Brevet FR2676241A1 — publié le 19921113

Chapitre 1: DESCRIPTION 1.1 DOMAINE TECHNIQUE Le projet STRUCTAL est un système constructif pour galeries modulaires par éléments autoportants et empilables en polymères. Il répond à des besoins solvables étendus et mal satisfaits par les industries actuelles du batiment et du génie civil. Au croisement de quatre marchés classiques: celui des constructions lourdes fixées au sol et résistant aux agressions extérieures par le poids et ltépaisseur de leurs matériaux; celui des abris mobiles rigides tels que caravanes ou camping-cars; celui des abris mobiles souples tels que tentes ou structures gonflables; et enfin celui des serres et vérandas en plaques de verre, il existe une vaste zone de besoins mal desservie. Ce marché inexploité est celui des constructions légères et résistantes, auto-portantes, montables et démontables à la main, transportables, au choix, sous de petits volumes (en camionnette ou en voiture) ou en grandes quantités (par camions, trains, avions, bateaux), et agrandissables, modulables ou composables à volonté. C'est le domaine du projet STRUCTAL. 1.2 ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE. Ce domaine n'est pas exploité à l'heure actuelle parce que son exploitation devrait satisfaire à des exigences multiples, qui ne sont prises en compte que partiellement et séparément par quatre branches largement disjointes de l'économie et de la technique: le bâtiment, l'ingéniérie du métal, l'industrie du meuble en plastique, et l'informatique. 1.2.1. Des exigences contradictoires pour les techniques en viqueur. Il faut des constructions qui soient à la fois: - capables de couvrir de grandes surfaces - libres de tout appui intermédiaire (pas de poteaux ni de cloisons porteuses) - très légères et faciles à monter ou démonter, éventuellement par une seule personne, sans autre outillage qu'une clé à vis et un escabeau - résistantes et invariantes aux intempéries et aux tempêtes - parfaitement étanches par elles-mêmes, sans enduit ni revêtement - aérables par évents, fenêtres ou conduits divers - transportables en petits conditionnements - opaques, colorées ou transparentes, en tout ou en partie, au choix du client - resistant au feu au moins autant que les produits plus ou moins concurrents - ne demandant pas d'entretien ni de maintenance - au moins 30 % moins chères que les solutions plus ou moins concurrentes. Aucune technique actuelle ne répond à plus de 5 de ces 11 critères. 1.2.2. Les réponses à ces diverses exigences n'ont jamais encore été intégrées dans une technique d'ensemble. Ces réponses existent, mais dispersées dans cinq métiers différents: - l'architecture en pierre fournit la technique de la voûte, qui répond à la nécessité de couvrir de grandes surfaces sans appui intermédiaire par l'assemblage d'éléments standards ( les voussoirs ou claveaux ), dont le poids seul, à la limite, suffit à assurer la cohésion de l'ensemble; elle intégre ainsi les fonctions de toit et de parois en une seule surface continue. C'est la voute à profil circulaire ou elliptique qui offre par elle-même le plus de portance pour le minimum de matière. - l'ingéniérie des constructions métalliques (ponts, hangars, tours, pylônes) apporte la technique des raidisseurs (nervures triangulaires, longerons boulonnes, tirants extérieurs). Ce type d'eléments répond à la nécessité d'opposer une résistance élevée, malgré une épaisseur et un poids aussi faibles que possible, à d'importantes contraintes extérieures (vent, neige, agressions, etc ) ou intérieures (poids des cloisons ou tuyauteries suspendues). - l'industrie des meubles ou des outils en plastique pratique la technique des objets empilables (chaises, seaux, bacs, gobelets...). Elle répond ainsi à notre souhait d'avoir des produits stockables ou transportables en petits volumes par empilement d'éléments standards creux ou moulurés. - l'industrie chimique apporte sous forme de polymères variés les matériaux résistants, transparents ou colorés, peu coûteux, faciles à usiner et diversifiés dont nous avons besoin pour produire en grandes quantités des objets stables, légers, solides, homogènes et multiformes. - l'informatique enfin procure les moyens de calcul et de dessin pour automatiser et flexibiliser au maximum la conception et la fabrication des éléments physiques de notre système constructif. En fonction de spécifications très variables, elle détermine dans chaque cas leurs formes et leurs dimensions exactes, de façon à maximiser les performances de ces éléments pour un poids de matériaux donné, tout en permettant leur fabrication en grande quantité ainsi que l'ajustement continu de la production aux variations de la demande. 1.3 EXPOSE DE L'INVENTION La synthèse de ces cinq techniques (cf. ≈1.2.2. ci-dessus) est un système autoportant de vous soirs nervurés et empilables fabriqués par usinage informatisé de polymères de synthèse, et munis d'éléments d'assemblage et de renforcement ainsi que d'équipements de confort. L'assemblage de ces voussoirs et de ces éléments forme des galeries plus ou moins longues, autoportantes par effet de voûte (voir figure 1/8), dont le montage et le demontage se font à la main ,et qui, une fois démontées, sont stockables par empilement. 1.3.1. Les voussoirs empilables. L'élément de base (ci dessous appelé "Voussoir") est un bac monobloc rigide et évase (voir figures (2/8) et (3/8) ).Il comprend, autour d'un axe de symétrie longitudinale Ox, un nombre fixe (dans une même version du système) de parties planes, de dièdres et d'orifices, à savoir (dans la version ici présentée): - trois parties planes: le plan de base de la paroi de fond, rectangulaire, ABCD les deux parois latérales ABEF et CDHG, symétriques par rapport à Ox et inclinées vers I'extérieur - six dièdres à profil de trapèze isocèle,formant six nervures (N) dans la paroi de fond, qu'ils traversent transversalement d'une paroi latérale à l'autre en trois groupes separés:: un groupe central de deux nervures juxtaposées deux groupes extrèmes de deux nervures juxtaposées, voisins respectivement des deux petits côtés BC et DA de la paroi de fond. Le versant extérieur de la nervure immédiatement voisine du coté DA se prolonge sous le plan de fond par un larmier baRM. - divers orifices rectangulaire ou circulaires: deux entailles rectangulaires IJ et KL découpées dans le deux parois latérales, à mi-distance, et perpendiculaires à leurs côtés extérieurs huit orifices circulaires ( t) dans chaque paroi latérale, quatre près du bord extérieur, quatre près de la paroi de fond trois orifices circulaires de plus grand diamètre (T), les Evacuateurs, dans chaque paroi latérale, l'un au dessus de la jonction des deux nervures centrales de la paroi de fond, les deux autres au dessus du milieu des parties planes qui séparent ces nervures centrales des deux groupes de nervures extrèmes trois orifices circulaires, l'un au centre, les deux autres aux extrémités du larmier baRM. 1.3.2. Les éléments d'assemblage et d'équipement Une grande variété de pièces détachables peut se fixer sur les Voussoirs pour les assembler ou pour les équiper. 1.3.2.1. Eléments d'assemblage (ils rentrent dans le champ de la présente demande de brevet). Il y en a trois sortes: - des contreforts longitudinaux, appelés ci-dessous Tenons (voir figure (5/8) ). Ce sont des boitiers de longueur voisine de celle des Voussoirs, percés transversalement de huit orifices circulaires correspondant aux orifices (t) des parois latérales des Voussoirs. - des boulons (b), munis d'écrous, de diamètre égal à celui des orifices (t), et de longueur un peu supérieure à la largeur des Tenons (voir figure (4/8) ). - des câbles de post-contrainte, appelés ci-dessous les Raidisseurs, de diamètre inférieur à celui des orifices (T), et munis de crochets de fixation (voir figures (5/8) et (6/8) ) ). 1.3.2.2. Eléments d'équipement (ils ne rentrent pas dans le champ de la présente demande de brevet) : ils sont destinés à améliorer le confort des utilisateurs des bâtiments réalisés en Structal, et peuvent comprendre notamment: - des voiles transversaux rigides ou souples, opaques ou transparents,destinés à former des cloisons externes ou/et internes des salles, galeries ou serres réalises - des lucarnes, fenêtres, tabatières, vasistas, évents ou conduits divers incorporés lors de la fabrication dans des Voussoirs spéciaux - des barres, câbles et tuyauteries destinés à être insérés sous les voûtes assemblées dans les orifices des larmiers pour supporter divers éléments de rangement, d'éclairage,ou de distribution d'électricité, de gaz ou d'eau. 1.4 PRESENTATION DES FIGURES ET DES TABLEAUX Planche (1/8): Vue en perspective d'une VOUTE Structal assemblée. Planche (2/8): Vue en perspective d'un VOUSSOIR Structal. Planche (3/8): Demi-plan d'un VOUSSOIR vu par dessus. Planche (4/8): Vue en perspective d'un TENON Structal et de son dispositif de boulonnage. Planche (5/8): Vue en élévation du système de fixation d'un RAIDISSEUR (raccordement entre le câble, le crochet et le sol). Planche (6/8): Vue partielle en perspective d'un RAIDISSEUR en place sur une voûte Structal Planche(7/8): Tableau des PARAMETRES définissant la géométrie d'un Voussoir dans le procédé de calcul automatique. Planche (8/8): Exemple de MATRICE DE QUANTIFICATION par le procédé de calcul des principaux paramètres d'un Voussoir, en fonction de diverses spécifications. 1.5. MODE DE REALISATION. Le principe de réalisation des bâtiments STRUCTAL est celui de la voûte en pierre transposé dans un matériau synthétique après élimination de la matière de remplissage: cela donne un "kit" de construction en voussoirs évidés, qu'on peut manipuler sans machine et empiler dans un volume restreint quand le bâtiment est démonté; les principaux éléments du système sont dimensionnables à volonté dans leurs différents paramètres suivant un Procédé de calcul automatique. 1.5.1. Structure du Système La structure géométrique du Système est définie par celle des Voussoirs, qui sont ses éléments de base. La structure d'un Voussoir est définie, dans la version ici présentée du système, par 16 paramètres ou groupes de paramètres dimensionnels: a) Un paramètre commun à toutes ses parties: l'épaisseur S de ses parois. b) Quatre paramètres pour les parties planes: - longueur L du Vous soir ( EF = GH - largeur 1 de la paroi de fond (BC = AD = M*R) - hauteur h des parois latérales - angle V d'inclinaison des parois latérales sur le plan de la paroi de fond. c) Trois paramètres définissant les dièdres de nervuration: - angle au sommet W formé par chacune des six nervures - largeur Ln des six nervures, mesurée dans le plan de la paroi de fond - largeur Lla du larmier baRM d) 8 groupes de paramètres définissant les orifices: - diamètre dt des 8 orifices (t) d'une paroi latérale (et d'un Tenon) - coordonnées de ces orifices (t) dans la paroi latérale - diamètre dT des 3 orifices (T) d'une paroi latérale - coordonnées de ces orifices (T) dans le même plan - diamètre des 3 orifices (tla) du larmier - coordonnées de ces 3 orifices (tla) dans le plan du larmier - largeur i des deux crans IJ et KL - longueur j de ces deux crans. 1.5.2. Calcul des dimensions des éléments de base du système Un procédé informatisé permet de calculer les composants de base du système ( Voussoirs ) suivant des objectifs de capacité et des normes de performance adaptables aux spécifications et aux besoins des clients. Ce procédé se compose: - des 1 6 paramètres ou groupes de paramètres numériques décrits au paragraphe précédant; ils définissent complètement un jeu de composants dans les trois dimensions ( voir tableau 1, planche 7/8 ); - d'un programme de type Multiplan permettant de quantifier ces paramètres en fonction des normes de performance désirées ( résistance au poids et au vent ), des dimensions souhaitées pour les voûtes à réaliser, et des matériaux choisis ( voir tableau 2, planche(8/8) : exemple de quantification de certains paramètres importants suivant diverses spécifications ). 1.5.3. Fonctionnement du système Le montage des bâtiments STRUCTAL consiste d'abord à assembler les Voussoirs en arches de deux voussoirs de large, puis à réunir ces arches les unes aux autres, enfin à consolider si necessaire les voûtes ainsi obtenues. a) formation des arches. On juxtapose 2, 3, ...n Voussoirs, paroi latérale contre paroi latérale, et on les réunit, paroi transversale contre paroi transversale, à 2, 3, ...n autres Voussoirs, à l'aide des Tenons. Le versant extérieur de la nervure extrème (EG) d'un Voussoir vient s'emboter sur la nervure extrème (ab), contigüe au larmier, du Voussoir de la travée suivante. Chaque Tenon s'emboite sur la crête centrale formée par les parois latérales accolées et juxtaposées de chaque voûtain de 2x2 Voussoirs, en s'insérant par ses extrémités dans les deux groupes de deux crans verticaux (IJ) et (KL); on insère ensuite les boulons (b) dans les orifices (t) du Tenon et des parties de cette crête qu'il recouvre, et on visse les 8 écrous correspondants. b) Formation des voûtes. L'arche ou les arches de 2 travées ainsi obtenue(s), par exemple par assemblage au sol, est(sont) ensuite redressée(s) à la verticale, puis accolées les unes aux autres par le même jeu de Tenons, de boulons et d'écrous qu'au ≈a) cidessus. c) Consolidation des voûtes. Les Raidisseurs permettent eux aussi, soit en complément soit en substitution des Tenons, de consolider les arches et les voûtes formées. Il suffit de passer le câble du Raidisseur dans l'un des trois orifices (T) prévus au bas des parois latérales de chaque Voussoir de la travée à consolider (par exemple dans l'Evacuateur situé entre les deux nervures centrales), puis de fixer ce câble au sol par ses crochets-tenseurs (voir Figure (5/8) ). Le démontage des voûtes s'opère à l'envers du montage, d'abord en détendant et en retirant les Raidisseurs (s'ils sont en place), puis en déboulonnant et en retirant les Tenons travée par travée, et enfin en séparant les Voussoirs qui composaient chaque travée. 1.6. APPLICATIONS INDUSTRIELLES. 1.6.1. Catéqories de produits possibles Elles sont fort nombreuses, conformément aux divers types de constructions en galerie qu'on peut réaliser avec le système STRUCTAL et pour lesquels il existe une demande solvable. On peut en distinguer deux grands types. 1.6.1.1. Bâtiments opaques: - garages - hangars de jardin, de chantier, de dépôt... - logements provisoires (camping, militaires, réfugiés...) - couverture de bâtiments existants. N.B.: ces galeries "opaques" peuvent être munies de fenêtres, vasistas ou conduits divers (voir ≈1.3.2.2 sur les éléments d'équipement); ou bien des Voussoirs transparents peuvent être combinés, dans la proportion et aux emplacements désires, avec les Voussoirs opaques. 1.6.1.2. Bâtiments transparents ou translucides. - serres ou châssis soit pour jardins de particuliers, soit pour cultures à grande échelle - salles ou galeries d'exposition - galeries de circulation pour des piétons, des animaux ou des véhicules qu'on souhaite protéger ou au contraire isoler. - couverture de bâtiments existants. 1.6.2. Adaptation dimensionnelle par paramétrage aux besoins des clients. Grâce au procédé de calcul automatique décrit en 1.5.2., les 16 paramètres ou groupes de paramètres définissant géométriquement, dans la version qui fait l'objet de la présente demande de brevet, le Voussoir d'une gamme Structal et les éléments correspondants (Tenon, Raidisseur), se prêtent à deux types de changements dimensionnels, en fonction des demandes des clients et des normes règlementaires. 1.6.2.1. Changements de proportions. En faisant varier les uns par rapport aux autres les paramètres fondamentaux (notamment S, L, 1, h, V ) du Voussoir, on peut faire varier du même coup la solidité, la hauteur et la longueur du segment de voûte constructible avec un nombre de Vous soirs donné dans un matériau donné. 1.6.2.2. Changements d'échelle. Le même programme de calcul automatique permet, en conservant à peu près les mêmes proportions dans les Voussoirs, mais en faisant varier la taille de ceux-ci, de calculer puis de fabriquer des Vous soirs assemblables en voûtes à peu près homothétiques les unes des autres, mais de dimensions très différentes: les plus petites auront quelques dizaines de centimètres de diamètre et de hauteur, les plus grandes auront quelques dizaines de mètres. Bien entendu ces changements d'échelle ne sauraient être parfaitement homothétiques pour tous les paramètres, car ils entrainent des variations non linéaires dans certaines contraintes ou performances des Voussoirs (notamment en ce qui concerne le poids de la voûte assemblée et les effets de compression qu'elle exerce). Il en va de même pour les éléments d'assemblage et d'équipement. 1.6.3. Fabrication Suivant les spécifications qui seront précisées et calculées par le programmme de calcul automatique, différentes techniques classiques de l'industrie des matières plastiques permettent de fabriquer les Voussoirs, les Tenons et les câbles des Raidisseurs dans des qualités très homogènes, et avec une grande flexibilité dans les dimensions et les quantités, par exemple: - thermoformage ou inJection pour les Voussoirs et les Tenons - extrusion et tressage pour les câbles. - thermosoufflage ou laminage pour les cloisons Par ailleurs, les éléments métalliques annexes (boulons, écrous, crochets-tenseurs, etc) seront achetés aux fournisseurs spécialisés. Chapitre 2: REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'autoconstruction pour galeries modulaires démontables et paramétrables (voir figure (1/8) ), caractérisé par la combinaison de quatre sous-dispositifs physiques et d'un dispositif informatique: - des caissons standardisés autoportants et empilables, appelés "VOUSSOIRS", pouvant former voûte sans supports intermédiaires ni échafaudages; - des orifices circulaires, appelés Evacuateurs, percés dans les parois latérales des Voussoirs, destinés aussi bien à évacuer les eaux pluviales qu'à faire passer les câbles des Raidisseurs; - des boltiers ajustés et boulonnables, appelés " TENONS permettant d'une part d'assembler ou de désassembler manuellement ces Voussoirs, d'autre part de parfaire l'étanchéité des voûtes ainsi construites; - des câbles de post-contrainte externe, appelés "RAIDISSEURS", assurant une cohésion renforcée de ces voûtes ainsi que leur fixation au sol;; - un procédé de calcul automatique permettant la conception tridimensionnelle numérisée des composants principaux du système ( les voussoirs ), dans une gamme très large de dimensions, en fonction de normes variables de capacité, de résistance, de matériaux et de poids. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des caissons standardisés destinés à former voûte ( les Voussoirs en forme de bacs évasés ( voir figures (2/8) et (3/8) ), constitués d'un fond nervuré ABCD et de 2 parois opposées ABEF et CDHG, solidaires de ce fond, inclinées vers l'extérieur d'un angle (V) En assemblant 2, 3, 4 n de ces Voussoirs paroi contre paroi, on obtient une arche prismatique dont l'intrados est un arc polyédrique de 2, 3, 4, ...n facettes constitué par les fonds ABCD juxtaposés de ces Voussoirs. Le poids de cette arche et de ses charges éventuelles est ainsi reporté de proche en proche sur les parois extérieures des deux Voussoirs extrèmes, et consolide toute l'arche par compression. Les 6 nervures à profil en trapèze isocèle (N) qui modulent le fond des Voussoirs dans le sens transversal (figure (3/8) ) assurent la stabilité du profil des dits Voussoirs à l'égard de ces forces de compression. Quand ils ne sont pas assemblés en voûte(s), les Voussoirs sont empilables l'un sur l'autre grâce à l'évasement des parois ABEF et CDHG et au profil en V coupé des nervures (N); ils n'occupent alors qu'un volume très restreint par rapport à l'espace qu'ils peuvent couvrir quand ils sont assemblés en voûte. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par des orifices circulaires (T), les Evacuateurs, ménagés dans les parois latérales des Vous soirs ( voir figure (2/8) ou (3/8) ) sous les crans médians (IJ) et (KL) d'une part, et au milieu des espaces plans séparant le groupe des nervures centrales des groupes de nervures extrèmes d'autre part; 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par des bottiers longitudinaux (les Tenons) à profil en U ( voir figure (4/8) ), de longueur égale - à une épaisseur S près - à celle d'un Voussoir, qui s'embotent sur les parois accolées et juxtaposées des Voussoirs mis côte à côte. Chaque Tenon permet de jointoyer les Voussoirs transversalement et lonqitudinalement quatre à quatre. En effet, chacun d'eux maintient par lui-même quatre demi-parois, appartenant à quatre Voussoirs, étroitement assemblées dans son entrefer, grâce à des crans verticaux (IJ) et (KL) prévus au milieu de chaque paroi (voir figure (2/8) ou (3/8) ) : le Tenon s'emboite de cran à cran, de milieu de Voussoirs à milieu de Voussoirs. Ce même Tenon peut être assujetti à ces parois par un jeu de boulons (b) et d'écrous ( voir figure (4/8) ) grâce à des orifices (t) prévus à cet effet dans le Tenon et, en regard, dans les parois ( voir figure (3/8) ). 5. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé par des câbles de post-tension (les Raidisseurs) qui, si nécessaire (régions à vents violents par exemple ), cerclent chaque arche de la voûte en passant dans les Evacuateurs (T). Ces Raidisseurs sont fixés, de chaque côté de la voûte, à la base de celle-ci par des crochets métalliques ( voir figure (5/8) ), qui se vissent soit directement dans le sol, soit dans des poutres d'ancrage longitudinales posées ou enfoncées dans ce sol. Le système constructif STRUCTAL comporte en option des éléments de poutre en béton ou en métal pour faciliter cet ancrage. 6. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par un procédé informatisé de calcul des composants de base du système ( les Voussoirs ) suivant des dimensions géométriques et des normes de performance adaptables aux spécifications et aux besoins des clients. Ce procédé se compose: - d'une structure fixe de 16 paramètres ou groupes de paramètres numériques définissant complètement un jeu de Voussoirs dans les trois dimensions ( voir planche (7/8), tableau 1); aucun de ces paramètres n'est fixe à l'avance; - d'un programme de type Multiplan permettant de quantifier ces paramètres en fonction des normes de performance désirées ( résistance au poids et au vent ), des dimensions souhaitées pour les voûtes à réaliser, et des matériaux choisis ( voir planche (8/8), tableau 2: exemple de quantification de certains paramètres importants, dont notamment l'angle (V), suivant diverses spécifications ).