Tuyau armé en matière agglomérée. La présente invention a pour objet un tuyau armé en matière agglomérée, telle que par exemple du béton.
Ce tuyau comporte une armature consti tuée par deux brides métalliques auxquelles sont reliées rigidement des armatures longi tudinales qui sont entourées d'un enroule ment en spires hélicoïdales de manière à for mer un tout rigide et pratiquement indéfor mable dont les; parties longitudinales travail lent à la flexion comme des poutres encas trées, cette armature étant noyée dans de la matière agglomérée, le tout, dans le but de former un tuyau en matière agglomérée, pré sentant des qualités de résistance telles, qu'il puisse remplacer un tuyau métallique.
A titre d'exemple, on a représenté dans le dessin annexé différentes formes d'exécu tion des divers éléments de cette armature.
La fig. 1 montre l'ensemble de l'arma ture d'un tuyau d'une première forme d'exé cution, prévu pour résister aux pressions in térieures; Les fig. 2 à 5 montrent divers modes d'encastrement des armatures disposées sui vant des génératrices, dans les brides; La fig. 6 est un schéma représentant une coupe longitudinale partielle passant par une génératrice et l'axe; La fig. 7 est une figure théorique pour trouver la loi de l'enroulement des direc trices; La fig. 8 est un schéma représentant une coupe transversale partielle au point croi sement d'une génératrice et d'une directrice;
La fig. 9 est un schéma représentant une coupe transversale du tuyau à plus petite échelle; Les fig. 10 et 11, qui sont respectivement une coupe longitudinale et une coupe suivant .A-A, montrent l'application d'un disposi tif de bague intermédiaire pour tuyaux de grande longueur; La fig. 12 est une figure schématique montrant l'emploi de bagues intermédiaires en acier; La fig. 13 représente un tuyau de 5 m avec 4 travées de 1,25 m pour fortes pres sions;
La. fig. 14 montre un dispositif destiné à former un joint étanche à bride; La. fig. 15 montre un joint de dilatation à. soufflet; La fig. 16 montre l'application d'une bride spéciale permettant de raccorder deux tuyaux de façon à leur faire faire entre eux un certain angle fi; La, fig. 17 montre un moule vertical pour la fabrication des tuyaux faisant l'objet de l'invention; La fil-. 18 montre un dispositif pour la préparation de la, chemise; La fig. 19 représente l'ensemble de l'ar mature d'une deuxième forme d'exécution;
Les fig. 20, 21, 22, divers modes d'at:- tache des génératrices aux cornières réalisant l'encastrement parfait; La fig. 23 est une coupe montrant la ,jonction de deux tuyaux sans revêtement étanche; La fig. 24 est une coupe montrant la jonction de deux tuyaux avec revêtement étanche; La. fig. 25 montre l'application à la, con duite d'un joint de dilatation à soufflet; La fig. 26 montre la. disposition. de l'ar mature et du moule pour centrifugation sans revêtement étanche; La. fig. 27 est un dispositif de l'armature et du moule pour centrifugation avec revête ment étanche.
Pour plus de simplicité, dans la descrip tion qui va suivre, on dénommera. les arma tures longitudinales "génératrices" et les en roulements en spires hélicoïdales "direc trices".
Dans la première forme d'exécution re présentée destinée à être utilisée pour une conduite soumise à de fortes pressions inté rieures, chaque tuyau comporte une arma ture constituée par deux brides métalliques b auxquelles sont solidement fixées des géné ratrices g autour desquelles des directrices r1. sont enroulées en spires à pas variable. Les deux brides b sont en plus reliées solidement à une chemise c destinée à former un revête ment intérieur pour le tuyau. Les deux brides avec les génératrices et les directrices forment une ossature métalli que solide, rigide, indéformable.
Il résulte de ce dispositif d'armature (fig. I) que tous les éléments constitutifs: directrices, génératrices, brides, ciment, par ticipent à la. résistance.
En effet, sous la pression intérieure, les génératrices fixées aux brides, travaillent par flexion et s'infléchissent suivant la. ligne élastique n <I>b c</I> (fig. 6). L'ensemble<I>A B C D</I> constitue une poutre armée, encastrée à, ses extrémités. Le ciment:, sous la ligne neutre <I>ii</I> 7r' est en compression et sa résistance entre alors en ligne de compte.
Les génératriccs transmettent aux brides les efforts qu'elles reçoivent et les brides y résistent par traction.
Les directrices travaillent par extension. Les pressions intérieures se partagent donc entre les directrices, les génératrices, les brides et le ciment en compression, et la théorie de la. résistance des matériaux per- m@et (le calculer l'effort, supporté par chacun.
et de déterminer à. priori la part,de la pression statique que chacun supportera, de faire va rier à volonté ce partage et de déterminer alors l'équarrissage et la forme de tous les éléments.
Pour obtenir (le l'ossature la résistance maximum, on donne aux génératrices qui travaillent à la. flexion et à l'extension, une forme appropriée pour résister aux efforts à la. flexion. On leur donne, par exemple, la forme en<B>I</B> représentée fig. 2, 3, 8 et 9, ou circulaire si la part de pression à, leur faire subir est peu élevée (fig. 4, 5).
Au con traire, les directrices sont à section circu- laire. Il n'- ,y aurait aucun avantage à em- ployer des directrices en fer profilé, puisque ces directrices travaillent uniquement à l'ex tension.
Pour appliquer le calcul à. cette armature. il suffit de considérer le tuyau comme formé d'une suite de fuseaux accolés<I>f 1<B>f</B></I> f', etc. (fig. 9), chaque fuseau étant une poutre en ciment armé avec armature en fer en<B>I</B> encas trée aux brides extrêmes et renforcée par la directrice en croix et le ciment en compres sion.
La théorie conduit à un enroulement des directrice3 à pas variable. En effet, la soli darité du treillis entraîne l'égalité des flèches des directrices et des génératrices. Les flè ches des directrices vont en diminuant du milieu ô de la génératrice à l'encastrement E, et comme le travail est proportionnel à la flèche, toutes les spires n'opposeront pas la même résistance. Par exemple, si la flèche de la spire c4 (fig. 7) est i/3 de la. flèche de la spire en o', le travail en â sera '%3 du tra vail en<B>0'.</B>
On rétablira l'égalité des résistances en a' par trois spires superposées ou rappro chées, c'est-à-dire que le resserrement des spires sera d'autant plus grand que la flèche est moindre, d'où enroulement à pas variable.
Il est facile de trouver la loi de l'enroule ment.
La masse des spires doit être en chaque point de la. génératrice inversement propor tionnelle aux flèches. Entre m, masse de la spire en ô , milieu de la .génératrice, et a b masse de la spire en a, on doit avoir, pour l'égalité des résistances (1)
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d'où <I>ab -</I> aa' <I>-</I> m'.
On connaît na et aci, ordonnées de la courbe élastique de la génératrice, une cons truction géométrique élémentaire donne<I>ab,</I> on peut donc construire la courbe D repré sentative des masses de spires en chaque point.
De la relation (1), on obtient l'équation de la courbe<I>D,</I> on a: aâ <I>= y = f (x)</I> équa tion de la courbe élastique de la génératrice.
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équation de la courbe D, qui n'est autre que l'équarrissage en tous points du tuyau métallique fictif que les directrices remplacent. Les directrices peuvent, comme on le verra plus loin, être employées en tension et constituer un véritable frettage, dans le sens donné à ce procédé en artillerie.
L'ossature métallique, formée par l'jen- semble des brides et des génératrices, calcu lée 'et établie pour conduites forcées, résiste également aux pressions extérieures de quel que nature qu'elles soient, telles que celles supportées par les conduites enterrées dans des tranchées profondes.
Les deux brides avec encastrement des génératrices et enroulement des directrices à pas variable ont donc pour effet de donner au tuyau un grand accroissement de résis tance dans toutes les directions.
De plus, les brides protègent les extré mités du tuyau contre toute dégradation, ce qui a son importance pour les tuyaux en ci ment qui doivent,être soulevés, maniés, véhi culés, transportés par des câbles, soumis à des chocs, etc. La solidité de l'ensemble est donc accrue à tous les points de vue.
Avec les conduites forcées pour lesquel les l'application de l'armature décrite est particulièrement intéressante, l'étanchéité est assurée au moyen de la chemise c représen tée fig. 1.
Certes, l'armature employée mettant la. matière agglomérer, telle que du béton, du ciment au sable, en compression, augmente son étanchéité, mais pour arriver à l'étanchéité absolue, il faut appliquer un revêtement étanche constitué ici par un mince revête ment de tôle en acier doux ou extra-doux formé par plusieurs feuilles de tôle mince de 1 à 2 mm d'épaisseur réunies à la suite les unes des autres par soudure autogène par exemple. Cette chemise ne joue aucun rôle dans la résistance du tuyau; elle constitue un simple revêtement s'étendant d'une bride à l'autre, où elle est solidement fixée, de fa çon à former corps avec elle.
De plus, elle colle au ciment et les bourrelets formés par la soudure des différentes plaques entre elles résistent aux pressions longitudinales et aug mentent l'adhérence au ciment. Enfin, la perte de charge sera réduite au minimum, le coefficient de frottement sur l'acier lisse étant très faible.
Les brides b peuvent être par exemple en fonte, en fer, en acier, etc. et elles ont de préférence un profil en forme de<B>T,</B> permet tant l'encastrement parfait des génératrices g. La fixation des génératrices g peut par exemple être exécutée comme représenté aux fi,-. ? à 5. c'est-à-dire soit en les faisant pé nétrer dans des cavités des brides et en les retenant au moyen d'un étrier a (fig. 2 et 3). Ceci est particulièrement indiqué lorsque les génératrices sont constituées par des fers profilés.
Lorsqu'elles sont constituées par des barres de section circulaire, on peut les recourber à angle droit et engager leurs ex trémités formant crochet dans des trous nié- nagés sur la saillie horizontale de la bride et les maintenir par rivetage à chaud ou à froid, par forcement ou à écrou. La disposi tion représentée fig. 4 est particulièrement indiquée pour des tuyaux devant résister à des pressions intérieures, tandis que la dis position représentée fig. 5 est prévue pour des tuyaux devant résister à des pressions extérieures.
Afin de permettre la construction de tuyaux de longueur relativement brande on a prévu l'emploi de bagues intermédiaires telles que 30 et 31, représentées aux fig. 10 à 13.
Pour accroître l'action de la génératrice, il. faut augmenter son moment d'inertie et réduire la, longueur entre les encastrements. Cette longueur variera, suivant les cas, de 1 m à \? m au maximum. Le tuyau entre les brides sera sectionné en travées égales, par des bagues en acier comme indiqué aux fi- -0,11res précitées. Ces bagues ont comme dia mètre intérieur exactement le diamètre du tuyau sur les génératrices, lesquelles sous la. pression prendront appui sur elles.
La génératrice sera encastrée dans le deux brides extrêmes, faisant fonction de cu lée, et prendra appui sur les bagnes faisant fonction de piles. La. génératrice sera une poutre continue, encastrée à ses deux extré mités, avec travées écales et uniformément chargées.
Les réactions sur les brides-culées et les bagues-piles se calculeront suivant les for mules connues. Le tuyau sous pression statique prendra la forme montrée fig. 13, qui est celle d'un tuyau de 5 m entre brides, divisé en quatre 1ra;@ées <B>du-</B> 1.25 m, établi pour forte pression.
Dans le dispositif des fig. 10 à 11, la génératrice ne prend pas un appui libre sur les bague; elle y est fixée par étrier. La génératrice se compose alois d'une suite de tronçons de génératrices encastrées à. leurs extrémité:.
Un autre a.vaiit.abe de cette armature dé coule de l'emploi des brides. Comme les brides, par suite de leurs attaches sui géné ratrices, font partie intégrante du tuyau et forment avec lui un bloc solide, on peut réu nir deux tuyaux voisins par un joint métal lique à brides, avec rondelles de plomb, ser rée par boulon, par rivetage ou autrement (fig. 14). On peut disposer entre deux tuyaux un joint métallique flexible à souf flet en forme de demi-tore comme repré senté fig. 15 pour permettre les dilatations ou contractions dues à la chaleur ou à toute autre cause.
On peut encore aménager la bride pour permettre un certain angle entre les axes de deux tuyaux voisins, de façon à suivre toutes les sinuosités du tracé de la, conduite. A cet effet., la bride a la forme d'une gorge, dont les plans des faces sont inclinés l'un sur l'au- t.re, formant ainsi entre eux un certain an gle (fig. 16), de sorte que la, gorge a sa plus grande largeur à, l'extrémité d'un dia mètre et. va en, se rétrécissant jusqu'à.
l'au- fre extrémité oit les deux faces se réunissent. Il en résulte que les deux tuyaux fixé; à chacune de la. "bride-gorge" font entre eux l'angle /1 '.
Pour la fabricaiion des tuyaux, on éta blit d'abord les dimensions des brides, profil, hauteur, épaisseur et. métal employé.
Le nombre des génératrices, leur lor1- Plueur, leur diamètre, sont déterminés par le calcul en vue dr# résister aux pressions ra diales, axiales et à la. flexion. Le diamètre des directrices et le pas variable de l'enroule ment sont également donnés par le calcul. Pour la chemise, on arrête les dimensions des tôles d'acier, épaisseur, longueur, lar geur, nombre. Tous les éléments sont alors prêts à être employés (fig. 18).
Sur un moule en tôle d'acier ou bois et portant deux tourillons horizontaux, on pose les tôles de la chemise auxquelles on a donné la courbure voulue; on les soude entre elles à la soudure autogène. La _urface extérieure présente alors les bourrelets de soudure en deux sens, horizontaux et verticaux, qui s'inscrusteront ;dans le c*iment.
On place les brides aux deux extrémités, on les soude à la chemise comme il a été dit. On fixe les génératrices, on enroule les di rectrices; l'armature est construite.
Le coulage du ciment se fait alors par les procédés connus, soit verticalement (fig. 17), soit horizontalement entre le moule in térieur et un moule extérieur.
Dans la deuxième forme d'exécution re présentée, pour tuyaux à faibles pressions, les extrémités du tuyau sont formées au moyen de cornières b dont la face extérieure b1 est dressée au tour. L'aile intérieure est percée de trous où sont engagés- les -bouts des génératrices g recourbées à angle droit et re tenues par rivetage (fig. 20 et 21), rivetage combiné avec un étrier b2 (fig. 22) ou bou lonnage, de façon en tous cas à assurer un encastrement parfait des génératrices dans les cornières.
Ces génératrices sont de section circu laire.
Par dessus sont enroulées les directrices d, qui sont également de section circulaire. L'armature ainsi constituée est noyée dans une masse de ciment formée comme il sera expliqué plus loin.
Deux tuyaux adjacents sont joints en boulonnant ensemble les brides b (fig. 23 et 24); on interpose entre elles une feuille de métal malléable j ou de toute autre matière plastique.
Dans les canalisations ordinaires ou d'ab duction d'eau, la résistance maximum à de mander au tuyau est de l'ordre de celle de la fonte. Avec la nouvelle armature, la résistancê réside dans tous les éléments "directrices", "génératrices", "cornières", et elle se partage entre eux, comme il a été exposé ci-dessus. <B>Il</B> en résulte que la résistance du tuyau est bien supérieure à celle des tuyaux ordinaires et est égale et même peut être obtenue su périeure à celle de la fonte.
Dans ces limites de pression, les brides sont des fers cornières de profil usuel (fig. 19, 20, 21, 22), leur résistance étant suffi sante pour s'opposer aux efforts transmis par les génératrices.
En outre de la. résistance, les brides-cor- nières et les génératrices ont chacune et sé parément une action spéciale à remplir, les quelles font partie des caractéristiques du tuyau.
La partie critique de toute conduite est le joint. Un joint doit assurer l'étanchéité et maintenir invariable l'axe de deux tuyaux accolés. Dans la plupart des systèmes de tuyaux non-métalliques le joint est un appa reil particulier, indépendant des tuyaux qu'il réunit. Alors l'étanchéité est difficile à ob tenir et impossible à garantir, car un affais sement du sol disjoint les tuyaux ou les rompt, d'où destruction rapide ou lente de la conduite.
Avec le tuyau établi conformément à la présente invention, il n'y a plus d'appareil de joint. Deux tuyaux sont directement réunis entre eux au moyen des cornières bou lonnées ou rivées, avec interposition de ma tières plastiques, lesquelles cornières font partie intégrante du tuyau par leur encastre ment parfait aux génératrices.
Par les cornières donnant la jonction à bride, on obtient à la fois l'étanchéité abso lue et une liaison rigide qui fait de la canali sation un unique tuyau, une conduite mono lithe. .
Pour qu'un tassement, un affouillement du sol ne disloque pas la conduite, la canali- -ation doit former une poutre tubulaire qui puisse faire pont sur le vide. Au moyen des génératrices encastrées aux cornières, on ob tiendra ce résultat. Les génératrices seront calculées, suivant la théorie de la résistance des matériaux, comme nombre et équarris sage, en vue de la portée à obtenir.
Pour tenir compte des dilatations ou con tractions dues aux variations de tempéra ture, les cornières permettent l'application d'un joint à soufflet (fig. 25).
L'application du ciment sur cette arma ture peut s'obtenir par centrifugation. Dans ce cas l'armature est fixée à un moule rota tif. La fig. 26 indique un dispositif pour la fabrication d'un tuyau sans revêtement étanche, la fig. 27 pour tuyau avec revête ment étanche.
Suivant les fig. 26 et 27, l'armature fixée au moule se trouve centrée par cons truction à la position exacte, quels que soient son poids, son équarrissage, et ses dimen sions, d'où avantage de la régularité de po sition et de l'application du tuyau en ciment armé centrifugé aux pressions plus élevées.
Quand le tuyau doit supporter des pres sions assez faibles, alors que le ciment cen trifugé avec sa chappe intérieure en ciment pur donne une étanchéité suffisante, il est inutild d'employer un revêtement spécial étanche; on emploie alors le dispositif repré senté fig. 26; l'armature est fixée à sa posi tion dans le moule rotatif au moyen de bu tées s; qui s'engagent dans les trous prati qués dans la cornière pour les boulons.
Une mince couronne métallique q est appliquée contre la cornière et y est fixée également par la branche ,S' de la butée au moyen de boulons. Cette couronne donne l'épaisseur qu'aura la paroi en ciment du tuyau.
Comme la centrifugation de la partie hachurée 2c, en contact avec la branche hori zontale de la cornière, se ferait imparfaite ment, on doit la garnir de ciment aupara vant.
On ne place l'armature dans le moule qu'après la prise de cette garniture.
Quand l'étanchéité du ciment, sous la pression, est insuffisante, il faut couvrir la. paroi intérieure du tuyau d'un revêtement étanche; ce revêtement sera par exemple un produit asphaltique tel que mastic d'asphalte, béton d'asphalte, mélange de mastic et de bitume, etc. ou toute autre matière.
Le tuyau en ciment étant formé et ayant fait prise, on introduit dans le moule le pro duit asphaltique chauffé, à l'état liquide, par la rotation, le revêtement est obtenu.
L'adhérence (lu revêtement au ciment est accrue par la rugosité de la. paroi, dont les aspérités sont formées naturellement par les matières légères contenues dans le béton de ciment, ou ajoutées à cet effet. Cette rugo sité peut être augmentée par piquetage, grat tage de la paroi.
Pour éviter le fendillement du revête ment asphaltique par retrait<B>dû</B> au refroidis sement, on peut chauffer la paroi du tuyau avant l'introduction de l'asphalte de façon à la dilater. La contraction du tuyau par re froidissement suivra la contraction de l'as phalte et cette contraction de la paroi en ci ment contre le revêtement augmentera. la. liaison des deux matières.
La fig. 27 représente le dispositif à em ployer pour la, construction de ce tuyau par la, force centrifuge.
Le revêtement étanche doit remonter jus qu'à la, cornière, comme on le voit fig. 24, et la déborder à l'extérieur de 1 ou 2 mm de façon à, recouvrir entièrement la paroi en ci ment sur toute son épaisseur. Quand deux tuyaux sont. accolés l'un à l'autre et forte ment pressés l'un contre l'autre par les cor nières serrées par boulons, les deux parois en asphalte en contact sont comprimées l'une contre l'autre. Elles font prise et ne forment plus qu'une seule masse asphaltique. L'étan chéité est absolue, le revêtement étanche s'é tendant en une seule nappe d'un bout à l'an tre de la, conduite sans séparation ni discon tinuité.
L'opération de la centrifugation se fait en deux fois.
La couronne métallique q porte un res saut r de 1 à 2 mm. On introduit entre elle et la cornière une couronne en bois q' qui a l'épaisseur que doit avoir le revêtement as phaltique. Quand l'armature est fixée au moule ra- tatif, on place la couronne en bois, puis on fixe fortement par boulon la couronne métal lique, on forme le tuyau en ciment par ro tation. Celui-ci ayant fait prise, on, enlève la couronne en bois, et on introduit le produit asphaltique et, par rotation, il recouvre le ciment comme indiqué fig. 24.
Pour les conduites ordinaires à faible pression, les directrices sont enroulées à pas constant; pour les conduites forcées (fig. 1), elles sont enroulées à pas variable comme in diqué ci-dessus.
Bien entendu, les formes, les dimensions des divers éléments composant l'armature, les matériaux employés et toutes les disposi tions de détail peuvent varier dans tous les cas sans changer le principe de l'invention.
Les armatures longitudinales pourraient être soudées aux brides et la chemise prévue pour certaines formes d'exécution peut être par exemple en tôle d'acier et également être soudée aux brides.
La matière agglomérée pourrait être au tre que du béton ou du ciment de sable, par exemple un mélange de brai et de gravier.
Reinforced pipe in agglomerated material. The present invention relates to a reinforced pipe made of agglomerated material, such as for example concrete.
This pipe comprises a reinforcement constituted by two metal flanges to which are rigidly connected longitudinal reinforcements which are surrounded by a winding ment in helical turns so as to form a whole rigid and practically indefinable including the; longitudinal parts work slowly in bending like embedded beams, this reinforcement being embedded in the agglomerated material, the whole, with the aim of forming a pipe in agglomerated material, presenting qualities of resistance such that it can replace a metal pipe.
By way of example, there is shown in the accompanying drawing various embodiments of the various elements of this frame.
Fig. 1 shows the entire armature of a pipe of a first embodiment, designed to withstand internal pressures; Figs. 2 to 5 show various methods of embedding the reinforcements arranged along the generatrices, in the flanges; Fig. 6 is a diagram showing a partial longitudinal section passing through a generatrix and the axis; Fig. 7 is a theoretical figure to find the law of the winding of the directors; Fig. 8 is a diagram showing a partial cross section at the point of intersection of a generator and a directrix;
Fig. 9 is a diagram showing a cross section of the pipe on a smaller scale; Figs. 10 and 11, which are respectively a longitudinal section and a section along .A-A, show the application of an intermediate ring device for very long pipes; Fig. 12 is a schematic figure showing the use of intermediate steel rings; Fig. 13 represents a 5 m pipe with 4 spans of 1.25 m for high pressure;
Fig. 14 shows a device for forming a tight flange seal; Fig. 15 shows an expansion joint at. bellows; Fig. 16 shows the application of a special flange making it possible to connect two pipes so as to make them form a certain angle fi between them; The, fig. 17 shows a vertical mold for the manufacture of the pipes forming the subject of the invention; The thread-. 18 shows a device for the preparation of the shirt; Fig. 19 shows the entire ar mature of a second embodiment;
Figs. 20, 21, 22, various modes of at: - spot of the generatrices on the angles achieving the perfect embedding; Fig. 23 is a section showing the junction of two pipes without waterproof coating; Fig. 24 is a section showing the junction of two pipes with waterproof coating; Fig. 25 shows the application to the duct of a bellows expansion joint; Fig. 26 shows it. disposition. mature ar and mold for centrifugation without waterproof coating; Fig. 27 is a device of the frame and the mold for centrifugation with a sealed coating.
For simplicity, in the description which follows, we will name. longitudinal "generating" armatures and "directing" helical coil bearings.
In the first embodiment shown, intended to be used for a pipe subjected to high internal pressures, each pipe comprises a reinforcement constituted by two metal flanges b to which are firmly fixed generators g around which the guidelines r1. are wound in turns with variable pitch. The two flanges b are furthermore firmly connected to a jacket c intended to form an internal coating for the pipe. The two flanges with the generatrices and the guiding lines form a solid, rigid, undeformable metal framework.
It follows from this reinforcing device (fig. I) that all the constituent elements: guide lines, generators, flanges, cement, participate in the. resistance.
Indeed, under the internal pressure, the generators fixed to the flanges, work by bending and bend according to the. elastic line n <I> b c </I> (fig. 6). The assembly <I> A B C D </I> constitutes a reinforced beam, embedded at its ends. The cement:, under the neutral line <I> ii </I> 7r 'is in compression and its resistance is then taken into account.
The generators transmit the forces they receive to the flanges and the flanges resist them by traction.
Directors work by extension. The internal pressures are therefore shared between the guidelines, the generators, the flanges and the cement in compression, and the theory of. resistance of materials per- m @ and (calculate the force, supported by each.
and determine to. priori the share, of the static pressure that each one will support, to make this division go at will and to determine then the squaring and the shape of all the elements.
To obtain the maximum resistance, the generatrices which work in flexion and extension are given an appropriate shape to withstand the forces in flexion. They are given, for example, the shape in < B> I </B> shown in fig. 2, 3, 8 and 9, or circular if the part of the pressure to be subjected to them is low (fig. 4, 5).
On the contrary, the directors have a circular section. There would be no advantage in using profiled iron guidelines, since these guidelines work only on extension.
To apply the calculation to. this frame. it suffices to consider the pipe as formed of a series of joined spindles <I> f 1 <B> f </B> </I> f ', etc. (fig. 9), each spindle being a reinforced cement beam with <B> I </B> iron frame embedded at the end flanges and reinforced by the cross director and compressing cement.
The theory leads to a winding of the directrix3 with variable pitch. In fact, the solidity of the trellis results in the equality of the arrows of the directors and the generators. The arrows of the guidelines go decreasing from the middle ô of the generator to the embedding E, and as the work is proportional to the deflection, all the turns will not oppose the same resistance. For example, if the arrow of the turn c4 (fig. 7) is i / 3 of the. arrow of the coil in o ', the work in â will be'% 3 of the work in <B> 0 '. </B>
We will re-establish the equality of the resistances at a 'by three superimposed or close turns, that is to say that the tightening of the turns will be all the greater as the deflection is less, hence variable pitch winding.
It is easy to find the law of winding.
The mass of the turns must be at each point of the. generator inversely proportional to the arrows. Between m, mass of the coil in ô, middle of the .generator, and a b mass of the coil in a, we must have, for the equality of resistances (1)
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hence <I> ab - </I> aa '<I> - </I> m'.
We know na and aci, ordinates of the elastic curve of the generator, an elementary geometrical construction gives <I> ab, </I> we can therefore construct the curve D representative of the masses of turns at each point.
From relation (1), we get the equation of the curve <I> D, </I> we have: aâ <I> = y = f (x) </I> equation of the elastic curve of the generator.
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equation of the curve D, which is none other than the squaring at all points of the fictitious metal pipe that the guidelines replace. The guiding lines can, as will be seen later, be used in tension and constitute a real hooping, in the direction given to this process in artillery.
The metal framework, formed by the assembly of flanges and generators, calculated and established for penstocks, also withstands external pressures of whatever nature, such as those withstood by pipes buried in deep trenches.
The two flanges with recessing of the generators and winding of the variable-pitch guide lines therefore have the effect of giving the pipe a large increase in resistance in all directions.
In addition, the flanges protect the ends of the pipe against damage, which is important for cement pipes which must be lifted, handled, transported, carried by cables, subjected to shocks, etc. The solidity of the whole is therefore increased from all points of view.
With penstocks for which the application of the reinforcement described is particularly advantageous, sealing is ensured by means of the sleeve c shown in fig. 1.
Certainly, the framework employed putting the. agglomerate material, such as concrete, cement to sand, in compression, increases its tightness, but to achieve absolute tightness, it is necessary to apply a waterproof coating consisting here of a thin coating of mild or extra steel sheet. soft formed by several sheets of thin sheet 1 to 2 mm thick joined one after the other by autogenous welding for example. This jacket does not play any role in the resistance of the pipe; it constitutes a simple covering extending from one flange to the other, where it is firmly fixed, so as to form a body with it.
In addition, it sticks to the cement and the beads formed by the welding of the different plates together resist longitudinal pressures and increase adhesion to the cement. Finally, the pressure drop will be reduced to a minimum, the coefficient of friction on the smooth steel being very low.
The flanges b can be for example made of cast iron, iron, steel, etc. and they preferably have a <B> T, </B> shaped profile so that the generators g can be perfectly fitted. The fixing of the generatrices g can for example be carried out as shown in fi, -. ? à 5. that is to say either by making them penetrate into the cavities of the flanges and by retaining them by means of a bracket a (fig. 2 and 3). This is particularly indicated when the generators are constituted by profiled irons.
When they are formed by bars of circular cross-section, they can be bent at right angles and their hook ends engaged in holes nested on the horizontal projection of the flange and held by hot or cold riveting, by forcing or nut. The arrangement shown in fig. 4 is particularly suitable for pipes having to withstand internal pressures, while the position shown in fig. 5 is intended for pipes which must withstand external pressures.
In order to allow the construction of pipes of relatively short length, provision has been made for the use of intermediate rings such as 30 and 31, shown in FIGS. 10 to 13.
To increase the action of the generator, it. It is necessary to increase its moment of inertia and reduce the length between the fittings. This length will vary, depending on the case, from 1 m to \? m at most. The pipe between the flanges will be sectioned into equal spans, by steel rings as indicated in the aforementioned fi gures. These rings have as internal diameter exactly the diameter of the pipe on the generators, which under the. pressure will build on them.
The generator will be embedded in the two end flanges, acting as a spoon, and will be supported on the bagnes acting as batteries. The generator will be a continuous beam, embedded at both ends, with spans and uniformly loaded.
The reactions on the abutment flanges and the battery rings will be calculated according to the known formulas. The static pressure hose will take the form shown in fig. 13, which is that of a 5 m pipe between flanges, divided into four 1ra; @ ées <B> du- </B> 1.25 m, established for high pressure.
In the device of FIGS. 10 to 11, the generator does not take a free support on the rings; it is fixed there by stirrup. The generator is composed alois of a series of sections of generators embedded in. their end :.
Another a.vaiit.abe of this reinforcement arises from the use of flanges. As the flanges, by virtue of their sui generative attachments, form an integral part of the pipe and form with it a solid block, it is possible to join two neighboring pipes by a flanged metal joint, with lead washers, tightened by bolt , by riveting or otherwise (fig. 14). A flexible metal gasket with a half-torus shaped bellows can be placed between two pipes as shown in fig. 15 to allow expansion or contractions due to heat or any other cause.
The flange can also be arranged to allow a certain angle between the axes of two neighboring pipes, so as to follow all the sinuosities of the route of the pipe. For this purpose, the flange has the shape of a groove, the planes of the faces of which are inclined one on the other, thus forming between them a certain angle (fig. 16), so that the throat has its greatest width at, the end of a diameter and. goes in, narrowing up.
the other end where the two faces meet. As a result, the two pipes fixed; to each of the. "flange-groove" make between them the angle / 1 '.
For the manufacture of the pipes, we first establish the dimensions of the flanges, profile, height, thickness and. metal used.
The number of generators, their size, their diameter, are determined by calculation with a view to resisting radical, axial and pressure pressures. bending. The diameter of the guides and the variable pitch of the winding are also given by the calculation. For the jacket, the dimensions of the steel sheets, thickness, length, width, number, are fixed. All the elements are then ready for use (fig. 18).
On a mold in sheet steel or wood and carrying two horizontal pins, the sheets of the jacket are placed to which the desired curvature has been given; they are welded together with autogenous welding. The outer surface then presents the weld beads in two directions, horizontal and vertical, which will embed themselves in the c * iment.
We place the straps at both ends, we weld them to the shirt as has been said. We fix the generators, we wind the di rectrices; the frame is built.
The cement is then poured by known methods, either vertically (Fig. 17) or horizontally between the inner mold and an outer mold.
In the second embodiment shown, for pipes at low pressures, the ends of the pipe are formed by means of angles b whose outer face b1 is turned upside down. The inner wing is pierced with holes where the ends of the generators g curved at right angles and held by riveting (fig. 20 and 21), riveting combined with a bracket b2 (fig. 22) or bolting are engaged, in any case to ensure a perfect fit of the generators in the angles.
These generators have a circular section.
From above are wound the guide lines d, which also have a circular section. The framework thus formed is embedded in a mass of cement formed as will be explained below.
Two adjacent pipes are joined by bolting together the flanges b (fig. 23 and 24); a sheet of malleable metal j or any other plastic material is interposed between them.
In ordinary or water ab duction pipes, the maximum resistance to be applied to the pipe is of the order of that of cast iron. With the new reinforcement, the resistance resides in all the "directing", "generating", "angle" elements, and it is shared between them, as was explained above. <B> As a result </B> the resistance of the pipe is much higher than that of ordinary pipes and is equal and even can be obtained higher than that of cast iron.
Within these pressure limits, the flanges are angle irons of the usual profile (fig. 19, 20, 21, 22), their resistance being sufficient to oppose the forces transmitted by the generators.
In addition to the. resistance, corner flanges and generators each and separately have a special action to perform, which are part of the characteristics of the pipe.
The critical part of any pipe is the joint. A joint must ensure tightness and keep the axis of two adjacent pipes invariable. In most non-metallic pipe systems, the joint is a special device, independent of the pipes it joins. Sealing is then difficult to obtain and impossible to guarantee, because subsidence of the ground disjoins the pipes or breaks them, resulting in rapid or slow destruction of the pipe.
With the pipe made in accordance with the present invention, there is no longer a joint apparatus. Two pipes are directly joined together by means of bolted or riveted angles, with the interposition of plastic materials, which angles are an integral part of the pipe by their perfect fit to the generators.
By the angles giving the flanged junction, one obtains at the same time absolute tightness and a rigid connection which makes of the channeling a single pipe, a mono-lithe pipe. .
So that a settlement, a scour of the ground does not dislocate the pipe, the canali- -ation must form a tubular beam which can bridge the void. By means of generators embedded in the angles, this result will be obtained. The generators will be calculated, according to the theory of the resistance of materials, as number and squares wise, in view of the range to be obtained.
To take account of expansions or contractions due to temperature variations, the angles allow the application of a bellows seal (fig. 25).
The application of cement on this reinforcement can be obtained by centrifugation. In this case the framework is fixed to a rotating mold. Fig. 26 indicates a device for the manufacture of a pipe without waterproof coating, FIG. 27 for hose with waterproof coating.
According to fig. 26 and 27, the framework fixed to the mold is centered by construction at the exact position, whatever its weight, its squaring, and its dimensions, hence the advantage of the regularity of the position and the application reinforced cement pipe centrifuged at higher pressures.
When the pipe has to withstand fairly low pressures, while cemented cement with its pure cement inner cap gives sufficient waterproofing, it is unnecessary to use a special waterproof coating; we then use the device shown in fig. 26; the framework is fixed in its position in the rotating mold by means of stops s; which engage in the holes made in the angle iron for the bolts.
A thin metal ring q is applied against the angle iron and is also fixed there by the branch, S 'of the stop by means of bolts. This crown gives the thickness that the cement wall of the pipe will have.
As the centrifugation of the hatched part 2c, in contact with the horizontal branch of the angle iron, would be imperfect ment, it must be lined with cement beforehand.
The framework is not placed in the mold until after this filling has set.
When the waterproofing of the cement, under pressure, is insufficient, it must be covered. inner wall of the pipe with a waterproof coating; this coating will for example be an asphalt product such as asphalt mastic, asphalt concrete, mixture of mastic and bitumen, etc. or any other matter.
The cement pipe being formed and having set, the heated asphaltic product is introduced into the mold, in the liquid state, by the rotation, the coating is obtained.
The adhesion (the cement coating is increased by the roughness of the wall, the roughness of which is formed naturally by the light materials contained in the cement concrete, or added for this purpose. This roughness can be increased by staking, scratching the wall.
To prevent cracking of the asphalt pavement by shrinkage <B> due </B> to cooling, the pipe wall can be heated before the asphalt is introduced so as to expand it. The contraction of the pipe by cooling will follow the contraction of the asphalt and this contraction of the cement wall against the coating will increase. the. binding of the two materials.
Fig. 27 shows the device to be employed for the construction of this pipe by the centrifugal force.
The waterproof covering must go up to the angle, as seen in fig. 24, and extend outwards by 1 or 2 mm so as to completely cover the wall in cement over its entire thickness. When two pipes are. side by side and strongly pressed against each other by the lugs tightened by bolts, the two asphalt walls in contact are pressed against each other. They set and form only a single asphalt mass. The tightness is absolute, the tight coating extending in a single sheet from one end to the other of the pipe, without separation or discontinuity.
The operation of centrifugation is done in two stages.
The metallic crown q carries a res jump r of 1 to 2 mm. A wooden crown q 'is introduced between it and the angle iron which has the thickness which the asphaltic coating must have. When the framework is fixed to the rat- ing mold, the wooden crown is placed, then the metal crown is firmly fixed by bolt, the cement pipe is formed by rotation. This one having taken, one removes the wooden crown, and one introduces the asphaltic product and, by rotation, it covers the cement as indicated in fig. 24.
For ordinary low pressure pipes, the guides are wound at constant pitch; for penstocks (fig. 1), they are coiled with variable pitch as indicated above.
Of course, the shapes, the dimensions of the various elements making up the frame, the materials used and all the detailed arrangements can vary in all cases without changing the principle of the invention.
The longitudinal reinforcements could be welded to the flanges and the liner provided for certain embodiments may for example be made of sheet steel and also be welded to the flanges.
The agglomerated material could be other than concrete or sand cement, for example a mixture of pitch and gravel.