Brevet FR2970991A1 — publié le 20120803

Description Domaine technique Appartenant à la technologie de procédé, cette invention s'adresse à une nouvelle approche aux silos de grains en béton armé qui s'adresse à : - La réhabilitation du rôle du béton, et la répercussion de celle-ci sur la 10 viabilité économique de la structure - La transposition et la promotion de l'existant technique de la semipréfabrication des composants plats, dans d'autres de géométrie tridimensionnelle, intégrable dans ce type de structure en particulier, et dans tous types de coques de géométrie de paraboloïde hyperbolique, en 15 général. - La rationalisation du système mécanique de remplissage des grains Technique antérieure L'état de la technique se présente sous forme de batterie de silos cylindriques en 20 béton armé coulé sur place, moyennant un système d'échafaudage glissant ou escaladant ; une approche susceptible d'être réévaluée autant au niveau de sa géométrique qu'à celui de la réalisation et l'exploitation - Au niveau de la géométrique Il est à rappeler que dû à cette géométrie, les poussées horizontales des 25 grains engendrent des sollicitations de tension aux parois ; ce qui réduit le rôle du béton à couvrir et protéger la résultante « forêt » de ferraillage, qui doit seule les équilibrer. Et puisque ces sollicitations sont directement proportionnelles au diamètre du cylindre, ce dernier est condamné à rester dans une fourchette assez 30 étroites (pratiquée autour de 6 m) ; ce qui dégrade sensiblement « le volume, en m3 de grains stockés, par 1 m3 de béton armé investi dans la structure », un nouveau indicateur que j'introduis comme le coefficient de viabilité économique de ce type de structure. 1 - Au niveau de la réalisation 35 Reconnaissant la rapidité de l'exécution de l'échafaudage glissant ou escaladant, il reste (vu sa complexité et la mobilisation conséquente qui va avec un rythme d'exécution continuel 24/24 en plein air) assez couteux ; sans oublier les risques à prendre par rapport à de telles conditions de travail d'un coté et la tolérance obligatoire à concéder au niveau de la 40 qualité du béton et la rugosité des parois de l'autre. - Au niveau de l'exploitation Au niveau de remplissage Pour remplir les silos, les grains doivent monter jusqu'au sommet de la structure, puis se déplacer horizontalement, avant de se déverser dans 45 leurs silos respectifs ; ce qui nécessite une énergie qui dépasse le double de ce est autrement nécessaire (voir l'exposé de l'invention). Au niveau de vidage Dû à la limitation des diamètres (et la résultante faible capacité de stockage par mètre d'hauteur) le rythme de l'affaissement (pendant le vidage) de la 50 masse cylindrique des grains devient relativement important. Autant important est la friction des grains contre les parois, ce qui est susceptible d'entraver la fluidité des grains, jusqu'occasionner (sous certaines conditions) des risques de blocage ; un fait pas sans conséquences sur l'intégralité même de la structure dues à l'impacte de la 55 subséquente chute de la masse bloquée. Exposé de l'invention Ayant élaboré sur les susceptibilités de la technique antérieure cette invention tend à les contourner comme suite : 60 ^ La réhabilitation du rôle du béton Il s'agit de rendre au béton (loin de toutes sollicitations de tension) son rôle naturel ; et cela passe par une autre géométrie de silos à double courbure, de manière à ce que l'introduite courbure verticale soit (moyennent un rapport approprié avec l'existante courbure horizontale) décisive en matière 65 de fonctionnement statique de la structure ; ce qui proscrit toute sollicitation de tension aux parois et les transforme intégralement en compression. 2 Cela mène vers une logique d'anneaux (à double courbure) dont la superposition (moyennant une bande circulaire de liaison, en béton armé coulé sur place) donne lieu à une continuité de vide segmenté en étages, 70 aux niveaux desquels les sollicitations de tension sont transmises. Pour faire face à cette concentration de tension il faut déployer les anneaux (et partant les silos dont ils sont les constituants) en géométrie fermée (idéalement circulaire ; en 6 silos périphériques et un centrale ; voir figure 1). 75 Cette géométrie fermée à pour finalité de faire entrer ces indésirables sollicitations (dans les zones de mitoyenneté) en concurrence les unes contre les autres ; ou les équilibrer (quand certains silos sont pleins et d'autres vides) par des sollicitations de compression engendrées au niveau des bandes circulaires (décrites plus haut). 80 Ces dernières assurent, (en tant qu'ossature horizontale continue liant horizontalement le groupe d'anneaux, à chaque étage) l'aspect monolithique de la structure. Pourtant cela ne proscrit toujours pas la totalité des sollicitations de tension, puisque la mitoyenneté ne peut pas exister partout, donc un résidu de 85 tension (à l'ordre d'un quart selon le schéma proposé de groupement) reste à s'en occuper. - La répercussion de l'approche sur le «coefficient de la viabilité économique» Tel qu'il est, le système statique de l'anneau dissocie la courbure 90 horizontale de toute incidence sur la nature ou l'ampleur des sollicitations aux parois, ce qui libère la structure (en grande partie) de la restriction qu'impose la technique antérieure en matière de diamètre ; et donne accès à des choix nettement plus important. La structure proposée (voir figure 2) adopte un diamètre de 15 m par 95 contraste à l'actuel pratiqué de 6 m. - L'élargissement de l'existant technique de la semi-préfabrication Introduction Je rappelle que notre anneau peut être définit comme le lieu géométrique d'une ligne droite inclinée d'un angle constant sur l'horizon, qui se déplace 100 tout en restant en contacte avec deux cercles horizontaux, ayant, dans notre cas, le même axe vertical, le même diamètre, et qui sont espacés l'un de l'autre par l'hauteur d'anneau (ou l'hauteur d'étage). Donc notre anneau est le produit d'une juxtaposition (autour ces deux cercles) d'un certain nombre de modules identiques (dont le nombre et les 105 caractéristiques géométriques peuvent différer selon la spécificité de chaque projet. Ce module unique, (étant ainsi délimité par deux positions choisies de cette ligne droite inclinée, et deux segments des deux cercles horizontaux), appartient à la famille des paraboloïdes hyperboliques, dont une forme plus 110 simple s'obtient à travers remplacer les deux segments circulaires, par deux lignes droite, ce qui transforme notre anneau circulaire en un autre polygonal (voir figure 2 ; 3). La fabrication de notre module unique passe par deux étapes : o La semi-préfabrication où la plaque enveloppe de ce module est 115 produite en conditions d'usine. o Le complément de préfabrication, où un complément d'épaisseur sera ajouté (dans un atelier ad hoc au chantier). Avant de quitter cette introduction il convient de rappeler que dans notre procédé de semi-préfabrication (qui ne se limite pas aux silos) les plaques 120 sont autant minces que les plaques traditionnelles (à l'ordre de 40 mm d'épaisseur) et évidemment exposés aux mêmes limitations de transport (mes dessins proposent un gabarit de 10 m X 1.8 en longueur et largeur, et de 1.2 m en dénivelé, qui pèse 1.8 t. 125 Introduction à l'architecture industrielle de l'unité de production des plaques semi-préfabriquées : Comme le figure 4 montre, il s'agit de deux segments porteurs droits ; ils sont parallèles et de la même longueur, proposée de 24 m (2 pièces alignées de 12 m chaque) disposés comme suite : 130 o Le premier aura la possibilité de se déplacer sur son axe (donc transversalement) d'une distance maximum de 6 m (donc l'axe doit couvrir 30m). 4 o Le deuxième aura la possibilité de se déplacer perpendiculairement (restant ainsi parallèle à lui-même) entre deux positions espacées de 5 m minimum et de 12 m maximum. o Chacun de ces deux segments sera équipé de dispositifs d'appui verticaux, ajustables (télescopiques etc.) et fixes, et d'une manière alternée ; ces dispositifs auront la possibilité de se déplacer sur leurs segments respectifs ; ce qui permet de choisir l'espacement horizontale et la différence de niveau entre deux dispositifs d'appui adjacents, sur l'un ou l'autre segment. Toutes ces dimensions sont à titre de proposition seulement. La production des plaques destinés à être utilisées aux silos 145 Etant donné qu'il s'agit ici de fabriquer des composants uniques, l'air de fabrication sera découpé en espaces identiques juxtaposés (chacun égale à la projection d'une plaque), où les dispositifs d'appui vertical servent (de par leur alternance de niveau) comme des éléments d'appui commun pour les plaques adjacentes (voir figure 4). 150 Tel qu'ils sont conçus ces dispositifs rend possible de choisir les trois coordonnées (X, Y, Z) de chacun des quatre coins de la plaque semipréfabriquée, et partant son cadre tridimensionnel ; où une répartition uniforme (sur les deux cotés courts) des éléments d'échafaudage droits, donne la base du coffrage de la plaque en question. 155 Les cadres de telles plaques sont développés en bordure (dont l'épaisseur à l'ordre de150 mm d'hauteur) qui, à part de raidir ces plaques lors de leur manutention et transport, servent (dans une étape ultérieure, sur le chantier) comme lignes de références de la couche complémentaire. L'épaisseur de ces bordures varie selon les sollicitations aux différents 160 étages, ce qui réunit, en notre module, deux aspects normalement incompatibles, à savoir, la généralité industrielle et la particularité sur mesure. La transposition de cette logique aux toitures (en coques de type 165 paraboloïde hyperbolique) 135 1405 A la différence des plaques identiques des anneaux où chacune est produite d'une seule pièce, celles des coques posent de sérieuses difficultés sue ce plan ; puisque leurs longueurs peuvent dépasser celle de l'air de fabrication ; et la dénivelé de leurs coins peut être plus haut que le 170 toit de l'usine. Cela, mène à une logique où la coque doit être de découpée dans les deux sens longitudinal et transversal en « sous-coques », dont les travées sont compatibles avec les limitations de transport ; et les dénivelés avec les divers aspects pratiques de réalisation. 175 Avant d'aller plus loin il convient de rappeler que trois des quatre coins de notre plaque paraboloïde hyperbolique sont à un niveau et le quatrième à un niveau plus haut (ou peut-être plus bas) donc pour faciliter l'exécution on doit faire coïncider ces trois coins avec l'horizon. II va falloir donc appliquer ce « gymnastique » géométrique à toutes les 180 sous-coques qui ne répondent pas à cette disposition ; ce gymnastique (qui ne pose aucune difficulté) est expliquée dans l'exemple numérique (ci-après) et démontrée en figure 6. Bien évidement chacun de ces sous-coques sera découpé longitudinalement en plaques qui (je rappelle) compatible avec les 185 limitations de transport. Généralité applicable aux deux cas (silos et toitures) Vu l'impossibilité de vibrer le béton coulé sur des échafaudages en dénivelé (notre cas), il convient de procédé par béton projeté surtout pendant la 190 phase de production des plaques semi-préfabriquées, ce qui (tout en garantissant un compactage maximum du béton frai) donne une surface bien lisse au coté inferieur et convenablement rugueuse au coté supérieur, destiné à recevoir la couche complémentaire de béton coulé sur place. 195 Au stade d'exploitation (remplissage et vidage) Remplissage (définition d'objectifs) En contraste avec la technique antérieure de dispositif unique de remplissage, (qui prévoit de faire monter les grains au sommet de la structure, et de les faire 6 déplacer horizontalement à leurs destinations finales) celle proposée prévoit 200 juste le contraire : - Un dispositif de remplissage multiple de manière à permettre un accès directe aux silos avoisinants, proscrivant ainsi tout déplacement horizontal des grains (figure 1 propose 3 axes de remplissage désignée par le chiffre 2). 205 - Un dispositif de remplissage à niveau multiple (idéalement à chaque étage) qui évite le gaspillage d'énergie à travers faire inutilement monter des dizaines de millier de tonnes à des hauteur maximales pour les déverser au fond des silos. Pour donner une idée, l'économie à réaliser à remplir des silos de 210 120,000 tons de capacité et de 50 m d'hauteur est à l'ordre d'un million d'Euros (en valeur absolue) ; de 50% en économie d'énergie, et plus de 5% du prix des grains stockés, (en valeur relative). - Enfin une meilleur flexibilité de fonctionnement qui permet la simultanéité de plusieurs actes de remplissage d'un coté ; et qui 215 garantie la continuité de ceux-ci en cas de panne dans l'un ou l'autre dispositif. La conception mécanique des dispositifs de remplissage Alors remplir à plusieurs niveaux fait penser à un mécanisme segmenté, dont 220 les constituants ne présentent pas de nouveauté (les hélices) ; donc la nouveauté n'est pas dans le mécanisme lui même, elle l'est dans les configurations (ajouts, modifications et l'adaptation etc.) susceptibles de convenir à un remplissage à plusieurs niveaux. L'hélice se compose (comme c'est bien connu) de deux parties, la partie 225 rotative (la tige centrale autour de laquelle les ailes hélicoïdales sont fixées) ; et la partie stationnaire (le tube dans lequel la matière granulaire est confinée pendant leur déplacement vers le haut). Cela étant, la parties rotatives (les segments d'hélices superposés) doivent pouvoir actionnées indépendamment les unes par rapport aux autres ; (par 230 exemple pour nourrir le troisième étage d'un silo de rez-de-chaussée + 9 étages, il va falloir : 7 - Décaler (verticalement, de 25 à 40 cm) le segment rotatif des quatre segments d'en bas, des six autres qui les surplombent, afin d'interrompre la monté des grains, précisément à ce niveau. 235 - Dissocier la rotation des segments bas de ceux qui les surplombent pour éviter de dépenser l'énergie inutilement. Description du mécanisme 240 Définition de finalité Ce mécanisme doit permettre de décaler, à un niveau donné, les parties rotatives d'en dessus de celles d'en dessous ; et de revenir à la position d'origine sans perdre ni l'alignement vertical ni la continuité hélicoïdales des ailes. 245 Anatomie du mécanisme Comme le figure 5 montre, la partie rotative se constitue de - Le segment d'hélice classique (identifié par le chiffre 1) dont la tige est creuse (en forme tubulaire) pour pouvoir héberger (à travers un pas de vis réciproque) les deux blocs d'emboitement. 250 ^ Les deux blocs d'emboitement (identifié par le chiffre 2) en forme cylindriques usinés à leur plan de contacte pour permettre un emboitement à position unique (technique de serrurerie) qui correspond à la continuité hélicoïdales des ailes (décrit plus haut). Les blocs (se situant aux cotés hauts des segments d'hélice) sont 255 conçu de la sorte pour pouvoir jouer le rôle des aimants électrique (activé par un système d'alimentions adapté et à travers des câbles installés (sans encombre) à l'extérieur de la partie stationnaire. Les deux blocs (qui contrôle la continuité du mécanisme et le garantie sa pérennité (à travers leur remplacement en cas d'usure) sont 260 perforés au centre et de manière identique afin de permettre d'héberger la tige d'alignement vertical. - La tige d'alignement vertical (identifié par le chiffre 3) permet (comme son nom indique) de garder l'alignement vertical lors de la dissociation et le retour des deux parties rotatives, à un niveau donné. 265 8 Le fonctionnement du mécanisme Nous voilà donc devant un mécanisme de remplissage dont la partie rotative est appelé à se dissocier à différents niveaux prédéfinis ; à un niveau donnée cette partie rotative se divise en deux, chacune est composés de plusieurs 270 segments superposés ; ce qui pose le problème de comportement d'ensemble sous les différents sollicitations comme suite : - Les segments d'en bas La torque venant de la base de mécanisme, le comportement d'ensemble est assuré par l'emboitement de chacun de ces segments avec celui qui le 275 surplombe et par leur pois propre - Les segments d'en haut La force de suspension venant du sommet de ce mécanisme, le comportement d'(ensemble est assuré par l'actionnement des aimants électriques. 280 Donc la dissociation Le vidage Assuré, comme dans la technique antérieure, par les forces de gravité, la géométrie de double courbure présent un net avantage sue celle-ci, par rapport à 285 l'entrave de fluidité mentionné plus haut ; dans le sens de diviser (virtuellement) le vide en deux parties, l'une occupée par la masse cylindrique de grains (qui correspond au diamètre minimum de l'anneau) et l'autre constituée de tous les « niches » qui se trouve entre ce cylindre virtuel et les parois des différents étages du silo. 290 Ce qui déplace le plan de frottement (grains - parois) à un autre plan (grains - grains) avec toute la fluidité ce que cela apporte au niveau d'exploitation. 295 9 300 305 310 315 320 325 330 Exemple illustratif Figure 6 explique (en tant d'exemple simplifié) les schémas géométriques d'un paraboloïde hyperbolique, dont la projection horizontale est de 20 X 15 m dont les trois coins (a ; b ; c) sont a niveau référence = 00 et le coin (D) est à niveau + 7.5 m ; (on remarque ici que le coin surélevé à été désigné par un majuscule pendant que les coins se trouvant à niveau 0,00, ainsi la projection - de ceux qui sont surélevés-le sont en minuscule). En admettant que la restriction de transport impose un gabarit maximum de 10 X 2.5 m, cette coque doit être semi-préfabriquée en deux rangées transversales de 10 m de longueur (2 X 10 = 20) ; et de 6 rangées longitudinales de 2.5 m chaque (6 X 2,5 = 15 m) ; ce qui fait découper notre coque en six rangées longitudinales de deux pièces chaque (6 X 2 = 12 pièces). La tranche basse sera appelé (a ; b ; B' ; A') et la pièce haute (A' ; b' ; c ; D) ; voir figure 6 : Les caractéristiques géométriques sont : L'angle de cD avec l'horizon = 8 L'angle de A'b avec l'horizon = p tg8=7.5/15 =0.50; 8= 0.46 radian ;cos8 = 0.89 (cD) = (cd) / cos 8 = 15 / 0.89 = 16.77 m tg p = 7.5 / (2*15) = 0.25 ; p = 0.24 radian ; cos p = 0.97 (A'b') = (a'b') / cos p = 15 / 0.97 = 15.46 m 8=8-p=0.46-0.24; 8 =0.22 radian ;cos8 = 0.98 Donc en appliquant une rotation d'un angle = 8 (de la piece A'b'cD autour l'axe a'c) aurai les effets suivants : - Faire appartenir la ligne A'b' à l'horizon (donc A'b' devient a"b' = 15.46 m) - Réduire l'angle 8 (de la ligne cD) à une valeur 8 ; (donc cD devient cD' = 16.77 m) (cd') = (cD') cos 8 = 16.77 * 0.98 = 16.37 m où le vertical (d'En = (cD') sin 8 = 16,77 * 0,22 = 3.64 m Cela étant la projection de la tranche haute n'est plus un rectangle comme c'était la tranche basse mais un trapézoïde où les caractéristiques sont : La base longue = 16,37 m ; celle du module = 16.37 / 6 = 2.73 m La base courte = 15.46 m ; celle du module = 15.46 / 6 = 2.58 m Le niveau de a";b';c est de 0.00; le niveau de D'=3.64m Le coté perpendiculaire = 10 m 10 2970991 Description sommaire des dessins (Figure 1) Plan de masse Plan de masse préposé pour un projet de silos qui met l'accent sur la géométrie fermée des silos, ainsi sur les tours de remplissage directe, qui implique la proscription de tout déplacement horizontal des grains (Figure 2) Définition de la géométrie d'anneau à double courbure Plan et élévation de l'anneau à double courbure qui montre sa constitution de modules en géométrie de paraboloïdes hyperbolique. (Figure 3) Détail du module simplifié Cas exemple d'anneau (15 m de diamètre et 5 m d'hauteur) simplifié (dans le sens où les segments d'arc circulaire de ses modules sont remplacés par des lignes droites) le transformant ainsi en anneau polygonal (Figure 4) Schéma de l'usine de la semi-préfabrication Aperçu général qui montre les sens de déplacement des deux segments porteurs (transversal et perpendiculaire) ; leurs dispositifs d'appui verticaux alternés qui et finalement l'adoption de l'aspect étage dans la production des plaques (en extension vertical du dispositif pour rationaliser la production en espace et en biens d'équipements). (Figure 5) Détails du mécanisme de remplissage Dessin schématique (susceptible d'être raffiné au niveau de réalisation) qui montre la fonctionnalité du dispositif de remplissage à niveaux multiples. (Figure 6) Dessin définissant les valeurs géométriques qui correspondent à une logique de mosaïque, permettant de produire des composants de coques, de dimension qui dépasse le gabarit du dispositif de la semipréfabrication en même l'usine.