EP0212593B1 - Poutrelle composite - Google Patents

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EP0212593B1
EP0212593B1 EP86111326A EP86111326A EP0212593B1 EP 0212593 B1 EP0212593 B1 EP 0212593B1 EP 86111326 A EP86111326 A EP 86111326A EP 86111326 A EP86111326 A EP 86111326A EP 0212593 B1 EP0212593 B1 EP 0212593B1
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EP
European Patent Office
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composite beam
slots
beam according
concrete
flange
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EP86111326A
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EP0212593A3 (en
Inventor
Jean-Baptiste Schleich
Raymond Baus
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Arcelor Luxembourg SA
Original Assignee
Arbed SA
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04C—STRUCTURAL ELEMENTS; BUILDING MATERIALS
    • E04C3/00—Structural elongated elements designed for load-supporting
    • E04C3/02—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces
    • E04C3/29—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces built-up from parts of different material, i.e. composite structures
    • E04C3/293—Joists; Girders, trusses, or trusslike structures, e.g. prefabricated; Lintels; Transoms; Braces built-up from parts of different material, i.e. composite structures the materials being steel and concrete

Definitions

  • the invention relates to a composite beam essentially consisting of steel profiles and concrete, the interior of the contour defined by the profiles is filled with concrete, possibly reinforced and of which at least one of the profiles has the external face of its wings. discovered.
  • a composite beam can in particular be used as a post or floor support and has excellent fire resistance.
  • Such fire-resistant composite beams have for example been described in patents LU-A- 84,772 and LU-A- 84,966.
  • the concrete filling mass is connected to the core of the profile by reinforcements, such as lattice, T-irons or head studs.
  • the section of the steel profile, the concrete section and the reinforcement section contribute according to their mechanical properties, which are a function of temperature, and their percentage of section, to the transmission of loads.
  • the load absorption function moves continuously from the section of the steel section to the section of reinforced concrete. Laboratory fire tests have shown that despite the high thermal conductivity of steel, such beams retain their load-bearing capacity beyond the required 90 minutes.
  • the object of the present invention is to avoid this drawback and to propose a composite beam, the hot properties of which are no longer dependent on the exposed steel surfaces and which leaves all latitude in its architectural design.
  • One of the major advantages of the invention consists in the fact that it allows the control of the flow of calories as well as their guiding towards places of the beam whose heating has only a limited influence on the lift of the together. In this way beams, which have a high lift when cold, but large areas of exposed steel, keep an acceptable lift when hot. Note that we can take advantage of the recesses in the profiles to position a hoop reinforcing the concrete.
  • Figs. 1 and 2 represent the isotherms (in degrees Celsius) in a quarter cross section of two known beams, after having exposed them to fire for 90 minutes.
  • the concrete filling 2 apart from the wide web sections 1 (type HE 650 AA), the concrete filling 2.
  • the two structures are distinguished by the fact that that shown in Fig. 1 comprises a reinforcement 4 (the concrete rods have been given a square section for reasons of convenience), while the structure shown in FIG. 2 has, instead of an armature, a profile H (reference 3) welded to the core of profile 1.
  • the temperature of the coldest point located each time in the concrete, is only worth 100 ° C for the variant shown in Fig. 1 while it is 220 ° C in the case of FIG. 2.
  • the most serious fact is that the temperature of the central part of the core of the profile is more than twice as high in the case of FIG. 2 (255 ° C resp. 117 ° C).
  • the presence of the section 3 reduces, as a result of the external surface 5 of one of its wings exposed to the action of fire, in unacceptable proportions the fire resistance of the assembly.
  • Fig. 3 shows a cross section through a composite beam formed by a profile 31 with a high height core and by two profiles 33 with a low height core, the wings of which are fixed by welding to the core of the profile 31.
  • the inside of the outline octagonal defined by the profiles is filled with concrete 32.
  • profiles are provided in the core with recesses 34.
  • these recesses 34 have an elongated shape and are located near the wing, close to the bulge of metal existing at the point of the passage of the core to the wing of the profile.
  • a second series of elongated recesses 44 can be provided, vertically offset (see FIG. 5).
  • the length 45 of such a recess, produced by flame cutting, is about twenty cm and its width 46 is two cm.
  • the heat flow which progresses, for conventional beams, easily from the exposed surface towards the central part of the core, is slowed down by the presence of these recesses, whether they fill with concrete during manufacture or not.
  • the thermal brake is obviously more effective when the concrete does not penetrate into the recesses, which can be ensured by housing therein material with low thermal conductivity, such as styropor.
  • Composite beams, produced according to the variants according to Figs. 4 and 5 have fire resistances which are worth 1.5 times respectively twice that of an identical structure, but without recesses in the core.
  • elongated recesses can be given, according to manufacturing constraints, any other shape and arrangement capable of ensuring the desired goal.
  • angles 71 are fixed to it by welding.
  • the angles 71 are combined with the recesses shown in FIG. 6, we can take advantage of the holes 61 (located at the extreme right of this figure) to bolt the angle iron to the core.
  • the concrete bars 72 are joined together and fixed to the web of the profile using spot welding.
  • Auxiliary structures not only increase cold and hot load-bearing capacity of the composite beam but also favorably influence the heat flow when hot. In fact, there is redistribution of calories from the core to the concrete thanks to the cooling fin effect which these auxiliary structures play. This effect is particularly pronounced for the angles 71 and the flat irons 74. The central metal parts 75 and 76 of the sections 31 and 33 are therefore all the less heated.
  • Fig. 8 has been shown a composite beam with rectangular section, constituted by a profile 81, with a high height core and two profiles 82, with a low height core.
  • the composite beam with hexagonal section shown in Fig. 9, is constituted by concrete 32 and a solid central tube 91 to which have been welded, with an offset of 120 °, three T-profiles 92.
  • the recesses 34 provide this beam, despite the high exposed metal / metal ratio protected by concrete, acceptable fire resistance. It is nevertheless advisable to additionally have angles 71 or flat irons 74 taken from recesses 34.
  • the composite beam with hexagonal section shown in Fig. 10, is constituted by concrete 32 and a very high-profile core 101, to which two T-profiles 102 have been fixed by welding.
  • the recesses 34 which have also been provided in the profiles 102, are, as a result of their small exposed area, not absolutely necessary.
  • the composite beam with triangular section and rounded corners shown in Fig. 11, is made up of concrete 32 and three T-sections 111, at the ends of the cores from which thirds of the tube have been welded 112.
  • the different wings of the sections 111 are joined by welding and define a space 113 which can be kept available or fill with concrete or even with water.

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Description

  • L'invention concerne une poutrelle composite constituée essentiellement par des profilés en acier et du béton dont l'intérieur du contour défini par les profilés est rempli par du béton, éventuellement armé et dont au moins un des profilés a la face externe de ses ailes à découvert. Une telle poutrelle peut notamment être utilisée comme poteau ou support de plancher et présente une excellente résistance au feu.
  • De telles poutrelles composites résistantes au feu ont par exemple été décrites dans les brevets LU-A- 84 772 et LU-A- 84 966. La masse de remplissage en béton est reliée à l'âme du profilé par des armatures, tels que des treillis, des fers en T ou des goujons à tête. La section du profilé en acier, la section du béton et la section d'armature contribuent selon leurs propriétés mécaniques, qui sont fonction de la température, et leur pourcentage de section, à la transmission des charges. En cas d'incendie, il se produit, à mesure que la température augmente, un déplacement continu de la fonction d'absorption de la charge de la section du profilé en acier à la section du béton armé. Des essais d'incendie en laboratoire ont montré que malgré la haute conductivité thermique de l'acier, de telles poutrelles conservent leur force portante au delà des 90 minutes requises.
  • Etant donné que la surface de métal offerte au feu joue un rôle prépondérant dans le processus d'échauffement de telles poutrelles composites et par suite dans la diminution de portance, des structures intéressantes d'un point de vue esthétique, force portante à froid ou facilité de fabrication ne peuvent, où bien pas être employées dans des bâtiments élevés, ou alors doivent être surdimensionnées de manière telle que leur prix de revient devient prohibitif.
  • Le but de la présente invention est d'éviter cet inconvénient et de proposer une poutrelle composite dont les propriétés à chaud ne sont plus tributaires des surfaces d'acier à découvert et qui laisse toute latitude dans sa conception architecturale.
  • Ce but est atteint par la poutrelle selon l'invention telle que caractérisée dans la revendication principale. Des variantes d'exécution préférentielles sont décrites dans les sous-revendications.
  • Un des avantages majeurs de l'invention consiste dans le fait qu'elle permet le contrôle du flux des calories ainsi que leur guidage vers des endroits de la poutrelle dont l'échauffement n'a qu'une influence limitée sur la portance de l'ensemble. De cette façon des poutrelles, qui ont une portance élevée à froid, mais de grandes surfaces d'acier à découvert, gardent une portance acceptable à chaud. Notons qu'on peut profiter des évidements dans les profilés pour positionner un cerclage renforçant le béton.
  • L'invention sera illustrée à l'aide de figures, qui montrent de façon non-limitative quelques variantes d'exécution. Il est représenté:
    • en Fig. 1, l'allure des isothermes pour une poutrelle classique ayant une bonne résistance au feu,
    • en Fig. 2, l'allure des isothermes pour une poutrelle classique offrant une surface métallique élevée au feu;
    • en Fig. 3, une section droite d'une poutrelle réalisée conformément à l'invention;
    • en Fig. 4, une coupe à travers la Fig. 3, selon la ligne IV-IV;
    • en Fig. 5 et 6, des variantes d'évidements;
    • en Fig. 7 une section droite à travers une variante d'exécution d'une poutrelle;
    • en Fig. 8, 9, 10, 11 et 12, des sections droites de quelques poutrelles composites à contour polygonal.
  • Les Fig. 1 et 2 représentent les isothermes (en degrés Celsius) dans un quart de section droite de deux poutrelles connues, après les avoir exposées au feu pendant 90 minutes. On remarque, à part les profilés à âme large 1 (type HE 650 AA), le remplissage en béton 2. Les deux structures se distinguent par le fait que celle représentée en Fig. 1 comporte une armature 4 ( on a donné aux ronds à béton une section carrée pour des raisons de commodité), alors que la structure représentée en Fig. 2 possède au lieu d'une armature un profilé H (référence 3) soudé à l'âme du profilé 1. En comparant l'allure des isothermes de ces deux poutrelles composites, on constate que la présence du profilé 3, dont une des ailes n'est pas protégée par du béton, a un effet néfaste sur la distribution des températures dans la majeure partie de la section. Bien que le point le plus chaud, situé à l'extrémité de l'aile du profilé 1, a une température qui n'est que légèrement plus élevée pour la variante représentée en Fig. 2 (975 °C resp. 961 °C), la température du point le plus froid, situé à chaque fois dans le béton, ne vaut que 100 °C pour la variante montrée en Fig. 1 alors qu'elle est de 220 °C dans le cas de la Fig. 2. Le fait le plus grave est que la température de la partie centrale de l'âme du profilé est plus de deux fois plus élevée dans le cas de la Fig. 2 (255 °C resp. 117 °C). La présence du profilé 3 réduit, par suite de la surface externe 5 d'une de ses ailes exposée à l'action du feu, dans des proportions inacceptables la résistance au feu de l'ensemble.
  • La Fig. 3 montre une section droite à travers une poutrelle composite constituée par un profilé 31 à âme de forte hauteur et par deux profilés 33 à âme de faible hauteur dont les ailes sont fixées par soudage à l'âme du profilé 31. L'intérieur du contour octogonal défini par les profilés est rempli par du béton 32. Par suite des grandes surfaces métalliques à découvert, une telle structure a en soi une médiocre résistance au feu. Selon l'invention on prévoit dans l'âme des profilés des évidements 34. Comme on peut le voir sur la Fig. 4, ces évidements 34 ont une forme allongée et sont situés près de l'aile, avoisinant le renflement de métal existant à l'endroit du passage de l'âme à l'aile du profilé. A côté de cette première série d'évidements 34 on peut prévoir une deuxième série d'évidements allongés 44, décalée verticalement (voir Fig. 5).
  • La longueur 45 d'un tel évidement, réalisé par oxycoupage, est de quelque vingt cm et sa largeur 46 de deux cm. Le flux thermique qui progresse, pour les poutrelles classiques, aisément de la surface exposée vers la partie centrale de l'âme, est freiné par la présence de ces évidements, qu'ils se remplissent de béton lors de la fabrication ou non. Le frein thermique est évidemment plus efficace lorsque le béton ne pénètre pas dans les évidements, ce qui peut être assuré en y logeant du matériau à faible conductivité thermique, comme du styropor. Des poutrelles composites, réalisées conformément aux variantes selon les Fig. 4 et 5,ont des résistances au feu qui valent 1,5 fois respectivement le double de celle d'une structure identique, mais sans évidements dans l'âme. Au lieu de choisir des évidements allongés et de les disposer parallèlement à l'aile, on peut leur donner, selon les contraintes de fabrication, toute autre forme et disposition apte à assurer le but recherché. On peut par exemple percer des trous 61 d'un diamètre de deux cm dans l'âme et simplement relier ces trous par oxycoupage (voir Fig. 6), ce qui conduit à une fente 62 de quelques mm de largeur.
  • Il est bien évident que ces évidements, bien qu'améliorant la résistance au feu de la poutrelle composite, affaiblissent sa force portante à froid. Pour remédier à ce désavantage, on peut fixer au voisinage des évidements 34 et côté âme du profilé, des cornières 71, des ronds à béton 72, des fers carrés 73 ou des fers plats 74 (voir Fig. 7). Ces structures auxiliaires métalliques, qui longent le profilé sur la majeure partie de sa hauteur, sont fixées à celui-ci par soudage. Lorsqu'on combine les cornières 71 avec les évidements représentés en Fig. 6, on peut profiter des trous 61 (situés à l'extrême droite de cette figure) pour boulonner la cornière sur l'âme. Les ronds à béton 72 sont solidarisés entre eux et fixés sur l'âme du profilé à l'aide de soudage par points. Les structures auxiliaires n'augmentent pas seulement la force portante à froid et à chaud de la poutrelle composite mais influencent également favorablement à chaud le flux des calories. En effet il y a redistribution de calories de l'âme vers le béton grâce à l'effet d'ailette de refroidissement que jouent ces structures auxiliaires. Cet effet est particulièrement prononcé pour les cornières 71 et les fers plats 74. Les parties métalliques centrales 75 et 76 des profilés 31 et 33 sont donc d'autant moins rechauffées.
  • Sur la Fig. 8 a été représentée une poutrelle composite à section rectangulaire, constituée par un profilé 81, à âme de forte hauteur et deux profilés 82, à âme de faible hauteur. Le fait de réaliser dans les âmes, près des ailes visibles, les évidements selon la Fig. 4, procure une augmentation de la résistance au feu de 50 %.
  • La poutrelle composite à section hexagonale, montrée en Fig. 9, est constituée par du béton 32 et un tube central plein 91 auquel ont été soudés, avec un décalage de 120°, trois profilés en T 92. Les évidements 34 procurent à cette poutrelle, en dépit du rapport élevé métal à découvert /métal protégé par le béton, une résistance au feu acceptable. Il est néanmoins conseillé de disposer en outre des cornières 71 ou des fers plats 74 pris des évidements 34.
  • La poutrelle composite à section hexagonale, montrée en Fig. 10, est constituée par du béton 32 et un profilé à âme de forte hauteur 101, auquel ont été fixés par soudage deux profilés en T 102. Les évidements 34, qui ont également été prévus dans les profilés 102 ne sont, par suite de leur faible surface exposée, pas absolument nécessaires.
  • La poutrelle composite à section triangulaire et aux coins arrondis, représentée en Fig. 11, est constituée par du béton 32 et trois profilés en T 111, aux extrémités des âmes desquels ont été soudé des tiers de tube 112. Les différentes ailes des profilés 111 sont solidarisées par soudage et définissent un espace 113 qu'on peut garder disponible ou bien remplir par du béton ou même par de l'eau. On distingue en outre des treillis 114, destinés à renforcer le béton en prévenant son éclatement et fixés aux ailes des profilés 111 par des éléments de liaison 115.
  • En prenant, à la place des profilés en T, aux extrémités des âmes desquels ont été soudés des tiers de tube, trois profilés 120 ayant une section en forme de I, on obtient une poutrelle composite à section hexagonale tel que représentée sur la Fig.12.
  • Notons que pour ne pas alourdir les figures on n'a pas représenté dans les autres variantes des éléments d'armature du béton. Ceux-ci peuvent être constitués par des ronds à béton, des treillis, des goujons à tête ou des cerclages passant par les évidements. Pour certaines poutrelles composites (p. ex. celle représentée en Fig.7), comportant des cornières au voisinage de chacune des ailes exposées, il peut s'avérer superflu de prévoir des armatures supplémentaires pour le béton.

Claims (10)

  1. Poutrelle composite, constituée essentiellement par des profilés en acier (31,33;81,82;92;101,102;111;120) et du béton (32), dont l'intérieur du contour défini par les profilés est rempli par du béton, éventuellement armé, et dont au moins un des profilés a la face externe de ses ailes à découvert, caractérisée en ce qu'au moins un des profilés ayant la face externe de ses ailes à découvert comporte sur la majeure partie de sa longueur des évidements allongés (34;62;44), lesdits évidements s'étendant dans la partie de l'âme voisine de l'aile à découvert.
  2. Poutrelle selon la revendication 1, caractérisée en ce que les évidements (34;44;62) ont la forme de rectangles oblongs aux bords arrondis.
  3. Poutrelle selon la revendication 1, caractérisée en ce que les évidements sont constitués chacun par deux trous (61) reliés par découpage d'un filet mince (62) de matière située entre eux.
  4. Poutrelle selon une des revendications 1-3, caractérisée en ce que les évidements (34) allongés sont sensiblement parallèles à l'aile à découvert du profilé.
  5. Poutrelle selon une des revendications 1-3, caractérisée en ce que les évidements allongés (61,62) sont disposés obliquement par rapport à l'aile à découvert du profilé.
  6. Poutrelle selon les revendications 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième série d'évidements (44), semblable à la première et décalée horizontalement et verticalement par rapport à celle-ci.
  7. Poutrelle selon une des revendications 1-6, caractérisée en ce qu'un matériau à faible conductivité thermique, tel que de l'air, du Styropor ou du PVC, se trouve dans les évidements.
  8. Poutrelle selon une des revendications 1-7, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une structure auxiliaire métallique s'étendant sur la majeure partie de sa longueur, ladite structure auxiliaire étant disposée le long des faces de l'âme au voisinage des évidements (34;44;61,62) et du côté centre de la poutrelle.
  9. Poutrelle selon la revendication 8, caractérisée en ce que la structure auxiliaire est constituée par des ronds à béton (72), des cornières, des fers plats (74) ou des fers carrés (73).
  10. Poutrelle selon une des revendications 1-9, caractérisée en ce que les profilés la composant ainsi que la structure auxiliaire sont soit soudés, soit boulonnés partiellement ou totalement ensemble.
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EP0212593A2 EP0212593A2 (fr) 1987-03-04
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