Brevet FR2688275A1 — publié le 19930910

PROCEDE D'ANCRAGE D'UNE STRUCTURE EN MATERIAUX COMPOSITES SUR UNE STRUCTURE METALLIQUE La présente invention concerne un procédé d'ancrage d'une structure en matériaux composites sur une structure métallique notamment pour l'assemblage de superstructures en matériaux composites sur une coque métallique de navire L'utilisation des matériaux composites s'est généralisé depuis quelques années pour la réalisation d'éléments de structure utilisés par exemple dans la construction des superstructures de navires Ces éléments de structure se présentent généralement sous la forme de matériaux composites de type sandwich ou de type monolithique Il convient d'assembler ces éléments de structure par des moyens capables d'assurer la tenue mécanique lorsque le navire est soumis à des efforts généraux et locaux. On connaît des procédés d'assemblage o les superstructures en matériaux composites sont assemblées par boulonnage sur la coque en acier L'état de la technique s'est naturellement orienté vers ces procédés puisque le soudage direct des matériaux composites sur une structure métallique n'est pas réalisable Cependant la résistance à la fatigue de l'assemblage par boulonnage est souvent limitée dans le cas de structures de grandes dimensions De plus l'assemblage par boulonnage seul est source de reliefs inacceptables pour la signature équivalente radar dans le cas des applications militaires. L'invention a pour but de supprimer les inconvénients de l'assemblage par boulonnage en proposant un procédé d'ancrage d'une structure en matériaux composites sur une structure métallique et permettre ainsi le montage de structures composites entièrement terminées et partiellement prééquipées dans des ateliers spécifiques sur des structures métalliques. Pour ce faire l'invention propose un procédé d'ancrage d'une structure en matériaux composites du type monolithique ou du type sandwich sur une structure métallique, caractérisé en ce que l'on cale, au moyen d'une matière coulée durcissable, au moins un épaulement pratiqué sur l'extrémité ancrée d'une structure en matériaux composites, entre deux profilés métalliques, solidaires d'une structure métallique à l'une de leur extrémité et convergents vers leur autre extrémité libre. Les profilés métalliques sont convergents par repli vers l'intérieur de leur extrémité libre ou par l'inclinaison d'au moins un des deux profilés vers le second vertical à son extrémité libre. Préférentiellement la structure en matériaux composites comporte à son extrémité ancrée un épaulement double par drapage avec des strates de matériaux composites monolithiques en forme de U. Selon un mode de réalisation la structure en matériaux composites du type monolithique s'écarte avant son extrémité ancrée vers l'intérieur pour assurer la coplanéité de la surface extérieure de la structure en matériaux composites du type monolithique et de la surface extérieure du profilé métallique incliné. Selon un mode de réalisation équivalent, la structure en matériaux composites du type sandwich comporte un rétrécissement avant son extrémité ancrée composée de matériaux composites monolithiques, pour assurer la coplanéité de la surface extérieure de la structure en matériaux composites du type sandwich et de la surface extérieure du profilé métallique incliné. La matière coulée durcissable est préférentiellement une résine, une résine chargée ou un mortier. Selon une variante possible de l'invention, on positionne, avant calage avec la matière coulée durcissable, l'extrémité ancrée par rapport au profilé incliné, au profilé vertical et à la structure métallique, au moyen d'un boulonnage entre une contre plaque usinée en contre-dépouille et un prolongement du profilé métallique vertical enserrant une portion du type monolithique de la structure en matériaux composites. Le procédé est avantageusement appliqué à l'assemblage de superstructures en matériaux composites sur une coque métallique de navire ou inversement. Le procédé est aussi avantageusement appliqué à l'assemblage de ponts ou cloisons ou encore à des modules de transports ou cadres en matériaux composites avec un plancher en matériau métallique. Selon un autre mode de réalisation appliqué à l'assemblage de superstructures en matériaux composites sur une coque métallique de navire,le procédé est caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes: positionnement des superstructures composites prépercées par rapport aux profilés métalliques incliné et vertical et à la structure métallique composant le bordé métallique du navire au moyen du boulonnage, première coulée de matière coulée durcissable à hauteur du profilé métallique incliné, seconde coulée après retrait du boulonnage, à hauteur du prolongement du profilé métallique vertical, éventuellement contre-perçage suivant les superstructures du prolongement du profilé métallique vertical, mise en place du produit d'étanchéité, éventuellement remise en place du boulonnage avec la contre plaque usinée en contre-dépouille. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture suivante de la description détaillée de quelques exemples de réalisation non limitatifs de l'invention et'au vu du dessin annexé sur lequel: la figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un navire illustrant une application de l'invention à l'assemblage de superstructures composites sur une coque métallique de navire, la figure 2 est un agrandissement du détail A d'un assemblage de la figure 1 pour une structure du type monolithique, la figure 3 est une vue agrandie du détail A d'un assemblage de la figure 1 pour une structure du type sandwich, la figure 4 est un agrandissement du détail B de la figure 1 pour une structure du type monolithique, la figure 5 est un agrandissement du détail B de la figure 1 pour une structure du type sandwich, la figure 6 est une vue du détail B de la figure 4 avec boulonnage complémentaire, la figure 7 est une vue du détail B de la figure 5 avec boulonnage complémentaire. Sur la figure 1 on a représenté de façon schématique en coupe transversale un navire pour illustrer l'application de l'invention à l'assemblage de superstructures composites 1 sur une coque métallique de navire 2. Il est important de noter que l'application du procédé selon l'invention à l'assemblage de superstructures composites sur une coque métallique de navire est donnée à titre d'illustration et que l'on peut fort bien concevoir d'autres applications du procédé dans le domaine du génie civil par exemple sans sortir du cadre de l'invention. Plus généralement ce procédé peut être appliqué à tous les cas d'assemblages hétérogènes de matériaux composites et de pièces métalliques. Les assemblages présentés de façon schématique sur la figure 1 sont représentés en vue détaillée sur les figures 2 à 7. Sur les figures 2 et 3 on retrouve un mode de réalisation possible du procédé selon l'invention respectivement pour une structure composite du type monolithique et une structure composite du type sandwich La structure composite désignée sous le signe de référence 6 est drapée à son extrémité ancrée , pour donner un épaulement double 12, de strates supplémentaires en forme de U composées avantageusement d'un complexe de matériaux composites monolithiques réalisé en fibres de verre, de carbone ou d'aramide imprégnées de résine. La structure composite 6 si elle est du type monolithique comme représentée sur les figures 2, 4 et 6 peut elle aussi être préférentiellement réalisée de cette manière Dans le cas d'une structure composite 6 du type sandwich tel que le montrent les figures 3, 5 et 7, cette structure comporte une âme 19 généralement en balsa ou en mousse de polychlorure de vinyle collée en sandwich entre deux peaux en fibres de verre de carbone ou d'aramide imprégnées de résine 20 et 20 '. La structure composite 6 avec l'épaulement double 12 ainsi obtenu est calée au moyen d'une matière coulée durcissable 3 entre les deux profilés métalliques 7 et 8 qui sont pour cela repliés à leur extrémité libre 11 en forme de queue d'aronde. Par conséquent, les profilés métalliques 7 et 8 étant solidaires de la structure métallique 9 par exemple par soudure, la structure composite 6 est ainsi ancrée idéalement sur la structure métallique 9. En effet, on bénéficie de par cette réalisation d'un double coincement, d'une part de la structure composite 6 par l'intermédiaire de l'épaulement double 12 dans la matière coulée durcissable 3, d'autre part de cette même matière entre les deux profilés 7 et 8 repliés ce qui conduit à une forte résistance à l'arrachement. En outre, l'ancrage par ce double coincement sera effectif même en utilisant une matière coulée durcissable 3 n'adhérant pas, soit à la structure composite 6, soit aux profilés métalliques 7 et 8 ou encore à la structure métallique 9. Cette matière coulée durcissable 3 est choisie de telle sorte à présenter une fluidité maximale lors de la coulée et une résistance mécanique élevée après durcissement Dans ce but, on peut employer une résine, par exemple époxy ou polyester, résine éventuellement chargée de microbilles de verre mais également tout genre de mortier tel que ciment, béton ou plâtre. La jonction entre les profilés métalliques 7 et 8 et la structure composite 6 est recouverte d'un produit d'étanchéité 18 pour des considérations d'ambiance extérieure (hygiène, hygrométrie ou protection contre les rayons ultra-violet) mais aussi pour permettre si nécessaire la pressurisation optimale de pièces dont les cloisons, seraient formées de la structure composite 6. Une telle réalisation peut S rappliquer à la mise en place de cloisons ou parois à l'intérieur d'un navire tel que représenté sur le détail A de la figure 1. Les figures 4 et 5 représentent respe ctivement pour une structure composite 6 du type monolithique et une structure composite 6 du type sandwich, un autre mode de réalisation du procédé d'ancrage selon l'invention. Ici encore on obtient un effet de double coincement donnant un ancrage hautement résistant à l'arrachement. En effet, la structure composite 6 est encore épaulée doublement par un drapage composite en forme de U pour la structure composite 6 du type monolithique tel que montré sur la figure 4 alors que la figure 5 représente un épaulement unique 4 en matériaux composites monolithiques pour une structure composite 6 du type sandwich. Il est à noter que pour le dernier cas, l'âme 19 de la structure sandwich n'est pas prolongée jusqu'à l'extrémité ancrée 5 de cette structure, cette dernière étant préférentiellement composée de matériaux composites du type monolithique. Cet épaulement unique 4 ou double 12 est à nouveau calé par l'intermédiaire de la matière coulée durcissable 3 entre les deux profilés 7 et 8 solidaires de la structure métallique 9 et dont l'un des deux 7 est incliné vers le second vertical 8 afin d'assurer le deuxième coincement. Ce genre de réalisation se révèle particulièrement intéressant dans les liaisons au niveau du bordé incliné de coques de navire, tel que représenté sur le détail B de la figure 1. De plus pour assurer une continuité de forme, la structure composite 6 du type monolithique s'écarte avant son extrémité ancrée 5 vers l'intérieur pour assurer la coplanéité de la surface extérieure 6 ' de la structure en matériaux composites 6 du type monolithique et de la surface extérieure 7 ' du profilé métallique incliné 7 tel que montré sur la figure 4. De manière semblable, tel que représenté sur la figure 5, la structure en matériaux composites 6 du type sandwich comporte un rétrécissement 13 avant son extrémité ancrée 5 toujours composée de matériaux composites monolithiques, pour assurer à nouveau la coplanéité de la surface extérieure 6 ' de la structure en matériaux composites 6 du type sandwich et de la surface extérieure 7 ' du profilé métallique incliné 7. Cela est très utile notamment dans le cas d'applications militaires, la surface extérieure ne présentant plus de relief inacceptable pour la signature équivalente radar. Les jonctions restantes entre les profilés métalliques 7,8 et la structure composite 6 sont encore comblées avec le produit d'étanchéité 18. Dans le cas des figures 6 et 7, il est présenté des réalisations qui sont respectivement les variantes avec boulonnage 14 des réalisations des figures 4 et 5. Ce boulonnage 14 peut si nécessaire consolider l'ancrage en enserrant une portion 17 du type monolithique de la structure composite 6 entre un prolongement 16 du profilé métallique vertical 8 et une contre plaque usinée en contre- dépouille 15, la partie intercalaire étant remplie avec la matière coulée durcissable 3. Mais ce boulonnage 14 sert surtout au positionnement et au maintien provisoire de la structure composite 6 entre les deux profilés métalliques incliné 7 et vertical 8 et la structure métallique 9 avant la coulée de matière coulée durcissable 3. A cet effet il pourrait très bien être remplacé par exemple par des vis non traversantes après durcissement de la matière coulée durcissable 3. En outre il peut permettre grâce à la contre plaque usinée en contredépouille 15 collée à la structure composite 6 et entourant la tête du boulonnage 14 d'assurer une continuité de forme entre la surface extérieure 7 ' du profilé métallique incliné 7 et la surface extérieure 6 ' de la structure composite 6. Dans le cas présent, cette contre plaque 15 évite aussi toute possibilité de fluage du produit d'étanchéité 18, la structure composite 6 épousant dans ce but au mieux la forme trapézoïdale de la face interne de la contre plaque usinée en contre-dépouille 15. Pour réaliser un élément de structure tel que présenté sur les figures 6 ou 7 par exemple pour l'assemblage de superstructures en matériaux composites 1 sur une coque métallique de navire 2 on commence par prépercer les superstructures en matériaux composites 1 et le prolongement 16 du profilé métallique vertical 8. De telles superstructures pour navires ont en général une longueur d'environ 50 mètres pour une masse finale de toutes les superstructures non aménagées avoisinnant les 100 tonnes. On vient après positionner en hauteur et largeur les superstructures composites 1 entre les profilés métalliques incliné 7 et vertical 8 et la structure métallique 9 composant le bordé métallique du navire, avec le boulonnage 14. Puis on effectue une première coulée de matière coulée durcissable 3 à hauteur du profilé métallique incliné 7, suivie d'une deuxième coulée à hauteur du prolongement métallique 16 du profilé métallique vertical 8, après retrait du boulonnage 14. On utilise ici comme matière coulée durcissable 3, de la résine connue commercialement sous le nom de "Urethane Acrylate Crestomer 1152 PA' Le prolongement 16 peut ensuite être contre percé, si l'on désire remettre en place un boulonnage 14, après solidification de la matière coulée durcissable 3. Ensuite, le produit d'étanchéité 18 est mis en place, la contre plaque usinée en contre-dépouille 15 étant également enduite. Finalement, cette contre plaque 15 est alors montée avec le boulonnage 14 ou des vis non traversantes. Sans sortir du cadre de l'invention, le procédé peut être appliqué à tout assemblage de ponts ou cloisons ou plus généralement à celui de modules de transport ou cadres en matériaux composites avec un plancher en matériau métallique. REVENDICATIONS 1 Procédé d'ancrage d'une structure en matériaux composites du type monolithique ou du type sandwich sur une structure métallique, caractérisé en ce que l'on cale, au moyen d'une matière coulée durcissable ( 3), au moins un épaulement ( 4) pratiqué sur l'extrémité ancrée ( 5) d'une structure en matériaux composites ( 6), entre deux profilés métalliques ( 7), ( 8) solidaires d'une structure métallique ( 9) à l'une de leur extrémité ( 10) et convergents vers leur autre extrémité libre ( 11). 2 Procédé d'ancrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les profilés métalliques ( 7), ( 8) sont convergents par repli vers l'intérieur de leur extrémité libre ( 11). 3 Procédé d'ancrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les profilés métalliques ( 7), ( 8) sont convergents par inclinaison d'au moins un des deux profilés ( 7) vers le second vertical ( 8) à son extrémité libre ( 11). 4 Procédé d'ancrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure en matériaux composites ( 6) comporte à son extrémité ancrée ( 5) un épaulement double ( 12) par drapage avec des strates de matériaux composites monolithiques en forme de U. Procédé d'ancrage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure en matériaux composites ( 6) du type monolithique s'écarte avant son extrémité ancrée ( 5) vers l'intérieur pour assurer la coplanéité de la surface extérieure ( 6 ') de la structure en matériaux composites ( 6) du type monolithique et de la surface extérieure ( 7 ') du profilé métallique incliné ( 7). 6 Procédé d'ancrage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure en matériaux composites ( 6) du type sandwich comporte un rétrécissement ( 13) avant son extrémité ancrée ( 5) composée de matériaux composites monolithiques, pour assurer la coplanéité de la surface extérieure ( 6 ') de la structure en matériaux composites ( 6) du type sandwich et de la surface extérieure ( 7 ') du profilé métallique incliné ( 7). 7 Procédé d'ancrage selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière coulée durcissable ( 3) est une résine, une résine chargée ou un mortier. 8 Procédé d'ancrage selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'on positionne, avant calage avec la matière coulée durcissable ( 3), l'extrémité ancrée ( 5) par rapport au profilé incliné ( 7), au profilé vertical ( 8) et à la structure métallique ( 9), au moyen d'un boulonnage ( 14) entre une contre plaque usinée en contre-dépouille ( 15) et un10 prolongement ( 16) du profilé métallique vertical( 8) enserrant une portion ( 17) du type monolithique de la structure en matériaux composites ( 6). 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué à l'assemblage de superstructures en matériaux composites ( 1) sur une coque métallique ( 2) de navire. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 9, appliqué à l'assemblage de superstructures en matériaux composites sur une coque métallique de navire, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes successives suivantes: positionnement des superstructures composites ( 1) prépercées par rapport aux profilés métalliques incliné ( 7) et vertical ( 8) et à la structure métallique ( 9) composant le bordé métallique du navire au moyen du boulonnage ( 14), première coulée de matière coulée durcissable ( 3) à hauteur du profilé métallique incliné ( 7), seconde coulée après retrait du boulonnage ( 14), à hauteur du prolongement ( 16) du profilé métallique vertical ( 8), éventuellement contre perçage suivant les superstructures du prolongement ( 16) du profilé métallique vertical ( 8), mise en place du produit d'étanchéité ( 18), éventuellement remise en place du boulonnage ( 14) avec la contre plaque usinée en contre-dépouille ( 15). 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est appliqué à l'assemblage de il 2688275 superstructures métalliques sur une coque de navire en matériaux composites. 12 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou 10, caractérisé en ce qu'il est appliqué à l'assemblage de ponts ou cloisons. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 ou 10, caractérisé en ce qu'il est appliqué à des modules de transport ou cadres en matériaux composites avec un plancher en matériau métallique.