autres conduits de faible section 91 établissent une telle communication pour 1 autre côté. Une telle communication n'est pas essentielle,
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mais elle contribue à assurer l'application désirée d'une pression du fluide sur l'anneau d'étanchéité.
Ainsi qu'il sera expliqué plus loin, l'espace 92 qui sépare les surfaces 78 et 87 est en communication de transmission de pression avec le cou- rant d'amont ou côté à haute pression de la soupape, grâce à une disposition de clapets de retenue qui sera décrite plus loin.
Comme représenté à la figure 3, la surface arrondie 79 de l'anneau d'étanchéité 76 fait normalement saillie sur une distance sensible au-delà des lèvres 83 et.84. Les surfaces périphériques 93 et 94 de ces lèvres sont celles d'un cône, et leurs dimensions sont telles qu'un faible jeu existe entre elles et la surface de travail 71 du disque. Dans la position de fermeture du disque, la surface arrondie 79 de l'anneau d'étanchéité 76 exerce une pression sur la surface 71, l'annexa, étant soumis à un certain degré de compression de manière à établir un contaet étanche avec le disque, et, en outre, à presser les jambages 82 de l'anneau dans une direction propre à appliquer les surfaces arrondies 81 sur les surfaces adjacentes de la cavité et assurer ainsi un joint étanche entre ces surfaces.
La figure 5 représente une disposition convenable de clapets de retenue dont le rôle est d'établir une communication entre l'espace 92 situé à la base de l'anneau d'étanchéité et le côté amont de la soupape. Ainsi, deux clapets de retenue 96 et 97 sont prévus dans les deux pièces 10a et 10b du corps, ces clapets pouvant être du type à bille, comme représenté. Le courant d'amont appliqué par l'intermédiaire du conduit 98 ouvre le clapet 96 en surmontant l'action de son ressort de compression 99, ce qui permet à ladite pression d'a- mont d'être appliquée par l'intermédiaire de conduits 101 et 102 à l'espace 92.
De même, lorsque la pression d'amont est appliquée au clapet 97 par l'intermé- diaire du conduit 103, ce clapet s'ouvre, ce qui effectue une mise sous pression de l'espace 92 par l'intermédiaire des conduits 101 et 102. Les clapets de retenue empêchent le fluide de passer directement de l'un à l'autre des côtés du disqueo
L'assemblage des éléments de la soupape décrite s'effectue comme suit : On assemble d'abord les arbres 22 et 23 pourvus des organes d'étanchéité y associés à l'intérieur de la partie 10b du corps ou boite à soupape. Les arbres ayant été amenés à une position faisant un angle de 180 par rapport à celle qu'ils occupent à la figure 2, on insère le disque 19, à partir de sa droite, et on le fixe librement aux arbres à l'aide des vis 33.
On pose alors l'anneau d'étanchéité de seetion approximativement triangulaire 76, on place la partie 10a du corps dans la position représentée avec son joint annulaire de section circulaire 18, et l'on fixe l'une à l'autre les deux pièces du corps, à l'aide des boulons de fixation 62. On fait alors tourner les arbres pour amener le disque à la position représentée à la figure 2. La poussée qu'exerce le joint 76 sur le disque 19 a pour effet de centrer ce disque, et les vis 33 peuvent par conséquent maintenant être serrées de manière à fixer les arbres au disque.
La soupape décrite ci-dessus fonctionne de.la manière suivante : Ainsi qu'il a été mentionné précédemment, lorsqu'il ne s'exerce aucune pression différentielle, l'anneau d'étanchéité 76 occupe la position détendue de figure 3. Lorsque la face gauche du disque 19 est soumise à une pression, 1 anneau d'étanchéité 76 est sollicité par la pression différentielle du fluide vers la position représentée à la figure 4. On notera que la portion arrondie 81 de l'anneau a été pressée contre la surface arrondie 88 de la cavité et que la surface latérale 77 de l'anneau 76 a été pressée contre la surface latérale 86 de ladite cavité.
L'espace 89 qui existe sur le côté gauche de l'anneau communi- que avec la pression d'amont du fluide par le conduit 91, outre que l'espace 92 séparant les surfaces 78 et 87 communique avec le côté amont du courant de fluide par 1'intermédiaire du clapet de retenue 96.Ainsi, dans de telles
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conditions, l'anneau 76 est pressé par le fluide d'amont dans deux directions, l'une d'elles étant celle d'une poussée latérale résultant de la pression qui s'exerce sur la surface 77 et qui sollicite l'anneau 76 de manière à l'appliquer contre la surface 86 de la cavité, et l'autre étant celle d'une poussée exercée par le fluide sous pression sur la surface 78 de l'anneau et tendant à sollici- ter ledit anneau vers la position de dontact d'étanchéité avec la surface 71 de l'anneau 76.
Lorsque la différence de pression diminue, l'anneau 76 revient à sa position détendue, et le fluide sous pression que contient 1 espace 92 est mis à même de s'échapper vers le côté amont en passant en regard de la por- tion de base 82 de l'anneau 760 Il reste généralement un peu de fluide sous pression emprisonné dans l'espace 92, alors même que la pression aurait été réduite à celle de l'atmosphère dans les passages 11 du corps. La valeur de cette pression peut varier selon divers facteurs, dont l'un est le degré d'écrasement existant entre les surfaces 81 et 87.
Si l'on suppose qu'une pression de fluide relativement élevée a été appliquée sur une des faces du disque ou élément de soupape 19, par exemple le maximum de pression de travail pour lequel la soupape a été calculée, la pression d'amont sera transmise par l'intermédiaire d'un des clapets de la manière décrite plus haut, et une telle pression règnera dans l'espace 92.
La réduction d'une telle pression d'un tel maximum de pression à la pression atmosphérique s'accompagnera d'un échappement d'une partie du fluide sous pression que contient l'espace 92, de la manière précédemment décrite, mais une différence de pression sera maintenue entre la pression régnant dans ledit espace 92 et la pression règnant dans le conduit d'admission, cette différence correspondant généralement à la pression du fluide résiduel emprisonné dont il a été question plus haut.
On supposera maintenant qu'il se produit une inversion de la pres- sion différentielle. L'anneau 76 sera comprimé dans le sens opposé, c'est-à-dire de manière à contraindre les surfaces de gauche 77 et 86 à entrer en contacto Dans ce cas encore, l'espace 89, qui se trouve à droite de l'anneau 76 communi- que avec le côté amont situé à droite, et l'espace 92 est mis en communication avec la pression règnant en amont par l'intermédiaire du clapet de retenue 97, la réduction de cette différence de pression permet de nouveau à l'anneau 76 de revenir à son état détendu, ce qui s'accompagne d'un certain degré d'échappement du fluide sous pression que contenait ledit espace 92.
Une caractéristique de la soupape décrite plus haut est que la pression du fluide contribue à maintenir un contact étanche au fluide entre la boite et les éléments de soupape, bien que la matière dont.est fait l'anneau 76 soit relativement durée Ceci peut en partie être attribué au fait que lorsqu'une pression différentielle est appliquée, la surface 78 et l'une des surfaces latérales 77 de l'anneau 76 sont exposées à la pression d'amonto Ceci peut aussi être en partie attribué au fait que les jambages 82 sont soumis non seulement à un compression, mais aussi à une flexion, ce qui permet un degré sensible de flexion élastique sans qu'on ait entièrement à compter sur une compression directe.
Une autre caractéristique de la présente soupape est que, bien que 1' anneau 76 établisse une obturation effective entre la boite et le disque de soupape dans toutes les conditions de travail,le couple nécessaire pour faire mouvoir le disque vers et à l'écart de sa position de fermeture est relativement faible, en comparaison avec celui qui serait nécessaire s'il était fait usage d'un anneau d'étanchéité de section transversale circulaire ayant une dureté comparable. Même sous des conditions d'une pression différentielle relativement élevée, le couple nécessaire pour actionner la soupape est relativement modéré.
Lorsque le disque de soupape occupe sa position de complète ouver- ture, il fait pression sur l'anneau 76 en deux points espacés de sa circonférence.
Si la soupape reste ainsi ouverte pendant un temps considérable, une telle pres- sion de contact est susceptible d'occasionner la formation d'entailles dans l'anneau d'étanchéité, de sorte que lorsque'la fermeture de la soupape se produit l'anneau 76 ne revient pas immédiatement à'son état initial normale ce qui
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occasionne un certain degré de fuite.
Cette difficulté est surmontée, dans le cas de la présente .construction, en raison du fait que la poussée résultant de la pression différentielle appliquée sollicite l'anneau contre le disque, de sorte qu'il n'est pas absolument nécessaire de compter entièrement sur un retour rapide de la matière élastique à son état normal après qu'elle a été soumise à une compression de longue durées
Ainsi qu'il ressort de ce qui précède, la présente soupape peut être installée en vue de permettre à la pression de s'exercer indifféremment vers un côté ou vers l'autre. Quelles que soient les différences de pression pour les- quelles la soupape a été calculée, un jeu est maintenu entre la périphérie du disque et les surfaces périphériques adjacentes de la boite ou corps, de telle sorte que ces surfaces ne frottent pas lorsqu'on fait tourner le disque.
A titre d'exemple, dans un cas particulier la soupape avait été construite avec les proportions générales illustrées sur le dessin et avec des conduits d'écoulement de 152 mm de diamètre. Le diamètre du disque ou élément de soupape, au centre de la zone de contact du disque avec l'anneau d'étanchéité, était d'environ 146 mm. Les divers angles indiqués à la figure 3 étaient les suivants : L'angle 1 que font entre elles les surfaces latérales 77 de l'anneau 76 à l'état détendu était d'environ 60 . L'angle 2 que fait chacune des surfaces latérales 86 avec la lase 87 de la cavité était de 43 . L'intervalle annulaire séparant les lèvres 83 et 84 était de 4,38 mm. La surface courbe 79 avait reçu un rayon de 3,57 mm et les surfaces courbes 81 avaient reçu un rayon de 0,8 mm.
La largeur maximum, mesurée en travers de la base de l'anneau, était de 10,73 mm et l'épaisseur, mesurée de la surface 79 à la ligne de base, était de 7,15 mm.
L'anneau était fait d'un caoutchouc synthétique ayant une dureté (mesurée sur le Duromètre) d'environ 98. Le jeu métallique existant entre l'élément de soupape et les surfaces 93 et 94 était de 0,2 mm en position de fermeture. La soupape fonctionnait d'une manière également satisfaisante quel que soit le côté où la pression du fluide était appliquée, sur une échelle de pressions de travail allant de zéro à 42 kg/cm2. Après avoir appliqué le maximum de pression de travail sur une des faces de'Isolément de soupape (en position de fermeture)., puis réduit la pression à celle de l'atmosphère, on a constaté que l'espace 92 retenait du fluide emprisonné sous une pression de 10,5 à 14 kg/cm2.
Les conduits d'échappement 90 et 91 jouent un certain rôle dans le mode de travail décrit plus haut, bien que, en apportant quelque changement au ¯principe du fonctionnement, il soit possible de supprimer ces conduits. Dans de telles conditions, la pression d'admission règnant dans l'espace 92 pousse 1' anneau 76 contre les lèvres 83 et 84, ainsi que contre la surface de travail 72 du disque.
En supposant que la pression d'admission ait été réduite à partir d'une valeur maximum de 42 kg/cm2, du fluide sous cette pression maximum reste empri- sonné dans l'espace 92, à moins qu'il ne se produise un mouvement du disque ayant pour effet d'écarter l'anneau d'étanchéité de sa position de contact avec les lèvres 83 et 84. En. général, il semble qu'il soit désirable de faire usage des conduits d'échappement 90 et 91, en particulier parce que ceci évite de retenir dans l'espace 92 une pression de travail maximum qui, sous certaines conditions, pourrait soumettre l'anneau d'étanchéité à des forces tendant à lui donner une déformation permanente.
Certaines caractéristiques de construction de la soupape du type papillon qui vient d'être décrite sont applicables conjointement avec un anneau d'étanchéité de section circulaire lorsqu'on désire renoncer aux avantages du type spécial d'anneau d'étanchéité précédemment décrit. Ainsi, comme représenté à la figure 7, l'anneau d'étanchéité 111 possède dans ce cas la forme d'un cercle en section et est reçu à l'intérieur d'une cavité 112. Les lèvres 113, 114, correspondant aux lèvres 83 et 84, ont pour rôle de retenir l'anneau de section circulaire dans la cavité destinée à le recevoir. En position de fermeture de la soupape, l'anneau de section circulaire est comprimé à l'effèt d'établir un
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contact étanche avec le corps ou boite à soupape et avec la périphérie du disque.
Les espaces 116 et 117 existant de part et d'autre de l'anneau de section cir- culaire font communiquer le fluide sous pression avec les côtés correspondants du disque par l'intermédiaire d'un ou plusieurs conduits correspondant aux con- duits 91 et 90 de figure 3. Bien que la forme de réalisation de figure 7 puisse se comporter d'une manière satisfaisante sous certaines conditions favorables, elle ne constitue pas la construction préférée pour les raisons déjà expliquées.