La présente invention a pour objet un dispositif de renforcement des structures, notamment des dalles en béton armé.
La construction de dalles minces appuyées sur des colonnes est un type de construction qui a été développé dans les années cinquante pour la construction de bâtiments, d'usines, de ponts etc. La rupture de ce type de structure se produit principalement soit par flexion soit par poinçonnement. La rupture par flexion se produit par formation de ligne de ruptures formant un mécanisme entraînant la ruine progressive de la structure. La rupture par poinçonnement d'une dalle en béton armé se produit comme schématisée à la fig. 1, lorsque la colonne A supportant la dalle B perfore brusquement la dalle par extrusion d'un cône de béton délimité par la fissure de poinçonnement C inclinée entre 30 DEG et 60 DEG . Cette rupture est dangereuse car elle est de type fragile (opposé de ductile) c'est-à-dire qu'elle se produit, brusquement et sans signe précurseur.
De plus, la diminution de la capacité portante est très importante.
La rupture par flexion d'une dalle peut être évitée par la mise en place d'une armature horizontale. Par contre, la rupture par poinçonnement peut difficilement être évitée. Cependant, la charge à laquelle cette rupture se produit peut être augmentée de telle manière que la sécurité de la structure est garantie pour un niveau de charge donné.
Les deux moyens les plus efficaces pour augmenter la résistance vis-à-vis de la rupture par poinçonnement lors de la conception de la structure sont: (1) augmenter l'épaisseur de la dalle, (2) augmenter la section de la colonne. De plus, il est possible de rélargir localement la colonne à proximité de la dalle par ce qui est couramment appelé une colonne champignon ou encore d'augmenter l'épaisseur de la dalle à proximité de la colonne. Pour des raisons architecturales ces moyens sont limités.
La résistance vis-à-vis de la rupture par poinçonnement d'une dalle en béton armé est augmentée, par l'emploi de barres d'armature pliées. Cette solution est décrite déjà en 1938 par O. Graf (Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, 1938, Heft 88). Une autre méthode permettant d'augmenter la résistance vis-à-vis de la rupture par poinçonnement est de mettre en place des goujons. Plusieurs procédés ont été décrits dans des brevets par exemple: Leonhardt et Andrä DE 2 727 159 B2, Ghali et Dilger CA-A 1 085 642. Un autre moyen d'augmenter la résistance vis-à-vis de la rupture par poinçonnement est la mise en place de tête de poinçonnement. Plusieurs têtes de poinçonnement ont fait l'objet de brevets, par exemple: Geilinger CH-382 950 et Riss EP 0 318 712 A1.
Les moyens décrits pour augmenter la résistance vis-à-vis de la rupture par poinçonnement sont à prévoir lors de la conception de la structure porteuse. De plus, ils sont mis en place avant la phase de bétonnage de la dalle. Par contre, une fois que la dalle est coulée, le problème est différent et a été très rarement traité. Ce problème de renforcement de dalles existantes devient de plus en plus important car plusieurs structures ont été dimensionnées pour un certain niveau de charge, qui vu leur nouvelle affectation est augmenté.
Une méthode pour augmenter la résistance vis-à-vis de la rupture par poinçonnement d'une dalle existante consiste à augmenter la zone d'appui, donc à rélargir la colonne. La colonne peut être rélargie sur toute la hauteur ce qui présente le grand désavantage que la place utilisée est plus grande. Une autre possibilité est d'élargir la colonne seulement au sommet de cette dernière soit à proximité de la dalle. Cette solution est difficilement réalisable techniquement puisqu'il faut fixer cette sur-épaisseur sur la colonne soit par perçage soit par bridage.
En 1974, A. Ghali, M.A. Sargious et A. Huizer (ACI Publication SP-42, 1974) publient des tests effectués sur une dalle qui était précontrainte verticalement. Cette précontrainte verticale était introduite par des boulons standards mis en place dans un trou sans aucune injection. Les tests ont montré que la précontrainte verticale augmente légèrement la charge de rupture mais surtout que la ductilité de la structure est augmentée. La mise en place de boulons standards crée une sur-épaisseur importante de la dalle.
Le dispositif de renforcement de structures, notamment de dalles en béton armé, selon l'invention utilise ce principe de précontrainte verticale appliqué à des goujons. Le dispositif selon l'invention défini à la revendication 1 a pour but de permettre le renforcement d'une dalle existante.
L'invention sera mieux comprise et ses avantages apparaîtront clairement à la lecture de la description de forme d'exécution donnée à titre d'exemple en regard des dessins sur lesquels:
la fig. 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention,
la fig. 2 représente le même dispositif que celui de la fig. 1 mais à une échelle plus grande permettant de montrer un système de précontrainte selon l'invention,
la fig. 3 représente une variante du système de précontrainte selon l'invention,
la fig. 4 représente plusieurs possibilités de réaliser l'injection d'un dispositif selon l'invention,
la fig. 5 représente quatre phases de la mise en Öuvre d'un dispositif selon l'invention,
Une forme d'exécution du dispositif selon l'invention, dénommée "goujon précontraint" est illustrée à la fig. 1. Une structure composée d'une colonne A sur laquelle est appuyée une dalle B se rompt par poinçonnement par formation d'une fissure de poinçonnement C inclinée entre 30 DEG et 60 DEG . Pour renforcer cette structure, la solution proposée consiste à forer un trou D dans la dalle et d'insérer le goujon précontraint. Ce goujon précontraint est composé de plaques d'appuis F et E de chaque côté de la dalle et de une ou plusieurs pièces de traction composée des éléments G et H. Un coulis d'injection l est utilisé pour remplir les vides entre le trou et le goujon précontraint.
Un système de mise en précontrainte du goujon est détaillé à la fig. 2. Il est composé de deux pièces: la pièce d'ancrage et la pièce de précontrainte. La pièce d'ancrage est constituée d'une plaque E qui sert de plaque d'appui et un élément G. Cette plaque est soit fixée à la structure soit bloquée par une clef pour éviter la rotation de la pièce ancrage. L'élément G est fixé par exemple par soudage ou boulonnage sur cette plaque E. La pièce de précontrainte comprend une plaque F qui sert de plaque d'appui et l'élément H. Cette plaque F peut être de surface inférieure ou égale à la plaque E car elle est en contact avec la zone de la structure qui est comprimée, alors que la plaque E est en contact avec la zone en traction (peut être fissurée).
La plaque F sert de plus à la mise en précontrainte du goujon par vissage, donc elle possède une forme permettant d'introduire la force de serrage à l'aide d'une clef, par exemple de forme carrée ou octogonale. Sur la plaque F est fixé par exemple par soudage ou vissage un tube H qui est fileté à l'intérieur. Le filetage du tube H permet le vissage avec l'élément G.
Une autre variante du système de mise en précontrainte est illustré à la fig. 3. La pièce d'ancrage est similaire à la pièce d'ancrage présentée à la fig. 2. Par contre la pièce de précontrainte est caractérisée par un élément fileté à l'extérieur T, sur lequel est fixé un tube ou manchon de raccordement fileté à l'intérieur J.
La forcé de précontrainte est optionnelle et elle peut également être nulle de telle manière que les deux pièces sont juste vissées ensemble. Ceci résulte en une mise en Öuvre plus simple mais une augmentation de la ductilité du comportement de la structure plus faible, donc l'efficacité du système sera moins bonne.
Plusieurs systèmes d'injections sont présentés à la fig. 4. Ces systèmes s'adaptent aux systèmes de mise en précontrainte présentés aux fig. 2 et 3. Le système standard est caractérisé par un trou d'injection L par lequel le coulis d'injection se propage le long de l'élément G, pénètre à l'intérieur du tube H ou du manchon J et passe à l'extérieur du goujon par le trou S pour remplir le vide entre le trou et le goujon. Un système d'injection simplifié est obtenu en utilisant un des trous K, N ou O comme trou d'injection. L'air ainsi que le surplus de coulis d'injection injectés sont évacués pour permettre entre autre de contrôler que le coulis d'injection a bien circulé. Le trop plein d'injection peut être évacué entre la plaque E et la surface de la structure.
La plaque E peut également être rainurée par des rainures radiales (partant du centre jusqu'à l'extrémité de la plaque) pour facilité l'écoulement du surplus d'injection. Un trou de trop plein M peut également être envisagé. L'étanchéité, de la pièce de précontrainte permettant de garantir que le coulis d'injection ne fuit pas à l'interface entre la plaque F et la structure est obtenue soit par l'adjonction d'un joint d'étanchéité P ou Q ou encore par une nervure R de la plaque F en forme de V. Cette nervure pénètre à l'intérieur de la structure lors du vissage. L'effet de l'injection sur la résistance de la structure est augmenté si les éléments G, H et T sont rainurés ou nervurés le long de leurs surfaces extérieures pour ainsi augmenter l'adhérence avec le coulis d'injection.
Il est à noter que l'injection est facultative mais que cette injection augmente la résistance de la structure.
La mise en Öuvre du dispositif se déroule en quatre phases comme illustré à la fig. 5 pour le goujon précontraint présenté à la fig. 2 (même mise en Öuvre pour le goujon présenté à la fig. 3). La première phase (l) consiste à perforer un trou traversant complètement la structure à renforcer en veillant à ne pas couper d'armature. La deuxième phase (ll) consiste à mettre en place la pièce d'ancrage et la pièce de précontrainte de chaque côté du trou. La troisième phase (lll) consiste à visser la pièce de précontrainte dans la pièce d'ancrage. Le couple de serrage correspondant à la force de précontrainte introduite dans la structure. La dernière phase (IV) est la phase d'injection qui est facultative et qui consiste à remplir les interstices entre le goujon et le trou d'un coulis d'injection qui se rigidifiera avec le temps.
Le goujon précontraint ainsi que sa mise en Öuvre ont été développés pour le renforcement de dalle en béton armé vis-à-vis de la rupture par poinçonnement. Ce dispositif peut également être appliqué au renforcement de toute sorte de pièces en béton non armé, armé ou précontraint au travers desquelles une fissure peut apparaître ou est partiellement formée. Ce goujon précontraint s'applique par exemple au renforcement de poutres ou de sommiers vis-à-vis d'une rupture à l'effort tranchant ou de colonnes. Le goujon précontraint peut également être appliqué au renforcement de différents matériau de construction comme par exemple les structures en bois, brique ou en acier pour autant que le goujon précontraint aie une résistance à la traction au moins trois fois supérieure à celle du matériau à renforcer.
Le renforcement de dalles existantes est un problème complexe et le goujon précontraint développé, permet de concevoir un tel renforcement. La mise en place du goujon précontraint possède le désavantage que la structure existante doit être perforée. Cette perforation diminue momentanément la capacité portante de la structure. Mais par contre, une fois que le goujon est mis en place et qu'il est précontraint, la résistance de la structure est alors plus élevée qu'initialement. En plus, une fois que l'injection a été effectuée, la structure se comportera, de manière monolithique et la transmission des forces du goujon à la structure est donc améliorée, résultant en une augmentation supplémentaire de la capacité portante donc de la sécurité.
La, mise en place du goujon précontraint résulte seulement en une légère sur-épaisseur locale de la dalle puisque le système de précontrainte, soit le pas de vis se trouve à l'intérieur de la dalle contrairement aux écrous standards. De plus, la position de système de précontrainte à l'intérieur de la dalle augmente la résistance à la corrosion du système puisqu'il est parfaitement protégé par le coulis d'injection. Constructivement, cette méthode est également intéressante car elle est facilement mise en place et le prix de revient du goujon précontraint ne devrait pas être trop élevé.
The present invention relates to a device for reinforcing structures, in particular reinforced concrete slabs.
The construction of thin slabs supported on columns is a type of construction which was developed in the fifties for the construction of buildings, factories, bridges etc. The rupture of this type of structure occurs mainly either by bending or by punching. Bending failure occurs by forming a line of ruptures forming a mechanism leading to gradual ruin of the structure. The puncture failure of a reinforced concrete slab occurs as shown in fig. 1, when the column A supporting the slab B suddenly perforates the slab by extruding a concrete cone delimited by the punching crack C inclined between 30 DEG and 60 DEG. This rupture is dangerous because it is of fragile type (opposite of ductile), that is to say that it occurs, suddenly and without precursor sign.
In addition, the reduction in bearing capacity is very significant.
Breaking by bending of a slab can be avoided by the installation of a horizontal reinforcement. On the other hand, breakage by punching can hardly be avoided. However, the load at which this failure occurs can be increased in such a way that the safety of the structure is guaranteed for a given load level.
The two most effective means of increasing the resistance to puncture rupture during the design of the structure are: (1) increasing the thickness of the slab, (2) increasing the section of the column. In addition, it is possible to locally widen the column near the slab by what is commonly called a mushroom column or even to increase the thickness of the slab near the column. For architectural reasons these means are limited.
The resistance to breaking by punching of a reinforced concrete slab is increased, by the use of folded rebar. This solution was already described in 1938 by O. Graf (Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, 1938, Heft 88). Another method of increasing the resistance to breakage by punching is to install studs. Several methods have been described in patents, for example: Leonhardt and Andrä DE 2,727,159 B2, Ghali and Dilger CA-A 1,085,642. Another means of increasing the resistance to puncture failure is the installation of punching head. Several punching heads have been the subject of patents, for example: Geilinger CH-382 950 and Riss EP 0 318 712 A1.
The means described to increase the resistance against breakage by punching are to be provided during the design of the support structure. In addition, they are put in place before the concreting phase of the slab. However, once the slab is poured, the problem is different and has been very rarely dealt with. This problem of reinforcement of existing slabs becomes more and more important because several structures have been dimensioned for a certain level of load, which seen their new allocation is increased.
One method of increasing the resistance to breakage by punching an existing slab is to increase the support area, therefore to widen the column. The column can be widened over the entire height which has the great disadvantage that the space used is larger. Another possibility is to widen the column only at the top of the latter, close to the slab. This solution is hardly technically feasible since it is necessary to fix this extra thickness on the column either by drilling or by clamping.
In 1974, A. Ghali, M.A. Sargious and A. Huizer (ACI Publication SP-42, 1974) published tests carried out on a slab which was vertically prestressed. This vertical prestress was introduced by standard bolts placed in a hole without any injection. Tests have shown that vertical prestressing slightly increases the breaking load, but above all that the ductility of the structure is increased. The installation of standard bolts creates a significant excess thickness of the slab.
The device for reinforcing structures, in particular reinforced concrete slabs, according to the invention uses this principle of vertical prestressing applied to studs. The device according to the invention defined in claim 1 aims to allow the reinforcement of an existing slab.
The invention will be better understood and its advantages will become clear on reading the description of an embodiment given by way of example with reference to the drawings in which:
fig. 1 represents a first embodiment of the device according to the invention,
fig. 2 shows the same device as that of FIG. 1 but on a larger scale making it possible to show a prestressing system according to the invention,
fig. 3 represents a variant of the prestressing system according to the invention,
fig. 4 represents several possibilities for injecting a device according to the invention,
fig. 5 represents four phases of the implementation of a device according to the invention,
An embodiment of the device according to the invention, called "prestressed stud" is illustrated in FIG. 1. A structure composed of a column A on which a slab B is supported breaks by punching by forming a punching crack C inclined between 30 DEG and 60 DEG. To reinforce this structure, the proposed solution consists in drilling a hole D in the slab and inserting the prestressed stud. This prestressed stud is composed of support plates F and E on each side of the slab and one or more traction pieces composed of elements G and H. An injection grout l is used to fill the voids between the hole and the prestressed stud.
A system for prestressing the stud is detailed in fig. 2. It is made up of two parts: the anchoring part and the prestressing part. The anchoring part consists of a plate E which serves as a support plate and an element G. This plate is either fixed to the structure or blocked by a key to prevent rotation of the anchoring part. The element G is fixed for example by welding or bolting to this plate E. The prestressing part comprises a plate F which serves as a support plate and the element H. This plate F can be of surface less than or equal to the plate E because it is in contact with the zone of the structure which is compressed, while plate E is in contact with the zone in tension (can be cracked).
The plate F is also used for prestressing the stud by screwing, so it has a shape allowing the clamping force to be introduced using a key, for example of square or octagonal shape. On the plate F is fixed for example by welding or screwing a tube H which is threaded inside. The thread of tube H allows screwing with element G.
Another variant of the prestressing system is illustrated in FIG. 3. The anchor piece is similar to the anchor piece shown in fig. 2. On the other hand, the prestressing part is characterized by an externally threaded element T, on which is fixed an internally threaded connection tube or sleeve J.
The prestressing force is optional and it can also be zero so that the two parts are just screwed together. This results in a simpler implementation but an increase in the ductility of the behavior of the structure which is weaker, therefore the efficiency of the system will be less good.
Several injection systems are shown in fig. 4. These systems adapt to the prestressing systems presented in figs. 2 and 3. The standard system is characterized by an injection hole L through which the injection grout propagates along the element G, penetrates inside the tube H or the sleeve J and passes to the outside of the stud through hole S to fill the gap between the hole and the stud. A simplified injection system is obtained by using one of the holes K, N or O as the injection hole. The air and the surplus injection grout injected are evacuated to allow, among other things, to check that the injection grout has circulated well. The injection overflow can be evacuated between the plate E and the surface of the structure.
The plate E can also be grooved by radial grooves (from the center to the end of the plate) to facilitate the flow of the injection surplus. An overflow hole M can also be envisaged. The tightness of the prestressing part to ensure that the injection grout does not leak at the interface between the plate F and the structure is obtained either by the addition of a seal P or Q or again by a rib R of the plate F in the shape of V. This rib penetrates inside the structure during screwing. The effect of the injection on the strength of the structure is increased if the elements G, H and T are grooved or ribbed along their external surfaces, thereby increasing the adhesion with the injection grout.
It should be noted that the injection is optional but that this injection increases the strength of the structure.
The implementation of the device takes place in four phases as illustrated in fig. 5 for the prestressed stud presented in FIG. 2 (same implementation for the stud shown in fig. 3). The first phase (l) consists of punching a hole completely through the structure to be reinforced, taking care not to cut any reinforcement. The second phase (ll) consists in placing the anchoring part and the prestressing part on each side of the hole. The third phase (III) consists of screwing the prestressing part into the anchoring part. The tightening torque corresponding to the prestressing force introduced into the structure. The last phase (IV) is the injection phase which is optional and which consists in filling the interstices between the stud and the hole with an injection grout which will stiffen over time.
The prestressed stud as well as its implementation have been developed for the reinforcement of reinforced concrete slabs against breakage by punching. This device can also be applied to the reinforcement of all kinds of unreinforced, reinforced or prestressed concrete parts through which a crack can appear or is partially formed. This prestressed stud is applied, for example, to the reinforcement of beams or box springs against a break in shear force or columns. The prestressed stud can also be applied to the reinforcement of various building materials such as, for example, wooden, brick or steel structures, provided that the prestressed stud has a tensile strength at least three times that of the material to be reinforced.
Reinforcement of existing slabs is a complex problem and the pre-stressed stud developed, makes it possible to design such reinforcement. The installation of the prestressed stud has the disadvantage that the existing structure must be perforated. This perforation temporarily reduces the bearing capacity of the structure. But on the other hand, once the dowel is put in place and that it is prestressed, the resistance of the structure is then higher than initially. In addition, once the injection has been carried out, the structure will behave in a monolithic manner and the transmission of forces from the stud to the structure is therefore improved, resulting in a further increase in the bearing capacity and therefore in safety.
The installation of the pre-stressed stud only results in a slight local over-thickness of the slab since the pre-stress system, ie the thread is located inside the slab unlike standard nuts. In addition, the position of the prestressing system inside the slab increases the corrosion resistance of the system since it is perfectly protected by the injection grout. Constructively, this method is also interesting because it is easily implemented and the cost price of the prestressed stud should not be too high.