Avis technique et de sécurité important : Il s’agit d’un texte éducatif d’archives, et non d’une conception structurelle, d’un calcul statique, d’une norme applicable, d’un détail de joint ou d’instructions pour la construction, le soudage, le bétonnage, l’étaiement, la précontrainte ou la réhabilitation. Toutes les formules, marquages, dimensions, matériaux, procédures et réclamations originaux sont transférés sans vérification conformément à la réglementation en vigueur. La conception et l’exécution de structures couplées acier-béton appartiennent exclusivement aux ingénieurs civils, concepteurs de structures, entrepreneurs et superviseurs autorisés en fonction de l’objet spécifique, de la charge, du sol, du matériau et des normes applicables.
Les constructions connectées ne constituent pas un service spécial dans l’offre publique actuelle de Savo Kusić. L’accent actuel est sur les fenêtres en bois, fenêtres en bois-aluminium et portes personnalisées. Pour un projet de fenêtre ou de porte, vous pouvez envoyer demande de devis.
Introduction
Dans certaines constructions, des dalles en béton armé sur supports en acier sont utilisées, comme les dalles de chaussée de ponts sur poutres longitudinales et transversales en I ou les plafonds de bâtiments sur poutres en I. Auparavant, de tels systèmes étaient dimensionnés en supposant que ces deux éléments pouvaient se déplacer l’un avec l’autre et que les moments en direction de la travée principale n’étaient reçus que par des supports en acier. La dalle en béton a transféré la charge aux poutres en acier, mais n’a pas participé à la réception des valeurs statiques correspondantes (fig. 1).
Figure 1 — Support couplé, système
Pour ce mode de construction, des joints transversaux sont prévus dans la dalle en béton à intervalles réguliers, afin de permettre le retrait du béton armé et d’éviter des fissures indésirables, c’est-à-dire des contraintes supplémentaires. Cependant, l’expérience a montré que les forces réelles dans un tel système sont très différentes de celles qui ont été calculées. Au contact entre la dalle en béton armé et le support en acier, un frottement important (contrainte d’adhérence) se produit, de sorte que les deux éléments coopèrent toujours.
L’inconvénient de l’effet de couplage imprévu est l’apparition d’un effet d’entaille au niveau des joints de la dalle béton. Les contraintes de cisaillement le long de la surface de la butée augmentent fortement près du joint, de la même manière que les contraintes de cisaillement aux extrémités des coutures latérales. Étant donné que la position de la ligne zéro au niveau du joint ne change pratiquement pas, les contraintes normales dans le support en acier peuvent être nettement supérieures à celles calculées pour un couplage uniforme. À partir de cette encoche, une maîtrise de l’adhésion peut se produire et s’étendre davantage. Les joints dans la dalle de trottoir ne remplissent donc pas leur rôle et ne sont pas efficaces.
Supports couplés
Dans le cas d’appuis couplés, on suppose que les efforts tranchants sur la surface de contact entre l’appui en acier et la dalle en béton peuvent être transmis en toute sécurité (efforts dans les poutres). La règle est que la dalle en béton repose directement sur la ceinture supérieure du support en acier et qu’il n’y a pas de mouvements relatifs. Dans ce cas dit Avec accouplement rigide, des moyens de connexion spéciaux (broches, étriers, ancrages) sont utilisés, qui sont noyés dans le béton.
Nous observerons le cas d’une poutre couplée avec une dalle béton sans joints transversaux. Si une certaine charge (par exemple le moment de flexion) n’agit que pendant une courte période, les contraintes et déformations correspondantes Δσ, resp. Δε selon la science élémentaire de la résistance, similaire au béton armé. Les contraintes dans l’acier et le béton, à un certain allongement, sont liées à leur module d’élasticité : σst/σb = Est/Eb = n. Si la charge est à long terme, des déformations du béton se produisent en raison du retrait et de l’écoulement. Si avec ε0 = σ/E0 on marque la déformation due à une charge à court terme à l’instant t = 0, alors la déformation augmente sous charge permanente due au frottement jusqu’à l’instant t jusqu’à la valeur εt = ε0 (t + φt). Dans les mêmes conditions, les déformations d’élasticité sont calculées comme si elles étaient proportionnelles aux contraintes. C’est pourquoi on dit que la loi de Hooke s’applique aux déformations dues à l’écoulement. Le coefficient d’écoulement φt dépend du temps, de la classe de béton, de la température extérieure, de l’humidité de l’air, du moment de charge de l’élément, etc.
Au lieu de la flexion selon Bernoulli\ et Navier, des relations différentielles apparaissent, c’est-à-dire que la répartition des contraintes doit être déterminée à partir de l’équation différentielle de l’écoulement. En raison de l’écoulement, les contraintes dans le béton diminuent tandis que les contraintes dans l’acier augmentent. Ces changements de contrainte dépendent, outre les dimensions de la section transversale, des dimensions élastiques et du moment de charge. Des conséquences similaires à celles de l’écoulement se produisent lors du retrait du béton. Le montant des mesures de retrait εs dépend du béton, de la méthode de sa production, ainsi que des conditions climatiques. Le retrait du béton ne dépend pas de la charge appliquée à l’élément.
Accouplements
Les moyens d’accouplement doivent transférer en toute sécurité toutes les forces de cisaillement dans les surfaces en béton et en acier en contact, dues aux charges exercées, et ainsi empêcher tout glissement. De plus, ils doivent recevoir les forces de tension principales obliques, si, en raison de leur taille, la section de béton elle-même ne peut pas les recevoir. L’ampleur des forces est déterminée selon la théorie élémentaire de flexion. Sont considérés comme moyens de couplage :
- Ancrages de couplage : Ce sont des plaques de fer rondes ou plates, soudées à la ceinture supérieure du support en acier, qui agissent de la même manière que le renforcement plié des poutres en béton armé. Ils sont réalisés sous forme de crochets ou d’étriers, en diagonale ou verticalement. Ces ancrages n’agissent que dans une seule direction et ne sont pas efficaces si l’effort tranchant change de signe.
- Supports : Ils sont fixés sur la surface supérieure du support en acier, ils peuvent recevoir des efforts de cisaillement dans les deux sens. Il convient de distinguer les cerveaux mous et rigides dans le sens de la force de cisaillement. Les cellules molles du cerveau subissent des déformations importantes et répartissent inégalement les forces de cisaillement sur leur surface. Les cerveaux rigides permettent une meilleure répartition des forces avec des déformations plus faibles.
Image 2 — Pont sur la rivière Ruhr près de Herdecke
- Renfort spiralé : Il repose sur un support en acier et est soudé aux points de contact. Les spirales ne conviennent pas aux forces de couplage importantes. Il en va de même pour l’acier rond ondulé. A titre d’exemple de moyens d’accouplement sur des ponts, la fig. 2 sont représentées les poutres du pont sur la Ruhr près de Herdecka (poutres 60x40 avec des étriers verticaux ϕ12, qui sont soudés aux poutres elles-mêmes, afin d’éviter d’autres entailles de soudage) ; sur la fig. 3 moyens pour relier les poutres transversales d’un pont, en fonction de l’importance de la force transversale, des étriers soudés latéralement pour les poutres, ainsi que des étriers directement soudés pour la ceinture supérieure avec des poutres spéciales, ont été utilisés. Dans le cas d’étriers longs, les étriers peuvent également être soudés sur les côtés opposés, fig. 4a. Sur la fig. 4b est la solution présentée avec des étriers inclinés.
Figure 3 — Support transversal d’un pont
Image 4 — Cerveaux avec étriers
Dans la construction de bâtiments, on utilise également des étriers rigides avec étriers ou simplement des étriers, mais on rencontre également des solutions avec étriers souples, comme par ex. coins rivetés. Pour des raisons économiques, on utilise plus souvent des ancrages d’accouplement, soudés bout à bout à un support en acier (fig. 5a), ou reposant sur le support avec une extrémité pliée (fig. 5b). Sur la fig. 5c montre la solution correspondante avec des crochets déplacés. Sur la fig. 6 montre une solution normale pour les supports de plafond dans la construction de bâtiments, à savoir a) un support couplé constitué de poutres en I, b) constitué de poutres en T, qui est créé en coupant les poutres en I. Aux extrémités des supports, il convient toujours de prévoir des renforts d’extrémité particulièrement solides (fig. 7). Les ancrages inclinés sont utilisés pour introduire des contraintes dues au retrait et à la température dans la dalle.
Image 5 — Ancrages de couplage
Image 6 — Support de structure mezzanine
Le dimensionnement des moyens d’accouplement est réalisé selon des principes élémentaires. Les moyens individuels doivent recevoir une force de cisaillement correspondant à leur espacement. Lors du dimensionnement de la connexion soudée du tronc cérébral, le moment de renversement doit être pris en compte.
Image 7 — a) Terminer le cerveau avec ancrage ; b) ancrage
Couplage élastique
Les présentations précédentes concernaient le couplage rigide, où le déplacement relatif entre le support en acier et la plaque est égal à zéro, et les moyens de couplage agissent en continu. La déformation des moyens de couplage, la déformation locale du béton et du support en acier sont négligées.
Image 8 — Support avec couplage élastique
Dans l’hypothèse d’un couplage rigide, les forces transmises par les moyens individuels de couplage sont proportionnelles à la force transversale et à la distance du cerveau. Si des mouvements relatifs importants entre le support en acier et la dalle en béton se produisent dans certaines zones, cela provoque un regroupement notable des forces. Le béton peut cesser partiellement d’agir comme plaque de pression d’une poutre couplée, ce qui réduit considérablement les valeurs maximales des forces de cisaillement. Sur la fig. 8 est un exemple de structure à couplage élastique, similaire au pont sur le Rhin de Cologne-Rodenkirchen. Sur la fig. 9 montre l’effet de l’accouplement élastique sur un support continu, pour une force concentrée et une charge parfaitement répartie. Le déplacement ψ, qui est une mesure de la rigidité de l’accouplement destiné à recevoir le cisaillement, est défini sur la fig. 8. L’influence du couplage élastique est donc très grande, si les propriétés du couplage sont délibérément choisies pour recevoir le cisaillement.
Figure 9 — Exemple de pont avec couplage élastique
Calcul de structures couplées
En principe, il est économique que l’épaisseur de la dalle en béton soit la plus faible possible, tout en respectant les épaisseurs minimales déterminées par la réglementation.
Constructions déterminées statiquement
Pour les constructions déterminées statiquement (par exemple poutres simples), les influences statiques dans la section commune pour une certaine charge sont constantes, resp. indépendant du temps. Seuls les moments de flexion et les efforts normaux dans certaines parties de la section sont variables en raison de l’effet de l’écoulement et du retrait.
L’effet du retrait peut être représenté comme une différence de température correspondante entre le support en acier et la dalle en béton. En raison du retrait du béton, des contraintes internes apparaissent dans la section couplée, à savoir des contraintes de traction dues au retrait dans le béton, dont le retrait est empêché par l’influence du support en acier (ainsi que de l’armature elle-même), tandis que des contraintes de compression correspondantes se produisent dans la section en acier (fig. 10). Le retrait augmente avec le temps jusqu’à une valeur finale selon une fonction exponentielle unique. Étant donné que les contraintes de retrait augmentent également avec les déformations de retrait, cela entraîne ce que l’on appelle le flux de retrait.
Figure 10 — a) Contraction de la plaque libre sans accouplement ; b) contraintes dues au retrait dans les supports couplés
En fonction du système statique qui assume le poids propre de la dalle en béton, il y a une différence : couplage pour la charge mobile uniquement (le poids propre est assumé uniquement par le support en acier, et le système couplé reçoit uniquement les charges qui agissent sur la structure finie), couplage pour le poids propre et la charge mobile (l’ensemble du poids propre et de la charge mobile agissent sur le système couplé).
Le premier cas se produit lorsque les poutres en acier servent de supports de coffrage, sans être soutenues, et lors du bétonnage elles peuvent se plier sur le terrain (fig. 11a). Dans ce cas, le support en acier supporte lui-même le poids du béton et du coffrage. Le collage ne se produit que lorsque le béton est suffisamment dur (fig. 11b), le support ne doit donc pas être chargé immédiatement après le bétonnage, afin d’éviter des dommages ou un écoulement excessif du béton.
Dans le deuxième cas, lorsque le poids propre de la dalle en béton est également reçu par le système couplé (fig. 11c), on suppose que le support en acier est soutenu pendant le bétonnage à suffisamment d’endroits, pour qu’il ne reçoive pas de moments de flexion importants. La distribution de tension après retrait de l’échafaudage est illustrée à la fig. 11d.
Figure 11 — Accouplement pour charge mobile et morte, avec distributions de tension avant et après retrait de l’échafaudage
Précharge
Dans le cas de poutres simples, des contraintes de traction plus faibles se produisent dans le béton uniquement en raison du retrait et de la différence de température. Des contraintes de traction importantes se produisent dans les poutres en surplomb, les poutres continues et d’autres structures, et celles-ci peuvent provoquer des fissures dans le béton. Si des fissures apparaissent dans la zone des moments négatifs, l’effet de couplage est perdu. Par conséquent, il est utile d’induire au préalable de petites contraintes de compression dans la dalle de béton afin d’éviter en toute sécurité la formation de fissures dues au retrait du béton. Les contraintes de traction dans la dalle en béton des poutres couplées peuvent être réduites :
1. Par précharge négative correspondante de la poutre en acier (prétension du bord supérieur). La séquence de bétonnage doit être soigneusement étudiée.
2. En élevant et en abaissant les supports centraux des supports continus. grâce à quoi, avec la procédure appropriée, des contraintes de compression peuvent être provoquées dans la dalle en béton du support couplé.
3. Par précontrainte. Le cas le plus simple est celui où une dalle de béton libre est précontrainte et ensuite reliée à un support en acier. L’avantage de ce procédé est une force de précontrainte relativement faible, puisque la courroie comprimée du support en acier n’est pas précontrainte. Cette poutre reçoit des moments de flexion uniquement dus à l’écoulement et au retrait de la dalle en béton, elle reste donc droite grâce à la force de précontrainte. Sur la fig. 12a montre la répartition des contraintes pour ce cas de précontrainte (t=0), et sur la fig. 12b état final en fin d’écoulement (t=tE) et sur la fig. 12c contraintes de flexion dues au chargement de moment à court terme (t=a). Sur la fig. 12d montre la répartition des contraintes pour t=0 dans le cas de la précontrainte de la dalle en béton collé.
Figure 12 — Précontrainte d’une dalle en béton autoportante avec couplage ultérieur
Constructions statiquement indéterminées
Les poutres continues et les structures similaires reçoivent des moments de flexion négatifs, ce qui provoque souvent des contraintes de traction élevées dans la dalle en béton armé. Les fissures ne sont pas souhaitables, en particulier dans les ponts, compte tenu de la durée de vie des poutres couplées et de l’effet des encoches sur les fissures. Les systèmes statiquement indéterminés sont calculés pour des charges à court terme (charges mobiles) selon les méthodes habituelles de la statique pour un système inchangé. Les grandeurs statiques et déformations correspondantes sont les mêmes que dans un système idéalement élastique. Sous l’effet d’une charge constante, notamment d’une précontrainte élevée, un écoulement important se produit toujours. Lors de la détermination de la force de précontrainte, il convient de prendre en compte le frottement des éléments de précontrainte pliés. Pendant la construction, le surplomb des ponts couplés doit être soigneusement sélectionné. Les supports couplés prêts à l’emploi sont très rigides, il est donc presque impossible d’effectuer des corrections ultérieures de la position en hauteur. Le niveau final n’est atteint qu’après plusieurs années, compte tenu du débit. Ce nivellement est dans une certaine mesure incertain, car les effets du retrait et de l’écoulement sont variables, en fonction de conditions climatiques non prévisibles.
Conclusion
L’application du couplage ne se limite pas aux poutres en tôle, mais peut également inclure des supports pour rigidifier les poutres Langer, les ponts suspendus, etc. ainsi que les poutres en treillis avec une chaussée montante ou descendante. Ponts en treillis - des contraintes de traction élevées se produisent dans les dalles routières à proximité de la chaussée en contrebas, car ces dalles doivent suivre dans une plus ou moins grande mesure l’allongement de la ceinture tendue de la poutre principale. Une précontrainte longitudinale adéquate est nécessaire pour éviter les fissures. Sur la fig. 13 est un cas limite dans lequel la grille en acier ne comporte plus de ceinture inférieure, et son rôle est entièrement repris par une dalle en béton armé précontraint dans les deux sens. Sur la fig. 13b vous pouvez voir les canaux de section transversale 60x180 mm dans le support lui-même.
Image 13 — Pont de Gahle : a) section ; b) intersection de la ceinture inférieure, à gauche à la gare principale, à droite à Vešaljka