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(11) | EP 1 180 565 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Armature flexible de connexion pour le renforcement de structures en béton |
| (57) L'armature flexible de connexion permet de lier deux nappes d'armature distantes.
Elle est composée d'un élément allongé (H) et d'un système de fixation (I). L'élément
allongé est flexible, il est constitué d'un matériau possédant un module d'élasticité
élevé et il est disposé de telle manière qu'il entoure au moins deux armatures (F)
et (G) faisant partie de deux nappes d'armature distinctes. Chacune des extrémités
de l'élément allongé est tendue puis connectée bout à bout à l'aide du système de
fixation formant ainsi une boucle fermée autour des armatures. L'armature flexible
de connexion ainsi disposée résiste comme un tirant rigidement ancré autour des armatures.
Après le bétonnage et le durcissement du béton, la structure résultante est caractérisée
par une haute résistance au cisaillement. |
[0001] La présente invention a pour objet une armature flexible de connexion pour le renforcement des structures en béton.
[0002] Les structures minces en béton ont été développées dans les années cinquante pour la construction de bâtiments, d'usines, de ponts etc. Ces structures sont hautement sollicitées au cisaillement à proximité des appuis. La rupture résultant d'un dépassement de la capacité portante vis-à-vis du cisaillement est dangereuse car elle est de type fragile, c'est-à-dire qu'elle se produit brusquement (sans signe précurseur) et est caractérisée par une importante réduction de la capacité portante.
[0003] La rupture par cisaillement des structures minces en béton est principalement due à la manière dont l'armature est disposée soit par empilement de nappes d'armature. Pour une dalle en béton par exemple, quatre nappes d'armature sont généralement disposées ; deux nappes orthogonales à proximité de la face inférieure et deux nappes orthogonales à proximité de la face supérieure. Les nappes de la face inférieure ne sont en général pas liées aux nappes de la face supérieure bien qu'elles soient distantes l'une de l'autre. Il s'ensuit que les efforts de cisaillement ou les tractions inclinées (thèse Ph. Menétrey, EPFL, 1994) générés à proximité des appuis ne peuvent être transmis entre les nappes inférieures et supérieures que par le béton. La rupture se produisant à l'endroit le plus faible, soit le béton, est caractérisée par un comportement fragile.
[0004] La résistance au cisaillement des structures minces en béton peut être augmentée par la mise en place d'une armature de cisaillement, par exemple :
- Les armature pliées comme illustrées à la fig. 2a) et décrites en 1938 déjà par O. Graf (Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 88, 1938).
- Les étriers pré-courbés comme illustrés dans la fig. 2b) ou plus récemment comme brevetés par H. Frisch WO 00/05461.
- Les goujons comme illustrés à la fig. 2c) et pour lesquels les procédés suivants ont été brevetés : F. Leonhardt et W. Andrä DE 2727159 B2 ; A. Ghali et W. Dilger CA-A 1085642 ; Th. Mösch CH 683545 A5.
- Les têtes de poinçonnement brevetées par Geilinger CH-382950 et Riss EP 0318712 A1.
- Les bandes en matériau composite renforcé de fibres et disposées autour des armatures comme illustrées à la fig. 2d) et brevetées par K. Pilakoutas WO 96/35029.
[0005] La force à l'intérieur d'une telle armature peut être calculée dans le cas des dalles à l'aide du modèle développé par Ph. Menétrey (ACI Journal, 1996 et fib Symposium, Prague, 1999) et elle dépend de l'ancrage aux extrémités, du module d'élasticité, de l'adhérence et de la longueur de l'armature de cisaillement. Mais l'ancrage de l'armature de cisaillement est déterminant et aucun des systèmes présentés ci-dessus n'offre un ancrage parfaitement rigide.
[0006] L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description de forme d'exécution donnée à titre d'exemple (pour une dalle en béton possédant deux nappes d'armature supérieures et inférieures qui sont parallèles et pour laquelle l'armature flexible de connexion est disposée verticalement) en regard des dessins sur lesquels:
- La figure 1 représente deux formes d'exécution de l'armature flexible de connexion selon l'invention,
- La figure 2 représente les armatures de cisaillement couramment utilisées.
- La figure 3 représente deux exemples d'application de l'armature flexible de connexion selon l'invention utilisant un câble métallique.
- La figure 4 représente trois exemples d'application de l'armature flexible de connexion selon l'invention pour lesquels le système de fixation n'est rigide qu'après le bétonnage.
- La figure 5 représente deux exemples d'application de l'armature flexible de connexion selon l'invention utilisant un élément allongé en matériau composite renforcé de fibres.
[0007] Deux formes d'exécution de l'armature flexible de connexion selon l'invention sont illustrées à la fig. 1 pour une dalle en béton (A) sollicitée par une charge (C) et appuyée sur une colonne (B). L'armature (F) fait partie de la nappe d'armature supérieure située le plus à l'extérieur et l'armature (G) fait partie de la nappe d'armature inférieure située le plus à l'extérieur. A la fig. 1a, l'armature flexible de connexion est caractérisée par un élément allongé (H) et par un système de fixation (I). L'élément allongé (H) entoure la section transversale des armatures (F) et (G) et il est fixé bout à bout par le système de fixation (I). Le système de fixation est conçu de manière à permettre la tension des extrémités de l'élément allongé et à les lier bout à bout. Une boucle aplatie et fermée est ainsi formée autour des armatures. A la fig. 1b, l'armature flexible de connexion est caractérisée par un élément allongé (H) et par deux systèmes de fixation (I1) et (I2). Un premier collier (D) entoure la section transversale de l'armature (F) et il est fermé par le système de fixation (I1). Un deuxième collier (G) entoure la section transversale de l'armature (G) et il est fermé par le système de fixation (I2). Les systèmes de fixation (I1) et (I2) sont conçus de manière à permettre la tension de l'élément allongé afin de le rendre rectiligne et à permettre de le lier rigidement.
[0008] Deux exemples d'application de l'armature flexible de connexion selon l'invention sont illustrés à la fig. 3 pour lesquels l'élément allongé (H) est un câble métallique. A la fig. 3a, le système de fixation est un serre-cable (J). A la fig. 3b, le système de fixation est constitué d'un tendeur (K) relié à deux boucles d'extrémités (L) et (M) qui prolongent chacune des extrémités du câble.
[0009] Trois exemples d'application de l'armature flexible selon l'invention sont illustrés à la fig. 4 pour lesquels les systèmes de fixation ne sont rigides après le durcissement du béton. La fig. 4a représente une armature flexible de connexion caractérisé par le fait qu'une extrémité de l'élément allongé (H) est terminée par une boucle d'extrémité (L) et l'autre extrémité possède une sur-longueur (M); le système de fixation est obtenu par introduction de la sur-longueur (M) dans la boucle d'extrémité (L), par tension des deux extrémités de l'élément allongé (H) puis par pliage de la sur-longueur (M). Le pliage de la sur-longueur doit solliciter le matériau dans son domaine plastique afin que la déformation soit non réversible. Le système de fixation est rigide lorsque la sur-longueur repliée est bloquée dans sa position pliée par le béton durci. La fig. 4b représente une armature flexible de connexion caractérisée par le fait qu'une extrémité de l'élément allongé (H) est terminée par une boucle d'extrémité (L) et sur l'autre extrémité (N) est fixée une pastille (O) faisant office de pièce d'ancrage. Le système de fixation est obtenue par l'introduction de la pastille dans la boucle puis par tension des deux extrémités et il est rigide une fois que la pastille est ancrée dans le béton durci. La fig. 4c représente une armature flexible de connexion caractérisée par le fait que sur chacune des extrémités de l'élément allongé (H) est fixée une pastille (O1) et (O2) faisant office de pièce d'ancrage ; le système de fixation est obtenue en torsadant chacune des extrémités l'une autour de l'autre. Le système de fixation est rigide une fois que les pastilles sont ancrées dans le béton durci.
[0010] Deux exemples d'application de l'armature flexible de connexion selon l'invention sont illustrés à la fig. 5 pour lesquels l'élément allongé (H) est constitué d'un matériau composite renforcé de fibres. La fig. 5a représente un système de fixation par collage (Q). La fig. 5b représente un élément allongé comportant à une extrémité une pièce (P) ayant un orifice. Le système de fixation est obtenu par introduction de l'autre extrémité de l'élément allongé dans l'orifice. Le système de fixation est tel qu'après tension des extrémités de l'élément allongé il est auto-bloquant et ceci afin que la boucle aplatie ainsi créée ne s'agrandisse pas. Ce système de fixation est comparable a celui utilisé par les brides ou les sangles.
[0011] Quelques remarques concernant l'armature flexible de connexion selon l'invention sont à mentionner:
1. L'élément allongé (H) est flexible et possède donc une faible rigidité flexionnelle lui permettant par tension d'entourer la section transversale des armatures et de les relier de manière presque rectiligne (boucle aplatie selon la fig. 1a ou tronçon rectiligne selon la fig. 1b).
2. Le module d'élasticité de l'élément allongé (H) devrait être comparable à celui de l'acier : Es=210'000 N/mm2 mais il doit au minimum être supérieur à celui du béton : Ec= 30'000 N/mm2.
3. L'analogie du treillis (proposée initialement par Morsch) permet d'appréhender d'une manière approximative le comportement d'une structure en béton et ainsi d'illustrer le comportement de cette armature flexible de connexion. Le treillis selon cette analogie est composé par des membrures supérieures et inférieures, par des bielles comprimées et par des tirants et tous sont connectés à des noeuds. Pour que le comportement structurel selon l'analogie du treillis soit assuré, les noeuds doivent être rigides, ce qui nécessite que les ancrages et spécialement les ancrages des tirants soient effectifs dans la zone du noeud. Plus l'ancrage des tirants est rigide, plus leur sollicitation est grande et de ce fait moins le béton est sollicité à la traction limitant ainsi le risque de fissuration. Dans la pratique, ces tirants sont assurés par des armatures de cisaillement et ils ne sont pas parfaitement ancrés pour plusieurs raisons : tolérance de pliage des étriers laissant un espace libre entre la membrure et l'étrier, excentricité des goujons, glissement des bandes de renforcement etc. A la différence des armatures de cisaillement, l'armature flexible de connexion entoure parfaitement les armatures (constituant les membrures de l'analogie du treillis) puisqu'elles sont disposées autour de ces dernières, qu'elles sont tendues et liées rigidement bout à bout. De ce fait, l'ancrage du tirant constitué avec l'armature flexible de connexion est optimum. Ces armatures flexibles de connexion permettent d'obtenir des structures en béton de meilleure qualité et ayant un meilleur comportement à l'état de service et à la rupture.
4. La bande de renforcement selon le brevet de K. Pilakoutas WO 96/35029 (dénommée bande et illustrée à la fig. 2d) ressemble à l'armature flexible de connexion selon l'exemple d'application donné à la fig. la puisqu'elle entoure les armatures à lier et qu'elle est composée d'un élément flexible (la bande est supposée flexible mais cette particularité n'est pas clairement revendiquée). Par contre, la bande de renforcement ne forme pas une boucle fermée autour des armatures. En effet, cette bande est ancrée autour des armatures (revendication 1), par pliage ou serrage (revendication 12) soit ancrée dans le matériau de base (revendication 15). La bande n'est pas liée bout à bout et ne forme donc pas une boucle fermée. Par contre, l'armature flexible de connexion selon l'invention entoure les armatures par une boucle fermée puisque l'élément allongé est lié bout à bout par un système de fixation. Cette différence géométrique fondamentale résulte en une différence de comportement au niveau des forces. La force de traction sollicitant la bande est transmise à l'armature ou au matériau de base et aucune force ne peut être transmise directement d'une extrémité de la bande à l'autre extrémité. Dans le cas de l'armature flexible de connexion, la force de traction circule le long de la boucle puisque la boucle est fermée. Cette différence de transmission de la force permet également de saisir une différence au niveau de la rigidité de l'ancrage. La force de traction sollicitant la bande doit être transmise à l'armature ou au matériau de base et cette mise en charge s'effectue par glissements successifs de la bande résultant en ce que l'ancrage du tirant (selon l'analogie du treillis) n'est pas parfaite. Dans le cas de l'armature flexible de connexion, comme la force est transmise d'un bout à l'autre de l'élément allongé par l'intermédiaire du système de fixation, il n'y a pas de glissement et l'ancrage du tirant est rigide. Les différences évoquées ci-dessus sont également valables pour les exemples d'applications illustrés à la fig. 4 et pour lesquels le système de fixation n'est rigide qu'après le durcissement du béton. Selon ces exemples d'application, la boucle formée est toujours fermée, caractérisant la différence fondamentale avec les bandes. Pour ces exemples d'application une partie de la force de traction est ancrée dans le béton, mais la plus grande partie de la force de traction est transmise d'une extrémité de l'élément allongé à l'autre. Comme déjà mentionné, la bande elle ne permet aucune transmission directe de force d'une extrémité à l'autre puisqu'elle n'est pas reliée à un quelconque système de fixation. L'ancrage selon les exemples d'application illustrés à la fig. 4 est également nettement plus rigide que celui des bandes, puisque seule une petite partie de la force doit être ancrée dans le béton et pas la totalité de la force comme dans le cas de la bande. La différence peut être caricaturée ainsi : la bande correspond au lacet de soulier ; l'armature flexible de connexion correspond au lacet de soulier attaché.
5. Des fils de fer torsadés d'environ 1 mm de diamètre disposés autour de plusieurs armatures sont couramment utilisés dans la construction de structures en béton. Ces fils de fer sont différents des armatures flexibles de connexion pour deux raisons fondamentales : 1) ces fils de fer lient des armatures qui ne sont pas distantes l'une de l'autre alors que l'armature flexible de connexion est utilisée pour lier des armatures distantes ; 2) ces fils de fer n'ont aucune fonction structurelle après le bétonnage puisqu'ils ne sont pas sollicités alors que les armatures flexibles de connexion ont une fonction de tirant (selon l'analogie du treillis ).
6. Les développements présentés ci-dessus ont étés principalement effectué pour des dalles en béton mais ils sont extensibles à toutes les autres structures en béton. Par exemple, l'armature flexible de connexion peut être utilisée pour renforcer des poutres en entourant toutes les armatures à l'exemple des étriers ; l'armature flexible de connexion peut également être utilisée dans les murs afin de lier les nappes extérieure et intérieure ; l'armature flexible de connexion peut également être utilisée dans les fondations, les coques etc.
L'armature flexible de connexion selon l'invention présente les avantages suivants :
- L'armature flexible de connexion entoure les nappes de manière rigide et forme un tirant parfaitement ancré. Après le bétonnage et le durcissement du béton, la structure résultante est caractérisée par une haute résistance au cisaillement.
- L'armature flexible de connexion permet de lier parfaitement des nappes distantes en les liant à l'aide d'un tirant rigidement ancré. De ce fait, la qualité de la structure en béton ainsi obtenue est plus élevée que normalement permettant d'envisager une réduction de son épaisseur ; ceci est spécialement important pour les dalles.
- L'armature flexible de connexion selon la forme d'exécution présentée à la fig. 1a est caractérisée par une boucle qui est cisaillée en deux sections. La contribution de l'armature flexible de connexion à la résistance au cisaillement correspond à deux fois la section transversale de l'élément allongé.
- La mise en place de l'armature flexible de connexion est rapide, spécialement les exemples d'application présentés aux fig. 4a, b et c, puisque seule une fixation provisoire est assurée lors du ferraillage. L'exemple d'application présenté à la fig. 5b est également caractérisé par une mise en place qui est rapide.
- La mise en place de l'armature flexible de connexion est souple puisque l'élément allongé est flexible, permettant ainsi de contourner certains obstacles (armatures, câbles, canalisations, etc.) et de s'adapter à des changements de sections (sur-épaisseur, évidements, etc.).
- L'armature flexible de connexion est légère, spécialement les exemples d'application présentés à la fig. 5 dont l'élément allongé est en matériau composite renforcé de fibres.
- L'armature flexible de connexion selon les exemples d'application présentés à la fig. 3 permet de renforcer des structures devant supporter de grosses charges.