Brevet FR3162056A1 — publié le 20251114

L’invention concerne un ancrage permettant d’appliquer des forces de précontrainte dans un acier de précontrainte de traverses en béton précontraint pour la construction de voies ferrées, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint. Afin d’exclure toute perte de précontrainte dans la traverse en béton, même à long terme, on propose un ancrage en deux parties, comprenant une cloche d’ancrage et un écrou, reliés entre eux par ajustement surdimensionné entre une collerette cylindrique de l’écrou et une portion cylindrique creuse de la cloche. La fabrication des traverses en béton par le procédé de décoffrage tardif repose sur l’idée de monter, à la place ou en plus du nervurage ou profilage connu sur chaque acier, l’ancrage selon l’invention en vissant l’écrou sur des portions d’extrémité filetées de l’acier de précontrainte et en mettant sous contrainte l’acier de précontrainte avant le bétonnage et le durcissement dans le moule de traverse. Ancrage pour traverses en béton précontraint et procédé de fabrication L’invention concerne un ancrage permettant d’appliquer des forces de précontrainte dans un acier de précontrainte de traverses en béton précontraint pour la construction de voies ferrées, ainsi qu’un procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint. Les traverses en béton sont aujourd’hui les traverses standard dans toute l’Europe et elles sont coulées mécaniquement en béton. Les principaux avantages des traverses en béton précontraint par rapport aux traverses en bois et en acier sont une meilleure stabilité de positionnement grâce à leur masse plus importante et une longue durée d’utilisation. Pour que les traverses en béton ne se fissurent pas lorsqu’elles sont soumises à des forces de traction, il est nécessaire d’appliquer des forces de précontrainte en les armant d’acier de précontrainte. On distingue les procédés avec liaison directe de l’acier de précontrainte, appelés procédés de décoffrage tardif, et les procédés avec liaison ultérieure de l’acier de précontrainte, appelés procédés de décoffrage précoce (cf. INFRASTRUKTUR & BAU / Betonschwellenproduktion, ETR, décembre 2015, n° 12, page 43). Dans le procédé de décoffrage précoce du béton, des tubes vides sont insérés dans la traverse en béton pour créer des cavités, afin que l’acier de précontrainte puisse être enfilé et mis sous contrainte à travers les cavités, après le remplissage du moule de la traverse (coffrage) avec du béton, le durcissement et le démoulage de la traverse en béton. Dans le procédé de décoffrage tardif, le moule de la traverse (coffrage) est utilisé comme contre-butée pour l’armature. Pour la précontrainte avec liaison directe, l’acier de précontrainte est mis sous contrainte avant le bétonnage et ensuite enveloppé par le béton frais, à l’état mis sous contrainte. Le béton reste dans le moule de la traverse jusqu’à ce qu’il ait durci. Le document DE 10 2007 008 704 B4 divulgue un procédé de fabrication d’une traverse en béton selon le procédé de décoffrage tardif, dans lequel plusieurs aciers de précontrainte sont d’abord insérés dans un moule de traverse. L’acier de précontrainte présente une surface nervurée ou profilée afin de garantir une liaison solide entre l’acier de précontrainte et le béton qui l’entoure, et donc une bonne application des forces. Chaque acier de précontrainte est fixé dans le moule de traverse par des douilles de serrage qui s’étendent à travers des ouvertures alignées entre elles sur les faces frontales du moule de traverse et qui sont vissées avec des portions filetées aux deux extrémités de l’acier de précontrainte. Des écrous de serrage sont vissés sur les douilles de serrage et s’appuient sur les faces frontales du moule de traverse. Le serrage des écrous de serrage permet de mettre sous contrainte et de fixer les aciers de précontrainte dans le moule de traverse. Après la mise sous contrainte, le moule de traverse est rempli de béton liquide et le béton est compacté par vibration. Le durcissement se fait de lui-même, mais peut être accéléré par un apport de chaleur. Après le durcissement, la traverse en béton achevée est démoulée en soulevant et en retournant le moule de traverse. Dans le cadre de l’accident ferroviaire de Burgrain survenu le 3 juin 2022 sur la ligne ferroviaire Munich-Garmisch-Partenkirchen, un rapport intermédiaire du Bureau fédéral d’enquête sur les accidents ferroviaires du 1 er juin 2023 a désigné un défaut de la superstructure comme cause primaire de l’accident, car les traverses en béton précontraint posées à cet endroit présentaient des dommages qui laissaient supposer une perte de précontrainte au sein de la traverse. Les traverses en béton précontraint endommagées ont ensuite entraîné une défaillance de la structure et l’éclatement des appuis de rails dans le sens des forces appliquées. Le procédé de décoffrage tardif avec des aciers de précontrainte nervurés est soupçonné d’être responsable de la perte de précontrainte au sein des traverses en béton. Partant de cet état de la technique, l’invention a pour objectif de créer un ancrage permettant d’appliquer des forces de précontrainte dans un acier de précontrainte de traverses en béton précontraint pour la construction de voies ferrées, dans lequel une perte de la précontrainte au sein de la traverse en béton est exclue également à long terme. Il s’agit en outre de proposer un procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint par décoffrage tardif en utilisant ledit ancrage. Ce problème est résolu par un ancrage pour appliquer des forces de précontrainte dans un acier de précontrainte de traverses en béton précontraint pour la construction de voies ferrées, comprenant une cloche d’ancrage présentant un cône intérieur qui se rétrécit en forme d’entonnoir pour former une portion cylindrique creuse disposée au sommet de la cloche d’ancrage, un écrou comprenant une portion conique qui se rétrécit en une collerette cylindrique, et un ajustement serré d’une liaison entre la collerette cylindrique de l’écrou et la portion cylindrique creuse de la cloche d’ancrage. En outre le problème est résolu par un procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint à l’aide de l’ancrage conforme à l’invention, comprenant les étapes consistant à fournir un moule de traverse ayant des ouvertures alignées entre elles sur des faces frontales opposées du moule de traverse, fournir un acier de précontrainte qui présente un filetage aux deux extrémités, visser l’écrou de l’ancrage sur chacun des deux filetages de l’acier de précontrainte de telle sorte que les côtés ouverts des cloches d’ancrage sont tournés l’un vers l’autre et qu’une portion libre du filetage s’étend respectivement au-delà de l’écrou vissé de chaque ancrage, insérer chaque acier de précontrainte muni de l’écrou vissé dans le moule de traverse, mettre sous contrainte chaque acier de précontrainte inséré, remplir le moule de traverse avec du béton à la suite de l’étape de mise sous contrainte, faire durcir le béton, et démouler la traverse en béton. Des configurations avantageuses de l’invention ressortent de l’ensemble de ce qui suit. La solution repose sur l’idée de monter, à la place ou en plus du nervurage ou profilage de chaque acier de précontrainte, un ancrage à l’extrémité de l’acier de précontrainte. L’invention repose en outre sur l’idée que l’ancrage comprend des cloches d’ancrage connues en soi et approuvées par la Deutsche Bahn pour le procédé de décoffrage précoce, destinées à appliquer des forces de contrainte dans les traverses en béton. Dans le procédé de décoffrage précoce, la cloche d’ancrage est intégrée par bétonnage lors du processus de fabrication de la traverse en béton. Après le durcissement de la traverse en béton, l’acier de précontrainte, muni des filetages disposés aux extrémités, est inséré par les faces frontales de la traverse en béton à travers les cavités de la traverse en béton. Le filetage s’étend à travers une ouverture dans la cloche d’ancrage intégrée par bétonnage. Un écrou est ensuite vissé et serré sur le filetage de l’acier de précontrainte à travers les cavités de la traverse en béton, afin de créer la précontrainte dans la traverse en béton. Pour l’utilisation de la cloche d’ancrage dans le procédé de décoffrage tardif, la cloche d’ancrage présente, selon l’invention, un cône intérieur qui se rétrécit en forme d’entonnoir pour former une portion cylindrique creuse disposée au sommet de la cloche d’ancrage. L’écrou présente une portion conique qui se rétrécit en une collerette cylindrique. L’écrou et la cloche d’ancrage sont assemblés en une seule pièce par un ajustement serré entre la collerette cylindrique de l’écrou et la portion cylindrique creuse de la cloche d’ancrage, la collerette s’engageant dans la portion cylindrique creuse. La collerette cylindrique entoure concentriquement le taraudage de l’écrou, qui est conçu pour être vissé sur un filetage d’extrémité de l’acier de précontrainte. Avant le remplissage du moule de traverse avec du béton liquide, chaque cloche d’ancrage peut donc être vissée sur un filetage à l’une des deux extrémités de l’acier de précontrainte à l’aide de l’écrou qui lui est solidaire, et être positionnée dans le moule de traverse par insertion de l’acier de précontrainte. L’ajustement serré permet une fabrication simple, peu coûteuse et en grande série des ancrages d’extrémité du fait que les écrous et les cloches d’ancrage sont fabriqués indépendamment les uns des autres, puis la collerette de l’écrou est enfoncée dans la portion cylindrique creuse de la cloche d’ancrage. Pour absorber les forces de contrainte, la cloche d’ancrage connue en soi présente un diamètre intérieur d’environ 52 mm sur son côté ouvert. L’angle formé par le cône intérieur est d’environ 84°. Le diamètre intérieur de la portion cylindrique creuse est d’environ 12,2 mm. L’épaisseur de la paroi de la cloche d’ancrage est d’au moins 0,8 mm en tout point de la cloche, en particulier au niveau de la portion cylindrique creuse. Une application uniforme des forces de contrainte de la cloche d’ancrage vers l’écrou est obtenue par le fait que la portion conique de l’écrou est en appui à fleur contre le cône intérieur de la cloche d’ancrage. Un procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint par décoffrage tardif à l’aide d’un ancrage selon l’invention comprend les étapes suivantes consistant à : - Fournir un moule de traverse (coffrage) ayant des ouvertures alignées entre elles sur les faces frontales opposées du moule de traverse. Le moule de traverse peut être conçu comme un moule simple pour la fabrication d’une traverse en béton ou comme un moule multiple pour la fabrication de plusieurs traverses en béton disposées les unes à côté des autres. Il est courant d’utiliser des moules multiples pour fabriquer en particulier quatre traverses en béton précontraint. Les traverses en béton traditionnelles comportent généralement quatre aciers de précontrainte disposés en deux rangées et espacés latéralement les uns des autres. Par conséquent, chaque moule ou chaque cavité d’un moule multiple présente sur ses faces frontales quatre ouvertures pour faire passer les douilles de serrage. Pour la fabrication de traverses en béton destinées à supporter des charges plus élevées, il est toutefois possible de prévoir un nombre supérieur à quatre aciers de précontrainte, en particulier 5 à 8 aciers de précontrainte. - Fournir un acier de précontrainte qui présente un filetage aux deux extrémités. En particulier, l’acier de précontrainte se présente sous la forme d’un fil de précontrainte rectiligne avec des portions filetées aux extrémités. - Visser l’écrou de l’ancrage sur chacun des deux filetages de l’acier de précontrainte de manière à ce que les côtés ouverts des cloches d’ancrage soient tournés l’un vers l’autre et qu’une portion libre du filetage s’étende respectivement au-delà de l’écrou vissé de chaque ancrage. - Insérer chaque acier de précontrainte muni de l’écrou vissé dans le moule de traverse. - Mettre sous contrainte chaque acier de précontrainte inséré. Pour mettre sous contrainte chaque acier de précontrainte, une douille de serrage respective est vissée sur les deux portions libres des filetages, les deux douilles de serrage vissées s’étendant à travers les ouvertures alignées entre elles sur les faces frontales du moule de traverse. - Sur les filetages des deux douilles de serrage sont ensuite vissés des écrous de serrage qui s’appuient sur les faces frontales du moule de traverse. Les écrous de serrage sont serrés avec un couple qui permet d’obtenir la précontrainte nécessaire dans les aciers de précontrainte. De préférence, tous les aciers de précontrainte sont serrés automatiquement et simultanément et sont desserrés de la même manière pour le démoulage. - Remplir le moule de traverse avec du béton. Le béton versé peut en supplément être compacté. - Faire durcir le béton. Le durcissement peut se faire à température ambiante, mais peut aussi être accéléré par un apport de chaleur. Après l’étape de durcissement et avant l’étape de démoulage, les écrous de serrage et les douilles de serrage sont enlevés, de sorte que les forces agissant dans l’acier de précontrainte sont transmises à la cloche d’ancrage et à l’écrou qui y est relié. - Démouler la traverse en béton après le durcissement. Le démoulage s’effectue en particulier en soulevant et en retournant le moule de traverse. Les trous borgnes frontaux qui subsistent dans la traverse en béton après l’enlèvement des douilles de serrage peuvent être obturés, afin d’empêcher la pénétration de saletés et d’humidité dans les traverses en béton. L’obturation peut se faire par exemple avec du mortier de ciment ou avec un bouchon. L’invention sera expliquée plus en détail ci-après à l’aide des dessins. Les figures montrent : Figure 1A) une vue de dessus, Figure 1B) une coupe le long de la ligne A-A de la Figure 1A) et Figure 1C) une vue en perspective d’un ancrage conforme à l’invention des figures 1A), 1B), Figure 2A) une vue de dessus d’un moule de traverse pour la fabrication d’une traverse en béton selon le procédé de décoffrage tardif, Figure 2B) une coupe longitudinale du moule de traverse de la Figure 2A) le long de la ligne B-B, Figure 2C) une représentation agrandie du détail C de la Figure 2B), Figure 3A) une vue de dessus d’une traverse en béton démoulée, fabriquée par le procédé selon l’invention, Figure 3B) une vue latérale de la traverse en béton de la Figure 3A), Figure 3C) une vue en perspective de la traverse en béton des figures 3A), 3B), avec arrachement partiel, Figure 3D) une représentation agrandie du détail C de la Figure 3C). La FIG. 1 montre un ancrage 1 selon l’invention pour l’application de forces de précontrainte dans un acier de précontrainte 2, en particulier dans un fil de précontrainte rectiligne. L’ancrage 1 comprend une cloche d’ancrage 4 présentant un cône intérieur 4.1 qui se rétrécit en forme d’entonnoir pour former une portion cylindrique creuse 4.3 disposée au sommet 4.2 de la cloche d’ancrage 4. Le plus grand diamètre de la cloche d’ancrage 4 se trouve sur le côté ouvert 4.4. En outre, l’ancrage 1 comprend un écrou 5 muni d’un taraudage 5.1 pour le visser sur un filetage 2.2 aux extrémités 2.1 de chaque acier de précontrainte 2. Le contour extérieur de l’écrou 5 est par exemple cylindrique et se rétrécit en passant par une portion conique 5.2 pour former une collerette cylindrique 5.3 qui entoure concentriquement le taraudage 5.1 de l’écrou 5. Pour faciliter le vissage de l’écrou 5, le contour extérieur peut présenter des surfaces d’entraînement, en particulier à six pans ou deux pans. La liaison entre l’écrou 5 et la cloche d’ancrage 4 pour former une seule pièce est assurée par le fait que la collerette cylindrique 5.3 de l’écrou 5 est enfoncée dans la portion cylindrique creuse 4.3 de la cloche d’ancrage 4. L’assemblage repose sur un ajustement serré entre la collerette cylindrique 5.3 et la portion cylindrique creuse 4.3. Il ressort également de la Figure 2B) que la conicité du cône intérieur 4.1 de la cloche d’ancrage 4 et celle de la portion conique 5.2 de l’écrou 5 sont adaptées l’une à l’autre de telle sorte que la surface enveloppe de la portion conique 5.2 de l’écrou 5.2 est en appui à fleur contre le cône intérieur 4.1. Les forces appliquées dans la cloche d’ancrage 4 par le côté ouvert 4.4 sont transmises uniformément à l’acier de précontrainte 2 par l’intermédiaire de l’écrou 5. Entre les cloches d’ancrage 4 sur chaque acier de précontrainte 2, celui-ci peut présenter une enveloppe à surface lisse ou profilée afin d’améliorer encore la transmission des forces entre l’acier de précontrainte 2 et le béton. Ci-après, un procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint 3 à l’aide d’un ancrage 1 selon la FIG. 1 sera expliqué plus en détail à l’aide des figures 2 et 3 : Pour la fabrication, on fournit d’abord un moule de traverse 6 ayant des ouvertures 6.1 alignées entre elles sur des faces frontales 6.2 opposées du moule de traverse 6 (voir Figure 2A)). Dans l’exemple de réalisation représenté, il s’agit d’un moule simple pour la fabrication d’une seule traverse en béton 3. Dans la pratique, on utilise souvent des moules multiples avec plusieurs cavités, permettant de fabriquer simultanément plusieurs traverses en béton 3. Pour la fabrication des traverses en béton 3, il est en outre nécessaire de tenir à disposition l’acier de précontrainte déjà mentionné, qui présente un filetage 2.2 à ses deux extrémités 2.1. La longueur de l’acier de précontrainte 2 est plus courte que la longueur du moule de traverse 6, afin que celui-ci puisse être inséré dans le moule de traverse. Dans une étape suivante, un ancrage respectif 1 est vissé sur chacune des deux extrémités 2.1 de chaque acier de précontrainte 2 à l’aide de l’écrou 5, de sorte que les côtés ouverts 4.4 des deux cloches d’ancrage 4 sur chaque acier de précontrainte 2 sont tournés l’un vers l’autre (voir Figure 2B)). Les cloches d’ancrage 4 sont vissées sur les filetages jusqu’à ce qu’une portion libre 2.3 du filetage 2.2 s’étende au-delà de l’écrou 5 desserré à chaque extrémité 2.1 (voir Figure 2C)). Cette portion libre 2.3 est nécessaire pour la mise sous contrainte de chaque acier de précontrainte 2 insérée dans le moule de traverse 6. Pour mettre sous contrainte et fixer chaque acier de précontrainte 2 inséré dans le moule de traverse 6, une douille de serrage respective 7 est vissée sur les deux portions libres 2.3 des filetages 2.2 de chaque acier de précontrainte 2, les deux douilles de serrage 7 s’étendant à travers les ouvertures 6.1 alignées entre elles sur les faces frontales 6.2 du moule de traverse 6. Chaque douille de serrage 7 présente un filetage sur lequel est vissé un écrou de serrage 7.1 qui s’appuie sur l’une des faces frontales 6.2 du moule de traverse 6. Le serrage des écrous de serrage 7.1 avec un couple de serrage prédéfini permet de précontraindre les aciers de précontrainte 2 insérés dans le moule de traverse 6. Dans la pratique, le serrage des écrous de serrage 7.1 s’effectue souvent de manière automatisée et simultanément. Puis, le moule de traverse 6 est rempli de béton liquide qui durcit ensuite à température ambiante ou par apport de chaleur. Après le durcissement du béton, tous les écrous de serrage 7.1 sont desserrés, de préférence simultanément, et les douilles de serrage 7 sont dévissées des filetages 2.2 aux extrémités 2.1 de chaque acier de précontrainte 2 et sont extraites de la traverse en béton 3. Le desserrage de la douille de serrage et de l’écrou de serrage 7, 7.1 permet de transmettre les forces de contrainte aux cloches d’ancrage 4 opposées l’une à l’autre de chaque acier de précontrainte 2. Après avoir enlevé la douille de serrage 7 et l’écrou de serrage 7.1, le démoulage des traverses en béton 3 du moule de traverse 6 s’effectue de manière connue en soi, en particulier en soulevant et en retournant le moule de traverse 6 de 180°. Entre les cloches d’ancrage 4 de l’ancrage 1 sur chaque acier de précontrainte 2, celui-ci peut présenter une enveloppe à surface lisse ou profilée. Dans les traverses en béton 3, huit trous borgnes 3.1 subsistent après l’extraction des douilles de serrage 7, comme on peut le voir en particulier sur la représentation de la Figure 3D). Afin d’éviter que des salissures et de l’humidité ne pénètrent dans la traverse en béton 3 par les trous borgnes 3.1, les trous borgnes 3.1 sont de préférence obturés. L’obturation peut se faire avec un mortier de ciment ou également avec un bouchon. [Table 1] Liste des références 1 Ancrage 2 Acier de précontrainte 2.1 Extrémité 2.2 Filetage 2.3 Portion libre 3 Traverse en béton 3.1 Trous borgnes 4 Cloche d’ancrage 4.1 Cône intérieur 4.2 Sommet 4.3 Portion cylindrique creuse 4.4 Côté ouvert 5 Écrou 5.1 Taraudage 5.2 Portion conique 5.3 Collerette cylindrique 6 Moule de traverse 6.1 Ouvertures 6.2 Face frontale 7 Douille de serrage 7.1 Écrou de serrage Ancrage (1) pour appliquer des forces de précontrainte dans un acier de précontrainte (2) de traverses en béton précontraint (3) pour la construction de voies ferrées, comprenant - une cloche d’ancrage (4) présentant un cône intérieur (4.1) qui se rétrécit en forme d’entonnoir pour former une portion cylindrique creuse (4.3) disposée au sommet (4.2) de la cloche d’ancrage (4), - un écrou (5) comprenant une portion conique (5.2) qui se rétrécit en une collerette cylindrique (5.3), et - un ajustement serré d’une liaison entre la collerette cylindrique (5.3) de l’écrou (5) et la portion cylindrique creuse (4.3) de la cloche d’ancrage (4). Ancrage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la collerette cylindrique (5.3) entoure le taraudage (5.1) de l’écrou (5), qui est conçu pour être vissé sur un filetage d’extrémité (2.2) de l’acier de précontrainte (2). Ancrage selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la portion conique (5.2) de l’écrou (5) est en appui à fleur contre le cône intérieur (4.1) de la cloche d’ancrage (4). Procédé de fabrication d’une traverse en béton précontraint (3) à l’aide d’un ancrage (1) selon la revendication 1, comprenant les étapes consistant à : - fournir un moule de traverse (6) ayant des ouvertures (6.1) alignées entre elles sur des faces frontales (6.2) opposées du moule de traverse (6), - fournir un acier de précontrainte (2) qui présente un filetage (2.2) aux deux extrémités (2.1), - visser l’écrou (5) de l’ancrage (1) sur chacun des deux filetages (2.2) de l’acier de précontrainte (2) de manière à ce que les côtés ouverts (4.4) des cloches d’ancrage (4) soient tournés l’un vers l’autre et qu’une portion libre (2.3) du filetage (2.2) s’étende respectivement au-delà de l’écrou vissé (5) de chaque ancrage (1), - insérer chaque acier de précontrainte (2) muni de l’écrou vissé dans le moule de traverse (6), - mettre sous contrainte chaque acier de précontrainte (2) inséré, - remplir le moule de traverse (6) avec du béton à la suite de l’étape de mise sous contrainte, - faire durcir le béton, et - démouler la traverse en béton. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’au moins quatre aciers de précontrainte (2) sont insérés dans le moule de traverse (6). Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que - pour mettre sous contrainte chaque acier de précontrainte (2), une douille de serrage respective (7) est vissée sur les deux portions libres (2.3) des filetages (2.2), les deux douilles de serrage (7) vissées s’étendant à travers les ouvertures (6.1) alignées entre elles sur les faces frontales (6.2) du moule de traverse (6), et - sur le filetage des deux douilles de serrage (7) est vissé respectivement un écrou de serrage (7.1), qui s’appuient sur les faces frontales (6.2) du moule de traverse (6). Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu’après l’étape de durcissement et avant l’étape de démoulage, les écrous de serrage (7.1) et les douilles de serrage (7) sont enlevés. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’après l’étape d’enlèvement des écrous de serrage (7.1) et des douilles de serrage (7), les trous borgnes frontaux (3.1) qui subsistent dans la traverse en béton (3) sont obturés. Procédé selon l’une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu’on fournit un acier de précontrainte (2) qui présente, entre les extrémités (2.1) ayant un filetage (2.2), une surface structurée, en particulier nervurée ou profilée.