Brevet FR2487424A1 — publié le 19820129

Etai de mine La présente invention concerne des étais de mine ou analogues, réalisés à partir d'éléments en bois ou compre- nant du bois, et résistant à des charges. Les poteaux de bois non garnis de manchons de soutien ont une capacité de compression très limitée dans le sens du fil du bois. Dans les mines o les toits se raccordent aux soles, on a eu recours à divers expédients pour prolonger la durée de vie d'étais en bois plein pendant laquelle ils peuvent supporter une charge. Le procédé le plus utile pour allonger la aurée de vie d'un poteau en bois consiste à utiliser des planches d'extrémité à fibres torses et des extrémités amincies qui n'augmentent que légèrement le degré de réduc- tion de longueur des étais quand ils sont soumis à une compression. Une innovation assez récente et qui augmente considérablement le degré de compression longitudinale d'un étai consiste à insérer l'étai dans un manchon réalisé en un matériau tel qu'un acier doux ductile qui entoure l'étai sur une partie substantielle de sa longueur et qui est apte à soulager progressivement les contraintes en cerceaux qui se forment dans l'élément de bois à mesure qu'il est comprimé. Un problème posé par les étais pourvus d'un manchon est que bien qu'ils acceptent plus rapidement une charge que par exemple un remblai, les caractéristiques de leurs performan- ces montrent une perte rapide de leur capacité de support après avoir été initialement en état de supporter une charge et avant de redevenir totalement capables de supporter la charge. Il est possible que cela entraîne une séparation du gisement et la formation de fissures dans le roc qui désta- bilise le toit. L'objet de l'invention est de proposer un étai pourvu d'un manchon permettant de minimiser au moins le problème mentionné ci-dessus. Un étai de support de mine selon l'invention comprend un organe de support de charge en bois, de forme allongée dans le sens du fil et comporte une zone de section réduite et un manchon en un matériau approprié qui entoure l'organe de support dans, ou de chaque côté de sa zone de section réduite pour supporter l'organe de support en direction axiale. Selon une forme de l'invention, le matériau constitutif du manchon est un acier doux ductile apte à limiter de façon élastique une augmentation de la dimension transversale de l'organe de support à mesure que l'étai se réduit en lon- gueur sous l'effet de la charge. De préférence, la zone de section réduite de l'organe de support est pourvue d'une gorge circonférencielle pratiquée dans l'organe de support. Avantageusement, cette gorge est située dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'étai. Le rapport entre les rayons de la partie de section réduite de l'organe en bois et de la partie de section totale peut être compris entre 0,4 et 0,99, et il est de préférence d'environ 0,85. La profondeur de la gorge peut être comprise entre 5 et 15% du diamètre de l'organe de support. De plus, la gorge peut s'étendre sur une partie substantielle de la longueur de l'organe de support. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de certains modes de réalisations donnés à titre d'exemples non limitatifs, dans laquelle on se réfère aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation latérale de l'étai de l'invention, son manchon étant représenté en coupe, les figures 2(a) à (d) sont des vues schématiques du comportement de l'étai de la figure 1 lorsqu'il est comprimé en longueur sous l'effet d'une charge qui lui est appliquée en direction axiale, la figure 3 représente des courbes de performance compa- ratives, et - les figures 4(a) à (d) sont des vues semblables à la figure 1 respectivement de quatre autres modes de réalisa- tion de l'étai selon l'invention. Un mode de réalisation de l'étai de l'invention est représenté à la figure 1 et il consiste en un organe de support de charge 10 en bois, de forme allongée, et en un manchon 12 qui entoure l'organe de support sur une partie substantielle de sa longueur. L'organe en bois 10 est réalisé en un bois assez dur tel que du saligna. L'organe 10 a, en coupe transversale, une forme circulaire et il comprend des parties supérieure et inférieure 14 et 16 situées en partie dans le manchon 12 et dépassant en partie hors de ce manchon, ainsi qu'une zone centrale 18 qui est creusée relativement aux parties supé- rieure et inférieure de manière à déterminer un vide annu- laire 20 entre la zone 18 et le manchon 12. L'élément en bois 10 comporte en outre une gorge secondaire 22 en V dans la zone 18 qui est située immédiatement en dessous de la partie supérieure 14. Le manchon 12 est réalisé en un acier doux ayant une ductibilité suffisante pour restreindre de façon élastique la dilatation de l'ortjane 10 en direction radiale quand il est soumis à une charge. Le manchon 12 est enfoncé par frottement sur l'organe de bois 10 et il est important que le manchon entoure complète- ment la zone 18 de l'organe 10 et fasse saillie sur une longueur suffisante au-dessus et au-dessous de manière à déterminer des douilles qui évitent le fléchissement des parties supérieure et inférieure de l'organe 10 quand il est soumis à une charge. Un étai du type tel que celui représenté à la figure 1 a été comprimé en direction axiale à l'aide d'une presse et les résultats sont présentés par la courbe A du graphique de la figure 3. L'étai utilisé pour l'essai avait une longueur initiale de 1200 mm. L'organe 10 en saligna avait un diamè- tre de 165 mm. La longueur de la zone 18 était de 400 mm et son diamètre était de 135,5 mm. Le manchon 12 était réalisé en acier doux BS 1775 de 1964 amené au grade ERW 11, sa longueur étant de 900 mm et sa paroi ayant une épaisseur de 2,8 mm. La gorge 22 a été pratiquée dans la zone 18 sur une profondeur de 10 mm, sa largeur étant de 20 mm. Comme on peut le voir à la figure-3, l'étai de l'inven- tion a accepté une charge d'environ 37 tonnes après une réduction de longueur d'environ 1 cm seulement. Une légère perte de capacité de support de charge, un peu supérieure à 2 tonnes, s'est manifestée après une compression d'environ 2 cm au moment o la gorge 22 s'est affaissée, comme illustré à la figure 2(a). L'étai a à nouveau accepté la charge lorsque sa compression a atteint 3 cm, suite à quoi il a perdu une petite fraction de sa capacité de support de charge quand les fibres du bois ont commencé à se séparer progressivement dans la zone 18, dans une direction transver- sale à l'axe de l'étai, comme illustré aux figures 2(b) à (d). Comme on peut le voir à la figure 2, la zone o les fibres du bois se séparent augmente et s'étend dans la zone 18 sous l'action de la charge, jusqu'à ce que le vide 20 soit rempli par les fibres de bois fortement comprimées. De façon idéale, ceci devrait survenir au moment o les extrémités des parties supérieure et inférieure de l'étai parviennent à ras ou pratiquement à ras des extrémités du manchon 12, comme illustré à la figure 2(d). Le degré de compression de l'étai utilisé pour l'essai correspondant à la figure 2(d) s'est présenté, pour une réduction de 20 cm ou de 17% de la longueur totale de l'étai, comme le montre la courbe A de la figure 3. A partir du moment o la presse est parvenue en contact avec les extrémités du manchon 12, l'étai s'est comporté comme un support en colonne pratiquement rigide et sa capa- cité de supporter la charge a augmenté, comme le montre la courbe A. Entre les points de la courbe A correspondant à une compression de 20 et de 28 cm, le métal du manchon s'est gonflé radialement vers l'extérieur et il s'est ondulé à mesure que sa longueur se réduisait, alors qu'il était obligé de recevoir le matériau fibreux du bois éclaté. La capacité totale de support d'une charge par l'étai a été atteinte pour une compression de 28 cm (ou une réduction de 23% de sa longueur) et il s'est disloqué quand la compres- sion a été d'environ 35 cm. Un étai classique semblabe à l'étai de la figure 1 a été essayé par comparaison avec ce dernier. L'étai classique consistait en une souche de saligna à côtés parallèles ayant une longueur d'environ 1200 mm et un diamètre de 152 mm, ainsi qu'en un manchon d'acier doux de 4 mm d'épaisseur et de 1000 mm de longueur. La souche était en contact intime avec le manchon sur toute la longueur du manchon. Les résul- tats de cet essai sont représentés par la courbe B du gra- phique de la figure 3. Comme on peut le voir à l'examen de cette courbe B, l'étai classique acceptait une charge tout aussi rapidement, mais il refusait presque tout aussi rapidement une charge d'environ 15 tonnes quand les fibres du bois ont commencé à se séparer dans l'une des extrémités en saillie et non entourée par le manchon. Une seconde perte importante de capacité de support de charge est apparue quand la cortipres- sion a atteint environ 9 cm et quand les fibres ont commencé à se séparer dans l'autre extrémité saillant encore hors du manchon, puis l'étai est devenu un support pratiquement rigide. La charge supportée a continué à croître, puis elle a finalement décru avant la défaillance du manchon, comme le montre la courbe. De la description qui précède et de la figure 3, il ressort clairement que les avantages de principe de l'étai de l'invention par rapport à l'étai classique décrit ci- dessus viennent de ce que l'étai de l'invention supporte la charge de manière plus uniforme sans présenter des cycles aigus o la charge n'est plus acceptée,- et de ce que son manchon nécessite moins d'acier que celui de l'étai classique et est moins coûteux, ce qui est un argument important dans un pays tel que l'Afrique du Sud o on utilise des milliers d'étais de type classique. Le profil de l'organe de bois 10 n'est pas limité à celui illustré à la figure 1 et la partie de diamètre réduit de l'organe peut être conformée ou profilée de façon appro- priée quand on désire obtenir des étais présentant des caractéristiques diverses de compressions sous une charge. Les caractéristiques de compression des divers étais de l'invention dépendent de paramètres tels que les longueurs des parties en saillie des parties supérieure et inférieure 14 et 16, des parties 14 et 16 qui sont engagées dans le manchon, de la zone profilée 18 de l'organe 10 de même que du rapport entre ces dimensions et le diamètre. Les caracté- ristiques de compression dépendent également du rapport entre rayons ou diamètres, c'est-à-dire du rapport entre le diamètre total de l'organe 10 et le diamètre de la zone profilée 18; du volume du vide 20; du rajpport entre le diamètre et la longueur totale; du rapport entre la longueur du manchon et la longueur de l'étai; du type de bois utilisé et de sa teneur en humidité de même que de la charge par friction appliquée aux parties supéreure et inférieure de l'organe de bois. La figure 4 représente quatre autres types de réalisa- tion de l'étai de l'invention. Chaque partie profilée de chaque organe de bois 10 peut eétre découpée à une profondeur telle que le rapport entre les rayons soit compris entre 0,4 et 0,99. On a constaté qu'un rapport de 0,85 était préféra- ble et que le rapport de 0,4 ou moins était difficilement acceptable en raison de la capacité réduite de l'étai à supporter la charge. Dans tous les profils représentés à la figure 4, la contrainte (charge par unité de surface) est déterminée dans la section profilée quand la force de la friction statique a été surmontée dans l'une quelconque des deux zones de fric- tion, lorsque l'élément est soumis à une charge axiale. Naturellement, la contrainte qui existe dans l'organe de bois 10 est à son niveau le plus élevé quand le diamètre est le plus faible, ceci étant le point o commence la sépara- tion des fibres. Dans l'étai de la figure 1, la séparation des fibres peut commencer en un endroit quelconque le long de la zone profilée 18. Dans le cas des étais illustrés aux figures 4(a), (b) et (c), la chute de charge initiale qui est supportée est beaucoup moins rapide que celle illustrée par la courbe B du graphique de la figure 3 et elle peut rester sensiblement constante si le rapport entre les rayons est suffisamment faible. Dans tous les étais de l'invention qui sont illustrés, la tendance est une diminution de la charge supportée quand les fibres commencent à se séparer, mais, dans le cas de l'étai de la figure 4(a), la charge tend a rester plus constante. Ceci vient de ce que la zone de séparation des fibres augmente à partir de la base 24 le long de la lon- gueur de la zone 18, la surface en coupe de la partie profi- lée de l'organe 10 allant en augmentant, ce qui réduit la contrainte. Du fait que la surface en coupe est directement propor- tionnelle au carré du rayon, la modification de la surface est assez rapide par rapport à la modification de la compres- sion. Ceci a tendance à faire augmenter rapidement la charge supportée, ce qui fait qu'à l'encontre de la tendance généra- le qui est une réduction de la charge supportée, l'effet général est de maintenir la charge supportée à un niveau relativement constant. L'étai de la figure 4(b) réagit pratiquement de la même manière que celui de la figure 4(a). L'étai de la figure 4(c), du fait de la présence des deux parties 24 de diamètre réduit dans la zone 18, a tendance à présenter deux pics après le premier point d'inflexion de la courbe de compres- sion par rapport à la charge lorsque les fibres commencent à se séparer à chaque extrémité de la zone 18. L'un quelconque des étais de la figure 1 et des figures 4(a) à (c) peut être pourvu de gorges secondaires 22 espacées et dimensionnées de façon appropriée dans leurs zones profi- lées 18 pour réduire les déflexions indésirables de la cnarge en un point quelconque de leurs courbes de compres- sion. C'est par expérience que l'on détermine la nécessité, la position et les dimensions des gorges pour obtenir une caractéristique particulière de charge/compression. L'étai de la figure 4 (d) ne comprend par de gorge ou zone 18 allongée et de diamètre réduit, mais il possède par contre une série de petites zones de diamètre réduit défi- nies par les gorges 26. Bien que les gorges 26 soient repré- sentées sur les dessins comme ayant toutes la même dimension, elles peuvent être prévues en plus grand nombre ou en moins grand nombre et leurs largeurs, leurs profondeurs et leurs emplacements peuvent varier pour permettre une adaptation à des exigences particulières de support de charge. L'étai de l'invention n'est pas limité aux détails constructifs précis qui ont été décrits ici et le manchon 12 pourrait être par exemple réalisé en fibres de verre renfor- cées par une résine et aptes à éclater progressivement à partir des extrémités du manchon et en direction du centre de ce manchon à mesure que la charge lui est appliquée. Il n'est pas non plus essentiel à l'invention que l'or- gane de support de charge en bois 10 soit constitué par un unique élément de bois, et dans le mode de réalisation représenté en détail à la figure 1, l'une quelconque des trois parties 14, 16 et 18, ou les trois, pourraient consis- ter en des éléments de bois séparés et disposés de façon appropriée, et dans les modes de réalisation des figures 4(b) et (c), l'organe 10 pourrait être séparé dans un plan central transversal. REVENDICATIONS 1. Etai de support de mine, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (10) de support de charge en bois de forme allongée dans le sens du fil et comportant une zone (18) de section réduite, et un manchon (12) en un matériau approprié qui entoure l'organe de support sur et de chaque côté de sa zone de section réduite pour supporter l'organe de support en direction axiale. 2. Etai selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau constitutif du manchon est de l'acier doux ductile apte à restreindre de façon élastique une augmenta- tion de la dimension en coupe de l'organe de support à mesure que l'étai se réduit en longueur sous l'effet d'une charge. 3. Etai selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone de section réduite de l'organe de support est pourvue d'une gorge circonférentielle (22) pratiquée dans l'organe de support. 4. Etai selon la revendication 3, caractérisé en ce que la gorge (22) est située dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'étai. 5. Etai selon la-revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que l'organe de support et le manchon ont une section trans- versale circulaire. 6. Etai selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport entre les rayons de la partie de section réduite et de l'organe de support est compris entre 0,4 et 0,99. 7. Etai selon la revendication 6, caractérisé en ce que le rapport entre les rayons est de 0,85. 8. Etai selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la gorge s'étend sur une proportion substantielle de la longueur de l'organe de support dans le manchon. 9. Etai selon la revendication 8, caractérisé en ce que la base de la gorge va en se réduisant d'une extrémité à l'autre selon la direction axiale de l'étai. 10. Etai selon la revendication 8, caractérisé en ce que la base de la gorge va en se réduisant à partir de ses deux extrémités et en direction de son centre. 11. Etai selon la revendication 8, caractérisé en ce que la base de la gorge est parallèle à l'axe de l'étai. 12. Etai selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la base de la gorge comprend au moins une gorge secondaire. 13. Etai selon la revendication 12, caractérisé en ce que la gorge secondaire, ou chaque gorge secondaire, a une forme en V. 14. Etai selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'organe de support comprend au moins deux gorges qui sont creusées dans le manchon. 15. Etai selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités de l'orga- ne de support en bois font saillie hors du manchon.