Brevet FR2857999A1 — publié le 20050128

Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone (CFRP) et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes [0001] Cette invention concerne une fixation mécanique de blocage et de serrage pour des tiges de renfort, qui sont de section transversale circulaire et doivent être serrées temporairement ainsi que des tiges de renfort spéciales correspondant à cette fixation de blocage et de serrage. Pour les tiges de renfort, on pense surtout à des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone (CFRP en anglais); ces tiges conviennent pour absorber des efforts de tractions particulièrement grands, en liaison avec des poids et des épaisseurs faibles. De pareilles tiges de renfort à base de fibres de carbone ont d'autre part l'avantage d'être absolument inattaquables par la corrosion. Avec toutes leurs propriétés, elles peuvent être mises en oeuvre de manière remarquable pour armer et précontraindre des éléments de construction en béton. Les problèmes techniques pour l'utilisation de pareilles tiges de renfort consistent en ce que de pareilles tiges de section transversale circulaire ne peuvent pas, à la différence des tiges d'armature en acier, se courber simplement à leurs extrémités ou se déformer plastiquement localement pour assurer un agrippement avec le béton ou encore se serrer avec un dispositif conventionnel. En effet, ces tiges à base de fibres de carbone sont des tiges droites comme des cierges et de surfaces lisses; quand elles doivent être bétonnées pour renforcer et précontraindre, les problèmes consistent en ce que les énormes efforts de traction que ces tiges peuvent fournir doivent être transmis à l'élément en béton à renforcer et précontraindre de cette façon par l'intermédiaire de moyens temporaires quelconques de fixation et de serrage et que l'effort actif de serrage doit être maintenu de 1 à 7 jours. Parce que les tiges de renfort présentent des surfaces lisses, cela complique encore la transmission d'efforts élevés de traction au béton où elles doivent être noyées. Beaucoup d'éléments en béton ne sont pas seulement armés mais précontraints après la prise. Il se révèlent alors bien moins sujets à la fissuration et il est possible avec un béton ainsi précontraint de réaliser des constructions très rigides, minces et stables. 2] Quand, pour poser des armatures ou pour précontraindre, on met en oeuvre traditionnellement des tiges en acier d'armaturage, celles-ci nécessitent, à cause du danger de corrosion, une épaisseur importante pour recouvrir le béton, ce qui influence le dimensionnement de la construction à réaliser. Mais, même alors, le danger de corrosion ne peut pas être éliminé entièrement. Si on pouvait mettre en oeuvre des tiges de renfort aux fibres de carbone, elles seraient, pour le même effort de traction, bien moins épaisses et moins lourdes; elles devraient, du fait de leur absence de corrosion, être recouvertes d'une épaisseur de béton beaucoup moins grande et permettre ainsi, avec des valeurs de stabilité semblables, des constructions plus minces, plus légères et d'une très grande durée de vie. 3] Comme exemples d'éléments de construction en béton précontraint, indiquons les candélabres ou lampadaires du domaine public. De pareils lampadaires utilisés sur l'aire de trafic des aéroports atteignent des hauteurs respectables, allant jusqu'à 60 m. Ils se composent de plusieurs éléments, qui sont bridés ensemble. Les différents éléments sont réalisés par centrifugation du béton dans un moule, qui représente en négatif le contour extérieur du lampadaire. Sous l'action de la centrifugation, le béton centrifugé, d'abord déversé dans le moule, s'applique sur la paroi extérieure du moule. Le long de l'axe de rotation il se forme une cavité et, par durcissement, finalement un candélabre ou lampadaire tubulaire. Pour que ce candélabre ou lampadaire deviennent spécialement rigide et stable, on pose dans la partie du moule qui doit être remplie de béton une armature en acier. Il s'agit là d'un certain nombre de tiges d'acier, qui s'étendent approximativement dans le sens axial, à l'intérieur de la paroi extérieure, le long du lampadaire à mouler. Avant la prise du béton, les tiges d'acier peuvent être précontraintes mécaniquement, par exemple par des moyens de serrage munis de filetages, pour qu'après la prise du béton les efforts de serrage soient absorbés directement et transmis à l'élément en béton. 4] Si maintenant ces tiges de serrage pouvaient être réalisées particulièrement minces et si elles étaient en plus inattaquables par la corrosion, comme c'est le cas pour les tiges de renfort à base de fibres de carbone, ces lampadaires pourraient être réalisés plus minces, plus légers et surtout sans aucun danger de corrosion, ce qui favoriserait leur durée de vie. Naturellement la mise en oeuvre de tiges de renfort à base de fibres de carbone permettrait bien d'autres utilisations. Les lampadaires en béton n'on été cités ici que parce qu'ils sont un exemple simple et vraiment évident. Le problème dans la mise en oeuvre de tiges de renfort à base de fibres de carbone consiste essentiellement à les ancrer sûrement à leurs extrémités de manière temporaire et à transmettre sûrement les énormes efforts de traction à l'élément de béton qui doit être précontraint. 5] Le but de la présente invention est donc d'indiquer une fixation de blocage et de serrage pour des tiges de renfort en matière plastique renforcée aux fibres de carbone, qui puisse être bloquée à n'importe quel endroit désiré d'une tige de renfort avec celle-ci et y permette temporairement d'absorber des efforts de traction élevés. Cette fixation de blocage et de serrage nécessite des tiges de renfort spéciales renforcées aux fibres de carbone, qui permettent en combinaison avec celle-ci les efforts de serrage désirés. Un autre but de l'invention est d'indiquer pour cette fixation de blocage et de serrage des tiges de renfort adéquates en matière plastique renforcée aux fibres de carbone. 6] Ce but est atteint par une fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que par des tiges de renfort correspondantes, caractérisées en ce que la fixation de blocage et de serrage est composée d'un manchon, qui forme un cône intérieur, ainsi que d'une pièce de blocage, qui forme un cône extérieur pouvant être inséré dans le cône intérieur du manchon et qui est composée d'au moins trois mors de blocage formant chacun un segment de cône, les segments de cône étant destinés à entourer la tige de renfort en laissant libres des fentes radiales, cependant que les mors de blocage présentent sur leur surface intérieure un segment de paroi cylindrique de rayon plus faible que celui de la section transversale de la tige de renfort, et en ce que les tiges de renfort correspondantes présentent une surface constituée par une enduction de sable céramique. 7] La fixation de blocage est de serrage pour la mise en oeuvre temporaire avec une tige de renfort correspondante est représentée sur les dessins annexés. Cidessous elle est décrite et son fonctionnement est expliqué à l'aide de ces dessins: la figure 1 représente une vue en perspective de la fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire avec la tige de renfort correspondante, l'ensemble étant en position d'utilisation et La figure 2 représente une coupe longitudinale de la fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire avec la tige de renfort correspondante, cette coupe s'étendant le long de l'axe de la tige et l'ensemble étant en position d'utilisation. 8] La figure I représente une vue en perspective de la fixation de blocage et de serrage dans sa position d'utilisation pour sa mise en oeuvre temporaire, la tige de renfort n'étant pas encore précontrainte ici. La fixation comprend un manchon, constitué ici par un manchon d'acier 1, qui présente un cône intérieur, non représenté ici. Dans ce cône intérieur est inséré la pièce de blocage 2, qui forme un cône extérieur et dépasse ici encore du manchon 1. Cette pièce de blocage 2 est constituée ici de trois mors de blocage 3 de même grandeur, en forme de segments de cône, s'étendant chacun sur presque 120 du pourtour de cône. De façon analogue quatre mors de blocage peuvent aussi être mis en oeuvre et s'étendre alors chacun sur presque 90 ; un plus grand nombre de mors peuvent encore être prévus. Ces mors de blocage 3 entourent au centre la tige de renfort 4. Ils forment chacun sur leur surface intérieure une échancrure d'une paroi intérieure cylindrique 5, avec laquelle ils reposent sans jeu sur la tige de renfort 4. Le rayon de ces parois cylindriques est avantageusement inférieur de 10% au rayon de la tige de renfort 4. Entre les différents mors de blocage 3 une fente très fine 6 reste toujours libre. Quand les mors de blocage 3 s'appliquent sans jeu sur la tige de renfort 4, ils ne s'assemblent donc pas complètement en un cône de révolution, mais ils laissent une jeu extrêmement faible, de sorte que, même dans cet état, ils peuvent, par serrage vers le centre, fournir un effort de pression et donc de blocage sur la tige de renfort 4. Pour qu'à l'état de non-utilisation la pièce de blocage 2 ne se défasse pas, elle présente une rainure circulaire 12, qui reçoit une bague de maintien 13, maintenant ensemble avec du jeu les 3 mors de blocage 3. Le serrage des mors de blocage 3 contre la tige de renfort 4 se fait par recouvrement de la pièce de blocage 2 avec le manchon de serrage 1, la pièce de blocage 2 disparaissant alors à l'intérieur du manchon 1. Ce dernier peut être muni pour cela d'un filetage extérieur 7, de sorte qu'un écrou à chapeau 8, logé sur une plaque 9 de contrefort, s'appuie pendant le vissage sur cette plaque 9. Derrière la plaque de contrefort 9 sont disposées plusieurs vérins hydrauliques 11, qui agissent entre la plaque de contrefort 9 et la face extérieure du moule 10, dans lequel la pièce de béton 14 est moulée. Quand les vérins hydrauliques 11 sont rentrés, on bloque l'écrou à chapeau 8 et, une fois que le moule a été rempli de béton, les vérins hydrauliques 11 sont actionnés et écartent alors l'une de l'autre la plaque de contrefort 9 et le moule 10. Jusqu'à ce que le béton 14 ait durci, la fixation de blocage et de serrage doit absorber les efforts de traction agissant sur les tiges de renfort et les transmettre à la plaque de contrefort 9. 9] Les mors de blocage 3 de la pièce de blocage 2 sont réalisés dans un matériau tout à fait particulier, c'est-à-dire un thermoplaste additionné de céramique, de sorte que ce thermoplaste devient stable au fluage et plus dur. De préférence on mélange 40% en volume ou plus d'oxyde de silicium avec du polysulfure de phénylène, utilisé comme thermoplaste. Ce thermoplaste enrichi de céramique présente alors une valeur finale du module d'élasticité E (oc, a = +/- 100 Mpa) > 10.000 Mpa et, de plus, une dureté à l'empreinte de bille > 300 Mpa. Ces valeurs spécifiques du matériau se révèlent décisives pour la réalisation d'efforts suffisants de blocage et de serrage qui doivent être absorbées temporairement pendant 1 à 7 jours. [00010] La figure 2 représente une coupe longitudinale de la fixation de blocage et de serrage comportant la tige de renfort correspondante 4, cependant que la coupe suit l'axe de cette tige; la tige de renfort 4, quant à elle, est vue de côté; elle n'est donc pas en coupe longitudinale. On reconnaît d'abord que la tige 4 est ici une tige de matière plastique 4 renforcée aux fibres de carbone (en anglais CFRP)) et enduite d'un granulé céramique. Un sable convenable pour un pareil granulé comporte un diamètre de grain moyen de 1/10e +/- 3/100e du diamètre de la tige non enduite en matière plastique renforcée aux fibres de carbone. La tige 4 est alors pratiquement recouverte sans lacune par ce granulé et les différents granulés ont pour effet que les mors de blocage 3 s'agrippent par leurs surface intérieures cylindriques 5 à ces grains et que les grains s'agrippent de la même façon à la tige de renfort 4. Cette enduction de sable permet d'obtenir une rugosité superficielle déterminée de la tige de renfort aux fibres de carbone 4, qui est sinon lisse. La dureté du granulé d'enduction doit atteindre ou dépasser le degré de dureté 7 sur l'échelle de dureté de Mohs. Dans le cas présent, la tige de renfort 4 a d'abord été engagée de gauche à droite dans un châssis de contrefort 9, qui fait partie d'un lit de serrage. Ensuite le manchon de blocage et de serrage 1 a été passé de gauche à droite par-dessus la tige de renfort 4; ensuite la pièce de blocage 2 a été passée par-dessus dans le même sens, puis enfoncée, avec une légère pression d'appui, dans le cône intérieur 11 ouvert vers l'extérieur, c'est-à-dire ici vers la gauche - du manchon de blocage et de serrage 1. La surface extérieure du manchon 1 présente avantageusement un filetage extérieur 7, sur lequel un écrou à chapeau non représenté ici peut alors se visser et s'appuyer à la plaque de contrefort 9. Quand on tire cette plaque 9 vers la gauche, le manchon de serrage 1 se déplace vers la gauche du dessin, en serrant alors la pièce de blocage 2. Les forces de réaction causées par la conicité du manchon 1 et de la pièce de blocage 2 provoquent une pression radiale des mors de blocage 3 sur la tige de renfort 4, de sorte qu'au fur et à mesure de l'augmentation de l'effort de traction vers la gauche du dessin l'effort de blocage agissant sur la tige de renfort 4 augmente. Comme on voit sur le dessin, l'angle enveloppant l'ensemble du cône formé par la pièce de blocage 2 est inférieur à l'angle enveloppant le cône intérieur 11 sur le manchon 1. L'angle enveloppant le cône de la pièce de blocage est conçu de 0,5 à 1,5 plus grand; c'est-à-dire que les surfaces de cônes diffèrent entre elles d'un angle de 1 +/-0,5 . Par suite de l'augmentation vers l'extérieur de l'effort de traction du manchon de blocage et de serrage 1, un effort supérieur de pression et/ou de blocage est exercé sur la tige de renfort 4 à l'extrémité arrière et/ou extérieure de la pièce de blocage 2. Cet effort de pression diminue peu à peu vers l'extrémité avant de la pièce de blocage 2. Ainsi l'ensemble des efforts de traction et de blocage actifs entre la barre de renfort 4 et la pièce de blocage 2 et/ou les mors de blocage 3 se répartit avantageusement sur la longueur axiale de la pièce de blocage 2. Pour que les mors de blocage 3 puissent se déplacer légèrement le long du cône intérieur 11 sur le manchon 1 de blocage et de serrage, la surface intérieure du manchon d'acier est graissée. Cela garantit un engagement par traction permanent et régulier de la pièce de blocage 2 composée de plusieurs pièces, c'està-dire de ses mors de blocage 3. [00111 Avec une pareille fixation de blocage et de serrage comprenant une tige de renfort 4 correspondante, la vitesse de traction de cette tige renforcée aux fibres de carbone qui peut être obtenue est de 5 à 10 kN/min. Avec une pareille charge de traction fournie, il se produit une fixation mécanique pratiquement vigoureuse et solidaire de la tige soumise à la traction, et ceci par l'intermédiaire des mors encastrés de cône 3 de la pièce de blocage 2 composée par eux. Sous la charge de la traction, les mors de cône 3 se déplaçant dans le manchon de serrage 1 vers l'intérieur exercent en même temps sur la tige 4 une pression radiale, qui est nécessaire pour activer l'adhérence de la surface rugueuse de la tige sur les surfaces intérieures des mors de cône 3. L'agrippement du granulé d'enduction défini de manière précise dans sa dureté et dans la grosseur de ses grains - dans les mors de cône 3 assiste l'adhérence de la tige renforcée aux fibres de carbone, qui est soumise à la traction et se déforme élastiquement. Pour une tige de renfort ayant un diamètre de 4,2 mm, la longueur de la pièce de blocage est typiquement de 36 mm et le plus grand diamètre est de 28 mm. L'effort de serrage temporaire qui peut ainsi être obtenu de manière durable est d'environ 20 kN. Cet effort de serrage se maintient typiquement de 1 à 7 jours dans le lit de serrage au moyen de la fixation mécanique de blocage et de serrage décrite. Ensuite cet effort de serrage est transmis au béton durci au moyen par exemple d'un délestage hydraulique du lit de serrage. Ainsi l'élément de construction en béton est renforcé et précontraint par les tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone. 8 2857999 Revendications 1. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes, caractérisées en ce que la fixation de blocage et de serrage est composée d'un manchon (1), qui forme un cône intérieur (11), ainsi que d'une pièce de blocage (2), qui forme un cône extérieur pouvant être inséré dans le cône intérieur (11) du manchon (1) et qui est composée d'au moins trois mors de blocage (3) formant chacun un segment de cône, les segments de cône étant destinés à entourer la tige de renfort (4) en laissant libres des fentes radiales (6), cependant que les mors de blocage présentent sur leur surface intérieure un segment de paroi cylindrique (5) de rayon plus faible que celui de la section transversale de la tige de renfort (4), et en ce que les tiges de renfort correspondantes (4) présentent une surface constituée par une enduction de sable céramique. 2. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant la revendication 1, caractérisées en ce que la pièce de blocage (2), qui forme un cône extérieur pouvant être inséré dans le cône intérieur (11) du manchon (1), est composée de trois mors de blocage (3) égaux, formant chacun un segment de cône, qui s'étend sur moins de 120 , les segments de cône étant destinés à entourer la tige de renfort (4) en laissant libres des fentes radiales (6), cependant qu'ils présentent sur leur surface intérieure un segment de paroi cylindrique (5) de rayon 10% plus faible que celui de la section transversale de la tige de renfort (4) . 3. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant la revendication 1, caractérisées en ce que la pièce de blocage (2), qui forme un cône extérieur pouvant être inséré dans le cône intérieur (11) du manchon (1) est composée de quatre mors de blocage (3) égaux, formant chacun un segment de cône, qui s'étend sur moins de 90 , les segments de cône étant destinés à entourer la tige de renfort (4) en laissant libres des fentes radiales (6), cependant qu'ils présentent sur leur surface intérieure un segment de paroi cylindrique (5) de rayon 10% plus faible que celui de la section transversale de la tige de renfort (4) . 4. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications précédentes, caractérisées en ce que le manchon (1) est un manchon en acier, comportant un filetage extérieur (7) et un écrou à chapeau (8), et que la pièce de blocage (2) est constituée par un thermoplaste stable au fluage, rempli par plus de 40% en volume. 5. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications précédentes, caractérisées en ce que la pièce de blocage (2) est constituée par du polysulfure de phénylène stable au fluage, rempli de plus de 40% d'oxyde de silicium en volume. 6. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications 4 à 5, caractérisées en ce que la pièce de blocage (2) est constituée par un thermoplaste stable au fluage, rempli de plus de 40% en volume de céramique, avec une valeur finale du module d'élasticité E (ox c, = +/- 100 Mpa) > 10.000 Mpa et une dureté à l'empreinte de bille > 300 Mpa. 7. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications précédentes, caractérisées en ce que la tige de renfort correspondante (4) est une tige en matière plastique renforcée aux fibres de carbone, dont la surface est enduite d'un granulé de sable ayant au moins le degré de dureté 7 sur l'échelle des duretés de Mohs. 8. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications précédentes, caractérisées en ce que la tige de renfort correspondante (4) est une tige en matière plastique renforcée aux fibres de carbone, dont la surface est enduite d'un granulé de sable, dont le diamètre moyen des grains de sable représente 1/10e +/- 3/100e du diamètre de la tige (4) - non-enduite - en matière plastique renforcée aux fibres de carbone. 9. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications précédentes, caractérisées en ce qu'entre le cône intérieur (11) du manchon (1) et le cône extérieur de la pièce de blocage (2) il existe une différence angulaire totale de 2 +/- 1 , de sorte que l'angle du cône complet de la pièce de blocage (2) est supérieur de 1 à 3 à l'angle du cône intérieur (11) du manchon (1). 10. Fixation de blocage et de serrage pour la mise en oeuvre temporaire sur des tiges de renfort renforcées aux fibres de carbone et de section transversale circulaire ainsi que tiges de renfort correspondantes suivant une des revendications précédentes, caractérisées en ce que la pièce de blocage (2) présente, dans l'état assemblé des mors de blocage (3), une rainure (12) s'étendant sur tout le pourtour et dans laquelle est insérée une bague de serrage (13), qui maintient assemblée la pièce de blocage en position de nonutilisation.