Brevet FR2220644A1 — publié le 19741004

La réalisation d'éléments auportants, en acier laminé, de formes diverses, fers I, fers U, fers cornières, etc., est connue depuis fort longtemps. Plus récemment, ont été créés des éléments autoportants en tôle, dont la raideur est obtenue par des plis de formes et dimensions variées. Depuis une dizaine d'années, on réalise communémentdes éléments autoportants dont la raideur est obtenue non plus par pliage mais par déformation élastique, en particulier en forme d'ondes à concavité dirigée vers le haut. Pour renforcer la rigidité de tels éléments en tôle, on a été amené à leur adjoindre un profilé de raidissage qui supportait les efforts de compression tandis que la tôle ne supportait plus que les efforts de traction. On-obtenait ainsi des éléments en forme d'ondes, de 80 à 1,30 m. de largeur, et de 30 à 40 cm. de profondeur, les bords étant raidis par des profilés soudés ou sertis sur la tôle. Ces éléments se comportent bien du point de vue mécanique mais ils présentent l'inconvénient d'une déformabilité beaucoup trop grande lorsqu'on leur applique des charges, en particulier des charges climatiques. II y a quelques années, ont été lancés sur le marché des éléments analogues mais précontraints. Dans une telle solution, on utilise toujours une tôle déformée élastiquement avec concavité dirigée vers le haut, mais le profilé du raidissage situé sur les bords de la tôle n'est plus serti sur cette dernière. Au contraire, la tôle coulisse librement dans le profilé et elle n'est ancrée qu'à ses extrémités, grâce à deux tiges filetées soudées sur la tôle et passant à travers des rondelles.soudées sur le raidisseur, un écrou permettant de tendre la tige filetée, donc la tôle, en comprimant le raidisseur. Lorsqu'un tel système est soumis à des charges extérieures, il se développera, dans le raidisseur des contraintes de compression, et dans la tôle des contraintes de traction, de manière à faire naître deux forces égales et opposées, dont le couple sera égal au moment fléchissant des forces extérieures appliquées à l'élément. Pour que ces forces prennent naissance, il est nécessaire que le raidisseur se raccourcisse et que la tôle s'allonge, donc que ltélément subisse une déformation importante. On conçoit que si on a tendu préalablement la tôle en serrant les écrous, on pourra faire naître, en tout ou partie, des efforts de traction dans la tôle, et de compression dans le raidisseur, dont on a besoin pour équilibrer le moment des forces extérieures. Un tel système précontraint permet ainsi de réduire les déformations de ltélément. Les portées admissibles pour des éléments constitués de cette façon sont limitées par les largeurs de tôle qu'il est possible de laminer couramment en France. Pratiquement, ces dernières ne dépassent pas 1,50 m. et les portées admissibles correspondantes sont de l'ordre de 20 à 25 m. Les dispositifs faisant l'objet du présent brevet permettront de tripler les portées admissibles avec un élément simple défini ci-dessous. Il est bien connu que pour augmenter la portée d'une poutre, on peut la sous-tendre avec un câble et deux bielles verticales prenant appui sur le câble et sur la poutre. La forme du câble peut être triangulaire, s'il nbxiste qu'un seul appui intermédiaire. Elle peut être trapézoldate s'il existe deux appuis intermédiaires. Un tel système ne peut malheureusement pas être précontraint. En effet, la poutre sera calculée pour résister aux efforts de flexion et aux charges extérieures entre deux appuis, soit appui d'extrémité, soit appui sur le câble. Si alors, onconstruitune poutre ayant trois portées égales, on conçoit qu'il ne soit pas possible de lui appliquer un effort de compression important sans éviter son flambement. Dès lors, si on veut précontraindre le câble porteur en exerçant une tension sur ce câble, on obtiendra automatiquement une réaction verticale au droit des bielles supportant la poutre, et cette réaction verticale amènera obligatoirement le flambement de la poutre sur la longueur totale des trois travées. Cette absence de précontrainte limite nécessairement les contraintes applicables au câble et à la poutre pour éviter des déformations excessives. Les dispositions prévues au présent brevet consistent à utiliser deux câbles symétriques, un premier câble situé sous la poutre, et qui sert à la soutenir en un ou deux points intermédiaires, et un câble situé au-dessus de la poutre, relié également à cette dernière par des bielles verticales situées en prolongement des bielles inférieures. On conçoit qu'avec un tel système il soit possible de précontraindre les deux câbles en exerçant 6ne traction égale dans chacun d'eux, de manière à ce que la résultante soit une compression dirigée dans l'axe de la poutre. La longueur de flambement de la poutre est alors divisée par trois, s'il y a trois travées, et le risque de flambement n'est plus à craindre. Lorsqu'un tel système est mis en charge, il est remarquable de constater que les efforts de compression dans la poutre restent constants. En effet, lorsque le système se deforme et que la poutre prend une certaine flèche, la tension du câble supérieur va automatiquement diminuer, tandis que la tension du câble inférieur va augmenter. On assiste ainsi à un simple transfert de charge, de la tension du câble inférieur dans le câble inférieur, la compression du raidisseur restant la même, car au fur et à mesure où le câble supérieur se décharge, le câble inférieur voit sa tension augmenter et compenser la perte de tension du câble supérieur. On conçoit qu'une telle solution permette de réduire considérablement les déformations de l'élément ainsi constitué. En effet, en partant de l'état initial, la poutre ne subira aucun raccourcissement supplémentaire, puisque sa compression restera constante et la tension du câble ne sera augmentée que de la moitié de la tension totale. Etant donné que, pratiquement, la flèche résulte pour moitié du raccourcissement du raidisseur, et pour moitié de l'allongement du câble, on conçoit qu'un tel système réduise pratiquement la flèche au quart de la valeur obtenue dans une solution non précontrainte. L'avantage d'une réduction de flèche est de permettre, à flèche égale, d'adopter des contraintes dans les matériaux beaucoup plus élevées et, par suite, d'alléger considérablement la poutre par rapport à une poutre classique. D'une manière plus précise, on sait que dans le bâtiment, la flèche des éléments de couverture doit êtreinférieure aux 2/100e de la portée, ce qui oblige, pour les contraintes normalement admissibles de 14 à 15 kg. par mm2, de prévoir des hauteurs de poutres qui sont en centimètres de l'ordre de 3 fois la portée en mètres. Dans la solution du présent brevet, on fera travailler les aciers à 100 kg. par mm2 et, grâce à la précontrainte initiale, on pourra conserver les mêmes hauteurs de poutres, voire même les diminuer légèrement. On pourra ainsi réduire les poids d'acier de l'ouvrage au 5e ou au 6e des poids normaux. La description qui va suivre en regard du dessin annexé fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, toute disposition qui ressort tant du texte que du dessin rentrant, bien enfendu, dans le cadre de ladite invention. Sur la figure 1, on a représenté l'élèvation de l'élément comportant un raidisseur (r), un câble inférieur (i) et un câble supérieur (s), tandis qu'en (a) sont représentées les bielles de liaison des câbles et du raidisseur; en (b) est représentée la tôle ; en (c) sont représentés les supports de l'élément. Sur la figure 2, on a dessiné le même élément vu en plan. Sur cette vue en plan, on distingue 3 poutres juxtaposées, avec 4 raidisseurs (r). On a indiqué les câbles supérieurs ainsi que les bielles (a) de liaison du câble supérieur aux raidisseurs. On remarquera le tracé du câble supérieur, qui est d'ailleurs le même que celui du câble inférieur, et qui comporte une partie rectiligne parallèle aux raidisseurs dans la partie centrale, située dans l'axe de la poutre, et qui se termine par deux éléments obliques qui relient cette partie centrale à l'extrémité supérieure des raidisseurs. Sur la figure 3, on a dessiné les mêmes 3 poutres juxtaposées, en coupe par un plan vertical. Sur cette coupe, on remarque la forme des bielles (a) de liaison entre les câbles et la poutre, bielles qui ont une forme triangulaire et qui sont reliées par une traverse (d). On remarquera, sur cette coupe en travers, que les câbles sont prévus seulement une onde sur deux. En effet, il importe que chaque raidisseur soit supportée et lorsqu'on dispose de poutres jointives, réunies par des tôles en forme d'ondes, il suffit évidemment de prévoir des renforcements une fois sur deux. Un perfectionnement des dispositifs représentés sur les figures précédentes peut être obtenu si l'on tient compte de la raideur de la poutre porteuse. Lorsque cette poutre sera réalisée avec une tôle d'une certaine épats- seur, on pourra, grâce à sa raideur propre, obtenir une certaine réaction de précontrainte sur le câble inférieur. L'action de cette précontrainte conférera une contreflèche à la poutre en tôle et on pourra, grâce à la raideursde cette poutre, soit réduire, soit même supprimer le câble supérieur. II est à noter que pour donner cette contreflèche, on pourra aisément utiliser des supports intermédiaires provisoires, s'appuyant sur le sol. L'effet de cette contreflèche étant, d'une part de donner une précontrainte à la poutre en tôle et, d'autre part de précontraindre le câble inférieur lui-même. Si l'on a calculé le câble inférieur avec une longueur bien définie, on pourra, après avoir donné la contref lèche à la poutre, venir placer les bielles sans que ces dernières soient mises en compression. En effet, en relâchant les supports, la contreflèche diminuera légèrement en provoquant la tension du câble et en conservant la précontrainte de la tôle qui conservera une certaine courbure avec la contreflèche résiduelle. Enfin, on pourra également utiliser deux câbles inférieurs de formes différentes pour supporter la poutre en 4 points. Chaque câble amènera un support en deux points. On pourra réduire ainsi par 5 la portée de la poutre principale. Autrement dit, avec une poutre capable de supporter les efforts pour une portée déterminée de 6 m., par exemple, on pourra, avec la solution envisagée, réaliser une poutre de 5 x 6 = 30 m. de portée. Sur la figure 4, on a représenté une variante du procédé dans laquelle on a admis que l'éleient à renforcer par des câbles de précontrainte avait une raideur propre non négligeable. Dans ce cas, il sera possible de précontraindre le câble inférieur sans amener le flambement total de la poutre à raidir. On peut, dans ces conditions, supprimer le câble supérieur. Dans cette même variante, on a dessiné un perfectionnement du procédé dans lequel on a disposé deux câbles inférieurs, de manière à supporter la la poutre en 4 points différents. La portée de la poutre est ainsi réduite par 5. Cette solution est naturellement compatible avec l'addition d'un câble supérieur, comme représenté sur la figure 1. Sur la figure 5, planche 2, on a représenté le mode de fixation des câbles de précontrainte. Sur cette figure, on n'a représenté que le câble inférieur. On constate qu'il s'agit d'un câble sans fin, qui vient s'enrouler autour d'un axe (h), cet axe traversant complètement, d'une part le raidisseur (r), et d'autre part le support (g). Ce support (g) est constitué par une plaque qui est soudée dans l'axe du raidisseur et qui sera ensuite boulonnée sur les supports proprement dits de la poutre. Cette disposition permet d'axer d'une manière très précise les efforts de traction du câble, les efforts de compression du raidisseur et les efforts verticaux dûs à la charge verticale. En outre, la mise en oeuvre sera très simple car les câbles qui sont, en fait, constitués par des fils d'acier à haute résistance, seront formés en usine et il suffira d'enfiler l'axe dans les trous pour assurer la liaison convenable entre le raidisseur, le support -et le câble. La figure 6 représente le même dispositif en coupe par un plan vertical. On distingue, dans cette coupe, les câbles inférieurs qui sont prévus au nombre de 2, de manière à ce que la résultante reste centrée sur l'axe du raidisseur. Cette disposition permettra de réaliser très facilement la variante représentée sur la figure 4, puisque l'un des câbles portera 2 bielles tandis que l'autre portera 4 bielles. En jouant sur les flèches relatives des câbles inférieurs, on pourra d'ailleurs s'assurer que les efforts dans les câbles seront les mêmes, malgré leur inclinaison différente. Sur la figure 7, on a représenté l'extrémité d'une bielle (a). Rappelons que cette bielle a une forme triangulaire. Ellese termine par un plat (4) qui vient pénétrer à l'intérieur du raidisseur (r) et qui vient se bloquer contre un fer plat vertical (I) qui est soudé sur toute la longueur du raidisseur. Cette disposition permettra de transmettre facilement les charges verticales du raidisseur sur les bielles (a) qui seront réalisées, par exemple, en cornière. Sur la figure 8, on a représenté, au contraire, I'extrémité inférieure de la bielle triangulaire (a). On constate que deux bielles consécutives, qui arrivent suivant un angle de 900, sont soudées sur un tube vertical (m). Dans ce tube, coulisse une tige filetée (n) et grâce à un écrou (o), il sera possible de faire varier la longueur de cette tige filetée, donc la distance entre les câbles, représentés en (i) sur cette même figure, et les raidisseurs. Les câbles passeront dans un fer U (p), qui sera soudé sur la tige filetée. Une plaque (q) sera boulonnée sur le fer U, après passage des câbles, et permettra de coincer ceux-ci pour éviter tout glissement du système, lorsque la résultante des deux brins de câble qui arrivent sur la bielle n'est pas dirigée exactement dans le plan de cette bielle. Sur la figure 9, on a représenté le dispositif d'ancrage des fils à haute résistance constituant le câble. La liaison des deux extrémités de câble se fera par l'intermédiaire d'un fer plat, dans lequel on aura découpé une rainure. Le câble sera déformé en son extrémité en une sinusolde, qui pénétrera dans la rainure du fer plat. Des clavettes en fer rond (u) permettront alors de solidariser les deux câbles avec la plaque et d'éviter tout glissement. Cette jonction pourra être placée en un point quelconque des câbles, mais de préférence dans la partie horizontale inférieure. Pour réaliser la précontrainte du câble inférieur, on pourra déterminer sa longueur d'après la précontrainte que l'on désire lui appliquer. Il suffira alors d'étayer provisoirement la poutre à renforcer pour lui donner une contreflèche comme on l'a représenté sur la figure 4.. Cette contreflèche étant acquise, on viendra mettre en place les bielles triangulaires (a) et on bloquera les tiges filetées. En enlevant les étais, la précontrainte se fera automatiquement par réduction de la contref lèche de la poutre. Un système analogue, par l'action des tiges filetées, permettra de mettre en précontrainte les câbles supérieurs. REVENDICATIONS 1ère Revendication Je revendique les procédés nouveaux de construction de précântrainte de poutres métalliques par des fils à haute résistance. En partant des procédés connus de poutres sous-tendues, la revendication porte sur l'application d'une précontrainte au câble supportant la poutre précontrainte qui peut être exercée grâce à l'addition d'un câble symétrique situé au-dessus de la poutre, I'objet de cette précontrainte étant de réduire considérablement la déformation. Cette réduction de déformation entraînant la possibilité d'utiliser des aciers à haute résistance travaillant b de très fortes contraintes pour la constitution de la poutre et du câble-support.La revendication porte, en conséquence, d'une part sur l'adoption d'un système symétrique pour augmenter la portée d'une poutre traditionnelle et, d'autre part, sur l'application d'une précontrainte importante pour réduire les déformations. 2ème Revendication La deuxième revendication porte sur l'utilisation du système général défini à la première revendication, appliqué à des poutres constituées par une tôle déformée élastiquement en forme d'onde à concavité dirigée vers le haut. Ces tôles sont enfilées deux à deux dans un raidisseur où elles peùvent coulisser librement suivant un procédé déjà connu. Dans le procédé connu, on exerçait une précontrainte sur la tôle grâce à des ancrages soudés à son extrémité. La deuxième revendication porte sur la création d'une précontrainte dans la tôle elle-même, grâce à une contreflèche qui lui est donnée par des supports provisoires répartis sur la longueur de la poutre. Le câble inférieur, réalisé en acier à haute résistance, sera calculé systématiquement trop court, de manière à conserver la contreflèche donnée à la poutre en tôle au moment où on mettra en place les bielles triangulaires. Cette deuxième revendication porte ainsi sur la mise en précontrainte à la fois de la tôle et du câble inférieur par des appuis provisoires qui auront donné une contreflèche à la poutre en tôle et qu'il suffira de relâcher pour obtenir la précontrainte voulue. 3ème Revendication La 3ème revendication-porte sur une variante du procédé précédent, dans laquelle le câble supérieur est supprimé et où la précontrainte du câble inférieur peut être donnée grâce à la raideur propre des poutres en tôle utilisées. 4ème Revendication La quatrième revendication porte sur l'utilisation de deux câbles inférieurs, de formes différentes, chacun d'eux reprenant la poutre en deux points, ce qui permet finalement de soutenir la. poutre en quatre points différents et de diviser la portée par 5. L'ajustement des longueurs de câbleset des hauteurs de bielles permettra d'assurer la même tension dans les deux câbles porteurs. 5ème Revendication La cinquième revendication porte sur le dispositif d'ancrage des-câbles en fil à haute résistance, cet ancrage étant constitué par un axe qui traverse à la fois le profilé et le support des poutres, support réalisé en partie haute par un fer plat. Le câble de précontrainte est un câble sans fin qui s'enroule autour de cet axe, ce qui permet de centrer d'une manière précise les efforts. 6ème Revendication La sixième revendication porte sur l'utilisation de bielles supportant la poutre,de forme triangulaire, et situées une onde sur deux. Ces bielles triangulaires assurent la stabilité transversale du câble. D'autre part, I'obliquité du câble permet de reprendre les efforts de contreventement horizontaux dans la poutre principale. 7ème Revendication La septième revendication porte sur un dispositif d'ancrage des deux extrémités de fil à haute résistance, dispositif consistant en une déformation du fil en forme de sinusorde, qui est ensuite engagée dans un fer plat et qui est maintenue par des goupilles en fer rond. Ce dispositif permet soit d'ancrer un câble sur une plaque qui sera ensuite boulonnée sur la partie d'ouvrage à précontraindre, soit de rabouter deux câbles, en particulier pour réaliser le câble sans fin qui est utilisé dans le système.