Brevet FR2686915A1 — publié le 19930806

La présente invention concerne un dispositif pour l'ancrage sous tension d'au moins un tirant en matériau composite, comprenant une tête d'ancrage ayant au moins un trou à travers lequel passe ledit tirant et qui a, en coupe longitudinale, un profil en coin, et un Jeu de clavettes auto-serrantes disposées dans ledit trou et ayant un profil longitudinal en coin adapté à celui du trou pour y serrer le tirant. On connaît depuis 50 ans environ les techniques qui consistent à appliquer à un ouvrage de génie civil. des efforts de précontrainte grâce à des tirants constitués par des barres ou des cables en acier à haute limite élastique (3 1 500 KPa > . Les dispositifs d'ancrage permettant de reporter- l'effort du tirant sous tension à l'ouvrage sont nombreux. Dans le cas où les tirants sont des barres, le dispositif d'ancrage est en général constitué par un écrou qui est vissé sur un filetage prévu sur la barre et qui s'appuie sur une plaque de répartition d'efforts.Dans le cas où les tirants sont des câbles, les premiers dispositifs d'ancrage ont d'abord fait appel au scellement du câble généralement dans du béton ou dans un coulis de ciment, ou au sertissage d'un manchon métallique sur le câble par filage dudit manchon au travers d'une filière. Ces deux techniques 'étant révélées peu pratiques pour la mise en oeuvre sur les chantiers de génie civil, on a ensuite développé des dispasitifs d'ancrage composés d'un Jeu de clavettes, généralement coniques, qui viennent se coincer avec le ou les câbles dans le ou les trous, généralement coniques, d'une pièce métallique, dite tête d'ancrage, qui s'appuie sur l'ouvrage et lui transmet l'effort de traction du ou des câbles.La surface des clavettes qui est en contact avec le câble est en général formée de manière à présenter une certaine rugosité, par exemple une indentation, de façon à augmenter le frottement entre les clavettes et le câble. En outre, les clavettes sont habituellement réalisées en un matériau ayant une dureté supérieure à celle des câbles, afin de favoriser l'incrustation des dents des clavettes dans la matière du câble serré par lesdites clavettes Depuis une dizaine d'années sont apparus de nouveaux matériaux, dits composites, capables de remplacer l'acier dans ce domaine d'applications. Ces matériaux sont essentiellement composés d'un très grand nombre de fibres parallèles à haute résistance reliées entre elles par une matrice en résine de synthèse. Les fibres peuvent, par exemple, être du verre, du carbone, des aramides, etc. La résine peut appartenir aux familles des polyesters, des époxydes, etc. Le produit obtenu peut revêtir la forme d'un ruban ou d'un jonc cylindrique. I1 peut également être enrobé d'une tresse constituée des mêmes fibres.Un exemple d'un tel produit est le jonc "JITEC" développé et commercialisé par la Société COUSIN, dans lequel la densité des fibres par rapport à l'ensemble de la matière consituant le jonc atteint 85 h. Ces matériaux composites ont de nombreuses qualités qui les feraient apprecier pour des applications en précontrainte ou dans des techniques voisines de la précontrainte . Parmi les plus importantes de ces qualités, on peut citer - une résistance à la rupture par traction égale ou supérieure à celle de l'acier à haute limite élastique; - une insensibilité à la corrosion et à la plupart des acides et des bases; - un pouvoir d'isolation électrique et un amagnétisme total; et - une grande légèreté (ils sont 4 à 8 fois plus légers que l'acier). L'utilisation des tirants en matériau composite se heurte cependant au délicat problème de l'ancrage de leur extrémité ou d'un point quelconque de leur longueur par rapport à la structure à précontraindre, cette opération d'ancrage devant pouvoir être effectuée pendant que le tirant est sous tension. A ce Jour, les seuls procédés d'ancrage ayant donné un résultat acceptable consistent à coller le tirant en matériau composite, qui est le plus souvent constitué par un ou plusieurs joncs, dans une pièce massive, généralement métallique. Les colles utilisées sont du type bicomposant et réticulent par polymérisation dans des conditions de température et d'hygrométrie bien précises. Ces conditions rendent l'exécution de tels ancrages impossible sur un chantier soumis aux intempéries.Leur exécution en atelier a pour conséquence des difficultés importantes de conditionnement et de transport des tirants, qui mesurent couramment plusieurs dizaines de mètres de longueur. Comme les tirants sont obligatoirement réalisés plusieurs jours avant leur mise en tension, ils ne peuvent être ensuite adaptés en cas d'éventuelles erreurs dimensionnelles sur les ouvrages. Ces difficultés étant analogues à celles qui avaient été rencontrées lors de l'utilisation de manchons sertis sur des câbles d'acier, on a ensuite cherché à utiliser des dispositifs d'ancrage à clavettes coniques, mais sans succès jusqu'à ce Jour. En effet, le matériau composite du tirant ayant des propriétés mécaniques très anisotropes, le serrage de clavettes généralement munies d'une indentation destinée à augmenter le coefficient de frottement entre tirant et clavettes, provoque rapidement la rupture du tirant. On connaît cependant par le brevet FR 2 593 5?1 un dispositif d'ancrage qui comprend une pièce ayant un trou conique central et un filetage extérieur, un jeu de clavettes coniques et un bouchon taraudé provoquant, par vissage sur le filetage extérieur de ladite pièce, le coincement des clavettes sur le Jonc en matériau composite. Ce dispositif d'ancrage est monté sur le jonc avant toute traction sur celui-ci et, grâce à la queue qui est solidaire du bouchon, il permet de relier le jonc à une structure fixe ou à un dispositif de traction propre à exercer une force de traction sur le Jonc. Il est clair que ce dispositif d'ancrage connu ne peut pas être monté sur un jonc pendant que celui-ci est mis 'souks tension. La présente invention a donc pour but de fournir un dispositif d'ancrage, du type à clavettes coniques ou en coin, permettant de réaliser, sur un chantier et commodément, le blocage sous tension d'un tirant en matériau composite, pour une force de traction pouvant atteindre une valeur proche de la résistance intrinsèque à la rupture par traction dudit matériau composite. A cet effet, le dispositif d'ancrage selon l'invention est caractérisé en ce que, au moins dans leur région en contact avec le tirant, les clavettes sont en un matériau qui a une dureté inférieure à celle du matériau composite du tirant, de telle sorte que, en service, les clavettes puissent subir une déformation plastique dans ladite région sous l'effet du serrage sur le tirant, afin d'épouser droitement la surface de celui-ci, ledit matériau des clavettes étant en outre choisi de façon à présenter une résistance au cisaillement au contact tirant-clavettes qui est suffisante pour résister à l'effort de traction à ancrer dans le tirant. Suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, dans le cas où les clavettes ont une surface extérieure conique, chaque interstice entre les clavettes a une forme telle qu'il ne se trouve pas dans un plan contenant l'axe longitudinal du trou du dispositif d'ancrage dans lequel se trouvent les clavettes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux au cours de la description qui va suivre de diverses formes d'exécution données a titre d'exemple en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels La figure 1 est une vue en partie en coupe et en partie en élévation d'un dispositif d'ancrage conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne II Il de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe et à plus grande échelle montrant un détail d'une des clavettes du dispositif d'ancrage de la figure 1. La figure 4 est une vue en élévation latérale montrant deux clavettes coniques selon une forme de réalisation légèrement modifiée par rapport à la figure 1. Les figures 5 et 6 sont des vues en bout des deux clavettes de la figure 4, respectivement suivant les flèches i et G de cette figure. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale des deux clavettes de la figure 4. La figure 8 montre, à plus grande échelle, un détail des clavettes de la figure 7. La figure 9 montre une autre forme de réalisation du dispositif d'ancrage de la présente invention, utilisant des clavettes en forme de coins à surfaces planes, propres à serrer un tirant en forme de ruban. La figure 10 est une vue en coupe suivant la ligne X X de la figure 9. Le dispositif d'ancrage représenté dans la figure 1 comprend, de façon connue, une pièce d'ancrage 1, encore appelée tête d'ancrage, qui présente un trou 2 à travers lequel passe un tirant 3 à ancrer et dans lequel est disposé un jeu de clavettes, par exemple deux clavettes 4 destinées à bloquer le tirant 3 par coincement dans le trou 2 de la tête d'ancrage 1. La tête d'ancrage 1 est destinée à assurer le report, sur un ouvrage, de l'effort de traction exercé par le tirant 3 et elle peut être constituée par un bloc de matière cohérente, par exemple en acier. Dans le cas ou le tirant 3 est constitué par un Jonc cylindrique', le trou 2 peut être conique et sa plus petite section transversale circulaire Cà l'extrémité droite de la tête d'ancrage dans la figure 1) a un diamètre légèrement supérieur au diamètre extérieur du jonc 3, de telle façon que celui-ci puisse se déplacer librement à travers le trou 2 en l'absence des clavettes 4. Les clavettes 4, du type auto-serrante, peuvent être obtenues de façon connue, en divisant un bloc de matière cohérente, ayant une surface extérieure conique 5 et percé d'un trou cylindrique 6 figure 2), en au moins deux parties identiques et superposables par révolution autour de l'axe 7 commun à la surface extérieure conique 5 et au trou cylindrique 6. Chacune des deux parties susmentionnées forme l'une des deux clavettes 4. Afin d'éviter les ruptures du Jonc 3 évoquées précédemment, lorsque celui-ci est en un matériau composite, il est particulièrement important d'éviter que des pressions localises trop importantes ne soient appliquées dans la région de contact entre les clavettes 4 et le jonc 3. A cet effet, la présente invention prévoit d'utiliser, pour la réalisation des clavettes, un matériau de dureté appropriée à celle du matériau composite formant le jonc 3. Plus précisément, il a été trouvé que les clavettes 4 doivent être réalisées en un matériau qui a une dureté plus faible que celle du matériau composite formant le jonc 3 et qui est donc susceptible de subir localement une déformation plastique si la pression locale est trop élevée. Toutefois, le matériau utilisé pour la réalisation des clavettes 4 ne doit pas être trop mou, mais doit présenter une résistance au cisaillement au contact Jonc-clavettes, qui est suffisante pour pouvoir résister à l'effort de traction exercé, en service, par le jonc 3. Dans le cas d'un jonc "JITEC" à base de fibres de verre noyées dans une résine vinylester, le matériau utilisé pour la réalisation des clavettes 4 pourra avoir par exemple une dureté BRINELL comprise entre 3 et 45 ou une dureté SHORT comprise entre 50 et 100. Dans cet exemple, des matériaux convenant pour la réalisation des clavettes 4 sont par exemple l'aluminium, les matériaux polyamides ou polyacétal Chacun des interstices 8 formés entre les clavettes 4 Cil y a deux interstices 8 dans le cas de deux clavettes > peut se trouver dans un plan contenant l'axe 7 comme montré dans les figures 1 et 2.Toutefois, afin de diminuer encore le risque de rupture du jonc 3 en matériau composite, dans une forme préférée de réalisation du dispositif d'ancrage, le découpage du bloc conique à partir duquel sont obtenues les clavettes 4 peut être effectué de telle façon que chacun des interstices 8 ne se trouvent pas dans un plan contenant l'axe 7. Par exemple, les interstices 8, constituant en quelque sorte la surface de séparation entre les deux clavettes 4, peuvent se trouver dans un plan incliné par rapport à l'axe 7 ou, suivant une forme préférée de réalisation de l'invention, ils peuvent se trouver sur une surface réglée hélicoïdale passant par l'axe 7 et obtenue par "oscillation" d'une génératrice de part et d'autre de l'axe 7.Sur les figures 4 6, on a représenté des interstices 8 se trouvant sur une surface hélicoïdale à pas long (le pas de la surface hélicoïdale est plus long que la longueur L des clavettes 4). Le demi-angle au sommet a de la surface conique des clavettes 4 et le demi-angle au sommet ss de la surface conique du trou 2 Cles angles a et ss sont mesurés par rapport à l'axe 7) sont choisis de façon à conduire d'une part à un diamètre des clavettes 4 aussi faible que possible dans leur partie arrière, située du coté gauche sur la figure 1 (le sens de traction du jonc 3 en service, indiqué dans la figure 1 par la flèche T, définissant l'"avant") et, d'autre part, de façon a avoir en service un coincement à la limite de la réversibilité.Par exemple, pour des clavettes 4 en aluminium et une tête d'ancrage 1 en acier, on pourra choisir un angle ss égal à 5 . Bien que les angles a et ss puissent avoir la même valeur, dans une forme préférée de réalisation de 1 invention et toujours afin de réduire encore le risque de rupture du jonc 3 en matériau composite, l'angle a des clavettes 4 a de préférence une valeur très légèrement supérieure a celle de l'angle ss. Par exemple, a et ss peuvent être liés par la double inégalité suivante ss S a De cette manière, lorsque les clavettes 4 sont enfoncées dans le trou 2, on obtient un serrage plus important dans la partie "arrière" des clavettes 4 que dans leur partie "avant". Toujours afin de réduire le risque de rupture du jonc 3 en matériau composite, le diamètre intérieur d du trou cylindrique 6 avoir auai les figures 5 et 6) est de préférence légèrement inférieur au diamètre extérieur hors tout D du jonc 3. Cette réduction de diamètre, qui permet un serrage régulier autour du Jonc 3, est de préférence comprise entre 5 % et 15 % du diamètre D. Autrement dit: 0,85 D S d S 0,95 D En outre, il a été trouvé qu'afin de réduire encore le risque de rupture du Jonc 3, il est important de ne pas exercer une pression moyenne de serrage trop élevée sur le Jonc. Les clavettes 4 étant auto-serrantes, cette pression dépend de la section du Jonc.Ainsi, il a été trouvé que pour un jonc 3 de diamètre D, la longueur L des clavettes 4 est définie de préférence par les inégalités suivantes 8 D ( L É 15 D 9 d S L S 18 d (4) Afin d'augmenter le frottement entre les clavettes 4 et le Jonc 3, la surface des clavettes qui est en contact avec le Jonc 3 peut, de façon connue, être rendue rugueuse par exemple par une opération de sablage ou encore en réalisant un filetage dans le trou cylindrique 6, comme illustré par la vue de détail de la figure 3, avant que ne soit découpé le bloc à partir duquel sont formées les clavettes 4. Les arêtes des filets 9 figure 3) peuvent être tronquées.Ceci peut être par exemple obtenu en perçant le trou 6 à un diamètre plus grand que celui qui serait nécessaire pour réaliser un filetage normalisé. A titre d'exemple, en utilisant un dispositif d'ancrage tel que celui décrit plus haut, comportant une tête d'ancrage 1 en acier, avec un trou conique 2 dont l'angle ss est égal à 5, et deux clavettes 4 en aluminium, réalisées comme montré dans les figures 4 à 6, avec une longueur L égale à 10 cm, un angle a égal à 5 15' et un trou cylindrique fileté 6 ayant un diamètre intérieur d égal à 9,5 mm, et en utilisant un Jonc "JITEC" ayant un diamètre extérieur D égal à 10 mm, les essais effectués par la demanderesse ont montré qu'il était possible d'ancrer un tel jonc sous une tension égale à 90 kN, sans provoquer la rupture du jonc. Dans le dispositif d'ancrage qui a été décrit cidessus, les clavettes 4 étaient réalisées à partir d'un bloc en une seule matière, dont la dureté est choisie comme indiquée plus haut. Toutefois, comme cela est représenté dans la figure 7, chacune des deux clavettes 4 peut être réalisée en deux matériaux. Plus précisément, la région 4a de chaque clavette 4 qui est en contact avec le Jonc 3 peut être réalisée dans l'un des matériaux indiqués ci-dessus présentant une dureté plus faible que celle du matériau du Jonc 3, la partie restante 4b de chaque clavette étant réalisée dans un matériau quelconque suffisamment dur, par exemple en acier.Dans ce cas, les clavettes 4 peuvent être par exemple réalisées à partir d'un bloc en un matériau dur tel que l'acier, qui a une surface extérieure conique 5 et dans lequel, pour un diamètre D donné du Jonc 3, on perce un trou cylindrique 6 ayant un diamètre intérieur un peu plus grand que dans le cas où les clavettes 4 sont en une seule matière. Ensuite, une couche mince 4a, en un matériau relativement moins dur ayant une dureté appropriée à celle du jonc 3, est appliquée sur la paroi du trou cylindrique 6. La liaison entre les matériaux des parties 4a et 4b des clavettes peut être assurée à la fois par adhérence, par exemple par collage ou soudage, et par frottement, par exemple en ayant réalisé au préalable un filetage 11 dans le trou cylindrique comme montré à plus grande échelle dans la figure 8. Après fixation de la couche 4a, le trou cylindrique 6 peut être réalisé de telle façon que l'on obtienne le diamètre intérieur d désiré, défini par la relation C2) indiquée plus haut. Comme précédemment, afin d'améliorer le caractère auto-serrant des clavettes 4 sur le jonc 3, la surface cylindrique intérieure de la couche 4a peut être rendue rugueuse, par exemple par un sablage ou par un filetage 12. Dans le cas d'un filetage, les arêtes des filets sont de préférence tronquées comme montré dans la figure 8. Ensuite, pour obtenir les clavettes 4, il suffit de diviser longitudinalement le bloc en deux parties (ou plus de deux parties), en formant des interstices 8 tels que ceux montrés dans les figures 1 et 2 ou dans les figures 4 à 6. Dans la description qui précède, le tirant 3 était constitué par un jonc cylindrique. Toutefois, la présente invention s'applique également à un tirant 3 réalisé sous la forme d'un ruban, comme montré dans les figures 9 et 10. Dans ces deux figures, les éléments du dispositif d'ancrage qui jouent le même rôle que ceux décrits plus haut ont été désignés par les mêmes chiffres ou les mêmes lettres de référence, et ils ne seront donc pas décrits à nouveau en détail.On notera simplement que les parois mutuellement opposées du trou 2 de la tête d'ancrage 1, qui coopèrent avec les clavettes 4 pour serrer le tirant 3 en forme de ruban à section transversale rectangulaire, sont planes et forment un dièdre dont l'angle est égal à 2ss. Chacune des deux clavettes 4 présente la forme d'un coin ayant deux faces planes formant un dièdre dont l'angle est égal à a. a et ss peuvent être liés par la relation C1) indiquée plus haut. Comme précédemment, la face des clavettes 4 qui est en contact avec le ruban 3 peut être rendue rugueuse.En outre, comme précédemment, la longueur L des clavettes 4 peut être définie par une relation semblable à la relation La description qui précède concerne l'ancrage sous tension d'un tirant 3 constitué par un jonc ou par un ruban en matériau composite. il est bien évident qu'on ne sort pas du cadre de l'invention en réalisant un ancrage plus puissant, réunissant dans un même ensemble plusieurs ancrages unitaires du type précédent, permettant de bloquer un tirant composé de plusieurs joncs ou plusieurs rubans. Il est du reste bien entendu que les formes de réalisation qui ont été décrites ci-dessus ont été données à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi notamment que, pour des ancrages de forte puissance nécessitant des clavettes de grande longueur, la surface extérieure 5, conique ou plane, des clavettes 4 peut avoir un profil longitudinal en dents de scie afin de réduire l'encombrement en largeur du dispositif d'ancrage. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour l'ancrage sous tension d'au moins un tirant (s) en matériau composite, comprenant une tête d'ancrage étant en outre choisi de façon à présenter une résistance au cisaillement au contact tirant-clavettes qui est suffisante pour résister à l'effort de traction à ancrer dans le tirant. 2.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau des clavettes a une dureté BRINELL comprise entre 3 et 45, ou une dureté SHORE comprise entre 50 et 100. 3.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les clavettes 4.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque clavette (4) comprend une région ou couche intérieure (4a), qui est destinée à venir en contact avec le tirant , qui est constituée d'une seconde matière plus dure que la première matière. 5.- Dispositif d'ancrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la tête d'ancrage C1) est percée d'un trou conique 6.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 5, dans laquelle le tirant (3) est constitué par un Jonc cylindrique et les clavettes (4) ont une surface intérieure cylindrique (6), caractérisé en ce que le diamètre d de la surface intérieure cylindrique des clavettes 0,85 D S d S 0,95 D 7.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 6, caractérisé en ce que les clavettes (4) ont une longueur L qui est définie par rapport au diamètre D du tirant (3) par la relation suivante 8 D 4 L S 15 D. 8.- Dispositif d'ancrage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le tirant 8 E S L S 15 E 9.- Dispositif d'ancrage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle a du profil en coin des clavettes (4) et l'angle ss du profil en coin du trou (2) de la tête d'ancrage 10.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'interface entre les deux parties (4a et 4b) de chaque clavette (4) est une surface rugueuse (11). 11.- Dispositif d'ancrage selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite surface rugueuse 12.- Dispositif d'ancrage selon l'une quelconque. des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface intérieure des clavettes (4), qui est en contact avec le tirant