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PROCEDE POUR FAIRE DU BETON ARME
On sait que le béton armé normal ne possède qu'une très faible résistance à la flexion et à la traction et une faible élasticité. En outre, la consommation de fer est relativement grande. On a cherché à améliorer les propriétés de résistance du béton armé en maintenant l'armature en fer sous une tension préalable jusqu'à la prise du béton, en utilisant, d'après des propositions récentes, des barreaux de fer rectilignes maintenus sous une tension préalable de 40 à 60 kg/mm2. Bien que cette tension préalable des armatures en fer produise une certaine tension de compression préalable dans le béton, cela n'a cepen- . dant pas modifié sensiblement les propriétés connues du béton armé. Cela ne réduit pas notablement la consommation de fer.
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De plus, avec ces barre'aux soumis à une tension préalable et devant transmettre, au béton, des efforts de traction relativement grands, l'assemblage entre le fer et le béton est insuffi sant. Cette insuffisance d'assemblage provient de ce que la surface des barreaux de fer est relativement petite, et en outre de de que ces barreaux, lorsqu'ils sont soumis à des efforts dynamiques, se dégagent à l'intérieur du béton par suite de leurs vibrations propres. A cause de cette faible adhérence des barreaux de fer dans le béton, il est nécessaire d'assurer ces barreaux dans le béton par des ancrages particuliers, qui sont principalement des ancrages d'extrémités.
C'est pourquoi les pièces en béton comportant une armature soumise à une tension préalable ne peuvent jamais être faites qu'avec une longueur déterminée, à cause de ces ancrages. Une restriction du même genre résulte d'ailleurs déjà de ce que les barreaux de fer dont on dispose pour l'armature n'ont qu'une longueur limitée. Pour faire des poutres ou pièces analogues de longueur relativement grande, il faut souder ou abouter les barreaux de fer entre eux, pour obtenir une armature ayant la longueur voulue.
Même en utilisant des aciers de haute qualité et de grande résistance pour l'armature, comme on l'a dit plus haut, on ne peut cependant obtenir de tensions préalables considérables dans le béton, comme on le prouvera plus loin, parce que le tassage élastique du béton, ainsi que le retrait et les mouvements rampants produisent une grande chute de tension dans les barreaux d'armature. Comme on ne peut obtenir, dans le béton, que des tensions de compression préalables de 150 kg/om2 au maximum pour Eb = 140.000 kg/om2, on n'utilise que très mal la résistance du béton à la compression, résistance qui permettrait une tension préalable beaucoup plus grande.
Le procédé qui fait l'objet de l'invention se distingue du procédé de confection mentionné ci-dessus en ce que l'on utilise de minces fils d'acier très bonifié ayant par exemple un diamètre de 0,5 à 2 mm. et une très grande résistance à l'arra-
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chement, allant jusqu'à 30.000 kg/cm2 environ, ces fils étant maintenus, jusqu'à la prise du béton, à une très grande tension préalable correspondant à peu près à l'effort de traction ulté- rieur qu'ils auront à supporter.
Ces fils d'acier bonifiés, riches en carbone, qui, pour ce diamètre, sont obtenus par étirage, comme on le sait, ont, en plus de leur résistance à l'arrachement, qui est extrêmement grande, une grande dureté et un faible allongement à la rupture, de 2 à 5% seulement. Il s'agit, dans ce cas, de fils d'acier comme ceux qui servent à faire par exemple les cordes de pianos et les câbles métalliques, mais qui, dans le cas présent, peu- vent naturellement être utilisés à l'état brut, c'est-à-dire non polis. Ces fils d'acier ont une résistance à l'arrachement d'en- viron 12.000 à 30.000 kg/cm2. Ils sont très élastiques et ils ont une très grande limite d'allongement, qui atteint jusqu'à 90% environ de la résistance à l'arrachement.
Si l'on table sur un coefficient de sécurité égal à 2, on peut faire supporter à ces fils d'acier une tension permanente d'environ 5.000 à 14.000 kg/cm2.
Le procédé de l'invention permet de faire du béton armé pouvant non seulement être considéré comme un béton armé sensi- blement amélioré, mais constituant en outre un nouveau matériau de construction ayant des propriétés tout à fait différentes.
Le nouveau procédé permet d'obtenir un matériau de construction pauvre en fer et ne contenant que 10% environ de l'armature en fer nécessaire pour le béton armé normal. L'utilisation de fils d'acier ayant une très grande résistance à l'arrachement permet de donner au béton une tension de compression préalable allant jusqu'à 800 kg/cm2 environ, et correspondant en même temps à l'effort de traction pouvant âtre toléré pour le béton. On peut donc dire que ce béton armé a une très grande résistance à la traction et à la flexion. Comme les fils d'acier utilisés peu- vent être fabriqués en longueur quelconque, cela permet de faire des pièces en béton extrêmement longues, et même de
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longueur presque illimitée, sans qu'il soit nécessaire de souder les garnitures intérieures constituant l'armature.
On peut, par le nouveau procédé, faire de très longues pièces en béton armé, par exemple des poutres, et les acier ensuite pour en faire des pièces individuelles de longueur quelconque, par exemple des poutres individuelles. Ce tronçonnage à la soie n'altère ni ne modifie en rien les propriétés de résistance des pièces individuelles.
Un avantage essentiel du nouveau procédé consiste toutefois en ce qu'on peut se passer complètement de tout ancrage pour l'armature, c'est à dire que celle-ci peut être constituée par des fils étirés lisses.
Pour mettre au point le nouveau procédé, il a fallu vaincre de grandes difficultés. L'utilisation de fils minces en acier très bonifié n'était nullement tout indiquée pour le spécialiste; au contraire, on croyait plutôt qu'il était pratiquement impossible d'utiliser, pour faire du béton armé, de tels fils soumis à une forte tension préalable.
On ne connaissait jusqu'à présent que des aciers fortement alliés ayant une résistance allant jusqu'à 120 kg/mm2. On savait bien que les fils en acier très bonifié ont une plus grande résistance à l'arrachement, mais on croyait que cette grande résistance produite par la bonification n'était que passagère et que ces fils ne pouvaient pas supporter un effort permanent, parce qu'ils se fatiguent et perdent de leur résistance, et en outre parce qu'ils présentaient un certain allongement continuel. Des essais minutieux ont démontré toutefois que ces fils en acier fortement bonifié ont cependant une résistance permanente de ce genre et que ce n'est que sous une charge de plus de 80% de la résistance à l'arrachement que la résistance diminue et qu'il se produit un certain allongement.
L'invention est donc basée sur cette découverte que les fils en acier fortement bonifié peuvent supporter une grande tension
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permanente et qu'ils conviennent par conséquent bien, en ce qui concerne leur résistance, pour faire du béton armé soumis à une tension préalable.
Toutefois l'invention suppose aussi que, contrairement aux barreaux de fer ou d'acier, les minces fils en acier soumis à une forte tension préalable n'exigent pas d'ancrage particulier.
Le spécialiste ne pouvait pas prévoir que des fils minces et lisses, fortement tendus, n'ont besoin d'aucun ancrage dans le béton, puisqu'il fallait un ancrage particulier pour les barreaux d'armature soumis à une forte tension préalable. Il fallait donc s'attendre à voir les fils minces étirés et lisses glisser dans le béton après la prise de celui-ci et après la suppression de la tension aux extrémités de ces fils, de sorte que la tension des fils ne pourrait pas être transmise au béton à cause du peu d'adhérence des fils. Des essais minutieux ont montré toutefois que les fils d'armature ont précisément, contrairement à cette hypothèse, une très grande adhérence, tandis que les barreaux, par contre, n'ont qu'une adhérence tellement petite qu'elle ne suffit pas pour transmettre les efforts de tension.
On déterminera ci-dessous, par le calcul et à titre de comparaison, les tensions de compression qui peuvent être obtenues dans le béton par les procédés connus et par le nouveau procédé. Ces tensions de compression préalables dans le béton sont égales à la résistance ultérieure du béton à la traction.
Soit! #evx la tension préalable de l'armature en acier avant la transmission au béton, #ev la tension permanente agissant dans l'armature en acier lorsque la tension a diminué,
Vx la chute de tension, qui se produits a) par suite du tassage élastique #b du béton, b) par suite du raccourcissement #1 du béton en raison du retrait, et c) par suite du raccourcissement #2 du béton à cause
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des mouvements rampants.
#bv la tension de compression préalable produite dans le béton, Ee, Eb la valeur d'élasticité du fer et du béton.
La chute de tension Vx dana les armatures en acier est Vx = #evx - #ev.
L'allongement #e de l'acier, qui correspond à la chute de
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tension vxs Vs - clevx - ceV x es = -î;- - -##- doit être égal au tassage #b du béton.
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Ci C ¯ -s-# ) deoù l'on at b Cibv - O'evx - O'ev -Eb ' Ee Ee En introduisant la valeur n = ---- on a: Eb n . O'bV = o'vx " aev' Cette équation donne la corrélation entre la tension préalable nécessaire #evx et la tension de compression préalable dans le béton #bv. On constate qu'elle est indépendante du degré d'armature.
Si l'on connait les valeurs de retraite de mouvements rampants et d'élasticité pour le béton, on peut déterminer, indépendamment de la section du béton, la tension de compression préalable maxima dans le béton #bv. Il faut alors introduire dans l'équation la valeur de la limite d'étirage #es pour #evx, et la valeur #ev pour la tension qui agit en permanence dans l'acier.
La valeur #es - #ev représente alors la valeur de la diminution de tension.
L'équation donnant la tension de compression maxima dans le béton est alors!
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Le premier terme du membre de droite de l'équation donne la valeur de la tension de compression préalable dans le béton sans tenir compte du retrait ni des mouvements rampants. Le
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deuxième terme indique la valeur du retrait et des mouvements ram- pants.
Si l'on prend, pour l'armature, des barreaux en acier de construction ordinaire ayant une limite d'étirage de des;:: 2.400 kg/ cm2, une charge tolérée de #ev = 1.200 kg/cm2 et si l'on a pour le béton Eb = 140.000 kg/cm2, un retrait il = 0,0006 cm/cm et pour les mouvements rampants #2 = 0, la tension de compression maxima préala- ble dans le béton pour le maximum de tension préalable #es dans l'armature sera: #bv max = 10 kg/cm2.
Si l'on utilise, pour le même béton, de l'acier de construction de haute qualité ayant une limite d'étirage,des = 3.600 kg/cm2 et #ev = 1<800 kg/cm2, la tension de compression préalable maxima dans le béton sera #bv max = 50 kg/cm2.
Pour des barreaux d'armature en acier ayant le maximum de résistance (acier chromé au nickel) et une résistance à l'arrache- ment de 11.000 à 12.000 kg/cm2, ainsi qu'une limite d'étirage #es = 8.000 kg/cm2 et #ev 4.000 kg/cm2, on aura pour le même béton et en tenant compte d'un mouvement rampant $ 2 = 0,0003 cm/cm dans le béton : #bv max = 153 kg/cm2.
On insistera sur ce point, que cette tension de compression préalable maxima dans le béton ne saurait être augmentée par exem- ple par une augmentation des garnitures intérieures constituant l'armature ou par une réduction de la section du béton.
On calculera maintenant, à titre de comparaison avec la tension de compression préalable maxima déterminée ci-dessus pour le béton, la tension semblable également maxima que l'on obtient par exemple avec une armature en fil d'acier suivant l'invention, pour #es = 24.000 kg/cm2 et #ev = 12.000 kg/cm2, lorsque ces fils soumis à une tension préalable sont noyés dans du béton ayant une très grande résistance à la compression et pour lequel le retrait est #1 = 0,0004 cm/cm et le mouvement rampant S 2 0,0004 cm/cm.
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Pour ces valeurs la plus grande tension de compression préalable dans le béton est #bv max = 688 kg/cm2.
Pour un béton de très haute qualité pour lequel Ee est un peu plus grand que 140.000, on peut donc atteindre des tensions de compression préalables permanentes allant jusqu'à 800 kg/cm2 environ.
On démontrera ci-dessous que l'invention permet de faire du béton armé dont l'armature est constituée par des fils d'acier pouvant aussi être noyés dans le béton sans le moindre ancrage.
Le fait, que le fil fortement tendu transmet sa tension au béton, s'explique, d'une part, par la très grande surface de ces fils nombreux et relativement minces, contrairement à l'utilisation de barreaux. En outre, il se produit aux extrémités des fils tendus, lorsque l'on coupe ceux-ci, une dilatation transversale qui augmente le diamètre du fil, ce qui a pour conséquence que les file d'acier sont pressés sur le béton. Les efforts de friction produite par ces efforts de compression entre le fil et le béton empêchent les fils de rentrer à l'intérieur, comme cela résulte du calcul suivant:
Soit! do le diamètre du fil préalablement tendu, d1 le diamètre augmenté du fil après la diminution de la tension. mb, me les coefficients de Poisson pour le béton et l'acier.
L'augmentation du diamètre du fil, de do à dl, provoque sur le béton une tension de compression :
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La résistance de frottement R1 pour 1 cm de longueur du fil est: Rl = f . #ro. U, f étant le coefficient de frottement entre l'acier et le béton et U désignant la périphérie du fil.
Quant à la résistance de frottement pour la longueur
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d'adhérence #, on l'obtient ainsi:
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L'effort de traction qui agit dans le fil à l'intérieur du béton est :
Z = F . #ev.
Si R est plus grand que Z les fils ne peuvent plus être attirés à l'intérieur. La longueur d'adhérence se calcule donc
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de la façon suivante: J 2 . F . 1: . JIlb + 1 . (Ee . J!1e - o'ev>. dev U f mb Eb 2'O'evx - O"'ev Si l'on prend par exemple f = 0,25; mb = 6, me = 3;
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Eb = 3000pO; E = 2 1004000; <y = 160000 kgem2; #ev = 12.000 kg/cm2, on a : # = 33. d et, avec un coefficient de sécurité égal à 3 :
L = 100 .d.
Les longueurs d'adhérence;1et L sont donc les suivantes pour: d = 1 mm, # = 3,3 cm, L = 10 cm d = 3 mm, , = 10, 0 cm, L = 33 cm d = 5 mm, # = la,6 cm, L = 50 cm d =10 mm, = 33,0 cm, L = 100 cm d =20 mm, = 66,0 cm, L = 200 cm
Ce tableau comparatif montre que les ancrages d'extrémités peuvent être supprimés lorsque les fils minces utilisés suivant l'invention ont un diamètre de 0,5 à 5 mm au maximum, mais non pour les fils et les barreaux de plus de 6 mm de diamètre ou d'épaisseur, parce que la longueur d'adhérence devient alors trop grande.
Pour l'application du procédé suivant l'invention il faut que le béton ait une très grande résistance à la compression
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de 400 à 1.200 kg/cm2, ce béton étant obtenu à l'aide de matiè- res de charge à grain fin et de ciments spéciaux de haute qualité et au moyen de secousses, en particulier avec une haute fréquence de 50 à 160 Hz.
En tablant sur les valeurs ci-dessus on obtient par exemple une tension de compression maxima # roo 615 kg/cm entre,le fil et le béton à l'extrémité libre des fils, cette tension diminuant jusqu'à une certaine valeur vers l'intérieur et n'étant plus que de #ro = 123 kg/cm2 à l'extrémité de la longueur d'adhérence;[. Ces tensions de compression dans le béton sont indépendantes du diamètre du fil et elles sont égales pour tous les diamètres des fils.
Quant à la tension préalable donnée aux fils d'armature utilisés suivant l'invention, elle est obtenue par des moyens quelconques, par exemple à l'aide de treuils, les fils pouvant être tendus individuellement ou en groupes, par exemple réunis en un câble, suivant l'application envisagée. On donne aux fils une grande tension préalable, assez grande pour produire dans les fils un allongement élastique de 3 à 10 mm. par mètre.
Lorsqu'on utilise de minces fils d'acier la résistance d'adhérence est très grande et elle n'est pas altérée non plus par des vibrations propres, comme lorsqu'il s'agit de barreaux, parce que la masse des fils est trop petite. Comme la longueur d'adhérence nécessaire pour transmettre la tension préalable est très petite lorsqu'il s'agit de fils, les corps en béton relati- vement grands, tels que des poutres ou des plaques, obtenus par le nouveau procédé,peuvent être directement tronçonnés à la scie et découpés en pièce plus petites ou plus courtes. Oomme le béton obtenu par le nouveau procédé est traversé par de nombreux fils minces, la déformation plastique du béton au moment de la transmission de la tension se trouve réduite au minimum, et . l'on obtient un matériau de construction extrêmement homogène, qui se comporte à peu près comme le fer.
Le très petit allongement à la rupture de 2 à 5 % men- tionné plus haut pour les fils d'acier a pour conséquence que
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le béton arms avec ces fils reste élastique presque jusqu'à la rupture, de sorte que l'on peut parler d'un béton entièrement élastique pouvant travailler, sans formation de fissures, jusqu' à 1 fois 1/2 la charge normale tolérée. Contrairement au béton armé connu, la rupture n'a pas lieu brusquement; au contraire, lorsque le béton travaille à la flexion, il se produit d'abord un grand fléchissement visible, qui est environ 10 fois plus grand que dans le cas du béton armé ordinaire, après quoi des fissures se forment finalement aussi dans le béton.
Toutefois ces fissures se referment dès que la charge diminue et reprend sa valeur primitive, et le fléchissement disparait rapidement et élastiquement. Le béton armé obtenu par le nouveau procédé assure donc une grande sécurité, car on peut le faire travailler sans inconvénient presque jusqu'à la charge de rupture.
Ainsi que l'ont montré des essais, le béton armé obtenu par le nouveau procédé peut supporter directement de grandes charges permanentes et variables (travail aux vibrations),con- trairement au béton armé ordinaire. Il résiste également de façon durable aux charges dynamiques et il peut être utilisé pour des applications pour lesquelles le béton armé ordinaire ne pouvait pas servir jusqu'à présent. Le nouveau procédé peut être appliqué à toutes les constructions en béton. Le nouveau procédé permet de faire des constructions élevées d'un nouveau genre, ainsi que des halls et des ponts de grandes portées en béton élastique, ce qui était impossible jusqu'à présent.
Le béton élastique constitue une nouvelle matière d'usi- nage qui joue un rôle particulier dans l'industrie des ouvrages en béton. Il peut servir à faire des poutres de forme quelcon que et de longueur quelconque pouvant remplacer les poutres en fer pour les constructions élevées. Il peut d'ailleurs servir aussi à faire des plaques de toutes sortes, ainsi que des objets entièrement nouveaux, qu'il n'était pas possible de faire en @ béton jusqu'à présent. On peut faire, avec ce béton, des condui- tes d'eau et des réservoirs à pression pour les pressions inté-
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rieures les plus hautes allant jusqu'à 200 atm. environ. Ces conduites et ces réservoirs sont tellement élastiques que des fissures ne peuvent plus se former dans le béton.
On peut en faire aussi des traverses de chemins de fer d'une très grande durée, supérieure à celle des traverses en fer.