Brevet FR2980223A1 — publié le 20130322

La présente invention a pour objet une ossature de bâtiment en béton préfabriquée ayant des caractéristiques antisismiques. Une telle ossature de bâtiment est plus précisément constituée par l'assemblage d'une part d'une série de poteaux verticaux préfa5 briqués en béton armé de section rectangulaire, subdivisés en travées de poteaux, et d'autre part d'une série de poutres horizontales préfabriquées en béton précontraint ayant une section rectangulaire ou en forme de I comportant au moins une branche centrale séparant deux branches terminales, à savoir une branche supérieure en particulier destinée à rece10 voir des éléments de plancher, notamment des dalles, et une branche inférieure ou branche de fixation par laquelle elles sont fixées sur les poteaux. De façon classique, ces poteaux sont équipés, chacun, de deux paires de broches filetées verticales ayant un diamètre variable supé- 15 rieur à 12 mm faisant saillie sur leur face supérieure et pénétrant dans des réservations traversantes associées pratiquées au travers des branches de fixation des poutres aux extrémités respectives de celle-ci. Les réservations sont remplies, autour des broches filetées, d'un matériau de jointoiement classiquement de type mortier de ciment, 20 de façon à réaliser un assemblage broché. Chacune des paires de broches filetées d'un poteau permet ainsi de fixer l'extrémité d'une poutre à ce poteau. Un exemple d'un tel assemblage broché est illustré schématiquement sur la figure 1 en perspective « éclatée ». 25 Selon la figure 1, une poutre horizontale 2 en béton précon- traint est fixée par l'une de ses extrémités sur la face supérieure 3 d'un poteau vertical 1 en béton armé ayant une section rectangulaire. Ce poteau 1 est équipé de deux paires de broches filetées verticales 4 faisant saillie sur sa face supérieure 3, dont une seule est re30 présentée sur la figure. La poutre 2 a quant à elle une section en forme de I et com- porte une branche centrale 5 qui sépare deux branches terminales, à savoir une branche supérieure 6 et une branche inférieure 7. La branche supérieure 6 permet la fixation sur cette poutre 35 1 d'éléments de plancher non représentés tels que des dalles. La branche inférieure 7 constitue une branche de fixation des extrémités de la poutre 2 sur un poteau 1. A cet effet, cette branche inférieure 7 de la poutre 2 est munie, à chacune de ses extrémités respectives de deux réservations traversantes 8 situées de part et d'autre de la branche centrale 5. Chacune de ces réservations est destinée à recevoir une 5 broche filetée 4 d'une paire de broches associée du poteau 2. De façon non représentée, les réservations 8 sont remplies d'un matériau de jointoiement, autour des broches filetés 4 de façon à réaliser un assemblage broché dont le blocage mécanique est assuré au moyen de platines de rondelles et d'écrous. 10 Dans le domaine du bâtiment, il existe des normes qui exi- gent que les ossatures en béton constituées par l'assemblage de poutres et de poteaux préfabriqués soient protégées contre les secousses sismiques. Pour satisfaire à ces normes, sur certaines travées dont la distance est fonction des dimensions du bâtiment, les poteaux sont ac15 tuellement dédoublés. Par suite, sur ces travées l'ossature est équipée de paires de poteaux associés dont la face supérieure n'est munie que d'une seule paire de broches filetées permettant la fixation de l'extrémité d'une poutre. On obtient ainsi des joints de dilatation sismiques qui déli- 20 mitent des blocs indépendants. Cette obligation de dédoubler les poteaux sur certaines travées augmente dans une large mesure le coût du bâtiment. Toutefois, le DTU NF 23.3 publié en juin 2008 (« ossatures en éléments industrialisés en béton ») envisage au paragraphe [10.2.5.3] la 25 possibilité, sur justification spéciale, d'économiser un poteau sur deux au niveau des travées concernées par les joints sismiques en remplaçant le matériau de jointoiement classique de type mortier de ciment par un matériau viscoélastique de type bitume. Malgré l'économie substantielle qu'elle permettrait de réali30 ser, cette possibilité n'a toutefois pas pu être exploitée jusqu'à ce jour faute de pouvoir disposer d'un matériau de jointoiement viscoélastique satisfaisant de nature à pouvoir être accepté par les Bureaux de contrôle. La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient en proposant une ossature de bâtiment en béton préfabriquée 35 ayant des caractéristiques antisismiques de type susmentionné permettant de respecter les normes en vigueur sans dédoubler les poteaux au niveau des joints de dilatation sismique. Selon l'invention, cette ossature de bâtiment est caractérisée en ce que sur certaines travées dont la distance est fonction des dimensions du bâtiment, c'est-à-dire sur les travées qui devaient auparavant être équipées de paires de poteaux associés, les réservations des poutres sont remplies d'un matériau de jointoiement viscoélastique renfermant un bitume de synthèse dopé aux polymères, ainsi qu'une charge minérale constituée par du sable de silice et/ou par des fines. Un tel matériau viscoélastique à base de bitume est de préférence coulé dans des boites de fixation métalliques de forme rectangu10 laire respectivement insérées dans les réservations des poutres et traversées en leur centre par une broche filetée d'un poteau. Ces boites de fixation ont bien entendu une géométrie et des dimensions correspondant à celles des réservations et ont au minimum environ 8 x 4 cm de section, ces dimensions étant fonction de la di-15 latation et des effets rhéologiques prévus lors de la conception du joint. A titre d'exemple, les boites de fixation peuvent avantageusement avoir environ 12 x 6 cm de section pour une profondeur de l'ordre de 10 cm. Selon l'invention, le remplacement du matériau de jointoie- 20 ment classique à base de mortier de ciment par un matériau viscoélastique à base de bitume particulier au niveau des travées concernées par les joints de dilatation sismiques a ainsi pu, de manière surprenante, permettre d'économiser un poteau sur deux à ce niveau , ce tout en conservant les caractéristiques antisismiques imposées par les normes. 25 Pour définir et finaliser la composition d'un matériau vis- coélastique à base de bitume satisfaisant, de nature à pouvoir être accepté par les Bureaux de contrôle, on a dans un premier temps eu l'idée, conformément à l'invention de consulter l'étude et recherche 145 E du Centre d'Etudes et Recherche du Béton (CERIB) de juin 2009 s'intitulant : « com- 30 portement sismique des ossatures en éléments industrialisés en béton : justifications pour l'application de la modélisation théorique des joints de dilatation avec un bitume de type 50/70. Des essais ont toutefois révélé que l'utilisation d'un bitume de ce type pour des assemblages brochés n'était pas adéquate. 35 Par suite, on a cherché, conformément à l'invention, à rem- placer un tel bitume par un mastic bitumineux amélioré renfermant des charges minérales et on a ainsi pu sélectionner un matériau permettant de résoudre le problème posé. Un tel matériau correspond en particulier au produit de jointoiement décrit dans le document FR A 93 07351. Ce produit de jointoiement était initialement destiné au jointoiement de pavés ou de dalles reposant sur une assise souple ou ri- gide ou encore à la liaison entre des rails tels que des rails de tramway et une chaussée, donc à un domaine d'utilisation où les problèmes posés et les contraintes à respecter sont fondamentalement différents des impératifs à prendre en compte dans le domaine de la protection des bâtiments contre les secousses sismiques. A titre d'exemple, conformément à l'invention on peut avan- tageusement mettre en oeuvre le mastic bitumineux commercialisé par la Société SHELL sous la dénomination MEXPHALTE C JOINT P3J. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les broches filetées des poteaux coopèrent au sein du matériau de jointoie- ment avec des éléments de liaison permettant de réduire la section du flux visqueux de façon à augmenter sa vitesse et sa rigidité sous l'action de secousses sismiques, et donc d'améliorer les caractéristiques antisismiques de l'ossature. A titre d'exemple, de tels éléments de liaison peuvent être 20 constitués par des plaques métalliques ajourées respectivement positionnées essentiellement parallèlement de part et d'autre des broches filetées. Selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, les broches filetées des poteaux sont entourées au sein du matériau de jointoiement par des tubes métalliques concentriques permettant 25 d'augmenter la surface de contact avec ce matériau et constituant les éléments de liaison. A titre d'exemple, un tel tube métallique peut avoir un diamètre interne de l'ordre de 28 mm pour un diamètre externe de l'ordre de 32 mm pour une broche de 20 mm. 30 Ce diamètre varie bien entendu en fonction des dimensions de la réservation et du diamètre de la broche filetée. Les caractéristiques antisismiques conformes aux normes en vigueur de l'ossature de bâtiment conforme à l'invention, ont été validées par une série d'essais réalisés par le laboratoire du LRCCP (labora35 toire de recherche et de contrôle du caoutchouc et des plastiques). Lors de ces essais, on a utilisé une machine servo- hydraulique particulière, de type « Instron 8872 » destinée à l'origine à la réalisation d'essais en fatigue et permettant d'appliquer en même temps une force et une sollicitation. Une telle machine présente la particularité de permettre de faire subir à un échantillon des contraintes (en force et en fréquence) re- présentatives de celles qu'il subirait lors d'un séisme, et donc de déterminer le comportement dynamique de cet assemblage en réponse à ces contraintes. Pour réaliser ces essais, on a fabriqué une série d'échantillons de nature à simuler un assemblage poteau-poutre broché. Chacun de ces échantillons était constitué par une boite de fixation métallique de forme rectangulaire de 12 x 6 cm de section et de 10 cm de profondeur, remplie par coulage du matériau de jointoiement viscoélastique à base de bitume conforme à l'invention. Avant ce remplissage, on a introduit et centré dans chaque 15 boite de fixation une broche filetée de 20 mm de diamètre de sorte qu'elle dépasse de 10 cm de part et d'autre de la boite. De plus en cours de remplissage on a emmanché un tube métallique de 28 mm de diamètre interne et de 32 mm de diamètre externe concentriquement autour de chaque broche filetée, à la partie in- 20 terne de la boite de fixation, ce pour augmenter la surface de contact avec le matériau de jointoiement. Les boites échantillons ainsi fabriquées ont été montées dans la machine d'essais et maintenues dans cette machine grâce à un étrier adapté comme représenté sur la figure 2. 25 Selon la figure 2 une boite échantillon 10 dans laquelle est centrée une broche filetée 11 dépassant de part et d'autre de celle-ci est positionnée entre la mâchoire mobile 12 et la mâchoire fixe 13 d'un étrier 14. De façon non représentée la mâchoire fixe 13 de cet étrier 30 14 est fixée au bâti de la machine d'essais. Lors de chaque essai, on a appliqué sur la broche 11 une sollicitation cyclique alternée de ± 7 kN sous la fréquence vibratoire de 0,5 Hz, 2Hz et 5Hz dans le sens longitudinal de la boite échantillon comme schématisé par la double flèche A, ce en pilotant l'essai soit en force, soit 35 en déplacement imposé pour chercher à maintenir une force constante de 7 kN. Cette sollicitation a été choisie car considérée comme représentative des conditions d'un séisme. Les essais ainsi réalisés ont permis d'obtenir des résultats satisfaisants pour l'usage prévu dans la mesure où l'intégrité de l'assemblage broché a été maintenue. Ces essais, ont en effet permis d'établir que sous une solli- citation cyclique alternée de 7 kN les déplacements de la broche restent limités dans la mesure où la durée de cette sollicitation est inférieure à 20 secondes, ce qui est le cas des séismes pouvant se produire sur le territoire français. Pour une force imposée de 7 kN, les déformations des boites 10 échantillons augmentent progressivement au cours du temps, sans toutefois mettre en danger leur intégrité. Les différents essais ont également permis de mettre en évidence une bonne reproductibilité du comportement des boites échantillons ainsi qu'une importante capacité de dissipation d'énergie. 15 REVENDICATIONS1°) Ossature de bâtiment en béton préfabriquée constituée par l'assemblage d'une part d'une série de poteaux verticaux en béton armé de section rectangulaire subdivisés en travées de poteaux, et d'autre part d'une série de poutres horizontales en béton précontraint ayant une section rectangulaire ou en forme de I, comportant au moins une branche centrale séparant deux branches terminales, à savoir une branche supérieure et une branche inférieure ou branche de fixation, les poteaux étant équipés, chacun, de deux paires de broches filetées verticales faisant sail- li) lie sur leur face supérieure et pénétrant dans des réservations traversantes associées pratiquées au travers des branches de fixation des poutres aux extrémités respectives de celles-ci, les réservations étant remplies d'un matériau de jointoiement, autour des broches filetées, de façon à réaliser un assemblage broché, 15 caractérisée en ce que sur certaines travées dont la distance est fonction des dimensions du bâtiment, les réservations des poutres sont remplies d'un matériau de jointoiement viscoélastique renfermant un bitume de synthèse dopé aux polymères ainsi qu'une charge minérale constituée par du sable de silice 20 et/ou par des fines de façon à obtenir un joint de dilatation ayant des caractéristiques antisismiques. 2°) Ossature de bâtiment selon la revendication 1, caractérisée en ce que 25 le matériau viscoélastique à base de bitume est coulé dans des boites de fixation métalliques de forme rectangulaire respectivement insérées dans les réservations des poutres et traversées en leur centre par une broche filetée d'un poteau, ces boites de fixation ayant une géométrie et des dimensions correspondant à celles des réservations. 30 3°) Ossature de bâtiment selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que les broches filetées des poteaux coopèrent au sein du matériau de join35 toiement avec des éléments de liaison permettant de réduire la section du flux visqueux de façon à augmenter sa vitesse et sa rigidité sous l'action de secousses sismiques.4°) Ossature de bâtiment selon la revendication 3, caractérisée en ce que les broches filetées des poteaux sont entourées, au sein du matériau de 5 jointoiement par des tubes métalliques concentriques permettant d'augmenter la surface de contact avec ce matériau.