Brevet FR2569224A1 — publié le 19860221

SYSTEME DE LIAISON PAR SERRAGE POUR ARCEAUX DE SOUTENEMENT DE GALERIES SOUTERRAINES La présente invention se rapporte à un système de liaison par serrage de segments à profil de gouttière mutuellement imbriqués et utilisés pour le soutènement de galeries sou- terraines, ce système comprenant une attache inférieure en U, rigide à la flexion et en appui dans les cavités sous- jacentes du segment à profil de gouttière occupant la posi- tion d'enveloppement; une attache supérieure pourvue d'une gorge et coiffant les collerettes du segment à profil de gouttière occupant une position enveloppée; ainsi que des boulons de liaison qui, portant des écrous de blocage et franchissant de part en part des trous traversants ménagés dans les oreilles des attaches saillant perpendiculairement, présentent des protubérances en forme de tête de marteau qui sont ménagées solidairement en direction des extrémités des oreilles, d'un côté par rapport aux axes desdits bou- lons, s'étendent approximativement parallèlement auxdits segments à profil de gouttière et sont dotées, de part et d'autre des fûts des boulons, de nez d'appui pressés par con- formation, par des régions superficielles à courbure convexe, dans les transitions curvilignes de l'attache supérieure entre les branches de cette attache et les oreilles de cette der- nière, les surfaces de portée desdits nez d'appui s'étendant alors rectilignement dans le sens longitudinal des segments à profil de gouttière. Un système de liaison par serrage de ce genre fait partie de l'état de la technique, d'après la demande de brevet DE-A- 2 850 350. Dans ce système de liaison, l'on utilise des bou- lons de solidarisation dont les têtes sont configurées avec décalage par rapport aux axes desdits boulons, vers les extré- mités libres des oreilles des attaches. Les faces postérieures 2 2569224 des têtes des boulons, tournées vers les segments à profil de gouttière, s'étendent sensiblement dans les plans longi- tudinaux passant par les axes desdits boulons. Les faces inférieures de ces têtes sont, pour une part prépondérante, en contact à plat avec les faces supérieures aplaties des oreilles des attaches. Seules les zones de transition entre les faces inférieures des têtes des boulons et leurs faces postérieuresaccusent une courbure convexe et prennent appui, par concordance de formes, aux transitions de configuration correspondante entre les ailes des attaches et les oreilles de ces attaches. Les zones de transition entre les fûts des boulons et les faces inférieures des têtes de ces der- niers sont réalisées avec des arêtes vives à angle droit. Les faces postérieures des fûts des boulons, tournées vers les segments à profil de gouttière, sont relevées jusqu'à un plan s'étendant parallèlement aux faces frontales desdits boulons d'assujettissement, et passant par les faces infé- rieures des têtes de ces boulons. L'attache supérieure, les boulons de liaison et l'atta- che inférieure sont mutuellement harmonisés de telle sorte que les têtes desdits boulons continuent de porter à plat contre l'attache supérieure, non seulement en condition solidarisée par emboîtement et exempte de tension, mais également après l'application d'une certaine force de con- trainte préalable. En cas d'accroissement de la force de contrainte préala- ble au-delà d'une valeur déterminée (et notamment lors d'une contrainte imposée par la poussée de la roche), le système connu de liaison par serrage peut être soumis à une solli- citation telle que les extrémités libres des oreilles ploient en direction des écrous de blocage. Il en résulte toutefois une diminution des surfaces de contact entre les têtes des boulons et l'attache supérieure, ce qui se traduit par un accroissement de la pression superficielle. Cette forte pres- sion superficielle se concentre en outre étroitement autour des trous traversant l'attache supérieure. Ainsi, les ré- gions situées immédiatement au bord de ces trous sont sou- mises à des efforts extrêmement grands. Par ailleurs, cette 3 2569224 contrainte s'accroît davantage encore du fait que les régions des têtes des boulons, dépassant en forme de nez au-delà des fûts desdits boulons dans le sens longitudinal des segments à profil de gouttière, sont cintrées vers le haut en direc- tion des faces frontales des boulons de solidarisation. Des forces maximales doivent alors être transmises par l'intermé- diaire de surfaces de contact relativement petites. De sur- croit, cette concentration de charge-extrêmement forte sur les bords des trous peut provoquer aisément une défaillance prématurée de l'ensemble du système de liaison par serrage, du fait que l'attache supérieure se rompt au voisinage des trous traversants, ou bien que les têtes des boulons s'en- foncent dans les trous de vissage. Compte tenu des efforts visant à fournir des éléments de liaison dont la conception matérielle est optimalisée en permanence, la mise en oeuvre de matière pour constituer l'attache supérieure munie de gorges à sa face inférieure sera calculée, dans le cas connu, de façon que le système de liaison par serrage présente, dans son ensemble, un compor- tement satisfaisant dans la pratique. De plus, une écono- mie de matière plus poussée pour l'attache supérieure aurait pour effet d'affaiblir trop fortement les zones de courbure de l'attache supérieure (constituant dans une certaine mesure des articulations) entre la membrure de cette attache et ses branches, ou bien respectivement entre lesdites branches et les oreilles de ladite attache. Néanmoins, même dans le cas d'une conception matérielle étudiée pour la pratique, le système connu est un système relativement faibie. Il en résulte que, lorsque la roche applique des poussées, toutes les pièces du système de liaison par serrage doivent effec- tuer de plus grandes courses de déformation. Cela implique un plus grand intervalle entre les parties mutuellement assu- jetties par blocage. Par conséquent, ce phénomène peut avoir pour conséquence que chaque arceau de soutènement individuel perd prématurément son aptitude fonctionnelle. L'invention a par conséquent pour objet de créer un système de liaison par serrage du type précité, qui garantisse 4 2569224 l'aptitude fonctionnelle prolongée d'un arceau de soutènement de galeries souterraines se composant de plusieurs segments à profil de gouttière, moyennant un flux de forces harmonisé tant dans les boulons de liaison que dans les attaches (no- tamment dans l'attache supérieure), et moyennant aussi une réduction de la quantité totale de matière mise en oeuvre. Conformément à l'invention, cet objet est atteint par le fait que les trous traversants, ménagés aux transitions cur- vilignes entre les oreilles et les branches de l'attache su- périeure munie d'une gorge dans sa face supérieure, sont harmonisés en fonction des boulons de liaison, tant au voi- sinage des têtes de ces boulons que des zones attenantes des fûts desdits boulons, de telle sorte que, avant l'appli- cation de la force de précharge des boulons, il existe, entre les fûts de ces boulons et les régions périphériques des trous traversants voisines des extrémités des oreilles, une distance déterminée par les impératifs de montage; et que, après l'application de ladite force de précharge des boulons et après un décalage relatif préalable desdites oreilles le long des régions superficielles à courbure convexe des nez d'appui, les arêtes (situées au fond des gorges longitudina- les) des régions périphériques des trous traversants voisines des extrémités des oreilles viennent s'appliquer, avec con- tact d'appui, contre les régions des fûts des boulons situées au-dessous des têtes desdits boulons. La coopération fonctionnelle des boulons de liaison avec les oreilles munies de gorges à leurs faces supérieures con- duit à ce que, lors de l'application de la force de préchar- ge des boulons, les faces supérieures des transitions entre les oreilles et les membrures puissent coulisser le long des régions superficielles à courbure convexe des nez d'appui. Dans ce cas, l'angle d'ouverture entre les collerettes et les ailes augmente jusqu'à ce que les arêtes (situées au fond des gorges longitudinales) des régions périphériques des trous traversants voisines des extrémités des oreilles viennent en contact d'appui avec les fûts des boulons au- dessous des têtes de ces boulons, et qu'il y ait ainsi compensation du jeu résultant de la fabrication ou du montage 2569224 entre les boulons de liaison et les trous traversants. La liaison par serrage est ainsi rigidifiée. Des charges supplé- mentaires imposées en service n'entraînent plus aucun fléchis- sement dans la courbe caractéristique charge/course. Bien au contraire, le comportement charge/course prend littéralement une allure à pente raide. Par suite de la réduction de matière mise en oeuvre dans l'attache supérieure, il est possible que toutes les forces entre l'attache supérieure et les boulons de liaison s'écou- lent de la même façon que dans un collier de traction car, en présence d'un flux de forces analogue à celui parcourant un collier de traction, il n'est plus nécessaire de prévoir des transitions rigides à la flexion. De la sorte, des for- ces imputables à la poussée exercée par la roche,et supérieu- resà la force de-précharge,ne peuvent plus provoquer de cour- ses de déformation des éléments constitutifs du système de liaison par serrage ni, par conséquent, une suppression de l'enserrement des segments à profil de gouttière. Bien au contraire, cet enserrement est maintenu plus longtemps, ce qui prolonge également,dans le temps, l'aptitude fonction- nelle de chaque arceau de soutènement individuel. L'invention procure un flux de forces optimal dans les éléments individuels du système de liaison par serrage, moyen- nant une quantité identique ou moindre de matière mise en oeuvre, et se traduit par un accroissement des charges maxi- males. Il est possible de prédéterminer une résistance définie à l'insertion, laquelle résistance peut être maintenue cons- tante en présence de superpositions de forces de flexion et de trajets d'insertion ayant des valeurs différentes. L'on conserve,dans ce cas, l'accumulateur élastique nécessaire à la compensation de tassements des arceaux de soutènement. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, les faces inférieures des nez d'appui peuvent être inclinées par rap- port aux axes des boulons, dans un plan longitudinal s'éten- dant sensiblement parallèlement au plan médian longitudinal des segments à profil de gouttière, d'un angle dimensionné inférieur à 90 . Du fait de ces caractéristiques, les têtes des boulons sont désormais réalisées à leur face inférieure, sur leurs nez d'appui, de façon que, même après l'application d'une force de précharge déterminée, seules les extrémités libres des nez d'appui continuent de venir s'appliquer con- tre les surfaces des oreilles des attaches. Dans ce cas, un dimensionnement correspondant des têtes des boulons garantit que, même après l'application de la force totale de précharge, la transmission de forces demeure concentrée sur les régions extrêmes des nez d'appui. Ainsi, ces forces sont introduites dans l'attache supérieure à une distance relativement grande des trous traversants de vissage. Lors d'un accroissement sup- plémentaire de la force de précharge ou bien, respectivement, en présence d'une charge en service dépassant ultérieurement cette force de précharge, les nez d'appui peuvent alors se décaler adéquatement en direction des faces frontales des têtes des boulons. Par conséquent, c'est alors seulement que viennent s'appliquer, contre les oreilles des attaches, d'autres régions des faces inférieures des nez d'appui qui sont plus rapprochéesdes trous traversants, sans toutefois soumettre les bords de ces trous à une contrainte inadmissi- blement forte. Ainsi, la configuration particulière des tê- tes des boulons se traduit par le fait que, en présence de poussées appliquées par la roche, les surfaces de contact entre les têtes des boulons et l'attache supérieure sont agrandies, ce qui fait que la sollicitation spécifique de l'attache supérieure est considérablement diminuée sur les bords des trous. Etant donné que les zones les plus faibles de l'attache supérieure se trouvent fondamentalement au voi- sinage des trous traversants, la diminution de la contrainte permet de réduire la section de cette attache supérieure. La quantité de matière mise en oeuvre s'en trouve diminuée. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'inven- tion, les nez d'appui peuvent porter exclusivement par des régions superficielles à courbure convexe contre les transi- tions entre les branches des attaches et les oreilles de ces attaches cintrées en direction de la membrure desdites atta- ches, lesdites régions superficielles convexes s'achevant 7 2569224 vers le haut par les faces extrêmes et, vers l'avant, par les faces frontales des têtes des boulons. Les faces extrê- mes des têtes des boulons peuvent accuser un bombement con- vexe dans le plan longitudinal s'étendant sensiblement paral- lèlement aux faces frontales. Les fûts desdits boulons peuvent être réalisés inclinés dans la région sous-jacente aux têtes desdits boulons, et s'achever par les faces extrê- mes de ces têtes. Lesdites faces extrêmes des têtes des bou- lons peuvent être en saillie, par rapport aux fûts de ces boulons, d'une distance choisie inférieure, de préférence d'environ 1/3 inférieure au rayon des fûts desdits boulons. Enfin, les faces des fûts des boulons tournées vers les seg- ments à profil de gouttière peuvent être relevées jusqu'à un plan qui s'étend parallèlement aux faces frontales et passe sensiblement à mi-hauteur des têtes des boulons. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemples nullement limitatifs, en regard des des- sins annexes sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale de la zone de superposition de deux segments à profil de gouttière d'un arceau de soutènement de galeries souterraines, équipés de deux systèmes de liaison par serrage; la figure 2 est une élévation fragmentaire à échelle agrandie avec coupe partielle, montrant le système de liaison par serrage dans la région extrême du segment à profil de gouttière occupant la position enveloppée; la figure 3 est également une élévation latérale fragmen- taire avec coupe partielle, illustrant le système de liaison par serrage dans la région extrême du segment à profil de gouttière occupant la position enveloppante; la figure 4 est une coupe transversale verticale selon la ligne IV-IV de la figure 3, illustrant en arraché la région d'un boulon de liaison; la figure 5 est une coupe transversale verticale selon la ligne V-V de la figure 2, montrant en arraché la région d'un boulon de liaison; la figure 6 est une élévation Iatérale -d'un boulon de liaison; la figure 7 illustre le boulon selon la figure 6, obser- vé dans la direction d'une flèche VII; la figure 8 est une vue en plan du boulon de liaison d'après la figure 6; la figure 9 montre une tête de boulon appliquée contre une oreille de l'attache supérieure illustrée en coupe, lors de l'application de la force de précharge; et la figure 10 met en évidence les positions relatives d'une tête de boulon et d'une oreille de l'attache supérieure, en présence d'une poussée appliquée par la roche et excédant la force de précharge. Sur les figures 1 à 5, les références 1 et 2 désignent deux segments à profil de gouttière, imbriqués l'un dans l'autre et faisant partie d'un arceau de soutènement de gale- ries qui, par ailleurs, n'est pas illustré en détail. Cha- que segment 1, 2 se compose d'un fond 3, d'ailes latérales 4 et de collerettes 5, ces collerettes 5 se soutenant mutuel- lement (figures 4 et 5). Le coincement des segments 1, 2 à profil de gouttière, dans les limites d'une zone de superposition s'allongeant sous la poussée de la roche, est provoqué par deux systèmes 6 et 7 de liaison par serrage. Ces systèmes 6 et 7 sont à chaque fois associés, avec faculté d'entraînement, aux régions extrêmes des deux segments 1 et 2. Les systèmes 6 et 7 de liaison par serrage comprennent respectivement une attache inférieure 9 (figures 4 et 5) configurée en U, rigide à la flexion et prenant appui dans des cavités 8 sous-jacentes aux collerettes du segment 1 occupant la position enveloppante; une attache supérieure coiffant les collerettes 5 du segment 2 occupant la posi- tion enveloppée; ainsi que des boulons de liaison 16, qui portent des écrous de blocage 15 et franchissent des trous traversants 11 et 12 pratiqués dans des oreilles 13 et 14 perpendiculairement en saillie au-delà desdites attaches. Les oreilles 13 des attaches supérieures 10 coudées sen- siblement en U et munies d'une gorge longitudinale 17 sont cintrées en direction de membrures 18 desdites attaches 9 2569224 (figures 4 et 5). Des transitions 19 entre les oreilles 13 des attaches et des branches 20 de ces attaches sont curvili- gnes. Les trous traversants 11 sont ménagés de façon que, après la flexion, ils se trouvent principalement dans les transitions 19. Comme le montrent les figures 1 à 3, des zones margina- les longitudinales 21 des attaches supérieures 10 sont incli- nées en forme de toiture. A cet égard, l'inclinaison en toi- ture de la zone 21 de l'attache supérieure 10,venant s'appli- quer contre le segment 2 occupant la position enveloppée (figures 1 et 2), est de réalisation plus longue. Deux sail- lies 22 en forme de bec, façonnées solidairement sur l'arê- te antérieure, s'engagent dans des faces extrêmes 23 des collerettes 5 du segment 2 occupant la position enveloppée (figures 1, 2 et 5). Les attaches inférieures 9 sont cintrées en U et possè- dent des oreilles 14 en décrochement latéral perpendiculaire. Les attaches inférieures 9 s'engagent, par des nervures de soutien 24, dans les cavités 8 sous-jacentes aux collerettes du segment 2 occupant la position interne (figures 2 à 5). Des branches 25 de l'attache inférieure 9 qui vient au con- tact de l'extrémité du segment enveloppant 1 comportent des saillies solidaires 26 en forme de mentonnet (figures 1, 3 et 4), qui prennent appui contre des faces frontales 27 des ailes 4 dudit segment enveloppant 1. Les boulons de liaison 16 utilisés dans les systèmes de liaison par serrage 6 et 7 des figures 1 à 5 ressortent plus en détail des figures 6 à 10. Les boulons de liaison 16 présentent des protubérances 29 en forme de tête de marteau, qui sont ménagées d'un côté par rapport à des axes 28 desdits boulons et comportent des nez d'appui 31 situés de part et d'autre de fûts 30 des- dits boulons. En position d'utilisation (figures 1 à 5), les protubérances 29 sont dirigées vers les extrémités des oreil- les et s'étendent approximativement parallèlement aux seg- ments 1, 2 à profil de gouttière. Comme le mettent en évidence les figures 4 à 6, les nez d'appui 31 portent exclusivement par des régions superficielles 32 à courbure convexe contre les transitions 19 entre les branches 20 des attaches et les oreilles 13 de ces attaches, cintrées en direction des membrures 18 desdites attaches su- périeures o10. Lesdites régions convexes 32 s'achè- vent vers le haut par des faces extrêmes 33 et, vers l'avant, par des faces frontales 34 des têtes 29 des boulons (figure 6). Il ressort de la figure 8 que les faces extrêmes 33 des têtes 29 des boulons accusent un bombement convexe dans le plan longitudinal s'étendant sensiblement parallèlement aux faces frontales 34. Des faces inférieures 35 des nez d'appui 31 (voir en par- ticulier la figure 9) sont inclinées par rapport aux axes 28 des boulons, dans des plans longitudinaux s'étendant sensi- blement parallèlement au plan médian longitudinal des seg- ments 1, 2 à profil de gouttière, selon un angle î dimension- né inférieur à 90 . En revanche, des surfaces opposées 36 de l'attache supérieure 10, qui assurent la portée des nez d'appui, s'étendent rectilignement dans le sens longitudinal des segments 1, 2. Cette réalisation a pour effet que, lors de l'application de la force de précharge, les nez d'appui 31 portent tout d'abord contre l'attache supérieure 10 en étant très éloignés des trous traversants 11 (figure 9). Si un effort plus important est ensuite imposé (figure 10), les- dits nez 31 se déforment selon des flèches A, en direction des faces frontales 34 des têtes 29 des boulons, avec une ampleur telle que les faces inférieures 35 viennent en contact à plat avec l'attache supérieure 10 et réduisent ainsi la pression superficielle spécifique. Comme le montre encore clairement la figure 6, les fûts 30 des boulons sont réalisés inclinés dans une région 37 sous- jacente aux têtes 29 desdits boulons, et s'achèvent par les faces extrêmes 33 de ces têtes. Cette figure 6 met également en évidence que les faces extrêmes 33 des têtes 29 sont en saillie, par rapport aux fûts 30, d'une distance dimensionnée inférieure, de préférence d'environ 1/3 inférieure au rayon desdits fûts 30. Il ressort par ailleurs de la figure 6 que des faces 38 des fûts 30,-tournées vers les segments 1 et 2 il à profil de gouttière,sont relevées jusqu'à un plan qui s'étend parallèlement aux faces frontales 34, et passe sensi- blement à mi-hauteur des têtes 29 des boulons. Les faces supérieures des nez d'appui 31 sont inclinées en forme de toiture. Comme le révèle en particulier une observation des figu- res 4 et 5, les jeux inhérents à la fabrication entre les boulons 16 et l'attache supérieure 10 sont supprimés après l'application de la force de précharge. Un serrage des bou- lons permet de rigidifier les systèmes de liaison 6 et 7 lorsque les trous traversants de vissage 11 viennent s'appli- quer contre les fûts 30 desdits boulons. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 12 2569224 REVENDICATIONS 1. Système de liaison par serrage de segments à profil de gouttière mutuellement imbriqués et utilisés pour le soutène- ment de-galeries souterraines, ce système comprenant une attache inférieure en U, rigide à la flexion et en appui dans des cavités sousjacentes du segment à profil de gout- tière occupant la position d'enveloppement; une attache supé- rieure,pourvue de gorges et coiffant les collerettes du seg- ment à profil de gouttière occupant la position enveloppée; ainsi que des boulons de liaison qui, portant des écrous de - blocage et franchissant de part en part des trous traversants ménagés dans les oreilles des attaches saillant perpendiculai- rement, présentent des protubérances en forme de tête de marteau qui sont ménagées solidairement en direction des extrémités des oreilles, d'un côté par rapport aux axes des- dits boulons, s'étendent approximativement parallèlement aux- dits segments à profil de gouttière et sont dotées, de part et d'autre des fûts des boulons, de nez d'appui pressés par conformation, par des régions superficielles à courbure convexe, dans les transitions curvilignes de l'attache supérieure entre les branches de cette attache et les oreilles de cette dernière, les surfaces de portée desdits nez d'appui s'étendant alors rectilignement dans le sens longitudinal des segments à profil de gouttière, système caractérisé par le fait que les trous traversants (11), ménagés aux transi- tions curvilignes (19) entre les oreilles (13) et les bran- ches (20) de l'attache supérieure (10) munie d'une gorge dans sa face supérieure, sont adaptés aux boulons de liaison (16), tant au voisinage des têtes (29) de ces boulons que dans des zones attenantes des fûts (30) desdits boulons, de telle sorte que, avant l'application de la force de précharge des boulons, il existe, entre les fûts (30) de ces bouions et les régions périphériques des trous traversants (11) voisines des extrémités des oreilles, une distance déterminée par les impératifs de montage; et que, après l'application de ladite force de précharge des boulons et après un décalage relatif préalable desdites oreilles (13) le long des régions super- ficielles convexes (32) des nez d'appui (31)î les arêtes 13 2569224 des régions périphériques des trous traversants (11) voisines des extrémités des oreilles viennent s'appliquer, avec con- tact d'appui, contre les régions (37) des fûts (30) des bou- lons situées au-dessous des têtes (29) desdits boulons, les arêtes précitées se trouvant au fond des gorges longitudinales (17 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que. les faces inférieures (35) des nez d'appui (31) sont inclinées par rapport aux axes (28) des boulons, dans un plan longitudinal s'étendant sensiblement parallèlement au plan médian longitudinal des segments (1, 2) à profil de gouttière, d'un angle ( Ot) dimensionné inférieur à 90 . 3. Système selon l'une des revendications 1 et 2, caracté- risé par le fait que les nez d'appui (31) portent exclusive- ment par des régions superficielles (32) à courbure convexe contre les transitions (19) entre les branches (20) des atta- ches et les oreilles (13) de ces attaches qui sont cintrées en direction de la membrure (18) desdites attaches, lesdites régions superficielles convexes (32) s'achevant vers le haut par les faces extrêmes (33) et, vers l'avant, par les faces frontales (34) des têtes (29) des boulons. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les faces extrêmes (33) des têtes (29) des boulons accusent un bombement convexe dans le plan longitudinal s'étendant sensiblement parallèlement aux faces frontales (34). 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les fûts (30) des boulons sont réalisés inclinés dans la région sous-jacente aux têtes (29) de ces boulons, et s'achèvent par les faces extrêmes (33) desdites têtes. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé par le fait que les faces extrêmes (33) des têtes (29) des boulons sont en saillie, par rapport aux fûts (30) desdits boulons, d'une distance choisie inférieure, de préférence d'environ 1/3 inférieure au rayon desdits fûts (30) des boulons. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 14 2569224 6, caractérisé par le fait que les faces (38) des fûts (30) des boulons, tournées vers les segments (1, 2) à profil de gouttière,sont relevées jusqu'à un plan qui s'étend paral- lèlement aux faces frontales (34) et passe sensiblement à mi-.% hauteur des têtes (29) des boulons.