Brevet FR2593536A1 — publié le 19870731

La présente invention concerne des structures en béton armé et en acier destinées notamment à constituer des poutres et, en particulier, des poutres à usage de pannes. Pour divers types de construction et, en particulier, pour les charpentes de couverture des bâtiments industriels, deux principes de constructions s'affrontent - le béton armé, - la charpente métallique Pour réaliser des structures économiques, il faut évidemment utiliser un minimum de matière. Ce phénomène est particulièrement sensible pour les grandes portées car la matière inutile constitue une surcharge parasite. Pour consommer un minimum de matière dans la réalisation d'une structure, l'idéal serait de saturer en tous points les capacités de résistance de la matière. Or, dans les deux grands principes de construction cités ci-dessus, on constate Structures en béton armé. Les aciers entrant dans les structures en béton armé sont calculés pour résister principalement aux contraintes de traction puisque le matériau béton est considéré comme fissuré dans les parties tendues lors des calculs à rupture. Le matériau béton a plusieurs fonctions - résister dans certaines zones aux contraintes de compression et de cisaillement, - dans d'autres zones, son rôle principal est l'enrobage des aciers. Dans une poutre classique en béton armé, une quantité importante de matière est sous-employée supportant au sens de la résistance des matériaux des contraintes insignifiantes. Le matériau béton est lourd et la matière sous-employée entraîne un double gaspillage - coût de la matière, - surcharge parasite Structures métalliques.- Dans une charpente métallique, on calcule les pièces tendues en utilisant pleinement les capacités de résistance de l'acier. Par contre, les pièces comprimées doivent comporter une certaine inertie pour résister au phénomène de flambage et, dans ces conditions, l'acier dans les zones comprimées est en un sens sous-employé. Les profilés métalliques (cornières, profils en U, profils en I) ont une section découpée - afin de présenter une certaine inertie pour résister au flambage, - afin de présenter des formes propices aux assemblages par boulonnage ou par soudage. Dans le premier cas, le perçage des trous affaiblit les sections et, dans le second cas, une certaine longueur de cordon de soudure est nécessaire. Le double problème de flambage et d'assemblage entrain donc des formes complexes et des sections surabondantes pour les profilés. D'autre part, une charpente métallique, lors du montage de grands éléments préassemblés, doit présenter une certaine rigidité d'ensemble, souvent difficile à obtenir avec des profilés très résistants mais présentant sous leurs formes classiques une inertie faible. Ceci conduit à des triangulations complémentaires et uniquement destinées à éviter le flambage d'ensemble. La présente invention concerne des structures mixtes ayant pour caractéristiques d'employer le béton armé dans toutes les parties comprimées et l'acier sous sa forme de profilés dans toutes les parties tendues. De façon typique, une structure conforme à l'invention est une structure rigide essentiellement constituée de béton armé et d'acier destinée à supporter en service des efforts de compression et des efforts de tension, cette structure étant caractérisée en ce que les parties destinées à supporter les efforts de compression sont essentiellement constituées par une masse de béton et en ce que les parties destinées à résister aux efforts de tension sont essentiellement constituées par un assemblage de profilés en acier sensiblement dépourvusde rigidité intrinsèque, cet assemblage étant en majeure partie extérieur au béton et étant ancré dans le béton qui lui assure sa rigidité latérale et sa résistance au flambage. Dans une réalisation typique, la partie en acier est constituée par un assemblage de profilés de forme simple, par exemple des plats rectangulaires ou, encore mieux des ronds à béton. Une structure conforme à l'invention est sensiblement plus économique que les structures connues, notamment pour les raisons suivantes - la structure mixte de l'invention est plus légère qu'une structure qui serait en béton armé, - la partie acier de la structure de l'invention peut être beaucoup plus économique qu'un treillis métallique car la rigidité de la structure sera essentiellement due à la partie béton et non à la partie acier. En outre, lorsqu'on utilise comme acier du rond à béton, ce qui n'est jamais le cas d'une charpente métallique, on obtient des caractéristiques de résistance mécanique supérieures à celles que l'on obtient avec les profilés généralement utilisés en charpente métallique. De plus, par rapport à une charpente métallique classique, les assemblages peuvent être très simplifiés grâce à l'invention puisqu'une partie des assemblages est réalisée par le béton et le reste des assemblages peut être réalisée par des soudures simples, - la partie béton peut être réalisée de façon simple par moulage sur le chantier si bien que la structure de l'invention convient tout à fait pour des petits chantiers où l'on désire cependant utiliser des structures de grandes longueurs.Actuellement, pour une telle application, on rencontre de sérieuses difficultés dues au fait que les structures utilisées sont généralement des structures précontraintes qui sont trop onéreuses à réaliser sur un chantier et qui doivent donc être réalisées en usine, ce qui pose le problème de leur transport et ce problème est particulièrement ardu lorsque les structures ont une grande longueur. On décrira ci-après des réalisations typiques de structures conformes à l'invention, la réalisation la plus typique étant une poutre constituée d'une membrure en béton de section relativement faible par rapport à sa longueur et d'une membrure en acier constituée d'une carène qui remonte à ses extrémités dans la membrure en béton et qui est, d'autre part, reliée de place en place à la membrure en béton par des couples disposés dans des plans transversaux qui sont perpendiculaires à la membrure en béton, les extrémités de ces couples étant noyées dans la membrure en béton. La carène est de préférence constituée par un profilé unique mais peut aussi être constituée par plusieurs profilés assemblés bout à bout et/ou par plusieurs profilés métalliques en parallèle. Sur les figures - la figure 1 est une perspective d'une poutre réalisée selon la présente invention - la figure 2 est une demi-coupe longitudinale de la poutre - la figure 3 est une demi-coupe longitudinale d'une variante de réalisation de la poutre - la figure 4 est une coupe schématique de la poutre par un plan vertical transversal passant dans la région d'un noeud de la membrure en acier de la poutre - les figures 5 et 6 sont des vues agrandies de la figure 4 respectivement dans la région de la membrure en béton et dans la région de la membrure en acier - la figure 7 est un schéma de la poutre dans sa position de moulage de la membrure en béton - la figure 8 est une perspective de la poutre avant coulage de la membrure en béton - la figure 9 est une coupe par un plan vertical transversal du moule de fabrication de la membrure en béton avant et après mise en forme du ferraillage de la membrure - la figure 10 est une coupe, par un plan vertical longitudinal, des extrémités en regard de deux poutres sur un appui commun - la figure 11 est une perspective d'une extrémité d'une poutre - les figures 12, 14 et 16 représentent schématiquement, en vue longitudinale, des variantes d'exécution d'une poutre - la figure 13 est une coupe de la poutre de la figure 12 par un plan vertical transversal - la figure 15 est une coupe de la poutre de la figure 14 par un plan vertical transversal, et - les figures 17 à 19 représentent des exemples de réalisation de jonctions dans la membrure en acier. Les poutres de l'invention qui sont représentées sur les figures sont constituées de deux membrures superposées, l'une B en béton et l'autre A en acier. Dans les réalisations les plus courantes (figures 1 à 3 et 14) , la membrure en béton se trouve systématiquement au-dessus de la membrure en acier lorsque la poutre est en service. Il rentre cependant également dans le cadre de l'invention de réaliser des poutres telles que la membrures en béton puisse se trouver localement audes sous de la membrure en acier (comme cela est représenté sur les figures 12 et 16 à titre d'exemple). On comprendra que, de façon générale, la majeure partie de la membrure en béton reste au-dessus de la membrure en acier lorsque la poutre est en position de service. La membrure B en béton est généralement constituée par un bloc allongé rectiligne en béton armé et lton donne de préférence à ce bloc une section facile à démouler sur un chantier, comme par exemple une section droite de forme trapézoldale (figures 4, 5 et 7). Cette membrure est armée par un ferraillage F selon les règles de l'art pour que la membrure résiste principalement aux efforts de compression. En outre, la membrure doit avoir une inertie suffisante pour résister aux phénomènes de flambage. La membrure A en acier est constituée par un profilé longitudinal L qui s'étend selon la longueur de la membrure en béton suivant une courbe dont la distance à la membrure en béton est maximale au milieu de la poutre et décroît progressivement vers les extrémités de la poutre, ce profilé longitudinal pénétrant dans la membrure en béton dans la région des extrémités de cette membrure et ressortant même sur les tranches d'extrémité de la membrure en béton, comme on le voit sur les figures 2, 3 et 10. La membrure en acier A comprend, d'autre part, des connecteurs en acier C qui relient de place en place le profilé L à la membrure en béton. De préférence, ces profilés L et ces connecteurs C ont une partie C1 soudée au profilé L et une partie C2 ancrée dans la membrure en béton. Dans les exemples représentés, ces connecteurs ont une forme générale en V, le sommet du V étant aplati et soudé sur sa longueur au profilé L tandis que les extrémités des ailes du V sont également aplaties et noyées dans le béton de la membrure B.En outre, dans les réalisations représentées, les connecteurs C sont disposés par paires respectivement à droite et à gauche du plan médian vertical longitudinal P de la poutre, comme on le voit le mieux sur les figures 5 et 6 qui sont des coupes (à deux échelles différentes) de la membrure en béton (figure 5) et de la membrure en acier (figure 6) par le plan médian vertical transversal de la poutre de la figure 3 (plan IV-IV) de la figure 3.On voit sur cette figure que le profilé longitudinal L de la membrure en acier est constitué par un rond en acier à béton de relativement fort diamètre tandis que les connecteurs de liaison C,C' de la membrure en acier A à la membrure en béton B sont constitués par des ronds en acier à béton de diamètre plus petit et l'on voit également sur la figure 6 que la liaison locale entre les ronds à béton des couples C et C' et le rond à béton de la carène L sont constitués par des soudures S. A titre indicatif, on utilise pour le profilé L un rond à béton dont le diamètre est compris dans la gamme 20 à 60 mmtandis qu'on utilise pour les connecteurs un rond à béton dont le diamètre est compris dans la gamme 10 à 30 mm , ces gammes étant données à titre préféré mais non limitatif. Le profilé longitudinal L est, de préférence, constitué par un seul profilé mais il n'est pas exclu de le constituer par plusieurs profilés assemblés. La figure 17 montre, à titre d'exemple, un assemblage de deux profilés L1,L2 au moyen d'un manchon d'assemblage bout à bout M dans lequel les extrémités des profilés, préalablement mises en forme de troncs de cône et filetées, sont enfoncées par vissage. Il n'est pas nécessaire de décrire en détail ce moyen d'assemblage connu en soi.Le profilé L peut, d'autre part, être constitué de plusieurs profilés disposés en parallèle au lieu d'être constitués par un seul profilé et la figure 17 montre, à titre d'exemple, une solution mixte ou le profilé L comprend un profilé L3 suivi de deux profilés parallèles L4,L5, ces divers profilés étant assemblés par une plaquette P qui est traversée librement par les profilés dont les extrémités traversantes sont ensuite soudées à la plaquette. Ce type d'assemblage permet de régler facilement, à la demande, la longueur du profilé L. Le nombre et la forme des connecteurs C est également choisi en fonction des performances demandées à la poutre, sachant que la membrure en acier A n'a essentiellement pour rôle que de supporter les efforts de traction. On notera à ce sujet que dans les exemples représentés sur les figures 1 à 3, le profilé longitudinal inférieur L de la membrure en acier suit la courbe des moments et supporte un effort de traction sensiblement constant sur toute sa longueur sous chargement symétrique, tandis que la membrure supérieure en béton B, qui assure la rigidité longitudinale, supporte un effort de compression sensiblement constant sous chargement symétrique. La fabrication d'une poutre selon l'invention peut se faire aisément sur chantier au moyen d'un moule de conception simple dont un prototype a été représenté sur la figure 8. La position de moulage est à l'envers de la position de service en ce sens que lors du moulage la membrure en acier A se trouve au-dessus du moule Z, soutenue de place en place par des supports appropriés, comme on le voit sur la figure 9. Dans le moule, est disposé le ferraillage F qui est réalisé selon les règles de l'art. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 9 la section droite d'un ferraillage, les parties en traits interrompus représentant le ferraillage avant mise en forme. Les extrémités des connecteurs C sont introduites dans le moule ainsi que les extrémités du profilé longitudinal L qui passent à travers le ferraillage pour ressortir aux extrémités longitudinales du moule. A chacune des extrémités longitudinales de la membrure B en béton, est fixée une pièce métallique S en forme de L (figures 10, 11) qui est destinée à assurer la fixation de la membrure en béton sur un appui par boulonnage. La pièce de fixation S est incorporée à la membrure en béton lors du moulage. Cette pièce de fixation S présente un plat S1 encastré dans la tranche d'extrémité de la membrure en béton et ce plat présente un orifice T1 pour le passage de l'extrémité du profilé longitudinal L de la membrure en acier, l'extrémité dépassante étant ensuite soudée sur le plat, comme on le voit le mieux sur les figures 10 et 11. D'autre part, la pièce de fixation S présente un autre plat S2 destiné à reposer sur l'appui de la poutre et cet autre plat S2 présente une lumière T2 pour le passage d'un goujon qui servira à fixer la pièce S à l'appui de la poutre.Lorsque deux poutres sont portées en alignement sur un même appui, les plats S2 et S'2 des pièces de fixation S et S' sont de préférence superposés, comme on le voit sur la figure 10, pour être traversés par un même goujon St en variante, elles pourraient être indépendantes l'une de l'autre et traversées par des goujons respectifs. L'appui sur lequel repose une extrémité de la poutre est un appui quelconque en soi selon les circonstances d'utilisation. Il peut s'agir par exemple d'un mur, d'un poteau ou d'une poutre transversale. Dans le cas où la poutre selon l'invention est destinée à constituer une panne dans une ferme de charpente, l'appui sera généralement une poutre disposée en arbalétrier. Dans une telle application, la membrure en béton assure la rigidité latérale et travaille très légèrement en flexion sous les charges du matériau qui constitue la couverture. Les efforts introduits par les phénomènes de flexion locale sont de second ordre par rapport aux efforts principaux. Pour réaliser de très grandes longueurs de poutres ou pour toute autre raison, il pourra être utile de donner à la membrure en béton B un profil en long spécial autre que rectiligne et les figures 12, 14 et 16 illustrent des exemples de réalisation où la membrure en béton a un profil en long trapézoldal (figures 12 et 14) ou convexe (figure 16). Dans le cas de la figure 12; il faut assurer une continuité entre les membrures supérieures en acier des deux poutres qui se suivent sur un même appui. La fixation du profilé L à la pièce de fixation S peut aussi être obtenue par un moyen mécanique (boulonnage, etc.), par exemple en filetant ou en usinant l'extrémité du profilé L. REVENDICATIONS 1. Structure rigide en béton et en acier, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée de béton dans toutes les parties comprimées (B) et en ce qu'elle est essentiellement constituée d'acier dans toutes les parties tendues (A). 2. Structure rigide essentiellement constituée de béton armé et d'acier destinée à supporter en service des efforts de compression et des efforts de tension, caractérisée en ce que les parties destinées à supporter les efforts de compression sont essentiellement constituées par une masse de béton (B) et en ce que les parties destinées à résister aux efforts de tension sont essentiellement constituées par un assemblage (A) de profilés en acier sensiblement dépourvus de rigidité intrinsèque, cet assemblage étant en majeure partie extérieur au béton et étant ancré dans le béton qui lui assure sa rigidité latérale et sa résistance au flambage. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'assemblage en acier (A) de la structure est essentiellement constituée de ronds à béton. 4. Poutre constituée d'une membrure en béton (B) de section relativement faible par rapport à sa longueur et d'une membrure en acier (A) constituée d'une carène (L) reliée de place en place à la membrure en béton par des couples (C) disposés dans des plans transversaux qui sont perpendiculaires ou obliques par rapport à la membrure en béton, les extrémités de ces couples étant noyées dans la membrure en béton. 5. Poutre selon la revendication 4, caractérisée en ce que la carène (L) et les couples (C) sont constitués par des ronds à béton. 6. Poutre selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que-la carène remonte à ses extrémités dans la membrure en béton. 7. Poutre selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que la membrure en béton (B) a une section droite trapézoldale. 8. Poutre selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que la carène L est constituée par un profilé longitudinal qui s'étend selon la longueur de la membrure en béton suivant une courbe dont la distance à la membrure en béton est maximale au milieu de la poutre et décroît progressivement vers les extrémités de la poutre. 9. Poutre selon la revendication 8, caractérisée en ce que les couples sont des connecteurs (C) qui ont une partie C1 soudée à la carène L et une partie C2 ancrée dans la membrure en béton. 10. Poutre selon la revendication 9, caractérisée en ce que les connecteurs ont une forme générale en V, le sommet du V étant aplati et soudé sur sa longueur à la carène tandis que les extrémités des ailes du V sont également aplaties et noyées dans le béton de la membrure en béton (B). 11. Poutre selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que les connecteurs (C) sont disposés par paires, respectivement à droite et à gauche du plan médian vertical longitudinal P de la poutre. 12. Poutre selon l'une des revendications j à 11, caractérisée en ce que la carène suit la courbe des moments et supporte un effort de traction sensiblement constant tant sur toute sa longueur sous chargement symétrique, tandis que la membrure supérieure en béton B, qui assure la rigidité longitudinale, supporte un effort de compression sensiblement constant sous chargement symétrique. 13. Poutre selon l'une des revendications 4 à 12, caractérisée en ce qu'à une extrémité longitudinale de la membrure B en béton est fixée une pièce métallique S en forme de L qui est destinée à assurer la fixation de la membrure en béton, sur un appui, par boulonnage. 14. Poutre selon la revendication 13, caractérisée en ce que ladite pièce de fixation S présente un plat S encastré dans la tranche d'extrémité de la membrure en béton, que ce plat présente un orifice T1 pour le passage de l'extrémité de la carène (L) et que l'extrémité dépassante de la carène est soudée sur le plat. 15. Poutre selon la revendication 14, caractérisée en ce que la pièce de fixation S présente un autre plat S2 destiné à reposer sur l'appui de la poutre et cet autre plat S2 présente une lumière T2 pour le passage d'un goujon qui servira à fixer la pièce S à l'appui de la poutre, 16. Application d'une poutre selon l'une des revendications 4 à 15 comme panne dans une ferme de charpente.