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TIGE COURBÉE DE RENFORCEMENT AYANT UNE RÉSISTANCE
MÉCANIQUE AMÉLIORÉE A L'ENDROIT DE SA COURBURE ET MÉTHODE
POUR PRODUIRE CELLE-CI
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention a pour objet une tige courbée de renforcement ayant une
résistance mécanique améliorée à l'endroit de sa courbure.
La présente invention a également pour objet une méthode pour produire cette
tige courbée du renforcement.
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
II est connu dans le domaine de la construction d'utiliser des tiges courbées
faites
d'un matériau composite dans le but de renforcer des pièces ou ouvrages de
béton.
Des exemples de tels pièces et ouvrages seront détaillés ci-après.
La production de telles tiges de renforcement faites d'un matériau composite
est
donc connue et exploitée commercialement depuis plusieurs années. Cette
production comprend la mise en forme d'un faisceau de fibres de natures
polymérique, minérale, naturelle ou métallique qui sont enduites d'une résine
thermodurcissable, son enroulement sur des gabarits supportés par un cadre
rotatif, la soumission du faisceau ainsi enroulé à une température suffisante
pour
assurer le durcissement de la résine puis le découpage optionnel du produit
rigide
obtenu en sections.
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Quant à ce type de production connu, on peut se référer aussi aux brevets
américains cités ci-après.
US 2,684,318 [Meek] décrit une méthode qui permet de produire des tiges
rigides
en saturant un faisceau de fibres de verre préalablement saturé de résine
thermodurcissable et en le tirant de manière continue au travers d'un four de
manière à faire durcir la résine.
US 4,154,634 [Shobert] décrit une méthode qui permet de produire des tiges en
tirant un faisceau de fibres préalablement saturées de résine
thermodurcissable et
en tirant ce faisceau de manière discontinue au travers d'au moins une matrice
chauffante de manière à faire durcir la résine.
De même, US 4,445,957 [Harvey] décrit une méthode qui permet de produire des
sections de tiges courbées en introduisant des sections d'un faisceau de
fibres
saturées de résine thermodurcissable dans des moules chauffants qui impose la
forme courbée aux sections dudit faisceau tout en assurant le durcissement de
la
résine.
Si les tiges courbées obtenues jusqu'à présent sont connues pour être très
utiles,
elles ont toutefois un problème de résistance mécanique au niveau de leurs
courbures. Ceci s'explique par le fait que le faisceau de fibres, lorsqu'il
est cintré,
produit une compression des fibres positionnées dans la courbure interne. De
ce
fait, les fibres sont en quelque sorte pliées et deviennent incapables de
concourir à
supporter une tension. Cette situation est amplifiée par la différence des
rayons de
courbures entre les plus grand et plus petit rayons.
Il a maintenant été découvert dans le cadre de la présente invention que cette
situation peut être améliorée en changeant la forme de la section courbée de
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manière à conserver la même aire de la section mais en diminuant la différence
de
valeurs entre les rayons de courbure interne et externe.
RÉSUMÉ DE L'INVENTION
La présente invention a donc pour objet une tige courbée de renforcement
notamment utilisable comme armature pour renforcer une pièce ou un ouvrage de
béton, laquelle tige a une résistance mécanique améliorée à l'endroit de sa
courbure.
La tige selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle est faite à partir
d'un
faisceau de fibres solidarisées entre elles à l'aide d'un polymère liant et en
ce
qu'elle présente des parties rectilignes ayant chacune une même section
essentiellement circulaire et une partie courbée qui se trouve entre les
parties
rectilignes, cette partie courbée étant aplatie et ayant une section
essentiellement
rectangulaire ou ellipsoïdale.
L'invention telle que revendiquée a également pour objet une méthode pour
produire la tige courbée de renforcement ci-dessus décrite ayant une
résistance
mécanique améliorée à l'endroit de sa courbure, ladite méthode comprenant les
étapes de base suivantes:
(i) production d'une tige rectiligne de section essentiellement circulaire à
partir d'un faisceau de fibres en solidarisant entre elles lesdites fibres à
l'aide d'un polymère liant;
(ii) pliage de cette tige autour d'au moins un gabarit de pliage, ce pliage
donnant à la tige une portion courbée au niveau de chacun dudit ou
desdits gabarits;
(iii) mise de la tige placée sur le ou les gabarits de pliage, dans des
conditions où le polymère liant des fibres peut durcir; et
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(iv) quand le polymère liant est suffisamment durci, retrait de la tige du ou
des gabarits.
Cette méthode selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend
l'étape
supplémentaire suivante :
(v) aplatissement de la tige à l'aide d'un ou plusieurs sabots pressée sur la
ou les portions courbées de celle-ci en contact avec le ou les gabarits
de pliage, ledit aplatissement s'effectuant après l'étape de pliage (ii), le
ou lesdits sabots n'étant retirés qu'après l'étape (iii) de façon à ce que la
mise de la tige dans des conditions où le polymère liant des fibres
puisse durcir, soit effectué avec les sabots encore en position de
pressage.
De préférence, la portion courbée de la tige a une section rectangulaire et
cette
section est plus large que la section circulaire de la tige. Alternativement,
la portion
courbée de la tige a une section ellipsoïdale et cette section est plus large
que la
section circulaire de la tige.
Du fait de la partie formant la courbure de la tige est aplatie, la différence
de valeur
entre les rayons de courbure interne et externe se trouve diminuée, ce qui
vient
renforcer sa résistance mécanique.
La présente invention ainsi que ses avantages seront mieux compris à la
lecture
de la description non restrictive qui suit, faite en se référant aux dessins
annexés.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
Les figures la, lb et l c sont respectivement des vues en coupe partielle
d'une
chaussée de béton, d'une poutre de béton et d'une barrière de type Jersey ,
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chacune des parties en question étant renforcée à l'aide d'une tige de renfort
courbée.
La figure 2 illustre la machine ainsi que les différentes étapes mises en
oeuvre le
5 long de celle-ci pour produire des tiges de renfort courbées.
La figure 3 illustre plus en détail la structure du gabarit utilisé dans cette
machinerie.
La figure 4 illustre la forme d'une tige ainsi obtenue, sous la forme d'une
spirale.
Les figures 5a, 5b et 5c sont des vues en perspective qui illustrent
respectivement
une tige obtenue par la méthode connue actuellement utilisée, une tige obtenue
par la méthode selon l'invention dont la partie courbée est de section
rectangulaire, et une tige obtenue par la méthode selon l'invention mais dont
la
partie courbée a une forme ellipsoïdale, les tiges en question étant toutes
respectivement obtenues en sciant à des endroits appropriés une spirale rigide
telle qu'illustrée sur la figure 4.
La figure 6 est une vue en perspective des gabarits utilisés dans le cadre
rotatif de
la machine utilisée dans le cadre de la présente invention, cette vue
illustrant
également la façon dont les sabots peuvent venir s'emboiter dans chacun des
chemins parallèles se trouvant dans le gabarit.
La figure 7 est une vue plus détaillée d'un groupe de sabots utilisables dans
le
gabarit illustré sur la figure 6.
La figure 8 est une vue de côté du cadre rotatif dans lequel la tige vient
s'enrouler
pour se trouver pliée tout en étant également aplatie par les sabots.
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Les figures 9a, 9b et 9c sont des vues illustrant la forme que peut avoir la
tige
courbée en fonction du nombre de gabarits utilisés et de leur positionnement
respectif.
La figure 10 est un graphique illustrant les améliorations obtenues sur les
propriétés mécaniques d'une tige selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
Les figures la, lb et l c illustrent l'importance que représente
l'incorporation de
tiges courbées de renforcement dans des structures en béton.
Ainsi, la figure la illustre la façon dont une tige peut être utilisée pour
ancrer un
parapet (31) à même la chaussée d'un pont (32).
La figure 1 b illustre la façon dont une tige de renforcement courbée (30b)
peut être
incorporée à une poutre de béton (34) qui est destinée à porter des charges.
On
comprendra que si les tiges peuvent supporter des tensions pour se
désolidariser
du béton, la capacité portante de la poutre (34) peut alors être
substantiellement
accrue.
La figure l c illustre comment une tige de renforcement courbée (30c) peut
être
incorporée dans une barrière (36) de type Jersey utilisée pour protéger le
bord de
route.
Tel que précédemment mentionné, la présente invention a pour objet une
nouvelle structure de tiges de renforcement courbées ainsi qu'une méthode pour
la fabrication de celles-ci.
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Tel que précédemment décrit, la méthode selon l'invention consiste à produire
des
tiges de renforcement courbées telles qu'illustrées dans les figures la à l c
ci-
dessus décrites, à partir d'un faisceau de fibres (1) qui sont imprégnées d'un
polymère liant capable de durcir le polymère liant en question étant de
préférence
une résine thermodurcissable.
Tel qu'illustré sur la figure 2 qui montre une machinerie utilisable pour la
mise en
oeuvre de procédé, les fibres (1) qui sont enroulées sur les bobines (2) en
amont
de la machine sont dévidées et amenées à converger vers un dispositif de
saturation (4) par une tension exercée sur elles par un cadre motorisé (3). Ce
dispositif (4) et constitué d'un bac (5) et de rouleaux guides (6). Il sert à
mouiller
les fibres (1) à l'aide du polymère liant qui est de préférence une résine
thermodurcissable est contenue dans le bac (5). Les fibres (1) mouillées par
la
résine terminent leurs courses convergentes en passant au travers d'un orifice
calibré (7) pour ainsi former à cet endroit précis, un faisceau (8) fait
desdites fibres
(1) parallèles saturées de résines thermodurcissable dont l'excédent dégorgé
par
l'orifice calibré (7) s'écoule dans un réservoir de captation (9).
A sa sortie de l'orifice calibré (7), le faisceau (8) est alors soumis à une
consolidation à l'aide de deux fils (10) fermement enroulés en spirale autour
de sa
structure. Cette consolidation peut être obtenue au moyen d'un dispositif (11)
constitué de deux bobines de fils (12) montées sur deux bras contre-rotatifs
(13)
dans les axes de rotation desquels le faisceau (8) est situé. Dans ce
dispositif (11),
un des fils de consolidation est enroulé de manière dextrogyre alors que
l'autre fil
est enroulé en sens inverse, ou lévogyre.
Suite à l'étape de consolidation, le faisceau de fibres saturé de résine et
consolidé
par les fils enroulés en spirale, forme une tige qui se trouve alors
introduite d'un
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cadre rotatif (15) comprenant des gabarits (14) sur lesquels le faisceau est
enroulé
en spirale.
Pour ce faire, chaque gabarit comprend une pluralité de chemins parallèles sur
lesquels la tige s'enroule sous forme de spirale.
En pratique, le cadre rotatif (15) peut comprendre deux ou quatre gabarits.
Dans le
mode de réalisation illustré, notamment si l'on se réfère à la figure 8, le
cadre
rotatif (15) comprend quatre gabarits, ce qui permet d'obtenir une spirale
(40) telle
qu'on la trouve illustrée sur la figure 4.
La spirale (15) ainsi obtenue peut alors être coupée selon des lignes (42)
telles
qu'illustrées en pointillés sur la figure 4. Ceci permet d'obtenir des tiges
courbées
telles que celles notamment illustrées sur la figure 9a. On comprendra
toutefois
que lorsqu'on utilise un cadre rotatif ne comprenant que deux gabarits (14),
il est
possible après découpe d'obtenir des tiges courbées telles que celles
illustrées sur
les figures 9b et 9c. Les tiges courbées de renforcement qui sont obtenues
peuvent donc avoir, selon le nombre de gabarits utilisés et le type de
découpe,
une forme de J, L ou U.
Les étapes qui viennent d'être décrites sont connues en soi et couramment
utilisées. En fait, la présente invention se distingue de ce qui vient d'être
décrit
essentiellement dans le fait que, une fois que la capacité du cadre rotatif a
été
atteinte, des sabots (16) sont mis en place et pressés dans les chemins de
chacun
des gabarits (14) dans lesquels se trouve la tige enroulée sur la bande d'une
spire
pour assurer un aplanissement de ladite tige à l'endroit où le sabot
s'applique.
D'un point de vue pratique, les chemins parallèles des gabarits (14) dans
lesquels
les fibres se trouvent enroulées pour ainsi former la tige sous forme de
spirale,
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peuvent avoir un fond plat ou un fond courbé. Dans ce cas, les sabots sont
avantageusement conçus de façon à également avoir ou bien une surface plane
ou bien une surface courbée de façon à donner à la partie qui se trouve
écrasée
une forme essentiellement rectangulaire telle qu'illustrée sur la figure 5b,
ou une
forme ellipsoïdale telle qu'illustrée sur la figure 5c.
On comprendra bien entendu que les formes en question rectangulaire et
ellipsoïdale ne s'appliquent que dans chaque section courbée puisque c'est là
uniquement que les sabots (16) viennent s'appliquer.
Il convient de mentionner que l'étape de presse ainsi effectuée à l'aide des
sabots
(16) s'effectue avant que la résine thermodurcissable ait subi son traitement
de
durcissement. Il est en effet important que le travail effectué pour obtenir
l'aplatissement désiré en appui sur les gabarits au niveau des courbures soit
effectué avant que la résine thermodurcissable ait subi son traitement en vue
de la
faire durcir et ainsi obtenir des fibres désirées sous forme rigide.
L'ensemble ainsi obtenu qui donc est constitué du faisceau (8) de fibres
saturées
de résine enroulé sur les gabarits (14) fixés au cadre (15) et sur lesquels
les
sabots (16) sont appliqués, est par la suite transféré dans un four qui permet
par
l'augmentation de la température pour faire durcir la résine
thermodurcissable.
Lorsque la réaction de la résine thermodurcissable est complétée, le cadre
(15) est
retiré du four, les sabots (16) sont retirés, les gabarits (14) sont enlevés
et la
spirale (40) maintenant devenue rigide est enlevée.
Par la suite, cette spirale (40) peut être utilisée directement dans sa forme
obtenue
telle qu'illustrée sur la figure 4, ou être découpée en diverses portions tel
qu'il a
déjà été décrit et illustré sur les figures 9a à 9c, selon les usages auxquels
elles
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sont destinées. La figure 5a montre la portion courbée d'une tige obtenue par
la
méthode usuelle alors que les figures 5b et 5c montrent chacune la portion
courbée d'une même tige obtenue selon la forme choisie pour les sabots.
5 En résumé, la méthode selon l'invention consiste donc à produire une tige de
renforcement courbée telle que décrite ci-dessus, à partir d'un faisceau de
fibres à
l'aide d'un polymère liant de préférence constitué d'une résine
thermodurcissable.
Le faisceau de fibres saturées de résine est tiré au travers d'un orifice
calibré qui
permet d'enlever le surplus de résine. Le faisceau de fibres est alors
consolidé à
10 l'aide d'au moins deux filaments qui l'enveloppent en spirale hélicoïdale,
une
spirale dans le sens horaire et l'autre dans le sens antihoraire autour du
faisceau
saturé. Le faisceau saturé de résine est alors enroulé sur au moins deux
gabarits
montés sur un cadre rotatif et dans les chemins desquelles des sabots sont
appliqués pour compresser et déformer les parties courbées. Le tout est alors
introduit dans un four, alors que le faisceau de fibres saturées de résine est
toujours sous pression. Après un temps suffisant dans le four à la température
requise pour assurer le durcissement de la résine, les sabots sont enlevés et
la
tige est retirée des gabarits. Elle peut par la suite être utilisée telle
quelle, ou
encore être découpée en diverses portions en fonction de l'usage à laquelle
elle
est destinée.
La figure 10 montre un graphique qui illustre l'amélioration substantielle de
la
résistance à la rupture exprimé sous la valeur MPa selon la norme ACI 440 B5
en
fonction de l'aplatissement de la portion de la section courbée de tiges
telles
qu'illustrées sur les figures 5a et 5b. La tige ainsi utilisée pour cet essai
avait une
taille de 16 mm (5/8 de pouce) de diamètre. Les matériaux utilisés étaient de
la
fibre de verre et une résine de type vinylester comme matrice
thermodurcissable.
La résine contenait un catalyseur de type peroxyde organique pour démarrer et
compléter la réaction de polymérisation ainsi que d'autres additifs et
charges. Le
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rapport axe majeur / axe mineur (1) était celui de la tige conventionnelle
telle
qu'illustrée sur la figure 5a.
La valeur de résistance à tension a été de l'ordre de 450. Avec la tige selon
l'invention telle qu'illustrée sur la figure 5b, les valeurs de résistance à
la tension
ont été de l'ordre de 510 et 650 selon des rapports axe majeur / axe mineur de
1,44 et 2,56 obtenues grâce aux sabots.
Comme on comprendra donc sur la base de ce qui a été expliqué précédemment,
le fait qu'un aplatissement soit fait au niveau de la courbure de chaque tige
présente un grand intérêt puisque cela réduit la différence de valeurs entre
les
rayons de courbure interne et externe au niveau de la courbure, ce qui vient
renforcer la résistance mécanique du produit final.
Il va de soi que diverses modifications pourraient être apportées à la méthode
qui
vient d'être décrite en se référant aux dessins annexés sans sortir du cadre
de la
présente invention telle que définie dans les revendications ci-jointes.
