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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.
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PROCESS FOR MAKING REINFORCED CONCRETE
It is known that normal reinforced concrete has only a very low bending and tensile strength and low elasticity. In addition, the consumption of iron is relatively large. An attempt has been made to improve the resistance properties of reinforced concrete by maintaining the iron reinforcement under a preliminary tension until the concrete sets, using, according to recent proposals, straight iron bars held under tension. 40 to 60 kg / mm2 beforehand. Although this pre-tension of the iron reinforcements produces some pre-compressive stress in the concrete, this does not. having not significantly changed the known properties of reinforced concrete. It does not significantly reduce iron intake.
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In addition, with these bars subjected to a preliminary tension and having to transmit, to the concrete, relatively large tensile forces, the assembly between the iron and the concrete is insufficient. This lack of assembly results from the fact that the surface of the iron bars is relatively small, and moreover from that these bars, when subjected to dynamic forces, emerge inside the concrete as a result of their clean vibrations. Because of this weak adhesion of the iron bars in the concrete, it is necessary to secure these bars in the concrete by special anchors, which are mainly end anchors.
This is why concrete parts comprising a reinforcement subjected to a preliminary tension can never be made with a determined length, because of these anchors. A restriction of the same kind moreover already results from the fact that the iron bars available for the reinforcement have only a limited length. To make beams or similar pieces of relatively large length, it is necessary to weld or butt the iron bars together, to obtain a reinforcement of the desired length.
Even using high-quality and high-strength steels for the reinforcement, as stated above, however, considerable pre-tensions in the concrete cannot be obtained, as will be shown later, because the settling elasticity of concrete, as well as shrinkage and crawling movements produce a large drop in tension in the reinforcing bars. As it is only possible to obtain, in concrete, prior compressive stresses of 150 kg / om2 at most for Eb = 140,000 kg / om2, the compressive strength of the concrete is only used very badly, a resistance which would allow a much greater prior tension.
The method which is the subject of the invention differs from the preparation method mentioned above in that thin very improved steel wires are used, for example having a diameter of 0.5 to 2 mm. and a very high resistance to arra-
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load, up to approximately 30,000 kg / cm2, these wires being maintained, until the concrete sets, at a very high prior tension corresponding roughly to the subsequent tensile force that they will have to bear .
These improved steel wires, rich in carbon, which, for this diameter, are obtained by drawing, as is known, have, in addition to their resistance to tearing, which is extremely high, great hardness and low elongation at break, only 2 to 5%. In this case, it is a question of steel wires such as those used to make, for example, piano strings and metal cables, but which, in the present case, can naturally be used in the raw state. , that is, unpolished. These steel wires have a pullout strength of about 12,000 to 30,000 kg / cm2. They are very elastic and have a very high limit on elongation, which reaches up to about 90% of the pullout strength.
If we count on a safety coefficient equal to 2, we can make these steel wires withstand a permanent tension of about 5,000 to 14,000 kg / cm2.
The process of the invention makes it possible to make reinforced concrete which can not only be regarded as a significantly improved reinforced concrete, but also constitutes a new building material having quite different properties.
The new process results in a building material that is poor in iron and contains only about 10% of the iron reinforcement required for normal reinforced concrete. The use of steel wires having a very high resistance to tearing makes it possible to give the concrete a preliminary compressive tension of up to approximately 800 kg / cm2, and at the same time corresponding to the tensile force that can be tolerated for concrete. We can therefore say that this reinforced concrete has a very high tensile and bending strength. As the steel wires used can be fabricated in any length, this makes it possible to make extremely long concrete parts, and even to
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almost unlimited length, without the need to weld the internal fittings constituting the frame.
It is possible, by the new process, to make very long pieces of reinforced concrete, for example beams, and then steel them into individual pieces of any length, for example individual beams. This silk cutting does not alter or modify in any way the strength properties of the individual parts.
An essential advantage of the new method, however, is that it is possible to do without any anchoring for the reinforcement, that is to say that the latter can be constituted by smooth drawn threads.
In order to perfect the new process, great difficulties had to be overcome. The use of thin wires made of highly improved steel was not at all appropriate for the specialist; on the contrary, it was believed rather that it was practically impossible to use, for making reinforced concrete, such wires subjected to a high preliminary tension.
Up to now, only high alloy steels with a strength of up to 120 kg / mm2 have been known. It was well known that very improved steel wires have a greater resistance to tearing, but it was believed that this great resistance produced by the bonus was only temporary and that these wires could not withstand a permanent stress, because 'they get tired and lose their resistance, and also because they presented a certain continual lengthening. However, careful testing has shown that these highly improved steel wires have such permanent strength and that it is only under a load of more than 80% of the pull-out strength that the strength decreases and that there is some elongation.
The invention is therefore based on this discovery that the highly improved steel wires can withstand a great deal of tension.
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permanent and therefore suitable, in terms of their strength, for making reinforced concrete subjected to pretension.
However, the invention also assumes that, unlike iron or steel bars, the thin steel wires subjected to a high preliminary tension do not require any particular anchoring.
The specialist could not foresee that thin and smooth wires, strongly tensioned, did not need any anchoring in the concrete, since a particular anchoring was necessary for the reinforcing bars subjected to a strong preliminary tension. So it was to be expected that the thin, stretched and smooth wires would slide into the concrete after setting it and after removing the tension from the ends of these wires, so that the tension of the wires could not be transmitted. to concrete because of the poor adhesion of the wires. Careful tests have shown, however, that the reinforcing wires have precisely, contrary to this hypothesis, a very high adhesion, while the bars, on the other hand, have only an adhesion so small that it is not sufficient to transmit tension efforts.
The compressive stresses which can be obtained in concrete by the known methods and by the new method will be determined below by calculation and by way of comparison. These prior compressive stresses in the concrete are equal to the subsequent tensile strength of the concrete.
Is! #evx the pre-tension of the steel reinforcement before transmission to the concrete, #ev the permanent tension acting in the steel reinforcement when the tension has decreased,
Vx the voltage drop, which occurs a) as a result of elastic settling #b of the concrete, b) as a result of shortening # 1 of the concrete due to shrinkage, and c) as a result of shortening # 2 of the concrete due to
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crawling movements.
#bv the prior compressive tension produced in the concrete, Ee, Eb the elasticity value of iron and concrete.
The voltage drop Vx in steel reinforcement is Vx = #evx - #ev.
The elongation #e of the steel, which corresponds to the drop of
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voltage vxs Vs - clevx - ceV x es = -î; - - - ## - must be equal to the settlement #b of the concrete.
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Ci C ¯ -s- #) from where we have b Cibv - O'evx - O'ev -Eb 'Ee Ee By introducing the value n = ---- we have: Eb n. O'bV = o'vx "aev 'This equation gives the correlation between the necessary preliminary tension #evx and the preliminary compressive tension in concrete #bv. We can see that it is independent of the degree of reinforcement.
If one knows the values of retreat of crawling movements and elasticity for the concrete, one can determine, independently of the section of the concrete, the maximum prior compressive stress in the concrete #bv. We must then introduce into the equation the value of the draw limit #es for #evx, and the value #ev for the tension which acts permanently in the steel.
The value #es - #ev then represents the value of the voltage decrease.
The equation giving the maximum compressive stress in concrete is then!
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The first term of the right hand side of the equation gives the value of the prior compressive stress in the concrete without taking into account shrinkage or crawling movements. The
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second term indicates the amount of withdrawal and rambling movements.
If we take, for the reinforcement, bars of ordinary structural steel having a draw limit of; :: 2.400 kg / cm2, a tolerated load of #ev = 1.200 kg / cm2 and if we a for concrete Eb = 140,000 kg / cm2, a shrinkage il = 0.0006 cm / cm and for crawling movements # 2 = 0, the maximum prior compressive tension in the concrete for the maximum prior tension #es in the frame will be: #bv max = 10 kg / cm2.
If, for the same concrete, high-quality structural steel with a draw limit of des = 3,600 kg / cm2 and #ev = 1 <800 kg / cm2 is used, the maximum preliminary compressive stress in concrete will be #bv max = 50 kg / cm2.
For steel rebars with maximum strength (nickel-chromed steel) and a pull-out strength of 11,000 to 12,000 kg / cm2, as well as a draw limit #es = 8,000 kg / cm2 and #ev 4.000 kg / cm2, we will have for the same concrete and taking into account a crawling movement $ 2 = 0.0003 cm / cm in the concrete: #bv max = 153 kg / cm2.
It will be emphasized on this point that this maximum prior compressive stress in the concrete cannot be increased, for example, by increasing the internal linings constituting the reinforcement or by reducing the cross section of the concrete.
By way of comparison with the maximum prior compressive stress determined above for concrete, the similar maximum tension which is obtained for example with a steel wire reinforcement according to the invention will now be calculated, for # es = 24,000 kg / cm2 and #ev = 12,000 kg / cm2, when these wires subjected to a preliminary tension are embedded in concrete having a very high resistance to compression and for which the shrinkage is # 1 = 0.0004 cm / cm and the crawling movement S 2 0.0004 cm / cm.
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For these values the greatest prior compressive stress in the concrete is #bv max = 688 kg / cm2.
For a very high quality concrete for which Ee is a little greater than 140,000, it is therefore possible to achieve permanent prior compressive stresses of up to approximately 800 kg / cm2.
It will be shown below that the invention makes it possible to make reinforced concrete, the reinforcement of which is constituted by steel wires which can also be embedded in the concrete without any anchoring.
The fact that the strongly tensioned wire transmits its tension to the concrete is explained, on the one hand, by the very large surface area of these numerous and relatively thin wires, unlike the use of bars. In addition, there occurs at the ends of the stretched wires, when they are cut, a transverse expansion which increases the diameter of the wire, which has the consequence that the steel strands are pressed onto the concrete. The friction forces produced by these compressive forces between the wire and the concrete prevent the wires from going inside, as it results from the following calculation:
Is! do the diameter of the wire previously stretched, d1 the increased diameter of the wire after the decrease in tension. mb, me Poisson's ratios for concrete and steel.
The increase in the diameter of the wire, from do to dl, causes compressive tension on the concrete:
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The friction resistance R1 for 1 cm of wire length is: Rl = f. #ro. U, f being the coefficient of friction between steel and concrete and U designating the periphery of the wire.
As to the frictional resistance for the length
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of adhesion #, we get it as follows:
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The tensile force acting in the wire inside the concrete is:
Z = F. #ev.
If R is greater than Z the wires can no longer be attracted inside. The adhesion length is therefore calculated
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as follows: J 2. F. 1:. JIlb + 1. (Ee. J! 1e - o'ev>. Dev U f mb Eb 2'O'evx - O "'ev If we take for example f = 0.25; mb = 6, me = 3;
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Eb = 3000pO; E = 21004000; <y = 160,000 kgem2; #ev = 12,000 kg / cm2, we have: # = 33. d and, with a safety coefficient equal to 3:
L = 100 .d.
The bond lengths; 1and L are therefore as follows for: d = 1 mm, # = 3.3 cm, L = 10 cm d = 3 mm,, = 10, 0 cm, L = 33 cm d = 5 mm , # = the, 6 cm, L = 50 cm d = 10 mm, = 33.0 cm, L = 100 cm d = 20 mm, = 66.0 cm, L = 200 cm
This comparative table shows that the end anchors can be omitted when the thin wires used according to the invention have a diameter of 0.5 to 5 mm at most, but not for wires and bars of more than 6 mm in diameter. or thick, because the adhesion length then becomes too great.
For the application of the process according to the invention it is necessary that the concrete has a very high compressive strength.
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from 400 to 1,200 kg / cm2, this concrete being obtained by means of fine-grained fillers and special cements of high quality and by means of shaking, in particular with a high frequency of 50 to 160 Hz.
By counting on the above values one obtains for example a maximum compressive tension # roo 615 kg / cm between the wire and the concrete at the free end of the wires, this tension decreasing to a certain value towards the inside and being only #ro = 123 kg / cm2 at the end of the grip length; [. These compressive stresses in concrete are independent of the wire diameter and they are equal for all wire diameters.
As for the preliminary tension given to the reinforcing wires used according to the invention, it is obtained by any means, for example using winches, the wires being able to be tensioned individually or in groups, for example united in a cable. , depending on the intended application. The yarns are given a high pretension, large enough to produce an elastic elongation in the yarns of 3 to 10 mm. per meter.
When using thin steel wires the bond strength is very high and it is not affected either by own vibrations, as in the case of bars, because the mass of the wires is too small. As the bond length necessary to transmit the pretension is very small in the case of wires, relatively large concrete bodies, such as beams or plates, obtained by the new process, can be directly cut off with a saw and cut into smaller or shorter pieces. As the concrete obtained by the new process is crossed by many thin wires, the plastic deformation of the concrete at the moment of the transmission of the tension is reduced to a minimum, and. an extremely homogeneous building material is obtained which behaves more or less like iron.
The very low elongation at break of 2 to 5% mentioned above for steel wires results in
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concrete reinforced with these wires remains elastic almost to breakage, so that we can speak of a fully elastic concrete that can work, without the formation of cracks, up to 1 1/2 times the normal tolerated load. Unlike known reinforced concrete, the rupture does not take place suddenly; on the contrary, when the concrete works in bending, first there is a large visible sag, which is about 10 times greater than in the case of ordinary reinforced concrete, after which cracks are finally formed in the concrete as well.
However, these cracks close as soon as the load decreases and returns to its original value, and the deflection disappears quickly and elastically. The reinforced concrete obtained by the new process therefore ensures great safety, because it can be made to work without inconvenience almost up to the breaking load.
As tests have shown, the reinforced concrete obtained by the new process can directly withstand large permanent and variable loads (vibration work), unlike ordinary reinforced concrete. It is also durable against dynamic loads and can be used for applications where ordinary reinforced concrete could not be used until now. The new process can be applied to all concrete constructions. The new process makes it possible to make high-rise constructions of a new kind, as well as halls and bridges with large spans in elastic concrete, which was impossible until now.
Elastic concrete is a new machining material that plays a special role in the concrete structures industry. It can be used to make beams of any shape and length that can replace iron beams for high constructions. It can also be used to make plates of all kinds, as well as entirely new objects, which it was not possible to make out of concrete until now. Water pipes and pressure tanks for internal pressures can be made with this concrete.
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highest temperatures up to 200 atm. about. These pipes and tanks are so elastic that cracks can no longer form in the concrete.
We can also make railway sleepers of a very long duration, longer than that of iron sleepers.