Brevet FR2755167A1 — publié le 19980430

Procédé de mise en précontrainte par chaînette de poutre et dispositif de poutre cambrée en flèche négative et composée de lames à contact glissant . Sont concernées principalement les poutres en bois souvent utilisées dans la construction de bâtiments ou de maisons individuelles. Ces poutres, de section b x h restent économiquement valables lorsque la portée n'excède pas cinq ou six mètres. Au delà, les lois de la RDM exigent des sections telles qu'elles n'entrent plus dans le cadre des fournitures courantes. Le coût devient alors dissuasif. Une solution consiste à utiliser la méthode bien connue du lamellé collé. Cette technique permet - à partir d'éléments de bois à section modeste - de constituer une section caractérisée par une grande dimension pour h, la hauteur. Les lois de la RDM nous indiquent que l'inertie statique d'une section droite est fonction du cube de h. Cette technique - très astucieuse -- est cependant d'un coût assez élevé. L'utilisation du bois comme matériau de construction confère un certain nombre d'avantages. Parmi ceux-ci on peut citer sa bonne résistance à l'incendie (liée à son bon coefficient d'isolation thermique). D'autres qualités comme l'esthétique, sa faible masse volumique, sa facilité d'usinage, en font un matériau particulièrement intéressant. L'idée de renforcer une poutre massive (travaillant à la flexion) en réalisant un mixage de matériaux - matériau composite - n'est pas nouvelle. On connaît notamment le dispositif de précontrainte des poutres (employée dans les dalles ou les poutres en béton). II existe également la grande famille des matériaux composites caractérisée en ce qu'elle met en oeuvre deux matériaux appelés respectivement matrice et fibres ou charges . La matrice est souvent formée de matières plastiques, verre, caoutchouc etc... En règle générale le type fibre (carbone, fibre de verre, fil d'acier etc..) est utilisé pour améliorer les performances de la matrice en traction et par conséquent en flexion. Le type charge est préférentiellement utilisé pour améliorer outre les performances en compression, d'autres caractéristiques comme par exemple la résistance à l'abrasion, la dureté etc...). On connaît également le brevet FR2724404 dont le dispositif consiste à renforcer - sur l'axe transversal -- une poutre en béton par l'adjonction d'un câble acier. On connaît ensuite le brevet WO9314282 dont le procédé et le dispositif consistent à réaliser des modules de bois renforcés par un (ou plusieurs) tirant - rectiligne - dont la force de traction est en équilibre avec la force de compression du module. On connaît enfin le brevet FR1213358 dont le dispositif concerne l'armature d'une poutre en bois fléchie, réalisée par un câble tendu susceptible de reprendre une partie de l'effort de traction (sous la fibre neutre) par symétrie à l'effort de compression dont la contrainte est située au dessus de la fibre neutre. La présente invention se distingue fortement des deux premiers brevets cités autant dans son procédé de mise en oeuvre que dans l'aspect géométrique de sa conception. Avec le dernier brevet cité, la différence n'apparaît que comme apparemment de subtils détails qui en fait revêtent une importance fondamentale. La description suivante s'emploiera à montrer, outre les différences conceptuelles, I'écart de performance qui existe entre la présente invention et le brevet FR1213358. En première analyse, I'intégration d'une chaînette dans une poutre soumise à la flexion, en équilibre avec l'action des charges (réparties ou pas), pose plusieurs problèmes de fond. Le premier réside dans le rapport des caractéristiques élastiques entre les deux matériaux (Eb, Ec). Si l'on souhaite utiliser tout le potentiel d'un câble acier écroui, on sera amené à prévoir une section de ce câble (Ac) calculée à partir de celle de la poutre (Ap) selon : Ac = Ap Gb / Go. Dans la pratique ce rapport des contraintes admissibles entre le bois et l'acier vaut environ 1/60 (bois en compression). Avec ce rapport on obtient un diamètre de câble raisonnablement encastrable dans le bois. Cependant cette configuration n'est pas performante car le rapport des modules d'élasticité entre ces deux matériaux vaut environ ; rm = Ec / Eb = 20 (module apparent d'un câble = 180 GPa). Dans ces conditions, quand le bois se comprime d'une unité, le câble s'allonge de 1/3 d'unité. Par définition, comme delta T = f(delta long.), le concours du câble se trouve limité. Si l'on souhaite obtenir un égal allongement entre ces matériaux, il convient de diviser la contrainte du câble par trois ce qui augmente sa section du même facteur. Le rapport des sections rend alors l'encastrement très délicat. En outre le poids du câble et son coût rendent ce dispositif peu compétitif. Le second problème inhérent à ce dispositif réside dans l'action sur la poutre de la composante horizontale de la tension de la chaînette. Dès l'amorce d'une flèche (positive), la partie comprimée (au dessus de la fibre neutre) voit un accroissement de contrainte qui, de plus, occasionne un moment tendant à s'opposer à l'action du câble. L'élancement, dirigé vers le bas provoque un flambement dans la direction opposée à celle de la réaction du câble. Si la présente invention est un dispositif utilisant une poutre collaborant avec une chaînette, elle se caractérise par une mise en oeuvre totalement différente de celle précédemment décrite. Elle consiste tout d'abord à soumettre la poutre à une cambrure négative afin qu'elle forme un arc maintenu ensuite par l'action de la tension de pose de la chaînette. Cette opération suit la règle stricte suivante : soit avec l'arc (a) formé par la poutre et la corde (C) représentée par le câble, nous obtenons la relation a / c - 1 = dL / L = k Gb / Eb. Le coefficient k correspond à (sc / Ec) / (Gb /Eb) + 1. Comme dans la pratique, k 4 , cela signifie que l'allongement géométrique correspond à 4 fois l'allongement élastique du bois ( 3 pour le câble, 1 pour le bois). Pour rendre cette règle réaliste, la présente invention annexe deux principaux dispositifs et procédés ; le premier vise à limiter la contrainte dans la poutre lors de sa préparation (forte cambrure), le second vise à limiter la flèche (négative) avant la mise en charge nominale. L'ensemble de ces mesures permet d'éviter tout réglage de tension en charge. Outre le coût de sa mise en oeuvre un tel réglage s'avérerait dangereux pour des cas de charge variables. La présente invention consiste à intégrer une chaînette 3 (figures 1 et 2) tendue au sein d'une poutre 1 en bois (ou tout autre matériau facilement usinable). Cette chaînette peut être réalisée par un câble acier 3 (ou autres matériaux capables de supporter une forte contrainte de traction). L'idée de base est la suivante : Dans la section droite d'une poutre 1 fléchie, la répartition des contraintes est loin d'être homogène de long de l'axe h. En effet, cette dernière, nulle au niveau de la fibre neutre, devient nominale aux extrémités de cet axe. La partie haute subit une contrainte de compression et la partie basse, une contrainte de traction. Les lois de la statiques nous indiquent que cela équivaut globalement à appliquer la contrainte nominale sur 1/3 de l'aire de la section ( = dx2 dx = X3 / 3 x = 1). Les lois régissant l'équilibre d'une chaînette peuvent être simplifiées lorsqu'il s'agit de petites portées horizontales. Cette simplification consiste à considérer la géométrie de la chaînette comme un arc de cercle (on néglige alors la différence de tension induite par la projection horizontale du poids linéique du câble). Ainsi le calcul montre que la composante horizontale de la tension du câble (axée sur la fibre neutre = charge nominale), reprise en compression dans la poutre, améliore d'un facteur théorique de trois les performances de portance sous certaines conditions. Ce facteur peut être multiplié par (rtc = limcompression / limtraction) qui se trouve être très avantageux pour le bois. Dans le cas de charge nominale, la fibre neutre est un droite et la flèche est nulle. Dans une version de base, le dispositif comporte une poutre 1 dont chaque extrémité (figure 1) est équipée d'une plaque 5 assujettie sur la section de la poutre 1. Cette plaque 5 est destinée à recevoir le manchon 2 du câble 3 pour reporter l'effort de traction sur toute la section de la poutre 1. La rondelle 4 répartie la force du manchon sur le fond 5-a de la plaque 5. Dans cette version, le point d'ancrage de la chaînette est situé au niveau de la fibre neutre. Cette configuration assure une bonne répartition des contraintes sur la section droite de la poutre. La figure (2) montre la poutre 1 (non chargée) calée et cambrée par le dispositif 6, 8 de mise en tension du câble. Le câble, préalablement disposé dans la rainure usinée 12 (figure 2-a, 2-b) est pré-dimensionné en longueur. La figure 2-b montre le tube 5-a prolongeant la plaque d'ancrage 5 (fig.3). La fig. 2 montre le procédé de cambrure de la poutre 1. Le vérin 7 arqueboute la poutre 1 de telle sorte que le câble forme une ligne droite entre ses deux ancrages. En relâchant l'effort du vérin, on dispose ainsi d'une poutre prétendue à flèche négative. En charge nominale la poutre ne reprend essentiellement qu'une contrainte homogène de compression. Le delta arc entre les deux cas de charge (fig. 1 et fig. 2) est strictement égal à la somme algébrique des variations élastiques de la chaînette et de la matrice (bois). Dans la pratique, c'est la section du bois (imposée) qui détermine la composante horizontale de la tension nominale de la chaînette (o Ab). La réglementation régissant les poutres fléchies (en bois) considère - à juste titre - une symétrie des contraintes admissibles tractioncompression . Cette symétrie impose donc la limite de contrainte la plus faible de ces deux modes ; la traction. L'emploi exclusif du mode compression offre donc un accroissement du facteur de performance. II est clair que la simple adjonction d'une chaînette dans une poutre sans considération pour la règle (géometrique = éïastique) ne pourra en aucun cas atteindre une telle performance. Par définition, cette règle exige (entre autres) une préparation visant à précambrer négativement la poutre. Par voie de conséquence, le facteur d'amélioration de portance est maximum pour une flèche nulle. La figure (3) montre que le tube 5-a comporte en son extrémité, une ouverture 10 destinée à laisser passer le câble muni de son manchon. La figure (4) montre en vue de dessous, une extrémité de la poutre 1 munie de la plaque d'ancrage 5. Dans le tube 5-a est aménagée une ouverture 11 destinée à la mise en place du manchon (fatalement plus large que le câble). La figure (5) montre une coupe de détail en élévation du fond du tube 5-a. Le tube comporte un retour de blocage 13 dont le rôle est d'éviter le glissement du manchon hors de son appui (vers le bas). La fig. 6 montre une vue en élévation d'une demi poutre 1 équipée de plaques ou joues 14 assujetties à la poutre 1 par des vis 15. Ce dispositif possède un triplet de fonctions: 1/ Précontraindre l'ensemble poutre-chaînette. En effet, le calcul montre que la cambrure préalable induit une forte flèche négative. Les lois combinées régissant le calcul d'une chaînette et d'une poutre, montrent que pour une forte flèche un petit delta charge induit un fort delta T. Cela serait donc préjudiciable à un bon fonctionnement en cas de charge essentiellement variable. Cette précontrainte est donc réalisée en usine avec le même procédé que celui montré dans la fig. 2 , en inversant la poutre. La fig. 7 montre une coupe réalisée à l'axe de la poutre. On peut voir que les fixations ou vis 15 reprennent l'effort de précontrainte entre le câble 3, la cale 17 (fig. 6 et 8), les joues 14 et la poutre 1. Les vis 15 sont libres de circuler dans les lumières 19 aménagées dans les joues 14. La figure 8 montre la même coupe dans l'axe de la poutre mais en position d'équilibre avec une charge extérieure nominale. 2/ Ajouter un effort de réaction à l'action des charges extérieures lorsque celles-ci dépassent leurs valeurs nominales. 3/ Assurer l'habillage de la poutre et confiner le câble dans une enceinte bois. Cette dernière fonction est importante en cas d'incendie car le câble est alors provisoirement protégé par le bon coefficient d'isolation thermique du bois. La fig. 9 montre le détail des vis 15 situées en dehors de la cale 17 (fig. 6). Un tube 18, taraudé est assujetti entre les deux joues 14 pour que ces dernières laissent libre le mouvement différentielle vertical de la poutre 1. La figure 10 montre la poutre 1 éventuellement constituée de lames (1-a, 1-b, 1-c , 1-d) maintenues entre elles par des fixations 20. Ces fixations, longitudinalement solidaires d'une des lames1 sont dimensionnées pour laisser un glissement différentiel et longitudinal entre les lames. Ce glissement est essentiel car il est garant de la souplesse de la poutre. Cette souplesse est elle-meme adaptée au rayon de courbure de la cambrure initiale, La fig. Il montre la poutre I composée de lames raboutées longitudinalement par l'action conjuguée de la compression due à la composante horizontale de la tension de la chaînette et celle due au serrage limité des attaches 20 disposées selon la fig. 11. En variante, la fonction chaînette sera assurée par au moins deux câbles ou tiges dont la vue en plan forme une figure symétrique. Ces deux câbles ou tiges se croisent à chaque quart de la longueur de la poutre 1 et se trouvent donc permutés en son milieu. Cette configuration et de nature à réagir aux éventuels efforts transversaux. Ainsi le dispositif de poutre massive composite selon l'invention est caractérisé en ce qu'il est composé d'une matrice comportant au moins une rainure (12) collaborant avec au moins une chainette tendue (3). REVENDICATIONS 1. Dispositif de poutre massive composite, caractérisé en ce qu'il est composé d'une matrice comportant au moins une rainure 12 (fig. 1) collaborant avec au moins une chaînette tendue 3 dont la composante verticale des efforts des ancrages 5, collaborant avec un tube 5-a et un manchon 2, est axée sur la fibre neutre de la poutre 1 pour qu'elle soit comprimée, lorsque cette dernière est en charge nominale (fig. 1) et tendue par la cambrure négative de la poutre 1 lorsque cette dernière n'est pas chargée (fig. 2) et dont le delta arc entre ces deux cas de charge est strictement égal à la somme algébrique des variations élastiques de la chaînette et de la matrice. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la variation géométrique imposée à la chaînette par la rainure 12 entre les deux cas de charges extrêmes, induit sur la matrice et la chaînette, une égale variation élastique compatible avec les taux limites respectifs de contrainte et leurs modules d'élasticité respectifs. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux joues 14, de limitation de cambrure, assujetties à la poutre 1 (fig.6, 7, 8, 9), collaborant avec la chaînette 3 et la poutre 1 par l'intermédiaire de fixations 15 coulissant verticalement dans des lumières 19 et de cales 17 et 18 qui assurent la liaison transversale des joues 14. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la poutre est constituée de lames (fig. 10) de type 1-a, 1-b, 1-c, 1-d, solidarisées entre elles dans le plan d'une section droite et dont le contact inter-lame dans l'axe longitudinal, est du genre glissant. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que les lames 1-a, 1-b, 1-c, 1-d sont raboutées (fig. 11) et maintenues par l'action conjuguée de la compression due à la composante horizontale de la tension de la chaînette et celle due au serrage d' attaches 20. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 de fonction de chaînette 3 assuré par au moins deux câbles ou tiges dont la vue en plan forme une figure symétrique, caractérisé en ce qu'ils se croisent à chaque quart de la longueur de la poutre 1 induisant donc une permutation en son milieu. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le tube 5-a (fig.3, 4, 5) de l'ancrage comporte une ouverture 11 élargie pour le passage du manchon 2 lors de la mise en place de la chaînette 3 dans la rainure 12 et l'ouverture 10 et une butée 13 évitant le glissement du manchon 2 le long de l'ouverture 10.