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PROCEDE DE PRECONTRAINTE PAR CREATION
D'UN CHAMP DE CONTRECONTRAINTE MAINTENU
PAR SOLIDARISATON DE MATERIAUX ADDITIONNELS DESCRIPTION - L'invention porte sur un procédé de fabrication d'éléments de construction (poutres, colonnes, caissons ...) pouvant être utilisés tels quels ou servir de base ä la mise en oeuvre de poutres composites (mixtes, hybrides) ou réfléchies.
De tels éléments peuvent être utilises dans la construction de ponts, de bätiments, de tunnels, de portiques ou de tout autre assemblage ndcessitant des éléments fortement sollicités.
En généra1, les matériaux ä haute limite élastique sont utilisés sous forme de tirants, du fait de problemes de stabilité (flambement, voilement ou interaction de ces deux phénomènes).
En effet, les grands élancements limitent très vite, pour des raisons géométriques, les tensions admissibles dans les parties comprimdes, réduisant ainsi notablement le rendement de materiaux éventuellement par ailleurs très performants.
Dans le cas d'utilisation de matériaux ä haute limite elastique en vue de 1'élaboration de poutres ä âme pleine, par exemple, on est amené, si on desire exploiter au maximum les capacités du matériau, ä äpaissir les âmes pour éviter le voilement et ce, dans des proportions telles que l'on perd en grande partie l'avantage du matériau, étant donné les grandes quantités ä mettre en oeuvre.
De même, pour une poutre triangulée, les montants fortement comprimés verront leur section minimale nécessaire considérablement agrandie pour obvier au flambement.
- L'invention consiste en un procédé de fabrication de
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poutres, éventuellement composées de matériaux differents, dans lequel un ou des éléments de base sont soumis ä une manipulation y creant un état de tension de sens opposé ä celui qu'induira l'utilisation postérieure.
C'est état de tension est alors maintenu au mieux des necessites par l'adjonction d'autres éléments de section suffisante, éventuellement (mais pas nécessairement) précontraints avant l'application, le cas échéant façonnés dans un materiau différent de ceux constituant l'élément de base, et suffisamment rigides si nécessaire.
Si les limites élastiques des éléments d'adjonction sont judicieusement choisies, le procédé permet, lors de la mise en charge de la poutre finie, des variations de contrainte dans l'élément de base telles que, sinon, dans les mêmes conditions, il verrait sa stabilité compromise.
Les manipulations sur le ou les elements de base avant fixation des éléments d'adjonction peuvent consister en tractions, compressions, torsions, flexions ou en des combinaisons de ces actions.
Un des avantages par rapport ä une précontrainte classique, oü l'on ne fait en definitive que précomprimer la partie de l'élément de poutre appelé à travailler en traction lors de l'utilisation finale (et même si cette précompression peut induire des tractions dans d'autres parties, elle provoque de toutes manieres une compression d'ensemble qui peut ne pas être souhaitable) est que le procédé permet également la mise en prétraction de parties destinées à être oomprimées et la création, dans les parties minces, par exemple, ou sujettes ä l'instabilité, d'un champ de tension de sens opposé ä celui qu'entraine la mise en charge lors de l'utilisation.
Il en resulte généralement une économie de matière appreciable.
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Une déformée initiale peut, si necessaire, être donnée ä l'élément de base pour qu'après les différentes manipulations l'élément complet ait la forme souhaitee.
- Un mode de réalisation d'une application du procédé peut être décrit très simplement dans le cas d'une poutre "contrefléchie", c'est-à-dire d'une poutre réfléchie dans le sens opposé ä celui de son utilisation.
Remarque 1 : Les membrures (dans le cas d'une poutre triangulée) ou les semelles (dans le cas d'une poutre ä âme pleine) seront, en principe, dimensionnées uniquement pour assurer la stabilité necessaire lors de l'application du moment de contreflexion. Cependant, dans certains cas, ce minimum sera le minimum géométrique necessaire pour permettre la fixation des éléments d'adjonction.
Phase 1 La poutre minimale définie dans la remarque 1 désignée sous le nom d'élément de base est pluche sur un banc dont une des extrémités est coulissante et l'autre fixe.
La partie supérieure de l'element de base est fixée ä ces extremities au moyen de bielles de hauteur réglab1e.
Des vérins prenant appui sur les extrémités du banc et sur la partie inférieure de l'élément de base mettent celle-ci en compression.
La réaction des vérins met la partie supérieure de l'élément de base en traction, créant dans l'élément un champ de contraintes linéaire symétrique. Si la rigidite transversale de la partie inférieure de l'élément de base n'est pas suffisante pour éviter le voilement ou le flambement, celle-ci peut-être maintenue latéralement
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jusqu'à ce que l'element d'adjonction y soit fixé.
Afin de faciliter la fixation des éléments d'adjonction ä la partie supérieure de l'element de base, les extrémités peuvent être pourvues d'une partie pivotante pouvant tourner autour d'un axe longitudinal de manière ä amener la partie supérieure de l'element de base en
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dessous.
De plus, la partie non pivotante de l'extrémité coulissante peut, par l'intermediaire de cables ou de vérins exercer sur l'element de base une traction ou une compression d'ensemble de manière ä obtenir, dans cet élément un diagramme de tensions predetermine quelconque et adapté le mieux possible aux besoins de l'utilisation.
L'élément de base se trouve alors dans l'état suivant : a) S'il s'agit d'une poutre triangulée - membrure supérieure en traction - membrure inférieure en compression - certains montants en traction et d'autres en compression
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b) s'i1 s'agit d'une poutre ä âme pleine : - traction au dessus - compression en dessous - champ de tensions dans l'âme variant d'une traction ä la partie supérieure ä une compression la
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partie inférieure.
Remarque 2 : Les termes "supérieur" et "inférieur" se rapportent, ici, à l'utilisation ulterieure de la poutre, le côte supérieur étant, par rapport ä la poutre, defini comme le côte opposé ä la direction des charges tranversales que la poutre est destinée ä reprendre.
Phase 2 : La poutre étant maintenue dans l'état précédent, on vient renforcer les membrures ou les semelles par des éléments convenablement dimensionnés et, dans certains cas par exemple, d'une limite élastique supérieure ä celle de l'élément de base.
Ce renfort se fait en rendant les éléments d'adjonction solidaires de l'element de base au moyen d'un procédé adéquat (rivetage, boulonnage, soudure, collage, etc.).
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Ces méthodes de fixation ne font pas partie du procédé objet de la présente requête.
On notera que, dans le cas d'une poutre triangulée par exemple, certans montants tirés, destines ä être comprimes en phase d'utilisation, peuvent, au besoin, être également renforces au cours de la phase 2, en leur appliquant en fait le même principe que celui du procédé décrit dans la presente requête.
Phase 3 : La poutre complète renforcée est liberee du moment de contreflexion qui lui a été appliqué en phase 1.
Au cours de cette phase, on peut considérer qu'il est appliqué à la poutre complète, dont l'inertie (et la section) est plus grande que celle de l'élément de base, un moment de flexion et éventuellement un effort normal opposé ceux appliqués en phase 1.
L'étant final de la poutre complete est alors : - faibles tensions dans les éléments d'adjonction - légère diminution (en valeur absolue) du champ de tension dans l'élément de base par les operations de la phase 1.
11 est important de noter que les tensions dans l'élément de base et les éléments de renfort immédiatement adjacents sont de signes contraires.
(Par exemple, grande traction dans la partie supérieure de l'élément de base et faible compression dans l'element d'adjonction appliqué ä cet endroit).
Pendant l'utilisation, alors que les éléments d'adjonction partent d'une faible tension pour arriver ä ä leur tension limite, l'élément de bases voit ses contraintes s'inverser avant d'arriver à leur limite admissible.
Si les limites élastiques, le dimensionnement et le moment de contreflexion de la phase 1 sont convenablement choisis, on peut arriver à pratiquement doubler la plage admissible de variation de tensions de
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l'élément de base.
- L'application industrielle du procédé est immédiate en ce qu'il permet la fabrication d'éléments de construction ou les materiaux de moindre résistance voient leur capacité considérablement augmentée lors de l'utilisation et en ce qu'il autorise l'emploi systématique de matériaux ä grande resistance (acier ä très haute limite dlastique ou matériaux synthétiques par exemple) dont l'usage est pour l'instant relativement limité à des cas très particuliers (câbles, tirants).
- Le procedé peut s'appliquer avantageusement ä la fabrication de poutres réfléchies.
En se servant de poutres contrefléchies assemblées suivant la présente description, il est possible d'augmenter notablemeent le moment de réflexion pour un même poids de l'élément réfléchi.
- Les calculs de dimensionnement des éléments de base, du champ de contre-contrainte et des éléments additionnels, permettant d'optimaliser le rendement, ne font pas partie de la presente requête.
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PRE-STRESS PROCESS BY CREATION
OF A MAINTAINED COUNTER-CONSTRAINT FIELD
BY SOLIDARIZATION OF ADDITIONAL MATERIALS DESCRIPTION - The invention relates to a method of manufacturing construction elements (beams, columns, caissons ...) which can be used as such or serve as a basis for the implementation of composite beams (mixed , hybrid) or thoughtful.
Such elements can be used in the construction of bridges, buildings, tunnels, gantries or any other assembly requiring highly stressed elements.
In general, materials with a high elastic limit are used in the form of tie rods, due to stability problems (buckling, buckling or interaction of these two phenomena).
Indeed, the large slenderness very quickly limit, for geometrical reasons, the admissible tensions in the compressed parts, thus notably reducing the yield of materials possibly also very efficient.
In the case of using materials with a high elastic limit for the development of beams with a solid core, for example, one is led, if one wishes to exploit to the maximum the capacities of the material, to thicken the cores to avoid buckling and this, in proportions such that the advantage of the material is largely lost, given the large quantities to be used.
Likewise, for a triangulated beam, the strongly compressed uprights will have their minimum necessary section considerably enlarged to obviate buckling.
- The invention consists of a method of manufacturing
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beams, possibly made of different materials, in which one or more basic elements are subjected to a manipulation creating a state of tension of opposite direction to that which will be induced by the later use.
This state of tension is then maintained to the best of necessities by the addition of other elements of sufficient section, possibly (but not necessarily) prestressed before application, if necessary shaped in a material different from those constituting the basic element, and sufficiently rigid if necessary.
If the elastic limits of the adjoining elements are judiciously chosen, the method allows, when loading the finished beam, stress variations in the basic element such that, otherwise, under the same conditions, it would see its stability compromised.
The manipulations on the basic element or elements before fixing of the add-on elements can consist of pull-ups, compressions, twists, bends or combinations of these actions.
One of the advantages compared to a conventional prestressing, where one does in the end only precompress the part of the beam element called to work in traction during the final use (and even if this precompression can induce traction in other parts, it causes in all ways an overall compression which may not be desirable) is that the process also allows the pre-shrinking of parts intended to be oompresses and the creation, in thin parts, for example, or subject to instability, a voltage field opposite to that caused by charging during use.
This generally results in appreciable savings in material.
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An initial deformation can, if necessary, be given to the basic element so that after the various manipulations the complete element has the desired shape.
- An embodiment of an application of the method can be described very simply in the case of a "counter-bent" beam, that is to say a beam reflected in the direction opposite to that of its use.
Note 1: The chords (in the case of a triangulated beam) or the flanges (in the case of a solid core beam) will, in principle, be sized only to provide the necessary stability when applying the moment of counterflection. However, in certain cases, this minimum will be the geometric minimum necessary to allow the attachment of the add-on elements.
Phase 1 The minimum beam defined in remark 1 designated under the name of basic element is pluche on a bench of which one of the ends is sliding and the other fixed.
The upper part of the base element is fixed at these ends by means of rods of adjustable height.
Cylinders bearing on the ends of the bench and on the lower part of the basic element put the latter in compression.
The reaction of the jacks puts the upper part of the basic element in tension, creating in the element a symmetrical linear stress field. If the transverse stiffness of the lower part of the base element is not sufficient to avoid buckling or buckling, this can be maintained laterally
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until the addition element is attached to it.
In order to facilitate the attachment of the add-on elements to the upper part of the basic element, the ends may be provided with a pivoting part which can rotate about a longitudinal axis so as to bring the upper part of the element basic in
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below.
In addition, the non-pivoting part of the sliding end can, by means of cables or jacks, exert on the basic element a traction or an overall compression so as to obtain, in this element, a tension diagram. any predetermine and best suited to the needs of the use.
The basic element is then in the following state: a) If it is a triangulated beam - upper chord in tension - lower chord in compression - some uprights in tension and others in compression
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b) if it is a beam with a solid core: - traction above - compression below - tension field in the core varying from traction at the top to compression at
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lower part.
Note 2: The terms "upper" and "lower" refer, here, to the later use of the beam, the upper dimension being, with respect to the beam, defined as the side opposite to the direction of the transverse loads that the beam is intended to resume.
Phase 2: The beam being maintained in the previous state, we reinforce the members or the flanges by suitably sized elements and, in certain cases for example, of an elastic limit higher than that of the basic element.
This reinforcement is done by making the adjoining elements integral with the base element by means of an adequate process (riveting, bolting, welding, bonding, etc.).
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These fixing methods are not part of the process which is the subject of this request.
It will be noted that, in the case of a triangulated beam for example, certain uprights drawn, intended to be compressed in the use phase, can, if necessary, also be reinforced during phase 2, by applying in fact the same principle as that of the process described in the present request.
Phase 3: The reinforced full beam is released from the moment of deflection which was applied to it in phase 1.
During this phase, we can consider that it is applied to the complete beam, whose inertia (and section) is greater than that of the basic element, a bending moment and possibly an opposite normal force. those applied in phase 1.
The final state of the complete beam is then: - low tensions in the elements of addition - slight reduction (in absolute value) of the tension field in the basic element by the operations of phase 1.
It is important to note that the tensions in the base element and the immediately adjacent reinforcement elements are of opposite signs.
(For example, high traction in the upper part of the base element and low compression in the add-on element applied there).
During use, while the add-on elements start from a low tension to reach their limit tension, the basic element sees its stresses reversed before reaching their admissible limit.
If the elastic limits, the dimensioning and the bending moment of phase 1 are suitably chosen, it is possible to practically double the admissible range of variation of voltages of
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the basic element.
- The industrial application of the process is immediate in that it allows the manufacture of construction elements or materials of lower resistance see their capacity considerably increased during use and in that it allows the systematic use of materials with great resistance (steel with very high elastic limit or synthetic materials for example) whose use is for the moment relatively limited to very specific cases (cables, tie rods).
- The process can advantageously be applied to the manufacture of reflected beams.
By using counter-bent beams assembled according to the present description, it is possible to notably increase the moment of reflection for the same weight of the reflected element.
- The dimensioning calculations of the basic elements, the counter-stress field and additional elements, making it possible to optimize the yield, are not part of the present request.