Brevet FR2858640A1 — publié le 20050211

1\L) Dispositif de chaînage pour éléments de voûte et voûte ainsi obtenue L'invention concerne un dispositif de chaînage pour des éléments de voûte préfabriqués qui sont couramment utilisés pour la réalisation d'ouvrages de génie civil de type voûtes remblayées, par exemple de certains tunnels. 10 Elle concerne aussi la voûte obtenue à partir d'éléments de voûte préfabriqués et d'un dispositif de chaînage selon l'invention. Un procédé classique pour réaliser des ouvrages de ce type est de mettre en appui mutuel des éléments de voûte cintrés préfabriqués, chacun d'eux formant une partie de la section de voûte, de manière à obtenir une section complète puis, d'associer les sections ainsi obtenues sur toute la longueur 20 de l'ouvrage. Pour assurer l'assise de la voûte, on coule préalablement, tout le long de l'ouvrage, deux semelles en béton sur lesquelles viennent prendre appui les éléments de voûte formant les pieds de la voûte. Pour achever l'ouvrage, la structure ainsi obtenue est ensuite remblayée. 25 Généralement, seuls deux éléments de voûte, posés sur les semelles, sont utilisés pour former une section de voûte. On parle alors de voûte tri-articulée: deux articulations entre les éléments de voûte et les semelles ainsi qu'une troisième 30 entre les deux éléments de voûte. Il existe cependant un autre mode de réalisation dans lequel on préfère utiliser trois éléments de voûte pour former la section de voûte. Chacun des deux éléments de voûte latéraux 35 est solidaire à une de ses extrémités d'une semelle tandis que son autre extrémité reçoit l'une des extrémités d'un élément de voûte central. Chacun des appuis mutuels entre éléments de voûte constitue une articulation. On parle dans ce cas de voûte bi- articulée. Dans de nombreuses configurations de l'ouvrage, les efforts s'appliquant sur une section de voûte ne s'équilibrent pas du fait de leur dissymétrie: il existe alors un effort résultant qui agit au niveau des articulations et nuit à la stabilité ainsi qu'à la résistance de l'ouvrage. 10 Ainsi, il peut survenir un effort résultant horizontal longitudinal, dû par exemple à une épaisseur de remblai variable sur la longueur de l'ouvrage ou à un ouvrage réalisé en pente. Cet effort peut conduire à une dislocation de la 15 structure. Il peut également exister un effort résultant vertical qui cisaille les articulations provoquant parfois des fissures ou des épaufrures, plus particulièrement dans le cas des voûtes 20 tri-articulées. Un mauvais sol sujet à des tassements différentiels ou une poussée latérale dissymétrique produisent un tel effort. Pour équilibrer un effort résultant horizontal longitudinal, 25 une solution consiste à réaliser un chaînage longitudinal des éléments de voûte en coulant une ou deux poutres de béton sur la longueur de l'ouvrage. Dans le cas d'une poutre unique, coulée sur toute la longueur 30 de l'ouvrage, toute rotation de la voûte autour de son axe longitudinal ou autour de son axe transversal est interdite. De même, cette solution empêche tout déplacement vertical. Par rapport à la solution précédente, la coulée de deux poutres longitudinales le long de l'ouvrage présente 35 l'avantage d'autoriser la rotation d'axe longitudinal. La rotation d'axe transversal et le déplacement vertical restent interdits. Or ces mouvements, en particulier les rotations, doivent être 5 possibles pour que la structure puisse s'adapter à la configuration extérieure de l'ouvrage (interaction solstructure). De plus, la réalisation du chaînage des éléments de voûte par 10 coulée de poutres en béton est difficile à mettre en oeuvre, par exemple, parce qu'il convient alors de réaliser des coffrages sur toute la longueur de l'ouvrage. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvé15 nients précités. Pour ce faire, l'invention propose un dispositif de chaînage du type défini ci-dessous, qui comprend au moins un élément de chaînage formé d'une âme longitudinale faite en un 20 matériau résistant et dont une partie de la surface est recouverte par au moins un élément déformable fait d'un matériau ductile et à grande capacité de frottement, et agencé pour être inséré longitudinalement entre des lèvres respectives d'au moins deux éléments de voûte en appui 25 mutuel, et en ce que l'âme longitudinale s'étend sur au moins la longueur de l'une des lèvres et comprend des moyens de fixation à l'âme d'au moins un élément de chaînage adjacent en vue de réaliser un chaînage sur toute la longueur de la voûte. Le principe de l'invention est, d'une part d'utiliser les frottements présents dans les articulations pour créer une force capable d'équilibrer un effort horizontal longitudinal et d'autre part, de permettre au niveau des articulations les 35 seuls mouvements utiles à l'adaptation de la structure au milieu extérieur. En outre, le chaînage ainsi obtenu présente une grande facilité de mise en oeuvre notamment parce qu'il n'implique pas de coulée de béton sur la totalité de la longueur de l'ouvrage. L'âme de l'élément de chaînage est réalisée, de préférence, en un matériau métallique, en particulier en acier, de manière à présenter une bonne rigidité. Dans un mode de réalisation, les moyens de fixation compren10 nent des moyens de soudure permettant ainsi d'assurer la continuité du chaînage sur toute la longueur de la voûte par une opération simple. Dans un autre mode de réalisation, les moyens de fixation 15 sont aptes à être éclissés, ce qui constitue un autre moyen simple de réaliser un chaînage résistant. Les éléments déformables comprennent, dans un mode de réalisation préféré, deux feuillets entre lesquels est 20 intercalée l'âme longitudinale. Chacun des feuillets vient en contact avec la lèvre d'un élément de voûte et induit un frottement entre l'élément de chaînage et les éléments de voûte. L'âme longitudinale de l'élément de chaînage est, dans une configuration avantageuse, un profilé ayant une section de forme choisie, par exemple en T ou en L, présentant une branche dont une partie de la surface est recouverte par un ou plusieurs éléments déformables et au moins une branche 30 dépassant vers l'extérieur de la voûte, afin de faciliter la fixation de l'âme longitudinale à l'âme adjacente. En outre, les éléments déformables sont solidarisés à l'âme longitudinale de l'élément de chaînage, par exemple par 35 collage. Les éléments déformables sont de préférence formés en un matériau choisi parmi les matériaux élastomères, par exemple le caoutchouc, qui sont facilement déformables, résistants et aisés à mettre en place. De plus, l'âme longitudinale de l'élément de chaînage comporte au moins un organe de centrage propre à s'engager dans des logements respectifs aménagés dans les lèvres en vis-à-vis pour assurer un centrage provisoire des éléments de 10 voûte. L'organe de centrage a, de préférence, sensiblement la forme de deux troncs de cône inversés s'étendant respectivement de part et d'autre de l'âme longitudinale. 15 Avantageusement, les éléments déformables ne recouvrent qu'une partie de la surface de l'âme longitudinale de manière à ménager des logements aptes à recevoir un coulis d'un matériau résistant par exemple un coulis de ciment, afin de 20 consolider la voûte et d'assurer une protection contre l'incendie. L'invention propose également une voûte composée d'éléments de voûte et d'au moins un dispositif de chaînage selon 25 l'invention. Dans une configuration privilégiée, les éléments de voûte ont une face supérieure qui, au voisinage de la lèvre, présente un renfoncement pour loger la branche laissée libre d'un 30 profilé en T ou en L. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: 35 la figure 1 est une vue générale en perspective d'une section de voûte selon l'invention, - la figure 2 est une vue de face de la section de voûte de la figure 1, - la figure 3 est une vue générale de dessus d'une voûte selon l'invention, - la figure 4 est une vue agrandie du détail IV des figures 2 et 3, - la figure 5 est un schéma présentant les efforts mis en jeu au niveau de l'appui entre les éléments de voûte de la figure 15 2, - la figure 6 est une vue agrandie du détail VI de la figure - la figure 7 est une coupe transversale d'un élément de chaînage selon l'invention, la figure 8 est une coupe transversale d'un élément de chaînage selon l'invention dans un autre mode de réalisation, 25 - la figure 9 est une vue en perspective de moyens de fixation selon l'invention, - la figure 10 est une vue en perspective de moyens de 30 fixation selon l'invention dans un autre mode de réalisation, - la figure 11 est une vue en perspective de moyens de fixation selon l'invention dans un autre mode de réalisation, la figure 12 est une vue détaillée en coupe transversale de l'appui entre les éléments de voûte selon l'invention dans un autre mode de réalisation, - la figure 13 est une coupe transversale d'un élément de chaînage selon l'invention dans une configuration avantageuse, - la figure 14 est une coupe transversale d'un élément de 10 chaînage selon l'invention dans une autre configuration avantageuse, - la figure 15 est une vue en perspective d'une voûte selon l'invention, - la figure 16 est une vue en perspective d'une voûte selon l'invention achevée, et - la figure 17 est une vue en perspective d'une voûte selon 20 l'invention dans une configuration différente de celle de la figure 1. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas 25 échéant. Dans la description détaillée ci-après, on considère un ouvrage de génie civil de type voûte remblayée, par exemple un tunnel. Une section de voûte selon l'invention (figures 1, 2 et 3) est classiquement constituée par deux éléments de voûte 1 et 3 cintrés, préfabriqués en béton, mis en appui mutuel, chacun d'eux reposant d'autre part sur des semelles 5 et 7 en béton 35 préalablement coulées. Pour réaliser la voûte, des sections de voûte sont disposées sur toute la longueur de l'ouvrage (figure 3). Une fois la voûte obtenue, l'ouvrage est remblayé au moyen d'un remblai R (figure 16). Dans le cas d'une voûte selon l'invention, un élément de 5 chaînage 9 (figure 4), de longueur sensiblement égale à la longueur de la section de voûte, constitutif du dispositif de chaînage selon l'invention est intercalé entre les éléments de voûte 1 et 3. Il arrive, dans de nombreuses configurations de l'ouvrage, que les forces s'appliquant sur une section de voûte ne s'équilibrent pas. En particulier, lorsque l'ouvrage est réalisé en pente ou lorsque l'épaisseur de remblai R varie sur la longueur de l'ouvrage, il résulte au niveau de l'appui 15 entre les éléments de voûte un effort longitudinal horizontal Fm (figure 5). Si cet effort Fm n'est pas compensé, l'équilibre statique de la section de voûte ne pourra être réalisé. Dans certain cas, ce déséquilibre conduit à une dislocation de la structure. Pour assurer la stabilité et la 20 résistance de l'ouvrage, il convient donc d'équilibrer la section de voûte en créant au niveau de l'appui entre les éléments de voûte 1 et 3, une force Fr longitudinale horizontale opposée à Fm et d'intensité plus grande. L'invention consiste à utiliser les efforts horizontaux transversaux N, 25 dus en particulier à la poussée du remblai R sur la voûte, en créant du frottement dans l'appui entre les éléments de voûte 1 et 3. Le frottement associé aux efforts transversaux N engendre une force Fr longitudinale horizontale capable d'équilibrer Fm. Une première disposition de l'élément de 30 chaînage 9 selon l'invention est donc de créer du frottement au niveau de l'appui entre les éléments de voûte 1 et 3. Pour s'adapter à l'environnement extérieur, la section de voûte doit pouvoir se déformer dans des limites raisonnables. 35 Au niveau de l'appui entre un élément de voûte 1 et une semelle 5 (figure 6), des chanfreins 61 et un écart e, ménagé entre le rebord de la semelle 5 et l'élément de voûte 1, autorisent certains mouvements, en particulier une rotation d'axe longitudinal. La liaison entre la semelle 5 et l'élément 1 est de ce fait appelée articulation. Pour 5 prévenir un effort vertical, dans la section de voûte, dû en particulier à un remblayage différent de part et d'autre de l'ouvrage ou à un sol de composition différente sous les semelles 5 et 7, il est également nécessaire d'autoriser, au niveau de l'appui entre les éléments de voûte 1 et 3, 10 certains déplacements, en particulier une rotation d'axe transversal et une translation verticale d'un élément de voûte 1 par rapport à l'autre 3. Dans ce cas, on parle également d'articulation entre les éléments de voûte 1 et 3. L'élément de chaînage 9 du dispositif de chaînage selon 15 l'invention doit donc autoriser les déplacements précités. L'ensemble de ces degrés de liberté permet de conférer à l'ouvrage un tracé courbe tant dans le plan vertical que dans le plan horizontal. Un premier mode de réalisation (figure 7) de l'élément de chaînage 9 du dispositif de chaînage selon l'invention comprend une âme métallique 75 réalisée au moyen d'un profilé en forme générale de L inversé. Sur les deux faces de la plus 25 grande branche de l'âme métallique 75 sont disposés, collés, deux feuillets déformables 71 et 73, l'autre branche étant laissée libre. Un second mode de réalisation (figure 8) prévoit que l'âme métallique 77 peut être formée au moyen d'un profilé en forme générale de T. 30 Une fois l'élément de chaînage 9 inséré entre les éléments de voûte 1 et 3, les faces respectives des éléments de voûte 1 et 3, les lèvres 41 et 43, sont au contact des feuillets déformables 71 et 73. Ce contact crée, de fait, le frottement 35 recherché. Parallèlement, les feuillets 71 et 73 autorisent la rotation d'axe transversal et la translation verticale puisqu'ils sont déformables. Pour un fonctionnement optimal du dispositif de chaînage selon l'invention, il convient de réaliser les feuillets déformables 71 et 73 en un matériau possédant à la fois de bonnes aptitudes à la déformation et 5 dont le coefficient de frottement avec le béton soit adapté. On utilise ainsi de préférence un matériaux de type élastomère comme le caoutchouc ou le néoprène. Afin d'assurer la stabilité et la résistance de la voûte dans 10 son ensemble, il est nécessaire de chaîner les éléments de chaînage 9 de manière à équilibrer les efforts résultants horizontaux longitudinaux sur l'ensemble de la voûte. Pour ce faire, il faut fixer l'âme 75 de l'élément de chaînage 9 avec l'âme d'un élément de chaînage adjacent. 15 Une première configuration (figures 9 et 10) utilise des éclisses métalliques 90 pour relier les âmes métalliques 75. Une plaque métallique 91 est disposée à cheval sur les faces supérieures de deux âmes métalliques 75. La plaque métallique 20 91 est soit vissée à chacune des âmes métalliques 75 au moyen de vis 93 (figure 9) soit soudée (figure 10) au moyen de cordons de soudure 94. Il est également possible, dans une seconde configuration 25 (figure 11), de réaliser un cordon de soudure 100 directement entre les faces supérieures de deux âmes métalliques 77. Pour faciliter la mise en place de l'élément de chaînage 9 sur les faces des éléments de voûte 1 et 3, il peut être 30 prévu, sur l'élément de chaînage 9, un dispositif de centrage (figure 12). Deux éléments de centrage 113 et 115, de forme tronconique, s'emboîtent à leurs bases de part et d'autre de l'âme métallique 75, alors prévue d'un perçage adéquat, grâce à un dispositif mâle/femelle non représenté. 35 Des logements de centrage 111, dont la forme est complémentaire à celle des éléments de centrage 113 et 115, sont ménagés dans les lèvres 41 et 43 des éléments de voûtes 1 et 3. Le dispositif de centrage 110 est volontairement prévu peu résistant. D'une part sa fonction de centrage est temporaire, d'autre part, le dispositif de centrage 110 ne doit pas 5 interdire les mouvements au niveau de l'articulation entre les éléments de voûte 1 et 3. Bien que les mouvements au niveau de l'articulation entre les éléments de voûte 1 et 3 doivent être autorisés pour per10 mettre à la voûte de s'adapter à l'environnement extérieur (interaction sol-structure), il convient, une fois cette adaptation assurée, de consolider la voûte afin de la rendre plus résistante notamment vis-à-vis des incendies. Pour ce faire une amélioration de l'élément de chaînage 9 selon 15 l'invention prévoit de ménager des cavités 150,160 dans lesquelles il est possible d'injecter un coulis d'un matériau approprié, par exemple à base de ciment (figures 13 et 14). Une fois la voûte mise en place (figure 15) en plaçant les 20 éléments de voûte en vis-à-vis en intercalant l'élément de chaînage 9 et tous les éléments de chaînage 9 reliés par soudure ou au moyen d'éclisses, il convient d'assurer l'étanchéité de la voûte avant de la remblayer. Pour ce faire, on dispose classiquement une feuille d'étanchéité 25 (181) sur la totalité de la surface supérieure de la voûte (figure 16) ou au moins sur les jointures. Il est donc nécessaire que les éléments de chaînage 9 ne dépassent pas de la face supérieure de la voûte. On pratique donc (figure 12) une défonce 117 sur la face supérieure des éléments de voûte 30 1 et 3 à proximité des lèvres 41 et 43. Le dispositif de chaînage selon l'invention a été décrit cidessus dans le cas de voûtes tri-articulées. Il est transposable tel quel au cas de voûtes bi-articulées. 35 De même, il a été décrit une configuration dans laquelle les éléments de voûte 1 et 3 sont disposés en vis-à-vis. Dans le cas (Figure 17) où les éléments de voûte 1 et 3 sont disposés en quinconce, c'est-à-dire que chaque élément de voûte 1 est 5 en appui avec deux autres 3 et 11, le dispositif de chaînage selon l'invention est également utilisable. Enfin, il a été décrit précédemment des âmes longitudinales réalisées au moyen de profilés en forme générale de L inversé 10 ou de T, mais il est envisageable d'utiliser d'autres formes, en particulier, un profilé de section circulaire. Dans ce cas, une gaine en élastomère, cylindrique ou en boudin, entoure l'âme cylindrique sur une partie seulement de sa longueur. Cette configuration oblige alors à pourvoir les 15 lèvres des éléments de voûte de défonces demi-cylindriques sur toute leur longueur. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits ci-avant, seulement à titre d'exemple, mais elle englobe 20 toutes les variantes que pourra envisager l'homme de l'art dans le cadre des revendications ci-après. Revendications 1. Dispositif de chaînage pour éléments de voûte, les éléments de voûte étant agencés les uns aux autres de manière à former une voûte, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un élément de chaînage (9) formé d'une âme longitudinale (75,77) faite en un matériau résistant et dont une partie de la surface est recouverte par au moins un élément déformable (71,73) fait d'un matériau ductile et à grande capacité de 10 frottement, et agencé pour être inséré longitudinalement entre des lèvres respectives (41,43) d'au moins deux éléments de voûte (1,3) en appui mutuel, et en ce que l'âme longitudinale (75,77) s'étend sur au moins la longueur de l'une des lèvres et comprend des moyens de fixation (90,100) à l'âme 15 d'au moins un élément de chaînage adjacent en vue de réaliser un chaînage sur toute la longueur de la voûte. 2. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme de l'élément de chaînage (9) est 20 réalisée en un matériau métallique, en particulier en acier. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de fixation comprennent des moyens de soudure (100). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de fixation comprennent des éclisses (90). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments déformables comprennent deux feuillets (71,73) entre lesquels est intercalée l'âme longitudinale (75,77). 6. Dispositif selon l'une des revendication précédentes, caractérisé en ce que l'âme longitudinale (75,77) de l'élément de chaînage (9) est un profilé ayant une section de forme choisie, par exemple en T ou en L, présentant une branche dont une partie de la surface est recouverte par un ou plusieurs éléments déformables et au moins une branche dépassant vers l'extérieur de la voûte. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments déformables (71,73) sont solidarisés à l'âme longitudinale (75,77) de l'élément de 10 chaînage, par exemple par collage. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments déformables (71,73) sont formés en un matériau choisi parmi les matériaux élastomères 15 par exemple le caoutchouc. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'âme longitudinale (75,77) de l'élément de chaînage (9) comporte au moins un organe de 20 centrage (110) propre à s'engager dans des logements respectifs (111) aménagés dans les lèvres (41,43) en vis-à-vis pour assurer un centrage provisoire des éléments de voûte. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce 25 que l'organe de centrage (110) a sensiblement la forme de deux troncs de cône inversés (113,115) s'étendant respectivement de part et d'autre de l'âme longitudinale. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que les éléments déformables (71,73) ne recouvrent qu'une partie de la surface de l'âme longitudinale (75,77) de manière à ménager des logements (150,160) aptes à recevoir un coulis d'un matériau résistant par exemple un coulis de ciment. 12. Voûte composée d'éléments de voûte (1,3) et d'au moins un dispositif de chaînage selon l'une des revendications précédentes. 13. Voûte selon la revendication 12 rattachée à la revendication 6, caractérisée en ce que les éléments de voûte (1,3) ont une face supérieure (119) qui, au voisinage de la lèvre (41,43), présente un renfoncement (117).