Brevet FR3057289A1 — publié le 20180413

Elément de construction pour poutre mixe acier-béton armé, ensemble de construction et kits de construction Domaine de l'invention Le domaine de l'invention est celui de la construction en béton armé, notamment celui des structures mixtes acier-béton armé. L'invention concerne plus précisément un élément de construction pour poutre mixte acier-béton armé, un ensemble de construction et des kits de construction en dérivant. Art Antérieur Les structures de construction mixtes acier-béton exploitent les caractéristiques favorables et complémentaires de l'acier et du béton. En particulier, l'acier résiste bien aux efforts de traction et a une ductilité suffisante permettant les déformations plastiques alors que le béton résiste bien aux efforts de compression et a une bonne résistance au feu. Par ailleurs, à portance égale, une structure purement en acier est plus légère et a un coût de revient plus élevé alors qu'une structure purement en béton est plus lourde et a un coût de revient plus faible. Les poutres mixtes acier-béton armé comportent deux composantes : une première composante en béton armé, c'est à dire faite de béton et d'armatures métalliques, et une deuxième composante constitué par un profilé métallique. Pour améliorer la résistance au feu, ce profilé peut être revêtu d'un matériau comme une peinture intumescente, d'un flocage ou être partiellement enrobée par le béton de la première composante. La plupart des poutres mixtes acier-béton armé de l'art antérieur permettent certes de disposer de poutres cumulant avantageusement les propriétés de l'acier et du béton mais sont difficiles à mettre en oeuvre. En effet, l'utilisation de telles poutres implique généralement le positionnement du profilé métallique sur au moins deux points d'appui, puis le coulage du béton et enfin le décoffrage après la prise du béton : cet enchaînement successif d'étapes a un impact négatif direct sur la durée des travaux. Selon d'autres modes de réalisation, la poutre mixte acier-béton armé est préfabriquée et est directement positionnée sur au moins deux points d'appuis : de telles poutres préfabriquées sont très lourdes ce qui entraine des difficultés supplémentaires voire une prise de risque inutile lors de leur transport ou lors de leur levage. Pour remédier à ces problèmes, un élément de construction consistant en un caisson allongé, limité par une paroi métallique ayant une face ouverte vers le haut, contenant une cage d'armature métallique, peut être utilisé. Une telle technique a notamment été décrite 3057289 2 dans la demande de brevet publiée sous le numéro FR2925088 Al. L'intérêt de cette technique est de disposer d'éléments de constructions de faibles longueurs, évitant notamment le recours à des autorisations de transports sur le réseau routier, et de pouvoir raccorder bout à bout ceux-ci en vu d'obtenir des poutres de longue portée. Un 5 tel raccordement bout à bout est effectué par soudage ou par boulonnage de plats métalliques de part et d'autre des fonds respectifs et des parois respectives prévus sur de tels éléments de construction, ce qui augmente les couts de mise en oeuvre. Selon cette technique, le béton peut être coulé directement dans le caisson en noyant au moins partiellement la cage d'armature de façon à réaliser deux poutres coaxiales, 10 respectivement une poutre interne en béton armé et une poutre externe métallique. Le caisson a ainsi un double rôle : avant coulage du béton, le caisson joue le rôle coffrage du béton ; après la prise du béton, le caisson joue le rôle d'éléments d'ossature de la poutre mixte acier-béton armé ainsi formée. La technique selon FR2925088A1 présente aussi l'inconvénient de nécessiter 15 l'utilisation de goussets de raidissement placés dans les angles inférieurs au fond du caisson permettant d'assurer un bon positionnement de la cage d'armature métallique, en particulier en permettant de maintenir une distance minimale entre la partie inférieure de la cage d'armature métallique et le fond du caisson. L'utilisation de ces goussets augmente le temps de main d'oeuvre d'installation et présente un intérêt quasi nul pour les propriétés mécaniques 20 de la poutre mixte acier-béton armé. L'élément de construction selon cet art antérieur présente en outre sur au moins un côté, un plat longitudinal fixé le long du bord supérieur d'une paroi latérale du caisson et s'étendant vers l'extérieur de façon à constituer un appui pour au moins une plaque horizontale de coffrage pour la réalisation d'une dalle. Cela a pour avantage de pouvoir couler 25 en une seule prise le béton utile pour la poutre mixte acier-béton armé et pour une dalle la surplombant. Une pluralité de goujons d'ancrage, notamment des tiges de type Nelson, doivent toutefois être placés sur chaque plat longitudinal fixé le long du bord supérieur d'au moins une paroi latérale afin d'assurer une bonne solidarisation entre la poutre mixte acier-béton armé et la dalle destinée à la surplomber, ce qui complexifie encore la mise en oeuvre de 30 cette technique. De plus, selon cette technique, les bords supérieurs des parois, peuvent être amenés à se déformer sous le poids du béton lors du coulage de celui-ci. Objectifs de l'invention L'invention a pour objectif de pallier au moins un des inconvénients ci-dessus 3057289 3 énoncés. L'invention a notamment comme objectif de proposer un élément de construction amélioré pour poutre mixte acier-béton armé permettant de réduire le nombre d'étapes de mise en oeuvre d'une poutre mixte acier-béton armé sur un chantier et autorisant une mise en 5 oeuvre facile, rapide et sûre de cette dernière tout en conservant une mode classique de coulage du béton Un autre objectif de l'invention est de proposer un élément de construction amélioré pour poutre mixte acier-béton armé permettant la reprise des contraintes de cisaillement, entre le béton et la composante métallique d'une telle poutre.. 10 Un autre objectif de l'invention est de proposer un élément de construction amélioré pour poutre mixte acier-béton robuste et indéformable, notamment lors des phases de transport ou de coulage de béton. Un autre objectif de l'invention est de proposer un élément de construction amélioré pour poutre mixte acier-béton armé dans lequel l'utilisation de matériau a été optimisée. 15 Un autre objectif de l'invention, au moins dans certains modes de réalisations, est de proposer un élément de construction amélioré ayant une résistance accrue au feu. Un autre objectif de l'invention, au moins dans certains modes de réalisations, est de proposer un élément de construction amélioré pour poutre mixte acier-béton armé pouvant être connecté bout à bout avec d'autres éléments de construction du même type. 20 Un autre objectif de l'invention est de proposer un ensemble de construction et des kits de construction comprenant au moins un élément et ou ensemble de construction pour poutre mixte acier-béton armé selon l'invention. Exposé de l'invention L'invention concerne un élément de construction pour poutre mixte acier-béton armé 25 comprenant une poutrelle métallique de section transversale en forme de « U », formée d'un fond, de deux parois latérales et de deux rebords supérieurs s'étendant longitudinalement vers l'extérieur et, une cage d'armature ayant des éléments d'armature longitudinaux, ladite cage d'armature étant disposée à l'intérieur de ladite poutrelle métallique, caractérisé en ce que ledit élément de construction comprend en outre des éléments métalliques transversaux fixés 30 auxdits rebords supérieurs, au moins certains desdits éléments métalliques transversaux étant fixés à ladite cage d'armature. A moins qu'il en soit précisé autrement, au sens de la présente invention, « longitudinal » ou « longitudinalement » font référence à la direction dans laquelle la poutrelle est allongée. A contrario, « transversal » ou « transversalement » font référence à 3057289 4 une direction sensiblement orthogonale aux deux parois latérales. En outre, « intérieur » ou « intérieurement » font référence à l'espace sensiblement délimité par le fond et les deux parois latérales de la poutrelle dans le cas où cette dernière était fictivement fermée à ses extrémités et sur sa partie supérieure. A contrario, « extérieur » ou « extérieurement » fait 5 référence à l'espace complémentaire de l'espace intérieur. Au sens de la présente invention, l'expression « poutre mixte » désigne une « poutre mixte acier-béton armé ». Le fond et les deux parois latérales de la poutrelle métallique sont non seulement destinés à former des parois de coffrage du béton d'une poutre mixte mais aussi destinés à 10 former des éléments d'ossature de la poutre mixte. Cette poutrelle métallique de section transversale en forme de « U » pourra être obtenu par soudure de parois latérales et de fond ou bien par pliage. Les deux rebords supérieurs s'étendant longitudinalement vers l'extérieur permettent notamment d'y faire reposer des éléments permettant le coffrage d'une dalle, notamment des 15 prédalles de béton armé ou encore des bacs collaborants. Lors de la mise en oeuvre de la poutre mixte et de la dalle la surplombant, le béton peut alors être coulé en une seule prise, ce qui a le double intérêt d'assurer un gain de temps pour la mise en oeuvre et d'assurer la continuité des propriétés mécaniques du béton entre la poutre mixte et la dalle la surplombant par la reprise du cisaillement longitudinal entre la poutre et la dalle. La cage d'armature est 20 destinée à former l'ensemble des armatures métalliques du béton armé de la poutre mixte. La cage d'armature comprend des éléments d'armature longitudinaux, dont le rôle est la reprise des efforts de traction sur la poutre mixte. Les éléments métalliques transversaux ont un rôle multiple. Etant fixés auxdits deux rebords supérieurs de la poutrelle métallique, ils permettent d'éviter les déformations de la 25 poutrelle métallique, notamment lors des phases de transport et de coulage du béton. Après coulage du béton, et donc une fois la poutre mixte mise en oeuvre, ils permettent de reprendre les contraintes de cisaillement entre la composante béton et la composante métallique de la poutre . On notera que ces éléments métalliques transversaux seront prévus espacés entre eux 30 d'une distance d'espacement variable selon les contraintes que la poutre mixte, qui sera réalisée par association de plusieurs éléments de construction selon l'invention, sera amenée à subir. Sur une même poutre, cette distance pourra varier d'un élément de construction à l'autre. On pourra aussi envisager de prévoir des espacements variables entre les éléments transversaux sur un même élément de construction. 3057289 5 Préférentiellement, lesdits éléments métalliques transversaux présentent au moins une surface horizontale fixée auxdits deux rebords supérieurs et au moins une surface verticale. Ils facilitent l'ancrage de la poutre mixte dans la dalle la surplombant, particulièrement lorsqu'ils présentent une telle surface horizontale. 5 Lesdits certains éléments métalliques transversaux fixés à ladite cage d'armature permettent d'assurer un bon positionnement de la cage métallique et de s'affranchir de l'utilisation supplémentaire de goussets. Préférentiellement, lesdits éléments métalliques transversaux sont choisis dans le groupe constitué par : les barres métalliques pleines de section transversale rectangulaire, les barres métalliques pleines de section carrée ou 10 circulaire, les profilés métalliques en forme de « U », les profilés en forme de « L ». Les éléments de ce groupe présentent comme intérêt d'avoir une forme géométrique simple, d'avoir un faible coût de revient, et d'être facilement usinable/accessible dans le commerce. Selon un mode préférentiel de l'invention, ledit élément de construction comprend en outre un matériau ignifuge disposé sur au moins une partie du fond et/ou sur au moins une 15 partie des parois latérales à l'intérieur de ladite poutrelle métallique. Le matériau ignifuge permet de protéger au moins certains éléments critiques de la cage d'armature contre les températures trop élevées lors d'un incendie et donc de préserver les propriétés mécaniques du béton armé de la poutre mixte. Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, ledit élément de construction 20 comprend à au moins l'une de ses extrémités des moyens de liaison fixés sur le fond et/ou sur les parois latérales à l'intérieur de la poutrelle métallique, lesdits moyens de liaison étant aptes à faire contact avec le fond et/ou les parois latérales de tout autre élément de construction selon l'invention. Les moyens de liaison permettent un emboîtement facilité par guidage de l'élément de construction sur lequel ils sont fixés à un autre élément de 25 construction selon l'invention. Aucune fixation des éléments de liaison n'est nécessaire sur l'autre élément de construction : en effet, une fois la poutre mixte mise en oeuvre, le béton assure l'adhésion entre les moyens de fixation et le fond et/ou les parois latérales de l'autre élément de construction. Avantageusement, lesdits moyens de liaison sont choisis dans le groupe constitué par : les barres métalliques, notamment les barres métalliques à haute 30 adhérence, les profilés en forme de « U », les profilés en forme de « L ». Les éléments de ce groupe présentent comme intérêt d'avoir une forme géométrique simple, d'avoir un faible coût de revient, et d'être facilement usinable/accessible dans le commerce. L'invention concerne également un ensemble de construction comprenant un élément de construction tel que décrit ci-dessus, et un coffrage métallique pour poteau en béton 3057289 6 éventuellement armé, ledit coffrage métallique étant fixé audit fond dudit élément de construction et communiquant avec ledit élément de construction grâce à une ouverture disposée sur ledit fond. L'avantage d'un tel ensemble de construction est que du béton peut être coulé en une seule prise pour former un ensemble poutre mixte - poteau mixte. De plus, 5 cela permet d'assurer une continuité des propriétés mécaniques du béton entre la poutre mixte et le poteau mixte. L'invention concerne en outre un kit de construction comprenant au moins deux éléments de construction selon l'invention, aptes à être assemblés bout à bout par recouvrement d'au moins certains desdits éléments d'armature longitudinaux de leur cage 10 d'armature respective ou par insertion coaxiale d'une cage d'armature supplémentaire de petite taille entre leurs dites cages respectives. L'invention concerne en outre un kit de construction comprenant au moins un élément de construction selon l'invention et au moins un ensemble de construction selon l'invention, le au moins un élément de construction étant apte à être assemblé bout à bout par 15 recouvrement d'au moins certains des éléments d'armature longitudinaux dudit au moins un élément de construction avec certains desdits éléments d'armature longitudinaux dudit au moins un ensemble de construction. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la 20 lecture de la description suivante de modes de réalisations particuliers, donné à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, selon lesquels : - la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'un élément de construction selon l'invention ; - la figure 2A représente une vue en perspective de l'élément de construction de la 25 figure 1, selon un mode de réalisation utilisant des éléments métalliques transversaux étant des barres métalliques pleines de section carrée ; - la figure 2B représente une vue en perspective de l'élément de construction de la figure 1, selon un mode de réalisation utilisant des éléments métalliques transversaux étant des profilés en forme de « L » ; 30 - la figure 3 représente une vue en coupe transversale d'une poutre mixte mise en oeuvre à l'aide d'un élément de construction selon l'invention, comprenant un élément ignifuge, sur laquelle a été placée des prédalles ; - la figure 4 représente une vue en coupe transversale d'un ensemble de construction constitué d'un élément de construction selon l'invention et d'un coffrage métallique pour 3057289 7 poteau mixte acier-béton ; - la figure 5A représente une vue en perspective d'un élément de construction selon l'invention présentant des moyens de liaison apte à faire contact avec le fond et/ou les parois de tout autre élément de construction selon l'invention ; 5 - la figure 5B représente un élément de construction selon la figure 5A et un élément de construction selon la figure 2B. Description de modes détaillés de réalisation de l'invention En référence aux figures 1, 2A, 2B et 3, l'élément de construction 1 pour poutre mixte acier-béton armé 5 comprend une poutrelle métallique 10 de section transversale en forme de 10 « U », une cage d'armature 20 et des éléments métalliques transversaux 30. La poutrelle métallique 10 est formée d'un fond 11, de deux parois latérales 12 et de deux rebords supérieurs 13 s'étendant longitudinalement vers l'extérieur. Les rebords supérieurs 13 permettent de faire reposer des éléments de prédalle 65. Du béton 60 peut alors être coulé en une seule prise remplissant d'une part l'élément de construction 1 pour former 15 une poutre mixte acier- béton armé 5 et une dalle de béton 6 la surplombant. La cage d' armature 20 comprend des tiges métalliques 21 s'étendant longitudinalement et des cadres métalliques 22 s'étendant transversalement. Elle est façonnée pour respecter les critères selon la norme NF-EN 10080. Les tiges métalliques 21 permettent notamment la reprise des moments de flexion de la poutre mixte 5. Les cadres métalliques 22 20 permettent notamment la reprise des efforts tranchants de la poutre mixte 5. La partie supérieure de la cage d'armature 20 dépasse à l'extérieur de la poutrelle métallique 10, ce qui permet de faire participer une partie de la dalle à la flexion de la poutre. Deux modes de réalisations des éléments métalliques transversaux 30 sont représentés sur les figures 2A et 2B. Les éléments métalliques transversaux 30 sont fixés à la poutrelle 10 25 à la cage d'armature 20 par soudage. La cage d'armature 20 est soudée sur certaines surfaces verticales 32 des éléments métalliques 30 afin de laisser une distance minimale entre d'une part le fond 11 de l'élément de construction 1 et l'armature métallique 20 et d'autre part les parois latérales 12 de l'élément de construction 1 et l'armature métallique 20, de telle sorte que l'armature 20 ait un bon enrobage inférieur et latéral dans la poutre mixte 5. 30 La figure 2A représente des éléments métalliques transversaux 30 étant des barres métalliques pleines de section carrée. Les barres métalliques pleines de section carrée ont une surface horizontale 31 fixée aux deux rebords supérieurs 13 permettant d'éviter les déformations de la poutrelle métallique 10. Une fois les éléments de construction associés entre eux pour former une poutre mixte telle que représenté à la figure 4, les barres 3057289 8 métalliques permettront de reprendre le cisaillement longitudinal entre la composante métallique et la composante béton armé de cette poutre et ainsi d'optimiser le comportement mixte de cette poutre. Les barres étant pleines elles ont comme avantage d'avoir une excellente résistance à la flexion dans la direction de leur longueur. 5 La figure 2B représente des éléments métalliques transversaux 30 étant des profilés en forme de «L », encore appelés « cornières d'angle 90° ». Les éléments métalliques transversaux 30 ont une surface horizontale 31 fixée aux deux rebords supérieurs 13 permettant d'éviter les déformations de la poutrelle métallique 10. Les éléments métalliques transversaux 30 ont également une surface verticale 32. Une fois les éléments de construction 10 associés entre eux pour former une poutre mixte telle que représenté à la figure 4, ces cornières permettront de reprendre le cisaillement longitudinal entre la composante métallique et la composante béton armé de cette poutre et ainsi d'optimiser le comportement mixte de cette poutre. Les cornières d'angle 90° ont comme avantage d'avoir un faible coût de revient pour une quantité de matériau optimisée. 15 Selon le mode de réalisation de la figure 3, l'élément de construction 1 présente sur son fond 11 et partiellement au niveau de ses parois 12 un matériau ignifuge 60 (platre, plaque en matériau calcaire ou silico-calcaire, ciment...). Le matériau ignifuge 60 protège en particulier contre l'incendie la partie inférieure de la cage d'armature 20, cette partie jouant un rôle essentiel pour la résistance de la poutre mixte 5 au moment de flexion. 20 En référence aux figures 5A et 5B, l'élément de construction 1 comprend à l'une de ses extrémités des moyens de liaison 40 fixés sur le fond 11 et sur les parois latérales 12 à l'intérieur de la poutrelle métallique 10. Les moyens de liaison 40 sont aptes à faire contact avec le fond 11 et les parois 12 d'un autre élément de construction 1. Les moyens de liaison 40 sont fixés au premier élément de construction 1 par soudure ou par boulonnage et 25 permettent un emboîtement facilité par guidage du premier élément de construction 1 sur lequel ils sont fixés à l'autre élément de construction 1. Aucune fixation des éléments de liaison n'est nécessaire sur l'autre élément de construction : en effet, une fois la poutre mixte mise en oeuvre, le béton assure le transfert des efforts entre les moyens de fixation 40 et le fond 11 et les parois latérales 12 de l'autre élément de construction 1. Au niveau de l'interface 30 entre le premier élément de construction 1 emboîté bout à bout avec l'autre élément de construction 1, la poutre mixte une fois mise en oeuvre a un comportement mécanique de béton armé. En référence à la figure 4, l'ensemble de construction 2 comprend un élément de construction 1 selon l'invention, et un coffrage métallique 5 pour poteau mixte acier-béton. 3057289 9 Le coffrage métallique 5 peut être de forme circulaire, rectangulaire, carrée ou tout autre forme adaptée. Il est fixé au fond 11 de l'élément de construction 1 par boulonnage ou par soudure et communique avec l'élément de construction 1 grâce à une ouverture 14 disposée sur fond 11 de l'élément de construction 1. 5 L'avantage d'utiliser l'ensemble de construction 2 est que du béton peut être coulé en une seule prise pour former un ensemble poutre mixte - poteau mixte. De plus, cela permet d'assurer une continuité des propriétés mécaniques du béton entre la poutre mixte et le poteau mixte. 10 REVENDICATIONS1. Élément de construction (1) pour poutre mixte acier-béton armé comprenant une poutrelle métallique (10) de section transversale en forme de « U », formée d'un fond (11), de deux parois latérales (12) et de deux rebords supérieurs (13) s'étendant longitudinalement vers l'extérieur et, une cage d'armature (20) ayant des éléments d'armature longitudinaux (21), ladite cage d'armature (20) étant disposée à l'intérieur de ladite poutrelle métallique (10), caractérisé en ce que ledit élément de construction (1) comprend en outre des éléments métalliques transversaux (30) fixés auxdits rebords supérieurs, au moins certains desdits éléments métalliques transversaux (30) étant fixés à ladite cage d'armature (20). 2. Elément de construction (1) selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits éléments métalliques transversaux présentent au moins une surface horizontale (31) fixée auxdits deux rebords supérieurs (13) et au moins une surface verticale (32). 3. Élément de construction (1), selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits éléments métalliques transversaux (30) sont choisis dans le groupe constitué par : les barres métalliques pleines de section transversale circulaire ou rectangulaire, les barres métalliques pleines de section carrée, les profilés métalliques en forme de « U », les profilés en forme de « L ». 4. Élément de construction (1), selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un matériau ignifuge (50) disposé sur au moins une partie dudit fond (11) et/ou sur au moins une partie desdites parois latérales (12) à l'intérieur de ladite poutrelle métallique (10). 5. Élément de construction (1), selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant à au moins l'une de ses extrémités des moyens de liaison (40) fixés sur ledit fond (11) et/ou sur lesdites parois latérales (12) à l'intérieur de ladite poutrelle métallique (10), lesdits moyens de liaison (40) étant aptes à faire contact avec le fond et/ou les parois latérales de tout autre élément ou ensemble de construction selon l'une des revendications précédentes. 3057289 11 6. Élément de construction (1), selon la revendication 5, caractérisé ce que lesdits moyens de liaison (40) sont choisis dans le groupe constitué par : les barres métalliques, les profilés en forme de « U », les profilés en forme de « L ». 5 7. Ensemble de construction (2) comprenant un élément de construction (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, et un coffrage métallique (5) pour poteau en béton éventuellement armé, ledit coffrage métallique (5) étant fixé audit fond (11) dudit élément de construction (1) et communiquant avec ledit élément de construction 10 (1) grâce à une ouverture (14) disposée sur ledit fond (11). 8. Kit de construction comprenant au moins deux éléments de construction (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits au moins deux éléments de construction (1) sont aptes à être assemblés bout à bout par recouvrement 15 d'au moins certains desdits éléments d'armature longitudinaux (21) de leurs dites cages d'armature respectives (20) ou par insertion coaxiale d'une cage d'armature supplémentaire de petite taille entre leurs dites cages respectives (20). 9. Kit de construction comprenant au moins un élément de construction (1) selon l'une 20 quelconque des revendications 1 à 6 et au moins un ensemble de construction (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de construction (1) est apte à être assemblé bout à bout par recouvrement d'au moins certains desdits éléments d'armature longitudinaux (21) dudit au moins un élément de construction (1) avec certains desdits éléments d'armature longitudinaux (21) dudit au 25 moins un ensemble de construction (2). 30