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Mémoire descriptif déposé à l'appui de la demande de brevet d'invention pour : "POUTRE CINTREE EN BETON PRECONTRAINT OU EN BETON ARME" formée par : Prof. Or. -Ing. Jörg SCHLAICH à Hasenbergsteige 63d
D-7000 Stuttgart 1, RFA Dipl.-Ing. Rudolf BERGERMANN Laustrasse 60
D-7000 Stuttgart 70, RFA Priorité : RFA, no. P 33 02 075.2 du 22 janvier 1983
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POUTRE CINTREE EN BETON PRECONTRAINT OU EN BETON ARME L'invention concerne une poutre en béton précontraint ou en béton armé, à section quelconque, en particulier un poteau en béton, constitué par au moins deux segments reliés entre eux par un aboutement.
Le problème sera mieux compris à l'aide de l'exemple suivant, concernant un poteau cylindrique réalisé en béton précontraint : Dans le cas de jonctions de ce type, il se pose le problème d'intercepter les moments de flexion produits sous l'action d'une force exercée sur le segment supérieur du poteau (vent, ou autre cause) ; si l'on considère la section au niveau de la jonction, ces moments produisent sur une des faces, des forces de traction, et sur l'autre face, des forces de pression. Alors que le béton transmet très bien les forces de pression, il n'est pas approprié à la transmission de forces de traction.
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0On peut toujours réaliser un segment. individuel de poteau de façon qu'il supporte les forces de traction, en choisissant comme matériau le béton précontraint ou le béton armé, c'est-à-dire en incorporant éventuellement, dans le sens de la longueur, des barres métalliques précontraintes. La difficulté qui consiste à transférer ces forces de traction d'un segment de poteau à l'autre au niveau de la jonction, persiste cependant. De plus, il faut aussi transmettre des forces transversales ("frottement") et des forces normales (pression uniforme).
Une solution connue prévoit de fixer dans les extrémités des segments individuels de poteau, aussi bien des barres filetées qui dépassent des faces extrêmes, que des plaques d'acier. Dans ce cas, chaque barre fixée dans un des segments de poteau est vissée dans la plaque d'acier fixée dans l'autre segment de poteau (également par des barres). Cette solution ne s'est pas avérée efficace dans la pratique ; elle n'est pas suffisamment sûre, mais trop coûteuse. Il est également nécessaire de conférer à la section aux extrémités des segments de poteaux des dimensions telles, que le long de la circonférence on puisse prévoir des trous pour recevoir le raccord à vis des boulons filetés.
Une autre solution connue prévoit de transformer, à chaque extrémité d'un segment de poteau, la construction en béton en construction d'acier, en fixant ces tôles d'acier ou autres dans l'extrémité des segments de poteau et en reliant entre elles leurs extrémités saillantes par un système de construction métallique, c'est-à-dire vissage ou
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autre. Mais cette solution n'est pas satisfaisante non plus, car le flux de forces-aussi bien dans la transmission de forces de traction-entre le béton et les éléments réalisés en acier doit être plusieurs fois dévié, et ainsi interrompu. De plus, la construction avec passage de la structure en béton à la structure en acier dans chaque segment de poteau, et une liaison métallique des structures métallique des structures métalliques, est très coûteuse.
Même la transmission des forces de pression s'effectue à travers la structure métallique, alors que la transmission des seules forces de pression pourrait s'effectuer sans difficulté entre deux parties en béton.
En conséquence, l'invention a pour objectif de proposer un poteau en béton du type décrit dans l'introduction, dans lequel l'aboutement c'est-àdire la jonction entre les segments de poteau, est réalisée sous une forme aussi simple que possible, et la transmission des forces de pression et de traction s'effectue avec le moins de déviations possibles du flux de forces.
A cet effet, l'invention propose une solution caractérisée en ce que la jonction des segments s'appuyant l'un contre l'autre par leurs faces frontales s'effectue en ce que les extrémités s'appuyant l'une contre l'autre des segments sont entourées en commun de l'extérieur, ou de l'intérieur, par un tube d'acier, que les surface des segments et du tube d'acier délimitant l'espace intermédiaire entre le tube d'acier et les segments et tournées l'une vers l'autre, sont rendues rugueuses, et que l'espace intermédiaire est rempli de mortier.
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L'invention concerne également divers développe- ments avantageux, selon lequels la surface rugueuse des extrémités des segments est constituée par des rainures prévues le long du pourtour, à l'intérieur . ou à l'extérieur, avec des sections rectangulaires ou trapézoïdales, ou encore la surface rugueuse du tube d'acier est constituée par des renflements ou nervures circulaires externes ou internes, ou bien le tube d'acier recouvre de l'extérieur les deux extrémités s'appuyant l'une contre l'autre des segments, ou bien le tube d'acier est disposé à l'intérieur des segments aboutés, et éventuellement renforcé au moyen d'anneaux de renforcement s'étendant suivant la circonférence, disposés à l'intérieur du tube, ainsi qu'un procédé de fabrication d'un poteau en béton selon l'invention.
Par suite de la construction selon l'invention, les forces de pression agissant en direction verticale, sont transmises d'un segment de poteau à l'autre sans problème, directement de la face terminale d'un segment de poteau sur la face terminale de l'autre. Il n'y a pas de déviation et elle n'est pas nécessaire. Les forces de traction intervenant sont transmises par des ponts de forces obliques dans le mortier remplissant l'espace intermédiaire, en raison de la rugosité des surfaces extrêmes, reposant l'une sur l'autre, des segments de poteau d'une part, et le recouvrement-extérieur ou intérieur-des tubes d'acier d'autre part. Dans le mortier, il ne se forme également que des forces de pression.
Dans la mesure où le tube d'acier est disposée en recouvrement extérieur, ils se développe dans celui-ci des forces de traction aussi bien en direction radiale (direction
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annulaire) qu'également en direction verticale (voir figure 7). Pour la transmission de ces forces de traction le tube en acier est le mieux adapté, contrairement au béton. Lorsque le tube en acier est disposé à l'intérieur du poteau en béton, il est également soumis à des forces de pression en direction annulaire ; pour recevoir celles-ci, on peut alors éventuellement incorporer dans le tube d'acier des anneaux de renforcement.
La disposition externe du tube d'acier présente donc des avantages du point de vue statique, tandis que la disposition interne est choisie lorsqu'il est important soit de réaliser une bonne protection contre la corrosion à l'intérieur du poteau, soit de rendre le tube invisible de l'extérieur.
On trouvera ci-dessous des exemples de rélisation de l'invention et leurs développements avantageux, avec référence aux dessins annexés.
Dans ces dessins, les figures représentent : figure la : une vue schématique d'un premier exemple de réalisation. figure Ib : une représentation schématique pour mieux expliciter l'objectif de la figure la figure 2 : une représentation agrandie de la jonction selon la figure la figure 3 : une représentation agrandie de la zone
III de la figure 2'
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figure 4 : une représentation agrandie de la zone
IV de la figure 4 figure 5 : une représentation agrandie de la zone
V de la figure 2 figure 6 : une représentation agrandie de la zone
III de la figure 2, mais-contrairement à la figure 3-après le jointoyage des compartiements qui ont été occupés, d'abord lors de la fabrication, par le tuyau d'étanchéité Il figure 7 :
une représentation agrandie de la zone
VII de la figure 2, pour montrer le transfert de forces entre l'extrémité d'un segment de poteau 2 et le tube d'acier 4 figure 8 : une vue schématique d'un second exemple de réalisation figure 9 : une vue agrandie de la jonction 3 de la figure 8.
La figure la représente schématiquement la manière dont une premier segment de poteau 1 et un deuxième poteau de segment 2 sont reliés entre eux par une jonction qui est schématiquement désignée par 3.
Dans la figure Ib, on voit comment, lorsque le poteau de segment supérieur 2 est chargé en direction de la flèche, par exemple sous l'effet du vent, il s'établit un moment de flexion M, une force transversale Q, et par la charge propre du poteau, une force normale N. Le moment de flexion
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conduit, lorsque comme indiqué par M, son action est effective, sur une des faces (à droite sur la figure Ib) à une force de traction, et sur l'autre face (à gauche dans la figure Ib) à une force de pression.
On connait la propriété du béton de bien absorber les forces de pression, mais de ne pouvoir amortir les forces de traction. Afin de pouvoir transmettre également les forces de traction, on utilise du béton précontraint, c'est-à-dire un béton où se trouvent incorporées, dans le sens de la traction, des barres en acier précontraint ; elles sont soumises à une forte tension de traction, qui dégage une forte compression sur le béton environnant. Si maintenant le béton précontraint est soumis à une traction, il va être-par suite de cette précontrainte-soumis non pas à une force de traction au sens propre, mais à une compression. La fabrication des segments de poteau 1,2 qui s'effectue de cette façon, se déroule à la manière du béton centrifugé. (L'invention ne s'applique cependant pas seulement au béton précontraint.
Dans le cas de béton armé, les barres en acier incorporées dans le béton ne sont pas précontraintes).
Dans l'exemple de réalisation selon les figures 2 à 7, la jonction 3 est entourée d'un tube d'acier 4 sur une certaine distance verticale h. Le tube d'acier 4 recouvre ici avec environ la moitié de sa hauteur h, chacune des deux extrémités de segment de poteau 1,2. Comme on peut le voir en détails sur les figures 3 à 5, la surface extérieure des deux segments de poteau 1,2 est munie d'aspérités suivant chacune des deux longueurs h/2, ainsi que
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le tube d'acier 4 à l'intérieur, sur toute la longueur h. L'espace intermédiaire 5 entre les segments de poteau 1, 2 et le tube d'acier 4 qui les entoure, est rempli de mortier. Le détail de la réalisation apparaît dans les figures 3 à 5.
Comme on peut voir sur la figure 4, le segment de poteau 1 et le segment de poteau 2 sont munis, sur la longueur correspondante à celle qu'occupe à l'extérieur le tube d'acier 4, sur leur face extérieure, de cannelures 6, ce qui se traduit, dans l'exemple de réalisation, par des rainures circulaires suivant le pourtour et des rainures trapézoïdales sur la section ; ce résultat est obtenue par une structure appropriée des moules de coulée par centrifugation des segments de poteau. Les aspérités sur la face intérieure du tube d'acier 4 sont formées par des renflements ou nervures 7 circulaires à l'intérieur, rectangulaires dans la section. On peut également utiliser de la tôle ondulée du commerce.
Si maintenant, comme ce sera encore montré en détail, l'espace intermédiaire 5 est rempli d'un mortier solidement pris, à pouvoir agglutinant amélioré par une matière synthétique (appelée mortier d'injection), alors il se produit la transmission, représentée en détail sur la figure 7, de forces de traction dans le cas d'un moment de flexion M.
La figure 7 représente la zone de la figure 1b désignée par VII, c'est-à-dire du côté où, dans un exemple concret, une force de traction devrait être transmise à la jonction (à droite sur la figure 1b). Par suite de la fixation de barres de traction 8 précontraintes, ou même d'armatures incorporées à l'état détendu dans le béton, la force de traction K, qui agit sur le segment de
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poteau 2, se transmet sous forme de force de compression K sur le béton. Si l'on considère maintenant la transmission des forces du béton du segment de poteau 2 sur le mortier dans l'espace intermédiaire 5, le tronçon 9 est exemplaire à cet égard.
Il constitue un pont de forces oblique entre la cannelure 6 du segment de poteau 2 et la paroi interne, rendue rugueuse par les renflures ou nervures 7, du tube d'acier 4.
En raison de l'allure oblique de ce pont de forces, rendue possible par les rugosités de surface, le tronçon 9 n'est soumis des deux côtés qu'à des forces de pression. Si l'on remplace, au niveau de la transition entre ce pont de forces et le tube d'acier 4 ou le segment de poteau 2, la force de compression agissant sur le tronçon 9, par une force horizontale et une verticale, à l'aide d'un parallèlogramme de forces connu, on voit qu'à l'endroit de la jonction entre le tronçon 9 et le segment de poteau 2, le segment de poteau est soumis à des forces de pression radiales, dirigées vers l'intérieur. Ces forces peuvent être transmises sans difficulté à travers le béton et dans le béton.
A la jontion du pont de forces formé par le tronçon 9 et du tube d'acier 4, on voit que le tube d'acier est soumis à une force de traction radiale, horizontale, dirigée vers l'extérieur. Par la configuration représentée lors de la transmission des forces de traction, le flux de forces est transmis très simplement d'un des segments de poteau au tube d'acier et de celui-ci, à l'autre segment de poteau. Dans le béton, il ne
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se produit alors que des forces de pression et dans le tube d'acier, dont le matériau est adapté à cet effet, des forces de traction. Le tube d'acier peut absorber les forces de traction radiales (agissant en direction annulaire), car il est réalisé sous la forme d'un tube entourant complètement le segment de poteau.
L'introduction des forces depuis le tube d'acier 4 dans le segment de poteau l, en-dessous de la jonction 3, s'effectue de la même manière (figure 1 b).
La transmission des forces de traction, selon l'invention, est décrite en regard de la figure 7 (correspondant à la représentation, côté droit, de la figure Ib). La transmission des forces de pression (correspondant au côté gauche de la figure Ib) s'effectue simplement par le fait que les faces frontales s'appuient l'une sur l'autre. Pour égaliser les rugosités de surface, il est prévu entre elles une couche de mortier 10.
La fabrication du poteau complet s'effectue de la façon suivante : (a) Les segments de poteau sont fabriqués en usine sous forme de tubes de béton, par un procédé de coulée à centrifugation. Le tube d'acier Le tube d'acier 4 est alors glissé et fixé, déjà à l'usine, sur un des deux tubes de béton qui représentent le segment de poteau 2 supérieur ou inférieur. Des tuyaux d'étanchéité 11 et 11' sont incorporés (par exemple collés ou serrés), le tube de béton étant encore en position couchée, et l'espace intermédiaire 5, formé
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entre un des tubes de béton constituant le segment de poteau supérieur, et le tube d'acier
4, est rempli. A cet effet, on injecte un mortier de ciment à travers un raccord de pression 12.
Après durcissement du mortier, les tuyaux d'étanchéité 11 et 11'sont enlevés et, comme le montre la figure 6, on jointoie avec un ciment à élasticité permanente. De même, l'orifice 14 pour le raccord 12 est bouché avec le ciment 15.
(b) Sur le chantier, on fixe d'abord dans le sous- sol et aligne le segment de poteau 1 inférieur, c'est-à-dire le tube de béton qui le constitue.
Le segment de poteau supérieur est mis en place à l'aide d'une grue, et entre les deux faces frontales s'appuyant l'une contre l'autre au niveau de la jonction, on introduit une couche de mortier 10. Afin de faciliter l'ajustage lors de la mise en place du segment de poteau supérieur 2 sur le segment de poteau inférieur
1, et aussi, afin d'assurer une repérage préalable pour le durée relativement courte du travail après cela encore nécessaire, on peut par exemple prévoir (voir figure 2) que dans l'extrémité inférieure du segment de poteau 2, on incorpore des chevilles 17 dépassant vers le bas.
Lors de la mise en place du segment de poteau supérieur 2 sur le segment de poteau inférieur 1, les chevilles 17 viennent alors se loger dans les trous 18 correspondants dans le segment de poteau inférieur 1, et y sont fixées par exemple au moyen de serrage, vissage ou autre, ou même par collage. Ce repérage préalable suffit pour le travail ultérieur.
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Après cette mise en place du segment de poteau supérieur sur le segment de poteau inférieur, et celle de la couche de mortier 10, s'effectue la mise en place d'un autre tuyau d'étanchéité 19 (voir figure 5), et le remplissage de l'espace intermédiaire 5 par injection du mortier par le raccord de pressage 20. Après la prise du mortier, le raccord 20 et le tuyau 19 sont enlevés, et les orifices ou joints ainsi libérés, sont également jointoyés au mortier (de façon analogue à la figure
6). La jonction est ainsi terminée.
Une autre configuration possible de la jonction 3 est représentée sur les figures 8 et 9. Un tube d'acier 25 est incorporé ici à l'intérieur, dans les extrémités des segments de poteau devant être reliés ensemble. En conséquence, c'est la face extérieure du tube d'acier 25 et la face interne des segments de poteau 1 et 2 qui sont rendues rugueuses, par des cannelures, renflements ou nervures. L'espace intermédiaire 26 est à nouveau rempli de mortier. On peut aussi assurer de cette façon qu'au cas où des forces de traction agiraient sur la jonction, les forces de traction soient absorbées par le tube d'acier, la couche de mortier se trouvant entre le tube d'acier et les segments de poteau-comme dans la figure 7-n'étant soumise qu'à des forces de pression.
La force de traction agissant verticalement est alors, après transfert du segment 2 sur le tube 25, absorbée par le tube d'acier 25 et conduite à nouveau vers le côté inférieur, sur le segment de poteau 1.
Etant donné que dans cette configuration, le tube d'acier est soumis, contrairement au cas précédent, à des forces de pression radiales, dirigées vers
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0l'intérieur, on prévoit à l'intérieur des anneaux de renforcement 27. Afin de pouvoir, dans l'exemple de réalisation selon les figures 8 et 9, remplir l'espace intermédiaire 26 par du mortier d'injection, il est prévu sur les extrémités s'appuyant l'une contre l'autre des segments de poteau 1 et 2, des orifices d'injection 28 appropriés, sur lesquels on monte des raccords de pressage pour injecter le mortier.
L'avantage du mode de réalisation selon les figures 8 et 9, c'est que le tube d'acier n'est pas visible de l'extérieur, comme sur la figure 1, mais que la silhouette extérieure du poteau n'est pas influencé par les mesures prises pour former la jonction. Il est aussi moins fortement soumis aux variations climatiques, donc à la corrosion. Du point de vue de la construction par contre, le mode de réalisation selon les figures 1 a 7 présente l'avantage d'une configuration plus simple du tube d'acier et le fait que le tube d'acier se trouve à une distance plus élevée de l'axe du poteau, et agit donc avec un bras de levier plus long.
Alors que les exemples de réalisation décrits sont des poteaux de béton, l'invention est applicable en général pour placer l'un sur l'autre des poutres cintrées en béton armé ou en béton précontraint. On peut prendre en compte ici non seulement des sections circulaires, mais aussi des sections carrées ou autres.