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" Perfectionnements apportés aux éléments de construction en béton armé et aux procédés servant à lerfebrication."
L a présente invention est relative à des éléments de construction en béton armé et dans les- quels les armatures sont soumises à une précontrainte, o'est-à-dire tendues avant que la charge soit appli- quée, ces armatures étant constituées par un ou plu- sieurs fils' en acier à haute résistance et la pré- contreinte initiale moyenne étant supérieure à la limite d'élasticité de l'acier doux.
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Quand la précontrainte est exercée avant la prise du béton et quand on interrompt l'effort'de tension agissant .sur les armatures, le béton subit un effet de compression mais la précontrainte dimi- nue à cause de le déformation élastique immédiate et du retrait du béton, cette réduction de la tension de l'armature étant encore augmentée par le retrait progressif ultérieur et le gonflement du. béton. La somme de ces réductions de tension correspond à une sollioitétion qui n'est pas de beaucoup inférieure et même supérieure à la limite d'élasticité de 1' acier doux. Dans le ces où l'effetde la contrainte est transmis au béton après sa prise et son durois- sement (post-contrainte), les pertes de le précon- trainte initiale sont réduites à celles résultant du retrait graduel et du gonflement du béton.
Même dans ce dernier cas, pour lequel le durcissement du béton a lieu avant que le mise sous tension cesse d' agir, les pertes totales -de la précontrainte peuvent correspondre à une valeur qui n'est pas de beaucoup inférieure à la limite d'élasticité de l'acier doux.
La p réoontra inte initiale doit donc être cons id éra b- lement plus grande que le limite d'élasticité de l'acier doux, si on veut que son effet puisse se ma- nifester efficacement dans l'élémeht de construction obtenu quand celui-ci est sous charge.
Si l'effort de traction a une valeur telle, quand l'élément est en fonction et même après que toutes les pertes de la précontrainte se sont pro- duites, que le béton continue à subir des sollicita- tions permanentes de compression, les sollicitations par traction du béton étant totalement exclues, on 'peut être certain que des crevasses ou fentes ne
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peuvent pas se produire et que le produit obtenu se comporte d'une manière analogue à celle d'un élément constitué en un matériau homogène.
Pour ohtenir une telle répartition des sollicitétions, avec exclusion de toute tension dans le béton, on doit faire inter- venir un effort de traction qui est égale, ou supé- rieure à une valeur qui peut être déterminée exacte- ment comme étant la limite d'une répartition reoti- ligne des sollicitations, avec une sollicitation nulle à la fibre extrême de la zone de traotion, quand l'élément est mis sous charge. Une telle mise sous tension est désignée ci-après comme étant une "pré- contrainte tot ale".
Dans les brevets anglais N 338 864 et N
338 934 il a été proposé de faire intervenir la pré- contrainte totale en ayant recours à des armatures en acier de haute tension que l'on soumet à une ten- sion initiale notablement plus grande que la limite d'élasticité de l'acier ordinairement utilisé pour du béton armé, de sorte que le béton, après son re- trait total par suite de sa prise et de son durcisse- ment, continue à subir des sollicitations permanentes par compression.
Il en résulte qu'au cours de l'usage on obtient la production de forces qui agissent dans , une direction opposée à celle suivent laquelle l'élé- ment est soumis aux efforts les plus dangereux, en tenant compte,, des différentes réductions de le trac- tion qui peuvent se produire pour l'armature et qui sont dues à l'élasticité, au retrait et au gonflement du béton. Ces brevets antérieurs ont pour objet un matériau homogène ayant des propriétés entièrement nouvelles, importantes, et surprenantes que présentent les éléments, articles ou objets constitués de cette
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manière par suite de la précontrainte de leurs arma- tures, ce qui permet de supprimer la formation de crevasses ou fentes.
Pour les éléments, obtenus selon ces bre- vets antérieurs, il a été nécessaire de faire agir sur les armatures tendues une préoontrainte très grande pour obtenir cet effet de précontrainte totale.
Les plus grandes sollicitations par compression se produisent dans l'élément non pas quand il subit la charge, mais quand la précontrainte est exercée sur le béton, ce qui implique l'existence d'un grand ef- fort avant que l'effet de cette précontrainte soit transmis au béton.
La présente invention a pour objet un élé- ment en béton armé, destiné plus spécialement à être soumis à une flexion et dont les armatures, travail- lent par traction, sont constituées par des barres, des tiges, des fils ou des câbles dont la limite d' élasticité est supérieure µbelle de l'acier doux, ou une combinaison de ces pièces qui peuvent avoir des propriétés de résistance égales ou différentes, les- dites armatures étant soumises à des précontraintes avant ou après le durcissement du béton ou en partie avant et en partie après ce durcissement,
les pré- contraintes initiales des diverses pièces étant éga- les ou différentes entre-elles mais leur valeur ini- tiale moyenne étant plus grande que la limite d'é- lastioité de l'acier doux alors que l'effort total pour obtenir ces précontraintes initiales des arma- turesaune valeur telle que l'on obtienne, sous char- ge et par suite de la contre-flexion de l'élément et/ou de le pré-compression du béton obtenue par la
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précontrainte de ses armatures, une sollicitation de la section transversale, dans les conditions les plus défavorables, qui corresponde à une répartition reotiligne dessollicitations dans un matériau homo- gène, ce qui e pour effet de produire une sollicita- tion par traction du béton qui est supérieure à le résistance à la traction de celui-ci,
en tenant comp- te despertes maxima possiblespour lesditesprécon- traintes.
Pour définir l'invention et pour la dis- tinguer de l'effet obtenu par une précontrainte to- tale, dont question plus haut, il est suffisant que la plus grande sollicitation résultante du béton, à l'endroit de la fibre limitant la zone de traction, soit une sollicitation par traction ce qui est nette- ment différent des sollicitations permanentes par compression qui se produisent dans la section à l' exclusion de toute sollicitation par traction. On peut obtenir, néanmoins, une homogénéité même si des sollicitations par traction se produisent dans la section du moment qu'elles sont notablement moindres que la résistance à la traction du béton.
Par consé- quent, pour la présente invention la plus grande sol- licitation. la fibre soumise à la traction est dé- finie comme étant "supérieure à la résistance à la traction" ce qui orée une nette distinction entre la "précontrainte totale", pour laquelle on peut garan- tir une absence totale de crevasses ou de fentes, et la "précontrainte partielle" pour laquelle une ab- sence complète de crevasses et une homogénéité to- tale ne peuvent pas être garanties.
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La sollicitation, qui se produit, aveo une répartition rectiligne des sollicitations et suivant un diagramme triangulaire; au moment du fendillement est dénommé '''résistance à la traction par flexion" du béton ou encore "module de rupture" et est seulement une valeur arbitraire qui ne peut être mesurée. Mais en pratique la distribution des sollicitations dans la zone de traction d'une section de béton armé, au moment du fendillement, correspond à la rupture d'une section de béton non-armé et peut être représentée par une courbe où une droite par suite de la plasti- cité du matériau, la plus grande sollicitation étant égale à la résistance à la treotion du béton.
Le mo- dule de rupture varie fortement pour des dimensions et des plasticités différentes et peut être considéré comme étant de 1,5 à 2 fois plus grand que la résis- tance à la rupture comme on l'aconstaté par un grand nombre d'essais.
Si l'on considère le facteur de sécurité oontre le fendillement par lequel on veut garantir une absenoe complète de crevasses, on doit tenir oom- pte de.l'effet des mises sous charge et des décharges répétées. On a constatépar plusieurs essais que le fendillement d'un élément en béton armé peut seule- ment être évité si la charge utile est moindre que la moitié de la charge de fendillement. Comme le poids mort des éléments en béton armé est fortement réduit par la précontrainte, l'effet de la suroharge imposée est relativement plus grand que dans le cas des élé- mehts ordinaires.
On doit donc adopter un facteur de sécurité contre le fendillement, au moins égal à 2 par rapport à la charge totale, afin que la sollici- tation par traction du béton, suivent une répartition
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rectiligne et triangulaire, soit eu moins, égale à le moitié du "module de rupture" qui correspond de- puis les 3/4 jusqu'à le valeur égale de la "résistan- ce à la traotion" du béton en admettant que la rela- tion suivent laquelle le "module' de rupture" est 1,5 à 2 fois plus grande que la "résistance à la traction", dont question plus haut, existe.
Si la sollicitation par traction du béton, dans un diagramme de réparti- tion traingelaire à cotés reotilignes, est donc,plus grande que la "résistance à le traction" du béton, on ne peut pas garantir une absenoe complète des cre- vasses ou fentes,
La forcede traction, exercée sur l'arma- ture conformément à la présente invention, est notab- lement pmus petite que celle intervenant pour les é- léments à précontrainte totale puisque la présente invention a pour but non pas d'obtenir un matériau hohogène et de garantir toute absence de crevasses, mais bien de permettre l'utilisation d'une armature en un acier à haute résistance que l'on soumet à une précontrainte partielle,
ce qhi permet de faire des économies en acier et d'obtenir une répartition des sollicitations sous charge qui est analogue à celle qui se produit dans un élément ordinaire en béton ar- mé avec une armature en acier doux et non-tendu et qui est calculée de la manière ordinaire, c'est-à- dire sans aucune garantie pour l'absence de crevas- ses mais en évitent le formation de; fentes impor- tantes.
L'utilisation, comme armature, d'un acier à haute résistance, dans le cas où sa limite d'élas- ticitéest une et demi fois plus grande que celle de l'acier doux, a jusqu'ici été considérée comme étant
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seulement possible sans devoir augmenter le facteur de sécurité contre le rupture, si cette armature a subi une précontrainte totale pour la raison que des fentes ou crevasses importantes risquent de se pro- duire par suite de l'allongement considérable de 1' acier sous l'effet de sollicitations élevées. Des essais ont montré que cette limitétion n'est pas essentielle et qu'une précontrainte partielle de 1' armature permet d'éviter la formation de Fentes ou crevasses importantes.
Il n'est donc pas nécessaire de tendre l'armature au point d'obtenir une précon- trainte totale, ce qui permet de réduire les frais à envisager pour la tension des armatures. le raison pour laquelle des fentes ou cre- vasses d'une importance dangereuse sont évitées dans les éléments, obtenus selon l'invention, et soumis aux charges envisagées, est que si toute l'armature est précontrainte ou si une partie seulement de cette armature est post-contrainte, la liaison,existant entre le béton et la totalité ou une pertie de l'ar- mature, est seulement détruite au voisinage immé- diat de l'endroit où des fentes ou crevasses se pro- duisent de sorte que l'allongement de l'armature est limité à la partie très réduite de celle-ci qui s' étend à travers des fentes ou crevasses de sorte que leur importance est limitée.
Pour des éléments, dans lesquels la totalité de l'armature est post-vontrain- te, il n'existe aucune liaison entre le béton et l' armature de sorte qu'un allongement relativement plus grand peut se produire et qu'une partie de l'armature est mise à nu de sorte que oelle-ci risque de se
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rouiller. Toutefois, ces crevasses n'affectent pas la sécurité de l'élément si des préoautions sont prises pour éviter cette rouille comme décrit plus explicitement ci-après.
Dans un brevet, déposé ce jour aux mêmes noms et sous le titre "Perfectionnements apportés aux éléments do construction et à leurs procédés de fabrication" on a proposé une autre solution pour la "précontrainte partielle",oette solution étant basée sur des considérations similaireset sur une répar- tition analogue des sollicitations sous charge. Cet autre brevet est relatif à des éléments dans lesquels une partie de 1armature, soumise à la traction, est précontrainte ou post-contrainte alors qu'une autre partie reste à l'état non-tendu.
Par contre, selon le présente invention, le totélité de l'armature, soumise à le traction, subit une contrainte en la soumettant ou bien à une précontrainte, ou bien à une post-contrainte, ou bien encore à une précon- trainte partielle. suivie d'une post-contrainte par- tielle, la sollicitation initiale par traction de l'armature étant le même pour chaque pièce d'armatu- re ou pouvant être différente pour les diverses piè- ces de celle-ci. De toute manière, la sollicitation moyenne par traction, c'est-àddire l'effort de trac- tion total divisé par la section totale de l'arma- ture, est plus grande que la limite d'élasticité de l'acier doux.
Pour des éléments, obtenus selon l'inven- tion, la dépense en acier peut être notablement ré- duite comparativement à celle à envisager pour les éléments dans lesquels l'armature n'est pas tendue.
Par exemple, le poids de l'armature, soumise à la traction, peut être réduite, sans dangerjusqu'à 1/5
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da poids total de l'acier doux sens'diminuer le fac- teur de sécurité contre le rupture et sens que des crevasses ou fentes puissent se produire dans le bé- ton qui sont plus larges que celles obtenues normale- mont avec du béton aimé avec une armature non-tendue.
Comparativement aux éléments en béton armé et sens contrainte, on obtient cet autre avantage que les éléments, selon l'invention, se comportent qomme s'ils étaient constitués en un matériau homogène quand ils ne sont paschargés ou seulement légèrement ohargés.
Ceci signifie que les fentes, qui peuvent se pro- duire sous pleine charge, se ferment complètement quand la charge imposée est fortement réduite ou sup- primée. On réduit ainsi les risques que l'armature se rouille, ce denger pouvant exister quand la tota- lité de l'armature est post-oontrainte et quand des crevasses, plus larges que lesfentes normales, peu- vent se produire. A cause de la contre-flexion de l'élément et/ou de le pré-compression du béton, obte- nues par l'effort de tension, la déformation perma- nente des éléments, après que lescrevasses se sont produites, est. fortement diminuée comparativement aux éléments ordinaires en béton armé.
L'effort de tension peut être exercé sur les pièces de l'armature per des moyens connus quel-
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conques. Dens le oae d'une préoont'1'olnttl. la oomproa- sion, qui en résulte, est transmise au béton, de préférence par liaison. Dans le ces de l'élément en béton armé, moulé à l'avance, la sollicitation de l'armature par traction est exercée sur celle-ci avant le durcissement du-béton et plusieurs éléments peuvent être fabriqués en étant alignés coexielement ou placés les uns à côté ou au-dessus des autres,
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une combinaison de deux ou de trois méthodes étant possible.
Dans ce ces, les fils, tiges, câbles ou autres pièces d'armature, qui sont à tendre, sont re- tenus à une extrémité et l'effort de traction est exercé sur leur autre extrémité, l'interruption de cet effort étant pbtenue en coupent les pièces d'ar- meture ou en diminuant progressivement l'effort de tension à l'endroit où il est exercé.
Dans le ces d'une post-contrainte, les piè- ces d'armature sont empêchées de se lier au béton de toute manière appropriée, par exemple' en laissant subsister sur la surface de ces pièces la graisse qui se trouve généralement sur celle-ci quand elles sont mises sur le marché ( ce qui empêche également la rouille de l'armature aux endroits où se produisent des crevasses ou fentes assez larges, ainsi que cela peut se produire quand la totalité de l'armature est post-oontrainte), ou en appliquant un lubrifient sur le surface des pièces d'armature, ou en les reoouv- rant d'une couche de papier obtenue par enroulement en hélice d'une bande de papier autour de chacune de ces pièces, ou encore en logeant oes pièces respeo- tivement dans de minces tubes, de préférence égale- ment en acier à haute résistance,
ces tubes pouvant aussi être soumis à une précontrainte en remplissant ainsi la fonction d'une armature ou en ayant recours à touteautre méthode connue. La mise sous tension peut être réàlisée à l'eide d'écrous engagés sur des parties filetées de l'armature, en tordant des minfes fils d'armature lesuns autour des autres o en fixant une extrémité des pièces d'armature et en exerçant une traction sur l'autre extrémité de ces pièces par un dispositif tendeur connu quelconque.
La compres- sion, qui en résulte, est transmise au béton par des
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plaques d'ancrage établies aux extrémités des pièces d'armature, ces plaques comportent avantageusement des mêchoires propres à retenir les pièces d'erma- ture par serrqge, les parties de cès pièces, qui) se trouvent au delà de -ces mâchoires, étant ensuite cou- pées. L'effort tendeur peut être exercé simultanément , sur les armatures de plusieurs éléments en béton ar- mé à l'aide de dispositifs tendeurs connus, ces élé- ments étant alignés moaxielement ou placés les uns à coté des autres, une combinaison de deux ou de trois méthodes étant également possible.
Après que l'arme- ture a été tendue,- les extrémités des pièces d'arma- ture sont serrées entre lesmâchoires montées sur des plaques d'ancrage de ohqque élément et les parties en excès de ces pièces sont finalement coupées. Suivent une variante, des coins peuvent être utilisés pour re- tenir les pièces d'armature soumises à une post- oon- trainte et pour empêcher que la tension cesse d'exis- ter.
Un ensemble en- béton armé, établi selon l' invention, peut également être constitué par plu- sieurs éléments séparés pu distincts, préfabriqués avec du béton, du ciment, du béton léger, des bri- ques, de l'argile ou toute autre matière obtenue à partir d'un matériau moulable ou plastique, ces élé- ments distincts étant pleins ou creux tout en étant moulés de manière à présenter des ouvertures à tra- vers lesquellesles armatures sont engagées, une liaison par ancrage avec les extrémités libres des éléments assemblés étant @ après que leurs ar- matures ont été tendues d'une manière appropriée quelconque. Les jonctions entre les éléments com- prennent, si on le désire, des parties à emboîtement
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pour qu'ils puissent supporter les efforts de cisail- lement.
En plus des armatures, soumises,à traction et qui forment des liens, on peut avoir recours à des armatures.,, similaires établies dans la zone de com- pression. Une mince couche de graisse peut subsister sur la surface des/pièces d'armature pour empêcher le dépôt de rouille aux endroits des joints où des intervalles peuvent se former entre les différents éléments et qui sont assimilables à des crevasses, plus larges que les fentes normales qui peuvent se produire quand la totalité de l'armature est soumise à une post-contrainte.
L'objet de l'invention sera décrit plus en détail à l'aide du dessin ci-annexé.
La fig. 1 montre, en coupe transversale, une poutre en béton armé de section rectangulaire et établie selon l'invention.
Les figs. 2 à 7 montrent des diagrammes de sollicitations pour illustrer l'invention par une comparaison entre des éléments en béton ordinaire avec des armatures en acier doux et non-tendu, des éléments analogues avec des armatures précontraintes au meximum et des éléments réalisés selon l'invention.
La poutre 1, montrée en coupe sur la f ig .
1, comprend des armatures 2 logées dans le zone de traction et, de préférence, des armatures 3 établies dans la zone de compression. Les armatures 2 sont soumises à une pré-contreonte, les tensions initiales des différentes pièces ou fils d'armature étant éga- les ou différentes entre-elles. Les armatures 3 tra- vaillent à la traction sous l'effet de la contre- flexion exercée par la précontrainte des armatures 2 sur le béton et ces armatures 3 peuvent également
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-' subir une pré-contrainte. Ceci est nécessaire si l'élément doit pouvoir résister à des sollicitations suivant au moins deux directions, par exemple dans le cas de piliers, poteaux, montants de châssis ou cadres, soumis à la pression du vent.
Les figs. 2 et 3 montrent le répartition des efforts dans la section de l'élément selon la fig. l, par suite de la pré-contra&nte qui se pro- duit pour une répétition rectiligne dans un matériau homogène, comptetenu de le réduction de le pré- contrainte par suite des pertes indiquées plus haut et qui résultent des défommations éléstiquesdu bé- ton, son retrait et son gonflement.
La fig. 2 correspond au ces .où les armatu- res 2 sont seulement précontraintes et qu'une solli- citation par traction se produit dans la zone Ta dé- limitée par la fibre supérieure du béton alors que la zone Ce, délimitée par la fibre inférieure, est sou- mise à une compression, contrairement à ce qui se produit lors de la mise sous charge. Le fig. 3 montre le répartition des efforts quand les deux armatures 2 et 3 sont précontraintes. Dans ce cas on n'obtient que des sollicitations Ce par compression si la tension, exercée sur l'armeture 3, est supérieure à une limite donnée et qui peut être aisément déterminée. Il est évidemment possible de tendre les armatures jusqu'au point où les effets de compression Ca ont une valeur constante pour toute la section de l'élement.
Quand cet effet est transmis au béton, les sollicitations de celui-ci sont, naturellement; plus grandes que cellesobtenues selon lesfigs. 2 et 3 puisque la précontrainte ne subit plus une réduction par suite du gonflement et du retrait du béton qui se produi-
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sent quand l'effort de mise sous tension a cessé d' agir.
La fig. 4 montre la répartition des efforts, sous charge, pour la répartition rectiligne dans le cas d'un matériau -homogène, en admettant que les ar- matures 2 et 3 aient le même surface totale. Pour le béton, la résistance dans le zone soumise à traction Ta est seulement une fonction de celle de la zone de compression Ce. La zone de traction du béton risque donc de se fendiller ou de crevasser, même sous l' effet du retrait seulement. La répartition usuelle des efforts dans le oas d'une section de poutre avec des armatures non-tendues est montrée sur la fig. 5, la sone de traction pour le béton étant négligée et toute la tension T, à laquelle est soumise l'arma- ture, étant équilibrée par le compression C.
Dans le ces de la précontrainte totale, la ou les forces de tension doivent avoir une ou plu- sieurs valeurs telles que la répartition des efforts résultants, dus à le cherté (fig. 4) et à le pré- contrainte (figs. 2 ou 3), corresponde à oelle montrée sur la fig. 6 pour laquelle des sollicitations Ce par compression se produisent pour toute la section.
La fig. 7 montre le répartition résultante des efforts dans le ces de la précontrainte partielle, de sorte que des sollicitations par traction Ta ne sont pas exclues comme dans le ces de précontrainte totale (fig. '6). Pour le précontrainte partielle, l' effort de tension initial est fortement réduit. Afin de pouvoir distinguer davantage une précontrainte partielle d'une précontrainte totale on a admis que l'effort résultant de traction dans le béton sous charge, pour une répartition rèctilighe des,efforts
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et dans le cesd'un matériau homogène, doit être su- périeur à la résistance à la traction du béton.
Une répartition des efforts, analogue à cel- le de la fig. 7, serait obtenue pour un section d'un élément en béton armé avec de licier doux non-tendu et celculés d'eprès les règles courantes. On pe ut ain- si se rendre compte que la présente invention permet l'usage d'acier à haute résistance par suite de sa précontrainte partielle tout en proourant une répar- tition théorique des efforts analogue à celle obtenue pour les sections d'éléments en béton armé ordinai- res.
' La résistance à la traction du béton, dont question plus haut, peut être déterminée à l'aide d' éprouvettes (par exemple à l'aide de cylindres ou briquettes). Cette résistance à la traction n'est pas affectée, d'une manière appréciable, par la longueur ou le format de ces éprouvettes, so l'on se base sur les résultats des essais, alors que le module de rup- ture varie avec leur format (forme et dimensions de leur section transversale) et avec les conditions dans lesquelles l'essai a lieu. Quand le résistance à la traction du béton n'est pas obtenue à l'aide d' éprouvettes d'essai spéciales, elle peut être déter- minée à pertir de la résistance cubique à la com pression que l'on connait pour le béton considéré.
Pour diverses qualités de béton, le rapport entre la résistance cubique à la compression et la résis- tance à la traction varie fortement.Dans le cas d' une répartition rectiligne des efforts, l'existence d'une sollicitation par traction constitue déjà une distinction très nette avec une précontrainte totale, selon le pratique antérieure et pour laquelle les
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sollicitations par traction sont exclues, comme ex- pliqué plus haut, et la résistance exacte du béton à la traction n'a pas une grande importance.
Il suffit de savoir qu'un béton maigre, eyent une résistance cubique allant jusqu'à 210 kg/cm2, a une résistance à la traction allant jusqu'à 14 kg/cmê, qu'un béton moyen, ayant une résistance cubique comprise entre 210 et 420 kg/cm2, a une résistance à la traction comprise entre 14 et 25 kg/cmê et qu'un béton à haute résistance, ayant une résistance cubique com- prise entre 420 et 700 kg/cm2, a une résistance à la traction comprise entre 35'et 35 kg/cmê. Au dessus de 700 kg/om, la résistance à la traction peut être considérée comme correspondant à environ 1/20 de la résistance cubique.
Dans les présentes, le terme "béton" désig- ne un produit qui peut être moulé à partir d'un ma- tériau plastique constitué par le mélange de, subs- tances granuleuses ou désagrégées, lourdes où-légères et ayant une granulométrie convenable, avec un liant, le produit obtenu étant du béton, de la pierre arti- ficielle, du calcaire'artificiel, du béton ynthé- tique, de l'argile sécher 'de le céramique ou terra- ootta sèche$ etc..
Dans ce qui précède on a considéré avant tout, comme élémehts de construction, les poutres à section transversale = . rectangulaire mais il est entendu que l'invention s'applique tout aussi bien à des éléments ayant une section transversale diffé- rente, par exemple. en forme de T ou de I et en géné- ral de tout élément de construction en béton srmé.
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L'expression "sous charge" signifie la plus grande charge qui peut se présenter au cours de l'usage de l'élément et qui sert de base au calcul de celui-ci.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"Improvements made to reinforced concrete construction elements and to the processes used for febrication."
The present invention relates to construction elements made of reinforced concrete and in which the reinforcements are subjected to prestressing, that is to say tensioned before the load is applied, these reinforcements being constituted by a or multiple wires of high strength steel and the average initial pre-stress being greater than the yield strength of mild steel.
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When the prestress is exerted before the concrete sets and when the tensile force acting on the reinforcements is interrupted, the concrete undergoes a compressive effect but the prestress is reduced because of the immediate elastic deformation and the shrinkage of the reinforcement. concrete, this reduction in the tension of the reinforcement being further increased by the subsequent gradual shrinkage and swelling of the. concrete. The sum of these reductions in tension corresponds to a stress which is not much less than or even greater than the yield strength of mild steel. In those where the effect of the stress is transmitted to the concrete after it has set and hardened (post-stress), the losses of the initial pre-stress are reduced to those resulting from the gradual shrinkage and swelling of the concrete.
Even in the latter case, where the hardening of the concrete takes place before the stressing ceases to act, the total losses of the prestressing may correspond to a value which is not much lower than the limit of elasticity of mild steel.
The initial stress must therefore be con- siderably greater than the yield strength of mild steel, if its effect is to be effectively manifested in the construction element obtained when it is produced. this is under load.
If the tensile force has such a value, when the element is in operation and even after all the losses of the prestressing have occurred, that the concrete continues to undergo permanent compressive stresses, the stresses by traction of the concrete being totally excluded, we can be sure that crevices or cracks do not
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can not occur and that the product obtained behaves in a manner analogous to that of an element made of a homogeneous material.
To obtain such a distribution of the stresses, with the exclusion of any tension in the concrete, a tensile force must be brought in which is equal to or greater than a value which can be determined exactly as being the limit d 'a re-aligned stress distribution, with zero stress at the extreme fiber of the trauma zone, when the element is placed under load. Such stressing is hereinafter referred to as "total pre-stress".
In English Patents N 338,864 and N
338 934 it has been proposed to bring into play the total pre-stress by resorting to high-tension steel reinforcements which are subjected to an initial tension notably greater than the yield strength of steel ordinarily used for reinforced concrete, so that the concrete, after its total shrinkage due to its setting and hardening, continues to undergo permanent stresses by compression.
It follows that during use we obtain the production of forces which act in a direction opposite to that in which the element is subjected to the most dangerous forces, taking into account the various reductions in the tensile strength which can occur in the reinforcement and which are due to the elasticity, shrinkage and swelling of the concrete. These prior patents relate to a homogeneous material having entirely new, important, and surprising properties exhibited by the elements, articles or objects made of this
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way as a result of the prestressing of their reinforcements, which makes it possible to suppress the formation of crevices or cracks.
For the elements, obtained according to these prior patents, it was necessary to make the tensioned reinforcements act a very great pre-stress in order to obtain this effect of total prestressing.
The greatest compressive stresses occur in the element not when it is subjected to the load, but when the prestress is exerted on the concrete, which implies the existence of a great force before the effect of this prestress is transmitted to the concrete.
The present invention relates to a reinforced concrete element, intended more especially to be subjected to bending and of which the reinforcements, working by traction, are constituted by bars, rods, wires or cables, the length of which. yield strength is greater than µbelle of mild steel, or a combination of these parts which may have equal or different strength properties, said reinforcements being subjected to prestressing before or after hardening of the concrete or partly before and partly after this hardening,
the initial pre-stresses of the various parts being the same or different from each other but their mean initial value being greater than the elasticity limit of mild steel while the total force to obtain these pre-stresses initial reinforcement has a value such that one obtains, under load and as a result of the counter-bending of the element and / or of the pre-compression of the concrete obtained by the
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prestressing of its reinforcements, a stress on the cross section, under the most unfavorable conditions, which corresponds to a reotilinear distribution of the stresses in a homogeneous material, which has the effect of producing a stress by traction of the concrete which is greater than the tensile strength thereof,
taking into account the maximum possible losses for said preconditions.
In order to define the invention and to distinguish it from the effect obtained by a total prestressing, referred to above, it is sufficient that the greater stress resulting from the concrete, at the location of the fiber limiting the zone tensile stress, which is clearly different from the permanent compressive stresses which occur in the section to the exclusion of any tensile stress. Homogeneity can be obtained, however, even if tensile stresses occur in the section as long as they are significantly less than the tensile strength of the concrete.
Therefore, the greatest demand for the present invention. the fiber subjected to traction is defined as being "greater than the tensile strength" which makes a clear distinction between "total prestressing", for which a total absence of cracks or cracks can be guaranteed, and "partial prestressing" for which a complete absence of crevices and total homogeneity cannot be guaranteed.
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The stress, which occurs, with a rectilinear distribution of the stresses and following a triangular diagram; at the moment of cracking is called the "flexural tensile strength" of concrete or "modulus of rupture" and is only an arbitrary value which cannot be measured. But in practice the distribution of stresses in the tensile zone d 'a section of reinforced concrete, at the time of cracking, corresponds to the failure of a section of unreinforced concrete and can be represented by a curve where a straight line due to the plasticity of the material, the greatest stress being equal to the tensile strength of the concrete.
The modulus of failure varies greatly for different dimensions and plasticities and can be considered to be 1.5 to 2 times greater than the tensile strength as observed by a large number of tests. .
If we consider the safety factor against cracking by which we want to guarantee a complete absence of crevices, we must take into account the effect of repeated loading and unloading. It has been found through several tests that the cracking of a reinforced concrete member can only be avoided if the payload is less than half the cracking load. Since the dead weight of reinforced concrete elements is greatly reduced by the prestressing, the effect of the imposed overload is relatively greater than in the case of ordinary elements.
We must therefore adopt a safety factor against cracking, at least equal to 2 with respect to the total load, so that the tensile stress of the concrete follows a distribution
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rectilinear and triangular, that is to say less, equal to half of the "modulus of rupture" which corresponds from then to 3/4 up to the equal value of the "resistance to traotion" of the concrete, assuming that the rela - tion follows which the "modulus of rupture" is 1.5 to 2 times greater than the "tensile strength", referred to above, exists.
If the tensile stress of the concrete, in a linear distribution diagram with reotilinear sides, is therefore greater than the "tensile strength" of the concrete, it is not possible to guarantee a complete absence of cracks or cracks. ,
The tensile force exerted on the reinforcement in accordance with the present invention is notably smaller than that occurring for the elements with total prestressing since the object of the present invention is not to obtain a homogeneous material and to guarantee the absence of cracks, but to allow the use of a high-strength steel reinforcement which is subjected to partial prestressing,
this qhi makes it possible to save on steel and to obtain a distribution of stresses under load which is similar to that which occurs in an ordinary concrete element reinforced with a mild steel reinforcement and not tensioned and which is calculated in the ordinary way, that is to say without any guarantee for the absence of cracks but to avoid the formation of; large slits.
The use, as reinforcement, of a high strength steel, in the case where its limit of elasticity is one and a half times greater than that of mild steel, has hitherto been considered to be
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only possible without having to increase the safety factor against breakage, if this reinforcement has undergone a total prestressing because there is a risk that large cracks or cracks may occur as a result of the considerable elongation of the steel under the load. effect of high loads. Tests have shown that this limitation is not essential and that a partial prestressing of the reinforcement makes it possible to avoid the formation of large cracks or cracks.
It is therefore not necessary to tension the reinforcement to the point of obtaining a total pre-tension, which makes it possible to reduce the costs to be considered for the tension of the reinforcements. the reason why cracks or crevices of dangerous importance are avoided in the elements, obtained according to the invention, and subjected to the envisaged loads, is that if the whole reinforcement is prestressed or if only a part of this reinforcement is post-stressed, the bond existing between the concrete and all or part of the reinforcement is only destroyed in the immediate vicinity of the place where cracks or crevices occur so that the The elongation of the frame is limited to the very small part thereof which extends through slits or crevices so that their importance is limited.
For members, in which all of the reinforcement is post-vaulted, there is no bond between the concrete and the reinforcement so that relatively greater elongation can occur and part of the reinforcement. the reinforcement is exposed so that it risks
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rust. However, these cracks do not affect the safety of the element if precautions are taken to avoid this rust as described more explicitly below.
In a patent filed today under the same names and under the title "Improvements to construction elements and their manufacturing processes" another solution has been proposed for "partial prestressing", this solution being based on similar considerations and on a similar distribution of the stresses under load. This other patent relates to elements in which a part of the reinforcement, subjected to tension, is prestressed or post-stressed while another part remains in the untensioned state.
On the other hand, according to the present invention, the whole of the reinforcement, subjected to traction, undergoes a stress by subjecting it either to a pre-stress, or else to a post-stress, or even to a partial pre-stress. followed by a partial post-stress, the initial stress by tension of the reinforcement being the same for each piece of reinforcement or possibly being different for the various parts thereof. In any case, the average tensile stress, that is to say the total tensile force divided by the total section of the reinforcement, is greater than the yield strength of mild steel.
For elements obtained according to the invention, the steel expenditure can be notably reduced compared to that to be considered for the elements in which the reinforcement is not tensioned.
For example, the weight of the reinforcement, subjected to traction, can be reduced, without danger, up to 1/5
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da total weight of mild steel meaning to reduce the factor of safety against breakage and meaning that crevices or cracks may occur in the concrete which are wider than those obtained normally with preferred concrete with a non-tensioned reinforcement.
Compared to elements made of reinforced concrete and in the direction of stress, this further advantage is obtained that the elements, according to the invention, behave if they were made of a homogeneous material when they are not loaded or only slightly loaded.
This means that the slits, which can occur under full load, close completely when the imposed load is greatly reduced or eliminated. The risk of the reinforcement rusting is thus reduced, this denger being able to exist when the whole of the reinforcement is post-stressed and when crevices, larger than the normal cracks, can occur. Due to the counter-bending of the element and / or the pre-compression of the concrete, obtained by the tensile force, the permanent deformation of the elements, after the cracks have occurred, is. greatly reduced compared to ordinary reinforced concrete elements.
The tension force can be exerted on the parts of the reinforcement by means known which
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conchs. Dens the oae of a preoont'1'olnttl. the resulting spray is transmitted to the concrete, preferably by bonding. In the case of the reinforced concrete element, molded in advance, the tensile stress of the reinforcement is exerted on it before the hardening of the concrete and several elements can be manufactured by being aligned coexially or placed together. one beside or above the other,
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a combination of two or three methods is possible.
In these, the wires, rods, cables or other pieces of reinforcement, which are to be tensioned, are retained at one end and the tensile force is exerted on their other end, the interruption of this force being pbtained by cutting the pieces of armor or by progressively reducing the tension force at the place where it is exerted.
In the event of post-stressing, the pieces of reinforcement are prevented from bonding to the concrete in any suitable manner, for example by leaving on the surface of these pieces the grease which is usually found thereon. ci when they are put on the market (which also prevents rusting of the reinforcement in places where large enough cracks or cracks occur, as can happen when the entire reinforcement is post-stressed), or by applying a lubricant to the surface of the reinforcing pieces, or by reopening them with a layer of paper obtained by helically winding a strip of paper around each of these pieces, or by accommodating these pieces respectively in thin tubes, preferably also of high strength steel,
these tubes can also be subjected to prestressing thereby fulfilling the function of a reinforcement or by having recourse to any other known method. Tensioning can be achieved by means of nuts engaged on threaded portions of the armature, by twisting small reinforcing threads around each other or by securing one end of the reinforcing parts and exerting a traction on the other end of these parts by any known tensioning device.
The resulting compression is transmitted to the concrete by
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anchoring plates established at the ends of the reinforcing pieces, these plates advantageously include jaws suitable for retaining the closing parts by locking, the parts of these parts, which) are located beyond these jaws, being then cut. The tensioning force can be exerted simultaneously on the reinforcements of several reinforced concrete elements using known tensioning devices, these elements being aligned moaxially or placed next to each other, a combination of two or more. of three methods being also possible.
After the armor has been tensioned, the ends of the armor pieces are clamped between the jaws mounted on anchor plates of each element and the excess parts of these pieces are finally cut off. As an alternative, wedges can be used to hold reinforcing pieces subjected to post-stressing and to prevent tension from ceasing to exist.
A reinforced concrete assembly, established according to the invention, can also be constituted by several separate or distinct elements, prefabricated with concrete, cement, lightweight concrete, bricks, clay or any other. material obtained from a moldable or plastic material, these separate elements being solid or hollow while being molded so as to present openings through which the reinforcements are engaged, a connection by anchoring with the free ends of the elements assembled being @ after their armatures have been tensioned in any suitable manner. The junctions between the elements include, if desired, interlocking parts
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so that they can withstand the shear forces.
In addition to the reinforcements, which are subjected to tension and which form links, it is possible to have recourse to similar reinforcements established in the compression zone. A thin layer of grease may remain on the surface of the / pieces of reinforcement to prevent the deposit of rust at the places of the joints where gaps can form between the different elements and which are similar to cracks, larger than normal slots which can occur when the entire reinforcement is post-stressed.
The object of the invention will be described in more detail with the aid of the accompanying drawing.
Fig. 1 shows, in cross section, a reinforced concrete beam of rectangular section and established according to the invention.
Figs. 2 to 7 show stress diagrams to illustrate the invention by a comparison between ordinary concrete elements with mild and unstretched steel reinforcements, similar elements with pre-stressed reinforcements to the maximum and elements produced according to the invention .
Beam 1, shown in section on f ig.
1, comprises reinforcements 2 housed in the traction zone and, preferably, reinforcements 3 established in the compression zone. The reinforcements 2 are subjected to a pre-counterwinding, the initial tensions of the various pieces or reinforcing wires being the same or different from one another. The reinforcements 3 work in traction under the effect of the counter-flexion exerted by the prestressing of the reinforcements 2 on the concrete and these reinforcements 3 can also
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- 'undergo a pre-stress. This is necessary if the element must be able to withstand stresses in at least two directions, for example in the case of pillars, posts, frame uprights or frames, subjected to wind pressure.
Figs. 2 and 3 show the distribution of forces in the section of the element according to FIG. 1, as a result of the pre-stress which occurs for a rectilinear repetition in a homogeneous material, taking into account the reduction in the pre-stress as a result of the losses indicated above and which result from the elastic damage to the concrete, its withdrawal and its swelling.
Fig. 2 corresponds to those where the reinforcements 2 are only prestressed and a tensile stress occurs in the zone Ta delimited by the upper fiber of the concrete while the zone Ce, delimited by the lower fiber, is subjected to compression, unlike what occurs during loading. Fig. 3 shows the distribution of the forces when the two reinforcements 2 and 3 are prestressed. In this case, only stresses Ce by compression are obtained if the tension exerted on the armature 3 is greater than a given limit which can be easily determined. It is obviously possible to stretch the reinforcements to the point where the compression effects Ca have a constant value for the whole section of the element.
When this effect is transmitted to the concrete, its stresses are, of course; larger than those obtained according to the figures. 2 and 3 since the prestressing no longer undergoes a reduction as a result of the swelling and shrinkage of the concrete which occurs.
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senses when the energizing effort has ceased to act.
Fig. 4 shows the distribution of the forces, under load, for the rectilinear distribution in the case of a -homogeneous material, assuming that the reinforcements 2 and 3 have the same total area. For concrete, the resistance in the tensile zone Ta is only a function of that of the compression zone Ce. The concrete tensile zone is therefore liable to crack or crack, even under the effect of only shrinkage. The usual distribution of the forces in the oas of a beam section with un-tensioned reinforcements is shown in fig. 5, the tensile sone for the concrete being neglected and all the tension T, to which the reinforcement is subjected, being balanced by the compression C.
In the case of total prestressing, the tension force (s) must have one or more values such as the distribution of the resulting forces, due to the high cost (fig. 4) and to the pre-stress (figs. 2 or 3), corresponds to that shown in fig. 6 for which stresses Ce by compression occur for the whole section.
Fig. 7 shows the resulting distribution of the forces in the ces of partial prestressing, so that tensile stresses Ta are not excluded as in the ces of total prestressing (fig. '6). For partial prestressing, the initial tension force is greatly reduced. In order to be able to further distinguish a partial prestressing from a total prestressing, it has been assumed that the force resulting from traction in the concrete under load, for a correct distribution of the forces
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and in the case of a homogeneous material, must be superior to the tensile strength of concrete.
A distribution of forces, similar to that of FIG. 7, would be obtained for a section of a reinforced concrete element with unstretched soft licor and celculated according to current rules. It can thus be realized that the present invention allows the use of high strength steel owing to its partial prestressing while providing a theoretical distribution of the forces similar to that obtained for the sections of elements in ordinary reinforced concrete.
The tensile strength of concrete, referred to above, can be determined using test tubes (eg using cylinders or briquettes). This tensile strength is not appreciably affected by the length or format of these specimens, based on test results, while the modulus of fracture varies with their size. format (shape and dimensions of their cross-section) and with the conditions under which the test takes place. When the tensile strength of concrete is not obtained with the aid of special test specimens, it can be determined to lose from the cubic compressive strength known for the concrete under consideration. .
For various grades of concrete, the ratio of cubic compressive strength to tensile strength varies greatly. In the case of a rectilinear distribution of forces, the existence of tensile stress already constitutes a distinction. very clear with total prestressing, according to previous practice and for which the
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tensile stresses are excluded, as explained above, and the exact tensile strength of concrete is not of great importance.
It suffices to know that a lean concrete, with a cubic strength of up to 210 kg / cm2, has a tensile strength of up to 14 kg / cm2, that an average concrete, with a cubic strength of between 210 and 420 kg / cm2, has a tensile strength of between 14 and 25 kg / cm2 and that high strength concrete, having a cubic strength of between 420 and 700 kg / cm2, has a tensile strength. traction between 35 'and 35 kg / cmê. Above 700 kg / m, the tensile strength can be considered to be about 1/20 of the cubic strength.
In the present, the term "concrete" denotes a product which can be molded from a plastic material constituted by the mixture of, granular or disaggregated substances, heavy or light and having a suitable particle size, with a binder, the product obtained being concrete, artificial stone, artificial limestone, aesthetic concrete, dry clay, ceramic or dry terra-ootta etc.
In what precedes one considered above all, like elements of construction, the beams with cross section =. rectangular, but it is understood that the invention is equally applicable to elements having a different cross section, for example. T-shaped or I-shaped and in general of any structural element made of solid concrete.
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The expression "under load" signifies the greatest load which may occur during the use of the element and which is used as a basis for the calculation thereof.
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