FR3013085A1 - Cheville a douille expansible et son utilisation pour la fixation d'une piece a un materiau support - Google Patents

Abstract

Cheville (10) à douille expansible, comportant (i) un corps longitudinal (12) fileté formé d'une seule pièce avec un cône d'expansion (16) à l'une de ses extrémités, ce cône étant relié au reste du corps par une portion cylindrique (18) de diamètre d1 inférieur au diamètre nominal D du corps, et (ii) une douille (14) expansible d'épaisseur e montée autour de ladite portion cylindrique du corps et à travers laquelle le cône d'expansion est destiné à être déplacé pour déformer la douille et ancrer la cheville dans un trou d'un matériau support, caractérisée en ce que le rapport d1/D est supérieur ou égal à 60% et le rapport e/d1 est supérieur ou égal à 22%.

Description

Cheville à douille expansible et son utilisation pour la fixation d'une pièce à un matériau support DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une cheville à douille expansible et son utilisation pour la fixation d'une pièce à un matériau support, en particulier un matériau support susceptible d'être soumis à des sollicitations sismiques. ETAT DE L'ART Typiquement, une cheville à douille expansible comporte i) un corps longitudinal fileté formé d'une seule pièce avec un cône d'expansion à l'une de ses extrémités, ce cône étant relié au reste du corps par une portion cylindrique de diamètre inférieur au diamètre nominal du corps, et ii) une douille expansible montée autour de ladite portion cylindrique du corps et à travers laquelle le cône d'expansion est destiné à être déplacé pour déformer la douille et ancrer la cheville dans un trou d'un matériau support. Les documents US-Al-2010/0104393 et WO-A1-2012/120488 décrivent des chevilles de ce type. Une cheville de ce type est utilisée généralement dans un support béton après y avoir percé un trou de réception au diamètre nominal du corps.

La partie d'extrémité de la cheville comportant le cône d'expansion et portant la douille expansible est engagée en force dans ce trou, en frappant par exemple la cheville avec un marteau. La pièce à fixer est rapportée sur le matériau support de façon à ce que la partie filetée de la cheville traverse la pièce à fixer, cette partie filetée recevant un écrou de serrage de la pièce contre le matériau support. Ce serrage provoque une translation axiale du corps vis-à-vis de la douille de la cheville, vers l'extérieur du trou. Le cône du corps coopère alors avec la douille et la force à s'expanser, ce qui assure l'ancrage de la douille dans le matériau support et la tenue de la cheville vis-à-vis du matériau support.

Après expansion de la douille, la résistance en traction de ce type de cheville est généralement fonction de la section de la portion cylindrique du corps recevant la douille, qui est la portion de plus faible diamètre du corps de la cheville (aussi longtemps que la douille reste solidaire du matériau support et que ce dernier supporte les contraintes engendrées par la fixation). Toutefois, les réglementations en la matière évoluent désormais vers des produits homologués sous sollicitations sismiques. Ceci se traduit par des conditions d'essais des produits plus sévères. En particulier, les produits doivent subir des essais dynamiques dans des bétons fissurés dont les largeurs de fissures augmentent avec ces nouvelles conditions sismiques. Les produits connus qui satisfaisaient les conditions d'homologation antérieures voient leurs performances généralement réduites, ou même parfois ne fonctionnent plus du tout en sollicitations sismiques. L'évolution de ces conditions d'homologation, et en particulier l'augmentation de la largeur des fissures du matériau support recevant ce type de cheville lors des essais de certification, font que la douille a davantage de difficultés à rester solidaire du matériau support, ou à maintenir convenablement le corps de la cheville lorsque ce dernier subit des sollicitations sismiques. La présente invention propose une solution simple, efficace et économique à ce problème.

EXPOSE DE L'INVENTION L'invention propose ainsi une cheville à douille expansible, comportant : i) un corps longitudinal fileté formé d'une seule pièce avec un cône d'expansion à l'une de ses extrémités, ce cône étant relié au reste du corps par une portion cylindrique de diamètre dl inférieur au diamètre nominal D du corps, et ii) une douille expansible d'épaisseur e montée autour de ladite portion cylindrique du corps et à travers laquelle le cône d'expansion est destiné à être déplacé pour déformer la douille et ancrer la cheville dans un trou d'un matériau support, caractérisée en ce que le rapport dl/D est supérieur ou égal à 60% et le rapport e/dl est supérieur ou égal à 22%. Dans la présente demande, dl est le diamètre (externe) de la portion cylindrique du corps de la cheville, autour duquel est montée la douille. D est le diamètre nominal du corps de la cheville, c'est-à-dire le diamètre (externe) maximal du corps. e est l'épaisseur de la douille et plus précisément l'épaisseur de matière de cette douille (qui est égale à l'épaisseur de la tôle qui sert à fabriquer la douille dans le cas où la douille est fabriquée à partir d'une telle tôle). Il est envisageable que l'épaisseur de la douille ne soit pas parfaitement constante en particulier lorsque l'extrémité de la douille, située du côté du cône d'expansion, est amincie. Il est également envisageable que cette épaisseur e varie du fait de la présence d'ergots d'ancrage sur la surface externe de la douille ou de fentes locales dans la douille. On peut donc considérer que l'épaisseur e de la douille est ici mesurée à distance de ses extrémités et en dehors des zones de la douille présentant des ergots ou des fentes. La douille peut avoir un diamètre externe d2 sensiblement égal au diamètre nominal D. Comme indiqué dans ce qui précède, ce diamètre d2 est de préférence mesuré à distance des extrémités de la douille et en dehors de ses zones présentant des ergots ou des fentes.

La Demanderesse a cherché à optimiser des paramètres dimensionnels de la cheville et a découvert qu'un rapport e/d1 (rapport de l'épaisseur de la douille sur le diamètre de la portion cylindrique du corps sur laquelle est montée la douille) supérieur ou égal à 22%, permet, de façon inattendue, d'obtenir de très bons résultats en termes de tenues mécanique et vibratoire de la cheville sous sollicitations sismiques, même lorsqu'elle est ancrée dans une fissure relativement large. Le rapport dl/D est supérieur ou égal à 60%, c'est-à-dire que le diamètre dl est supérieur à 0,6D, ce qui permet de conférer à la cheville une résistance mécanique suffisante car, comme expliqué dans ce qui précède, la résistance en traction de la cheville est généralement fonction de la section de cette portion de plus petite section du corps (D pouvant être compris entre 6 et 30mm, et est par exemple de 8, 10, 12 ou 16 mm). A partir d'une valeur donnée de dl, on peut donc déduire la valeur de l'épaisseur e de la douille qui permettra de conférer à la cheville les propriétés recherchées. Pour une cheville de diamètre nominal D donné, cette cheville aura une douille dont l'épaisseur e sera supérieure à celles des douilles des chevilles de la technique antérieure (dont les rapports e/dl sont nettement inférieurs à 22%). L'augmentation de l'épaisseur e de la douille permet de la rendre moins sensible à l'augmentation de la largeur des fissures et de lui conférer une meilleure tenue lors de sollicitations sismiques. Dans le cas précité où la douille est fabriquée à partir d'une tôle, cela revient à utiliser une tôle de plus grande épaisseur pour la fabrication de la douille de la cheville selon l'invention. Le rapport e/d1 peut être supérieur ou égal à 23, 24 ou 25%. Ce rapport e/d1 est de préférence inférieur à 35%, voire 34, 33, 32, 31 ou 30%. En effet, afin de garantir une section résistante suffisante avec les aciers communément utilisés par l'homme du métier pour réaliser le corps de ce type de cheville, le rapport e/d1 ne doit pas de préférence être trop élevé, en particulier pour les chevilles de petits diamètres plus sensibles à des casses du corps. Le diamètre dl peut être compris entre 3 et 15mm, de préférence entre 4 et 13mm, et plus préférentiellement entre 5 et 12mm. L'épaisseur e peut être comprise entre 0,7 et 3,5mm, de préférence entre 0,9 et 3mm, et plus préférentiellement entre 1 et 2,5mm. Le cône d'expansion de la cheville peut avoir un angle a supérieur ou égal à 25, 26, et préférentiellement 27°. Cet angle a peut être inférieur ou égal à 35°, et de préférence à 30°. La douille peut comprendre une extrémité, située du côté du cône d'expansion, présentant une conicitéobtenue par exemple par un chanfrein d'entrée. La Demanderesse a cherché à améliorer encore davantage les performances de sa cheville dans les bétons fissurés et en sollicitations sismiques. Elle a ainsi eu l'idée d'augmenter significativement l'angle a du cône d'expansion par rapport aux valeurs communément employées dans la technique actuelle. Cet angle a est en effet généralement inférieur ou égal à 20° pour les chevilles destinées aux bétons non fissurés, et de l'ordre de 20 à 22° pour celles destinées à fonctionner dans les bétons fissurés. Un angle a important génère des contraintes importantes au niveau du contact entre la douille et le cône d'expansion du corps. Ces contraintes, si elles sont trop importantes, ont pour effet de gripper la douille sur le corps en détruisant la surface de contact, ce qui nuit au fonctionnement global de la cheville dans ces conditions. L'homme du métier utilise parfois un revêtement antifriction au niveau de ce contact, afin de repousser les limites du grippage décrit plus haut. Mais ce revêtement présente l'inconvénient de réduire les performances de tenue de la cheville dans les conditions décrites plus haut. La Demanderesse désirant obtenir des performances supérieures malgré les nouvelles conditions sismiques, a porté la valeur de cet angle a à au moins 27°, ce qui va à l'encontre du préjugé technique en la matière. Etonnamment, le recours à ces valeurs importantes d'angle a a permis d'améliorer le fonctionnement et la tenue des chevilles. L'augmentation de la valeur de l'angle oc sans grippage est en effet facilitée par l'augmentation de l'épaisseur e de la douille qui permet à cette dernière de supporter des conditions de fonctionnement plus sévères et de repousser les limites admissibles au niveau du contact douille/cône d'expansion. La combinaison de ces paramètres a permis à la Demanderesse de réaliser des chevilles fonctionnant parfaitement sous sollicitations sismiques en béton fissuré, tout en améliorant leur résistance limite ultime, et donc consécutivement leur charge de service admissible. La douille peut avoir une longueur représentant moins de 25%, et par exemple moins de 20%, de celle du corps. Le cône peut avoir un diamètre maximal d3 sensiblement égal au diamètre nominal D.

La portion cylindrique de diamètre dl peut être reliée par une portion cylindrique de diamètre nominal D à une partie filetée du corps. La présente invention concerne également une utilisation d'une cheville telle que décrite précédemment pour la fixation d'un objet à un matériau support, en particulier un matériau support susceptible d'être soumis à des sollicitations sismiques. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'une cheville à douille expansible selon l'invention ; et - la figure 2 est une autre vue schématique, ici éclatée, de la cheville de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un matériau support dans un trou duquel est ancrée une cheville à douille expansible selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE La cheville 10 de la figure 1, destinée à la fixation d'une pièce sur un matériau support, comporte un corps longitudinal 12 d'axe X et une douille expansible 14 montée coaxialement autour de celui-ci. Le corps 12 comporte essentiellement un cône d'expansion 16 d'angle a et de diamètre maximal d2 (figure 2), une portion cylindrique 18 de diamètre dl, une portion cylindrique 20 de diamètre D, et une partie filetée 22 qui est apte à recevoir une rondelle 24 et un écrou 26. Le cône d'expansion 16 est situé à une extrémité du corps 12 et est relié par la portion 18 de diamètre dl à la portion 20 de diamètre D. dl est inférieur à D qui est le diamètre nominal du corps 12 et qui est sensiblement égal au diamètre du trou de réception ou d'ancrage foré dans le matériau support. Ainsi, la portion 18 définit une gorge annulaire entre le cône 16 et le reste du corps 12.

La portion 20 s'étend entre la portion 18 et la partie filetée 22 qui a en général une longueur supérieure aux longueurs cumulées du cône 16 et des portions 18, 20, le long de l'axe X. Le corps 12, comportant le cône 16, les portions 18, 20 et la partie filetée 22, est formé d'une seule pièce en général en alliage métallique dur et résistant (tel qu'un acier). Il est en principe de section pleine sur toute sa longueur. La zone de liaison entre les portions cylindriques 18, 20 peut comprendre un épaulement radial externe 28 (figure 2) qui est notamment destiné à servir de butée axiale à la douille 14 lors de l'insertion de la cheville 10 dans le matériau support. Dans le cas où cet épaulement 28 est formé par un collet annulaire 30, celui-ci peut être considéré comme définissant le diamètre nominal D du corps 12. La douille expansible 14 est montée autour de la portion 18, c'est-à- dire dans la gorge précitée du corps 12. La douille 14 a une épaisseur e et un diamètre externe d2. La douille 14 est de préférence montée avec un jeu, en particulier radial, sur cette portion pour pouvoir se déplacer sur celle-ci. Le jeu radial au rayon est de préférence compris entre 0,05 et 0,3 mm.

Cette douille 14 est obtenue de façon usuelle à partir d'un flan de tôle plat (métallique d'une façon générale), découpé, plié, frappé et/ou roulé pour présenter, une fois montée sur la portion 18 du corps 12, la forme souhaitée en jupe munie d'une fente longitudinale. La douille 14 peut comprendre des ergots externes en saillie d'ancrage dans le matériau support, les extrémités radialement externes de ces ergots pouvant être sur une circonférence centrée sur l'axe X dont le diamètre est légèrement supérieur au diamètre nominal D du corps. Le montage de la douille 14 autour de la portion 18 du corps s'effectue par sertissage de sorte que les bords longitudinaux de la douille se trouvent en regard et au voisinage l'un de l'autre, une fente relativement étroite les séparant. Une fois sertie, la douille 14 est de préférence mobile, au jeu fonctionnel près, axialement et en rotation par rapport au corps 12. Cette douille expansible 14 est destinée à être traversée partiellement par le cône d'expansion 16 du corps 12 pour, après déformation, s'ancrer dans la paroi d'un trou de réception ou d'ancrage d'un matériau support. Comme on le voit sur les figures 1 et 2, la douille 14 peut présenter à son extrémité située du côté du cône 16 un chanfrein d'entrée conférant une certaine conicité à cette extrémité, de sorte qu'après montage autour de la portion 18 du corps, la douille 14 ait une forme tronconique sensiblement complémentaire de celle du cône d'expansion 16 du corps. Selon l'invention, la cheville 10 est dimensionnée de sorte que le rapport dl/D soit supérieur ou égal à 60% et que le rapport e/dl soit supérieur ou égal à 22%. Par ailleurs, l'angle a précité du cône 16 de la cheville est de préférence compris entre 27 et 30°, et est de préférence de 27° environ.

Concernant le rapport dl/D, la valeur minimale de 60% revient à exprimer la profondeur de la gorge annulaire définie par la portion 18 du corps. Cette gorge ne doit pas être trop profonde pour ne pas fragiliser le corps, une gorge trop profonde se traduisant par une portion 16 de faible section et donc présentant une faible résistance mécanique. Le tableau suivant présente la valeur minimale de dl pour différentes valeurs du diamètre nominal du corps de la cheville. Diamètre nominal D (en mm) 8 10 12 16 Valeur minimale de dl (en mm - pour un rapport dl/D 0,6) 3,6 4,8 6 7,2 9,6 Le rapport e/dl a une valeur minimale pour garantir à la cheville de bonnes propriétés mécaniques et en particulier une bonne tenue mécanique sous sollicitations sismiques. Le tableau suivant donne à titre d'exemple des valeurs minimales de l'épaisseur e de la douille, qui ont été déduites à partir des valeurs de dl du précédent tableau. Bien entendu, les valeurs de dl et de e de la cheville selon l'invention dépendent du diamètre nomimal D de la cheville et des rapports dl/D et e/dl précités. Le tableau suivant montre d'autres exemples de valeurs de l'épaisseur e, pour le même rapport dl/D (k 0,6) et pour un rapport e/dl supérieur ou égal à 25%. 0,792 1,056 1,32 1,584 2,112 8 10 12 16 3,6 4,8 6 7,2 9.6 Diamètre nominal D (en mm) Valeur minimale de dl (en mm) Valeur minimale de e (en mm - pour un rapport e/dl k 0,22) Diamètre nominal Valeur minimale de dl Valeur minimale de e (en mm - pour un rapport e/dl k0,25) 0,9 1,2 1,5 1,8 2,4 3,6 4,8 6 7,2 9,6 8 10 12 16 (en mm) (en mm) La mise en place de la cheville à douille expansible selon l'invention dans un matériau support ne soulève pas de difficultés et se déroule usuellement de la manière suivante, en référence à la figure 3. Préalablement, un trou T borgne de diamètre D d'ancrage ou de réception est foré dans le matériau support MS généralement dur (en béton). La profondeur du trou est au moins égale aux longueurs cumulées du cône 16, de la portion 18 et d'au moins une partie de la portion 20 (ou du collet 30). On introduit la cheville 10, coté cône d'expansion 16, dans le trou T à l'aide d'un outil, tel qu'un marteau, agissant sur la face transversale 32 du corps 12, opposée au cône 16. Simultanément à l'enfoncement du cône 16 dans le trou T se produit l'introduction de la douille 14 poussée axialement par l'épaulement 28 ou le collet 30 du corps. La cheville 10 est alors introduite dans le trou T, avec le cône d'expansion 16 prêt à déformer la douille 14 pour son ancrage total dans la paroi P du trou. Pour cela, on exerce une traction axiale selon la flèche F sur le corps, vers l'extérieur du trou T, laquelle traction est obtenue par l'écrou de serrage 26, en trait mixte sur la figure 3, vissé sur la partie filetée 22 du corps et servant à fixer une pièce PI, également représentée en trait mixte et montée autour du corps 12 pour venir contre la face FE du matériau support MS. Lors du vissage de l'écrou 26, le cône d'expansion 16 est tiré et pénètre dans la douille 14, laquelle douille, par sa forme tronconique inversée par rapport à celle du cône, subit une expansion dès le début de l'effort de traction exercé par le cône 16 en recul et s'engage dans la paroi P du trou. Ainsi, la douille 14 est immédiatement immobilisée axialement en position, ce qui évite sa remontée dans le trou. Au fur et à mesure de la pénétration du cône d'expansion 16 dans la douille 14, par suite du vissage de l'écrou 26, pour atteindre la position finale illustrée sur la figure 3, pour laquelle le cône est sensiblement engagé dans la douille, la douille 14 subit une expansion telle qu'elle est forcée de pénétrer (flèches E) dans la paroi P du trou T, si bien que la douille 14 est parfaitement ancrée dans le matériau support MS. La cheville 10 est alors opérationnelle, totalement immobilisée par le serrage de l'écrou 26 fixant la pièce PI au matériau support MS.

EXEMPLE La description qui suit comprend un exemple comparatif pour illustrer ce qui précède. Nous avons comparé un produit selon l'invention (produit A), satisfaisant l'ensemble des exigences requises pour les bétons fissurés et les sollicitations sismiques, avec un produit de l'art antérieur satisfaisant uniquement les exigences requises pour les bétons fissurés sans sollicitation sismique (produit B), et avec un troisième produit conçu exclusivement pour les bétons non fissurés (produit C). Les trois chevilles comparées sont de diamètre nominal identique, en l'occurrence 12mm (M12), et posées à des profondeurs d'ancrage identiques et dans des bétons de résistances identiques. Les divers composants de ces chevilles sont réalisés dans des aciers comparables communément utilisés par l'homme de l'art. Les seules différences notables sont leur rapport e/d1 et leur angle a définis plus haut. La référence est la cheville selon l'invention (produit A), qui fonctionne dans toutes les conditions et pour laquelle nous considérons la résistance limite ultime (RLU) (en anglais « design resistance ») de 100%. Le tableau ci-dessous présente synthétiquement les résultats et paramètres de notre exemple. Produit e/d1 a RLU Fonctionnement béton fissuré Fonctionnement béton sismique A 25,6% 27 100% OUI OUI B 17,4% 20 100% NON NON 17,4% 20 75% OUI NON 17,4% 16 100% NON NON 17,4% 16 56% OUI NON Le produit A présente un rapport e/d1 supérieur à 22%, en l'occurrence de 25,6%, un angle a égal à 27°, et fonctionne dans toutes les conditions. C'est notre référence.

Le produit B conçu pour les bétons fissurés mais pas pour le sismique présente un rapport e/d1 inférieur à 22%, en l'occurrence de 17,4%, et un angle a inférieur à 27°, en l'occurrence de 20°. Ses performances dans le béton fissuré ne sont que de 75% de la RLU du produit A. Si l'on sollicite le produit B afin d'atteindre 100% de la RLU du produit A, ce produit ne fonctionne plus dans les bétons fissurés. Ce produit B n'est pas conçu pour le sismique. Le produit C conçu uniquement pour les bétons non fissurés présente un rapport e/d1 inférieur à 22%, en l'occurrence de 17,4%, et un angle a inférieur à 27°, en l'occurrence de 16°. Nous avons progressivement réduit sa RLU pour tenter de le faire fonctionner sous moindre charge en béton fissuré. Au terme de cet exercice, la RLU du produit C lui permettant un fonctionnement en béton fissuré n'est plus que de 56% de la RLU du produit A. Cet exemple montre bien le bénéfice de l'invention et l'importance des paramètres revendiqués dans la performance des produits par rapport à l'art antérieur.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Cheville (10) à douille expansible, comportant : i) un corps longitudinal (12) fileté formé d'une seule pièce avec un cône d'expansion (16) à l'une de ses extrémités, ce cône étant relié au reste du corps par une portion cylindrique (18) de diamètre dl inférieur au diamètre nominal D du corps, et ii) une douille (14) expansible d'épaisseur e montée autour de ladite portion cylindrique du corps et à travers laquelle le cône d'expansion est destiné à être déplacé pour déformer la douille et ancrer la cheville dans un trou d'un matériau support, caractérisée en ce que le rapport dl/D est supérieur ou égal à 60% et le rapport e/dl est supérieur ou égal à 22%.
2. 2. Cheville (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que le rapport e/dl est inférieur à 35%.
3. 3. Cheville (10) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le cône d'expansion (16) a un angle a supérieur ou égal à 25°.
4. 4. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cône d'expansion (16) a un angle a supérieur ou égal à 26°, et de préférence à 27°.
5. 5. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cône d'expansion (16) a un angle a inférieur ou égal à 35°.
6. 6. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cône d'expansion (16) a un angle a inférieur ou égal à 30°.
7. 7. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la douille (14) a un diamètre externe d2 sensiblement égal au diamètre nominal D.
8. 8. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre nominal D est compris entre 6 et 30mm, et est par exemple de 8, 10, 12 ou 16 mm.
9. 9. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le diamètre dl est compris entre 3 et 15mm.
10. 10. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'épaisseur e est comprise entre 0,7 et 3,5mm.
11. 11. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la douille a une longueur représentant moins de 25% de celle du corps.
12. 12. Cheville (10) selon la revendication 11, caractérisée en ce que la douille a une longueur représentant moins de 20% de celle du corps.
13. 13. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le cône a un diamètre maximal d3 sensiblement égal au diamètre nominal D.
14. 14. Cheville (10) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la portion cylindrique (18) de diamètre dl est reliée par une portion cylindrique (20) de diamètre nominal D à une partie filetée (22) du corps (12).
15. 15. Utilisation d'une cheville (10) selon l'une des revendications précédentes pour la fixation d'un objet à un matériau support, en particulier un matériau support susceptible d'être soumis à des sollicitations sismiques.