Brevet FR2537631A1 — publié le 19840615

Perfectionnements aux structures en béton précontraint. L'invention est relative aux structures en béton précontraint. On sait que le béton résiste mal à la traction et qu'unie façon d'améliorer cette résistance consiste à le soumettre au moins localement à une précontrainte à l'aide de câbles métalliques tendus. Les structures correspondantes en béton précontraint donnent satisfaction pour de nombreuses applications. En particulier, elles permettent de remplacer les charpentes métalliques équivalentes dans de nombreux cas avec avantage, du fait de leur prix inférieur. Mais leur poids est plus élevé que celui des structure res métalliques comparables. Les deux techniques considérées du béton précontraint et de la charpente métallique sont fondamentalement distinctes et s'excluent même mutuellement. En effet, la précontrainte qui est exercée sur le béton par traction de câbles métalliques serait plutôt défavorable si elle était appliquée à des éléments métalliques structurels, du fait en particulier de la réduction qui en résulterait de la résistance au cisaillement de ces éléments. La demanderesse a eu cependant l'idée de combiner ces deux techniques contradictoires et a pu ainsi obtenir des structures combinées présentant dans une certaine mesure à la fois les avantages des deux techniques en question ces structures combinées sont en effet à la fois moins chères que les structures purement métalliques équivalentes et moins pesantes que les structures équivalentes constituées intégralement en béton précontraint. A cet effet, les structures en béton précontraint selon l'invention sont essentiellement caractérisées en ce que l'une au moins de leurs portions soumises à la précontrain te est constituée par une poutre métallique disposée et liée au restant de la structure de façon telle que ses sollicitas tions dues à la précontrainte soient pour l'essentiel orientées selon la direction de sa longueur. Dans des modes de réalisation préférés, on a recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes - la liaison entre la poutre métallique et le restant de la structure est effectuée en au moins deux zones extrê- mes de la poutre, - les deux zones extrêmes selon l'alinéa précédent sont situées aux deux extrémités longitudinales de la poutre, - la liaison entre la poutre métallique et le restant Ide la structure est effectuée tout le long de l'un au moins des bords longitudinaux de la poutre, - la poutre métallique réunit entre eux deux éléments distincts, de la structure, constitués en béton précontraint, - la structure est une structure porteuse horizontale et comporte au moins une poutre métallique horizontale à âme verticale ou oblique, - la structure selon les deux alinéas précédents comporte deux dalles horizontales en béton précontraint situées l'une au-dessus de l'autre et réunies entre elles par au moins deux poutres métalliques horizontales à âme verticale ou oblique, - dans le cas où la poutre métallique est triangulée, les extrémités longitudinales de chacune des membrures constitutives du treillis de triangulation sont liées rigidement aux portions adjacentes en béton précontraint de la structure. L'invention comprend, mises à part ces dispositions principales, certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en même temps et dont il sera plus explicite ment question ci-après. Dans ce qui suit, l'on va décrire des modes de réalisation préférés de,l'invention en se référant au dessin ciannexé d'une manière bien entendu non limitative. Les figures 1 et 2, de ce dessin, montrent chacune en vue perspective une portion coupée transversalement d'une travée de pont en béton précontraint perfectionnée selon l'invention. La figure 3 montre en coupe transversale une autre structure en béton précontraint.perfectionnée selon l'invention. Les figures 4 et 5 montrent en vue générale latérale à échelle réduite deux ponts en béton précontraint perfectionnés selon l'invention. Dans chaque cas la structure considérée comprend un corps allongé en béton précontraint présentant une relativement grande dimension ou longueur L. Ce corps se présente par exemple sous la forme d'au moins une dalle horizontale 1, 2 (figure 1) ou 7, 8 (figure 2), ou d'au moins une poutre en T 3 (figure 3), en I, en U, en caisson ..., cette dalle ou poutre pouvant avoir une ligne moyenne rectiligne comme visible en 1, 2 sur la figure lou en 4 sur la figure 5, ou incurvée comme visible en 7, 8 sur la figure 2 ou en 5 sur la figure 5, ou encore sous la forme d'un voile vertical 6 (figures 4 et 5) éventuellement renforcé par des nervures, etc. D'une façon connue en soi, certains au moins des volumes constitutifs de ce corps, et en particulier ceux destinés à être soumis en service à des contraintes de traction ou de fiexion, sont soumis à une précontrainte selon la direction de la longueur L à l'aide de câbles 9 qui sont par exemple logés dans des gaines 91 noyées dans le béton, mais qui peuvent également être extérieurs au béton. Ces câbles sont tendus par des moyens nonreprésen- tés sur les figures. On sait qu'une telle précontrainte améliore considérablement les performances du béton à la traction et à la flexion. On combine en outre au corps ci-dessus (1-8) en béton précontraint, selon l'invention, au moins une poutre-métallique à âme pleine ou triangulée en disposant et liant cette poutre à ce corps de façon telle qu'elle soit soumise à la précontrainte et que ses sollicitations dues à cette pré- contrainte soient pour l'essentiel orientées dans la direc- tion de sa longueur. En d'autres termes, au lieu de constituer la totalité de la structure en béton précontraint, on remplace l'une au moins des portions précontraintes de celle-ci par une poutre métallique, beaucoup plus légère que le béton. Par "poutre métallique" on entend ici un élément de construction métallique allongé présentant essentiellement une partie médiane ou "âme" et éventuellement une ou deux parties marginales ou "semelles". L'âme en question est en générai pleine, et alors relativement plate et mince, étant constituée par au moins un plat : la poutre se présente alors avantageusement sous la forme d'une corniere en L ou dsun profilé en I, en double T, en U, en caisson, etc., dont la ligne moyenne peut être rectiligne ou incurvée. L'âme de la poutre peut également être triangulée, c'est-à-dire constituée par-un treillis composé de membrures inclinées sur la direction -longitudinale de la poutre et de deux profilés de rive longitudinaux sur lesquels sont fixées ces membrures. Dans chaque cas l'âme ainsi définie présente une surface moyenne longitudinale plane ou incurvée, et la poutre est propre à resister essentiellement aux efforts exercés parallèlement à cette surface moyenne. La ligne moyenne de ladite surface peut elle-même être rectiligne ou incurvée, cette dernière hypothèse étant envisageable même pour une surface moyenne plane. La poutre considérée doit être rigidement fixée sur le corps en béton précontraint de façon à former avec celuici un bloc solidaire et à contribuer ainsi efficacement à la résistance de la structure globale vis-à-vis des divers efforts appliqués sur celle-ci, Cette fixation est assurée de façon telle que la poutre reçoive, au cours même de la fabrication de la structure, une partie de l'effort de précontrainte appliqué sur celle-ci par la tension des câbles et que les sollicitations dues à cet effort de précontrainte soient exercées pour l'essentiel sur ladite poutre selon sa direction longitudinale. Cette précontrainte du métal constitutif de la poutre, qui est donc appliquée sur ce métal dès la mise sous tensiqn des câbles de précontrainte et qui croît même légèrement ensuite en raison du retrait et du fluage subséquents du béton, est en principe défavorable du fait qu'elle diminue la capacité de résistance du métal, notamment au cisaillement, et qu'elle réduit d'autant le degré de précontrainte appliqué au béton lui-même. Mais ces inconvénients prévisibles se révèlent finalement mineurs : la demanderesse a découvert que, d'une façon inattendue, la combinaison imaginée par elle permet de réaliser des structures finalement plus avantageuses que les structures équivalentes constituées uniquement en métal ou uniquement en béton précontraint ; une telle combinaison permet de bénéficier à la fois du moindre poids du métal et du moindre prix du béton et la balance entre ces avantages et les inconvénients mineurs signalés ci-dessus est en définitive favorable. Dans les deux premiers modes de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2 et relatifs tous les deux à une travée de pont, le corps en béton précontraint est composé de deux dalles horizontales (1 et 2, figure 1 ; 7 et 8, figure 2) disposées l'une au-dessus de l'autre et soumises toutes les deux à une précontrainte longitudinale globalement parallèle à leur longueur L, comme schématisé par les flèches F. La ligne moyenne longitudinale de chaque dalle peut être rectiligne (figure 1) ou incurvée (figure 2). Les deux dalles de chaque travée sont réunies verticalement entre elles à l'aide de deux-poutres métalliques horizontales 10, 101 en I ou en double T dont l'âme pleine 11, 111 est verticale. Les deux semelles horizontales 12, 121, de ces poutres, sont liées rigidement sur toute leur longueur respec tivément aux deux dalles adjacentes. De façon schématique, cette liaison a été représentée sur les figures 1 et 2 comme étant un encastrement en ce sens que chaque semelle 12, 121 y-est entièrement noyée dans le béton de l'une des dalles 1, 2, 7, 8. Mais dans la pratique un tel encastrement peut se révéler difficile à réaliser et la liaison rigide en question est alors assurée de toute autre façon désirable. En particulier elle peut être obtenue à l'aide de connecteurs tels que ceux employés en construction mixte acier-béton classique (non précontraint) : ces connecteurs, préalablement soudés sur les semelles, sont noyés dans les dalles au moment du coulage du béton. Dans l'hypothèse de la préfabrication des dalles, la connexion entre les semelles et ces dalles peut être assurée par soudure ou collage sur ces semelles de portions apparentes d'inserts métalliques partiellement noyés dans les dalles, ou par introduction de pattes solidaires desditessemelles et faisant saillie extérieurement à celles-ci dans des logements appropriés des dalles, cette introduction étant suivie d'un blocage approprié. Toujours dans l'hypothèse de la préfabrication des dalles, on peut également utiliser des boulons à haute résistance, dits HR. Dans ce cas, la dalle prend appui sur la semelle considérée par l'intermédiaire d'inserts métalliques plats susceptibles d'être intimement solidarisés avec ladite semelle par serrage de tels boulons HR. L'utilisation de ces boulons HR permet de ne transmettre au métal qu'une partie de la précontrainte : il suffit pour cela de ne procéder au serrage de ces boulons qu'après application d'une précontrainte de première phase ; au cours de cette première phase, les boulons n'étant pas serrés, la précontrainte appliquée au béton n'est pas transmise au métal, le glissement relatif du béton par rapport au métal n'etant pas entravé, et c'est seulement après serrage des boulons que les efforts de précontrainte,dus notamment au retrait-fluage du béton, sont appliqués à l'ensemble béton métal alors solidaire Ceci dit, c'est généralement après l'aSsemblage des poutres métalliques sur les dalles que la précontrainte est appliquée à l'ensemble de ia structure par traction sur des câbles longitudinaux 9. Ces câbles 9 sont soit logés dans es gaines longitudinales 91 elles-mêmes préalablement noyées dans le béton, soit disposés à l'extérieur des dalles en béton, certains câbles pouvant être partiellement intérieurs et partiellement extérieurs. Le câblage d'ensemble peut également résulter d'une combinaison de ces solutions. Du fait de la rigidité de la fixation assurée entre chaque semelle 12, 121 et la dalle adjacente en béton, la précontrainte imposée à ce dernier, qui tend à se traduire par un très léger raccourcissement longitudinal de celui-ci, est transmise aux portions marginales adjacentes de chaque poutre métallique 10, lOlrlesquelles subissent donc ellesmêmes un très léger raccourcissement longitudinal. Comme déjà mentionné, la très légère réduction de performance qui résulte de cette compression longitud-inale pour le métal constitutif des poutres est tout à fait secondaire en regard des avantages qui résultent de la combinaison adoptée. En effet, la travée de pont qui vivent d'être décrite est, à performances techniques identiques, moins coûteuse qu'une travée équivalente en métal et moins pesante qu'une travée équivalente en béton précontraint :-ce dernier araD tage se traduit à son tour par une réduction du prix des piles ou culées affectées au support de la travée concernée, peut rendre possible un allongement unitaire de chaque iLTa- vée ... Il est à noter en outre que l'adoption de pout-?es métalliques dans la travée peut faciliter la construction de celle-ci vu que ces poutres peuvent servir de structure porteuse provisoire, notamment pour supporter des coffrages destinés à la coulée du béton ou même plus simplement Sur la mise en place des divers éléments constitutifs de la tra- vée, dont certains peuvent être des éléments préfabriqués en béton précontraint De nombreuses variantes des travées décrites ci- dessus peuvent etre envisagées. En particulier, la précontrainte longitudinale-peut être appliquée sur les poutres en exerçant simplement une poussée sur chacune de leurs deux extrémités longitudinales Une telle poussée peut également être combinée ê la liaison rigide, décrite ci-dessus, établie entre chaque poutre ee le beton précontraint sur toute la longueur d'au moins l'un des bords longitudinaux de cette poutre. Le nombre des poutres 10, 101 ci-dessus reliant les deux dalles horizontales 1, 2 ou 7, 8 peut etre supérieur à deux. Les âmes de ces poutres peuvent être inclinées sur la-verticale au lieu d'être verticales. La dalle inférieure 2, 8 peut être remplacée par un tablier métallique faisant corps avec les poutres 1a 101. Cette dalle-inférieure peut être v9utée comme repré- senté en 5 sur la figure 5, de même que le bord inférieur de chaque âme et que chaque semelle inférieure, s il en est prévu. Les poutres 10, 101 à âme pleine ci-dessus peuvent elles-mêmes être remplacées par d'autres poutres dont l'âme n'est plus pleine, mais perforée, ou encore est formée par un treillis 13. C'est ce dernier cas qui a été schématisé sur la figure 5, où les extrémités des différentes membrures composant chaque treillis sont toutes rigidement liées à ltune ou à l'autre de deux dalles en béton précontraint encadrant verticalement ce treillis. Dans le cas de cette figure 5, la dalle supérieure 4 est plate et la dalle inférieure 5 est incurvée cylindriquement en tournant sa concavité vers le bas. Sur la figure 3, on a schématisé une variante de structure porteuse horizontale comprenant un corps prismatique 3 en béton précontraint de génératrices horizontales délimité supérieurement par une surface plane horizontale. La section droite verticale de ce corps présente la forme générale d'un T dont le pied relativement épais 14 se termine inférieurement par une baste élargie 15 et dont les ailes 16, relativement larges, s'amincissent vers leurs bords. Ledit corps 3 est étayé par deux poutres métalliques 17 dont les âmes pleines 18 sont inclinées et dont les deux semelles 19 et 20 prennent appui respectivement sur la base élargie 15 et sous les bords des ailes 16. Si maintenant l'on considère l'ensemble d'un pont longitudinalement précontraint, il est possible selon l'invention de substituer le métal au béton sur la totalité d'au moins un tronçon longitudinal de cet ensemble. C'est ce qui a été illustré sur la figure 4, où le tronçon central-du pont est constitué par une poutre métallique horizontale 21 enserrée longitudinalement entre deux tronçons d'extrémité 6 en béton précontraint : les câbles de précontrainte s'étendent alors sur toute la longueur du pont et ont été désignés sur cette figure par le référence 22. Dans le pont déjà mentionné précédemment qui a été schématisé sur. la figure 5, le tronçon central, composé de deux dalles en béton 4, 5 réunies verticalement entre elles par des âmes métalliques triangulées 13,est également enserré longitudinalement entre deux tronçons d'extrémité en béton précontraint 6. Sur cette figure 5 comme sur la figure 4, les flè- ches F désignent les efforts de précontrainte et les appuis du pont ont été désignés par la référence 23. En suite de quoi, et quel que soit le mode de réalisation adopté, on dispose finalement de structures mixtes en béton précontraint armé de poutres métalliques dont la constitution et les avantages résultent suffisamment de ce qui précède. Comme il va de soi, et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés , elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. C'est ainsi que l'invention peut être appliquée avec avantage aux structures alvéolées en béton précontraint comprises par les formes de radoub, leurs bateauxportes, les barges, les docks flottants, les plate-formes "off-shore", certains murs de quai, etc., structures comportant un hourdis supérieur et un hourdis inférieur reliés verticalement entre eux par un cloisonnement assurant non seulement le raidissage de l'ensemble mais aussi la formation de compartiments étanches : au lieu d'être constitué en béton précontraint, ledit cloisonnement raidisseur et étanche peut, conformément à l'invention, être constitué par des poutres métalliques, ce qui permet une meilleure séparation des fonctions et un allégement de la structure. REVENDICATIONS 1. Structure en béton précontraint, caractérisée en ce que l'une au moins de ses portions soumises à la précontrainte est constituée par une poutre métallique (10, 101l 13, 17, 21, 25) disposée et liée au restant de la structure de façon telle que ses sollicitations dues à la précontrainte soient pour l'essentiel orientées dans la direction de salongueur 2. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison entre la poutre métallique et le restant de la structure est effectuée en au moins deux zones extremes de la poutre 3. Structure selon la revendication 2, caractérisée en ce que les deux zones extrêmes sont situées aux deux extrémités longitudinales de la poutre (figures 4 et 5). 4. Structure selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la liaison entre la poutre métallique et le restant de la structure est effectuée tout le long de l'un au moins des bords longitudinaux de la poutre (figures 1 2, 3, 5). 5. Structure selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la liaison entre la poutre métallique et le restant de la structure est assurée, notamment à l'aide de boulons haute résistance, après exécution d'une première phase d'application de précontrainte au béton. 6. Structure selon lsune quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce que la poutre métallique réunit entre eux deux éléments distincts, de la structure, constitués en béton précontraint (figures 1, 2, 4) 7. Structure selon l'une quelconque des précédentes revendications, caractérisée en ce qu'elle constitue une structure porteuse horizontale et comporte au moins une poutre mé- tallique horizontale à âme verticale ou oblique. 8. Structure selon les revendications 6 et 7, caractérisée en ce qu'elle comporte deux dalles horizontales en béton-précontraint (1, 2 ; 7, 8) situées l'une au-dessus de l'autre et réunies entre elles par au moins deux poutres métalliques horizontales (10, 101), à âme verticale (11, 111) ou oblique. 9. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle constitue unestruc- ture alvéolaire composée de deux hourdis en béton précontraint réunis verticalement entre eux par un cloisonne- ment en poutres métalliques. 10. Structure selon l'une quelconque des précédentes revendications, dans laquelle l'âme de la poutre est triangulée, caractérisée en ce que les extrémités longitudinales de chacune des membrures constitutives du treillis de triangulation (13) sont liées rigidement aux portions adjacentes en béton précontraint de la structure.