Brevet FR2599070A2 — publié le 19871127

FR 2599070 A2 19871127 FR 8607334 A 19860522 -1 Ce brevet concerne une amélioration apportée au brevet N 83012 10 de Monsieur Georges CULICA, portant le titre "Liaison métallique rigide entre planchers-dalles levés et poteaux préfabriqués en béton armé, pour des structures auto-stables", en vue de son application à des immeubles parasismiques. Cette amélioration répond aux sollicitations séismiques exercées sur des structures d'immeubles constituées de planchers (de préférence des planchers-dalles) et de poteaux. Il est rappelé en premier lieu le comportement de ces structures lors des séismes, et précisé quelques notions de la physique du béton armé, afin de rendre compréhensible le perfectionnement apporté. Un mouvement séismique du sol entraîne avec lui les bâtiments s'y trouvant. Par ses accélérations, il fait que les masses situées généralement aux niveaux des planchers de ces bâtiments, soient retardées par l'inertie dans le déplacement par rapport aux fondations. L'immeuble oscille donc par rapport au sol et les poteaux subissent, de ce fait, plusieurs types d'efforts. Ces efforts sont généralement alternatifs pendant un séisme. Ainsi donc, on trouve - Les efforts de flexion qui apparaissent dans les poteaux à cause de la différence de déplacement horizontal entre deux planchers successifs. La liaison entre poteaux et planchers est du type "encastrement élastique". Lors des déplacements horizontaux d'importances différentes de ses deux extrémités, un poteau d'étage prend la forme d'un S allongé -., donc il fléchit. Les efforts de flexion sont maximaux et de sens opposés à ses deux extrémités. - Les efforts verticaux axiaux proviennent des charges verticales, poids propre des éléments de la construction, charges de service ou secousses séismiques. Ces dernières peuvent même y engendrer des efforts verticaux de traction pendant l'oscillation du bâtiment. - Les efforts tranchants horizontaux proviennent des forces d'inertie horizontales des planchers et qui sont transmises à travers des poteaux aux fondations. - Les efforts de torsion des poteaux peuvent apparaître dans des immeubles dissymétriques. Les forces horizontales d'inertie ont leur résultante -Z placée ailleurs que dans le centre géométrique de l'immeuble et, de ce fait, provoquent une rotation horizontale de l'immeuble autour de ce dernier. Le comportement mécanique du béton est caractérisé par le fait qu'il 5 possède une bonne résistance à la compression mais une très faible résistance à la traction et au cisaillement. Pour améliorer ce comportement dans les éléments en béton qui ont des zones tendues ou cisaillées, on "arme" ces éléments avec des barres en acier, ce qui donne le "béton armé" d'une technique bien connue. Dans le cas d'un poteau d'étage, les sollicitations séismiques qui sont réversibles, font que le béton proche de ses extrémités et situé près d'une face du poteau passe d'une compression extrême à une traction extrême. Les aciers verticaux sont tendus jusqu'à leur "limite élastique". L'extrémité de ce poteau réalise ainsi son couple maximal de résistance. Elle peut continuer 15 ensuite de fonctionner commne "rotule plastique" pour le même couple maximal mais consommant beaucoup plus d'énergie séismique qu'un encastrement élastique, du fait que les mouvements sont plus amples. Les matériaux reçoivent des déformations beaucoup plus grandes, au-delà des limites élastiques situées dans les domaines "élasto-plastique" et "plastique". Après plusieurs flexions alternées de ce genre, le béton se désagrège et les barres verticales flambent: c'est l'état de ruine. Actuellement, on améliore la résistance du poteau contre ce phénomène par l'augmentation de l'armature transversale de la zone d'extrémité appelée "zone critique" sur une hauteur de l'ordre du sixième de la hauteur d'étage. 25 On augmente donc le nombre des cadres et étriers en réduisant l'espacement entre leurs cours successifs. C'est le procédé de "frettage". On a constaté que ce frettage augmente la résistance du béton et qu'il lui confère une grande déformabilité appelée "ductilité". Cette ductilité est l'aptitude d'un élément en béton armé de préserver 30 sa capacité de résistance au-delà de sa limite élastique. On connaît la "ductilité du matériau" qui s'exprime par le rapport entre la "déformation limite ultime" et la déformation correspondant à la "limite élastique". La "ductilité d'un élément de structure" ou "ductilité de rotation" 35 s'exprime par le rapport entre sa rotation maximale élasto-plastique ou plastique et sa rotation correspondant aux limites élastiques des matériaux le composant. - 3 - 2599070 Enfin, la "ductilité de structure" concerne les structures hyperstatiques - comme les portiques - qui, par l'apparition de quelques "rotules", se transforment dans des structures isostatiques et transfèrent les efforts dépassant les couples résistants de ces rotules vers d'autres zones restées encore élastiques. Cette ductilité s'exprime par le rapport entre le déplacement horizontal maximal d'un niveau défini de cette structure et le déplacement correspondant à la limite élastique des matériaux, mais avant la transformation de la structure dans un "mécanisme -'hypo-statique - de rupture", par l'apparition O de trop de rotules. L'explication de cette ductilité améliorée est que le béton est sollicité en étreinte triaxiale lorsqu'il est "confiné" latéralement, Le confinement passif, par armature transversale, est analogue au confinement actif par pression Iatérale, à partir du moment ohi ces armatures sont mises en tension par la pression du béton. Le confinement diminue la tendance à la fissuration interne et à l'augmentation du volume du béton. La résistance du béton et sa ductilité, sous étreinte triaxiale axée ou excentrée, augmentent considérablement par rapport à la compression uniaxiale. Cette augmentation se termine lorsque les aciers des "frettes" atteignent leur limite élastique, se plastifient et s'allongent sans effort supplémentaire. Le confinement par frettes circulaires est plus efficace que celui formé par cadres rectangulaires, car ces derniers peuvent fléchir latéralement, sauf s'ils sont retenus de place en place par des étriers. Par sa résistance à la compression et sa ductilité augmentées, le béton fretté résiste mieux aux flexions alternées séismiques, même si celles-ci lui diminuent considérablement ses capacités. Après un séisme, un tel poteau ne sera probablement plus en position verticale, mais ne se sera pas effondré pendant le séisme. Compte tenu de ces précisions concernant la technique du béton armé dans les structures parasismiques, il est présenté la solution offerte par ce brevet. - 4 - 2599070 Dans l'invention objet de ce brevet, il est prévu un connecteur, c'estàdire une pièce métallique de liaison entre plancher (8) et poteau (1), ayant une double fonction: celle de solidariser le plancher avec le poteau et celle de fretter ce dernier sur ses extrémités sur la hauteur d'un sixième de sa 5 largeur considérée comme zone critique. C'est un tube métallique (2) qui enrobe le poteau sur cette zone critique. Pour des régions sans séismes, les connecteurs correspondant à ceuxci, dans le brevet principal, pour la liaison entre planchers-dalles et poteaux, sont constitués de la manière suivante deux cadres métalliques se trouvent 10 incorporés dans le poteaude section rectangulaire relativement mince, dont l'un est situé au niveau de la face inférieure du même plancher. Ces cadres sont reliés par des barres transversales et verticales dans le poteau afin de former une cage rigide. A cette cage se fixe, par soudure et par l'intermédiaire de cales métal15 liques (12) de longueur adéquate, le raidisseur du bord de la trémie du plancher formé d'un profilé métallique en forme de t (9), trémie dans laquelle passe le poteau. Pour des immeubles parasismiques, ces deux cadres périphériques sont donc remplacés par un tube (2) métallique, comme une chemise qui 20 épouse la forme du poteau, constituée d'une t8le épaisse, striée du c6té du béton et qui couvre le poteau sur sa "zone critique" supérieure et inférieure à l'endroit du plancher. Sa longueur est limitée à cette zone critique pour des raisons d'économie et d'efficacité, car, dans la zone centrale de la hauteur d'un poteau 25 d'étage, la flexion est très réduite. Le frettage sera très peu efficace et, dans un tube continu, le bétonnage se ferait très difficilement. Les armatures transversales (4) du poteau dans cette zone subsistent mais sont reliées à la carcasse d'armature du poteau. La chemise métallique est raidie par des barres (5) transversales 30 soudées à elle-même grâce à des trous pratiqués dans la t8le, à travers lesquels sont passées ces barres, après la mise en place de la carcasse d'armature du poteau, lequel, pour la solution préfabriquée, est en position horizontale sur le sol. On pratiquera également quelques trous (6) dans cette t le dans la zone 35 correspondant à l'épaisseur du futur plancher, afin de permettre à la vapeur - 5 - 2599070 d'eau émanée par le béton lors de l'opération de soudure de se dégager. Il y aura également deux trous (7) vers la partie supérieure de la chemise sur deux faces opposées de celle-ci pour l'introduction desboulonsde fixation provisoire du plancher. Les barres transversales (5) empêchent le flambement local de la chemise et, d'autre part, elles assurent la continuité des barres horizontales se trouvant dans le plancher. La tôle de la chemise, grâce à ses stries situées du côté du béton du poteau, ne glisse pas le long du poteau, car ces stries engendrent des "bielles" de compression inclinées à,J45 dans le béton du poteau. Les barres transversales (5) soudées à cette tôle, mentionnées plus haut, contribuent aussi à cette fixation. L'espace vide restant entre le collier du plancher (9) et la chemise du connecteur (2) sera rempli de mortier (11). La fonction de cette chemise en acier est donc multiple - elle permet les soudures e liaison entre plancher et poteau - elle frette complètement les zones critiques du poteau, ce qui constitue 0, 04 du volume du béton et ce qui est le maximum admissible, d'après le règlement français du béton armé, alors que le frettage par cadres et étriers n'arrive qu'à 0, 007 5 du volume afin qu'il ne sépare pas le noyai du poteau du béton d'enrobage. Ce frettage intégral, sans le risque de séparation du noyau par rapport au béton d'enrobage - puisque la chemise est à l'extérieur du béton -, augmente la limite de déformation du béton de 20 % même par rapport au frettage en cadres et étriers avec 0, 007 5 du volume, c'est-à- dire que le coefficient de déformation devient 0, 016 au lieu de 0, 0135, alors que ce coefficient pour le béton non confiné est 5 de 0, 002. En même temps, la résistance à la compression simple du béton augmente d'environ 80 %, tandis que, pour une compression avec flexion, le couple résistant est augmenté jusqu'à 20 %; - par son épaisseur de 5mm ou plus, nécessaire pour la fonction de fixation du plancher, cette tôle striée qui enrobe le poteau constitue une section 0 d'acier verticale généralement supérieure aux nécessités d'armatures pour la flexion composée du poteau travaillant à la limite élastique. Comme tous les poteaux sont équipés des mêmes connecteurs, certains poteaux fonctionnent, de ce fait, lors d'un séisme, en phase élastique seulement, ce qui leur permet d'avoir encore une réserve de résistance en plus de celle des phases élasto-plastique et plastique mentionnées plus haut. 6- 6 -2599070 25990?0 Par ceci, ils satisfont aux exigences - concernant ce concept relativement nouvea- -dsrèglements parasismiques les plus modernes, comme le C.E.B. Model Code for Seismic Design of Concrete Structures, d'Avril 1985, qui ne permet les déformations de "rotules plastiques" que pour un quart du nombre des poteaux, comme sécurité contre la formation d'un "mécanismrne de rupture" o tous les poteaux auraient des rotules plastiques. Au-delà des limites de ces chemises, les efforts de flexion sont plus réduits par le fait de leur variation linéaire entre les deux extrémités d'un poteau, si bien que l'armature correspondante du poteau, par ses barres 10 longitudinales (3), est réduite en proportion. Comme, d'autre part, cette armature doit passer à travers la zone critique, elle renforce d'autant cette zone déjà armée par la chemise du connecteur. Ceci permettra à cette zone de rester davantage dans la phase élastique pendant le séisme. Pour le cas des poteaux moins sollicités en flexion, la hauteur de ces 15 chemises sera plus réduite en fonction du diagramme du moment de flexion. Par sa situation périphérique dans la section du poteau, donc avec un "bras de levier" plus grand que celui des armatures de flexion situées à une certaine distance des parements du poteau, la section d'acier de cette chemise résiste à la flexion dans des conditions optimales. Le même compor20 tement optimal se retrouve dans le cas de sollicitations en torsion du poteau. Pour les sollicitations d'effort tranchant horizontal et vertical, sa section, qui est importante, participe avantageusement à l'équilibre de ceux-ci. Les avantages de l'uatilisation de ce connecteur sont On peut utiliser le procédé de construction des structures d'immeubles 25 réalisés par des planchers levés du type dalles-plates continus, même dans les pays séismiques, en constituant des structures auto-stables, sans l'apport pour la stabilité,de cages d'escalier ou d'ascenseurs ni de murs raidisseurs ou de murs pignons. Les poteaux même du type de poteaux gaines peuvent être également 30 utilisés dans les structures parasisrniques. De même, les dalles précontraintes en deux directions ou les poteaux préfabriqués précontraints provisoirement lors de leur mise en place. Les murs qui ne sont plus ni porteurs ni raidisseurs, seront réalisés par des cloisons légères suspendues aux plafonds et séparées des planchers par des bandes résiliantes afin de ne pas modifier la flexibilité des poteaux. - 7 - 2599070 Par l'utilisation de cloisons et de façades légères, tout en tenant compte de l'impératif de l'insonorisation, les masses sollicitées par le séisme sont diminuées et les forces séismiques sont réduites en proportion. Toutes ces améliorations ont des conséquences heureuses dans la conception architecturale d'un immeuble. La technologie de la construction sur le chantier est celle des planchers levés à laquelle s'ajoute la rationalisation du transport en hauteur des matériaux, dans le sens que les matériaux du "second oeuvre" d'un étage sont chargés sur le plancher se trouvant au niveau du sol et montés avec celui-ci au niveau définitif. Exemple non limitatif Dans un immeuble avec une tramre de 5, 0 mètres, pour un portique de trois travées et quatre niveaux dont le rez-de-chaussée a une hauteur de quatre mètres et les étages ont des hauteurs de 3, 0 mètres, les poteaux auront des sections d'environ 40 x 40 cm et les planchers-dalles en béton armé auront une épaisseur de 22 cm. La chemise du connecteur (2) en tôle striée sera d'une épaisseur de 5mm avec des stries de 2 mm de profondeur et sa hauteur sera de 67 cm dans le rez-de-chaussée et de 50 cm dans le premier niveau, ce qui, avec l'épaisseur du plancher de 22 cm, fera environ 140 cm de longueur. Les armatures continues (3), d'un poteau à un étage des plus sollicités, seront de l'ordre de seize barres de 20 mm de diamètre en acier H.A., distribuées sur toute la périphérie de la section. Les trous (6) servant comme évents auront un diamètre d'environ 50mrm, tandis que les trous (7) pour boulons de fixation provisoire du plancher auront un diamètre en fonction des diamètres de ces boulons. -8 - REVENDICATIONS 1) Liaison métallique rigide entre planchers-dalles levés et poteaux préfabriqués en béton armé pour des structures autostables selon la revendication 1 du brevet N 8301210 de M. CULICA offrant aux structures étagées le caractère d'autostabilité gr&ce à sa valeur d'encastrement, mais avec une amélioration afin de rendre ces structures résistantes aux efforts séismiques en leur conférantla propriété de ductilité, caractérisée en ce qu'elle utilise à la place de la cage réticulée incorporée au poteau de ce brevet un connecteur constitué d'une chemise métallique (2). 2) Liaison métallique rigide entre planchers-dalles levés (8) et poteaux préfabriqués (1) pour structures d'immeubles selon la revendication 1 caractérisée en ce que le connecteur (2) est constitué en tôle striée épaisse, en forme de tube, qui enrobe la "zone critique" du poteau et qu'elle est mise en place lors de la fabrica15 tion du poteau. 3) Liaison métallique rigide selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que cette chemise métallique remplace les cadres de la cage connecteur pour immeubles non sollicités par les séismes du brevet N 8301210. 4) Liaison métallique rigide selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la chemise en tôle striée enrobant la zone critique du poteau et faisant la liaison avec le plancher, est raidie par des barres transversales (5) se trouvant dans le poteau et soudées à sa tôle, qu'elles traversent par des trous pratiqués à cet effet. 25 5) Liaison métallique rigide selon une des revendications 1, 2 et 4 caractérisée en ce que d'autres trous (6) sont pratiqués dans cette tôle dans la zone correspondant à l'épaisseur du futur plancher, servant comme évents contre la température élevée créée par les soudures (13) des planchers, et enfin d'autres (7) pour la fixation de boulons 30 maintenant provisoirement le plancher avant l'opération de soudure. 6) Liaison métallique rigide selon une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce qu'en plus de sa fonction de connecteur avec le plancher, cette chemise participe comme armature de flexion, de cisaillement vertical et horizontal, de torsion et de frettage intégral 35 des zones critiques du poteau. 7) Liaison métallique rigide selon une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que par sa fonction de frettage, elle améliore la résistance à la flexion composée du poteau et sa ductilité, donc sa sécurité envers les séismes. - 9 - 8) Liaison métallique rigide selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que cette chemise connecteur permet l'utilisation du procédé des planchers levés pour des structures d'immeubles autostables dans des pays séismiques avec façades légères et murs non porteurs suspendus. 9) Liaison métallique rigide selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que ce connecteur peut s'appliquer aussi sur des poteaux gaines et poteaux précontraints. ) Liaison métallique rigide selon une des revendications précédentes caractérisée en ce que ce connecteur permet, par l'autostabilité conférée à la structure, la réduction des masses des immeubles et donc la réduction des efforts séismiques.