Structure porteuse béton-bois

La présente invention a pour objet une structure porteuse bois-béton, un élément de plancher utilisant cette structure porteuse, un élément de pont utilisant cette structure porteuse et également un procédé de fabrication de ladite structure.

Des structures porteuses constituées par une plaque de béton sur une face de laquelle sont fixées deux poutres longitudinales en bois sont en elles-mêmes bien connues. Ces structures connues diffèrent les unes des autres essentiellement par le mode de fixation de la plaque en béton sur les poutres en bois. Parmi les techniques de fixation connues, on peut citer l'utilisation de tubes ou de tiges qui traversent à la fois la plaque de béton et les poutres en bois, des structures analogues mais dans lesquelles les tubes sont remplacés par des tiges ou tirans, des éléments de bandes de métal expansées, c'est-à-dire découpées et étirées qui sont collées dans une fente de chaque poutre en bois et qui sont noyées dans la plaque en béton des structures de liaison qui sont constituées par des plaques métalliques perforées et qui sont fixées dans les poutres et qui présentent des aspérités pour servir à leur ancrage dans la plaque de béton.

Ces différentes techniques présentent au moins deux inconvénients majeurs. D'une part, elles sont relativement onéreuses quant à leur mise en œuvre et d'autre part et surtout elles n'assurent pas une liaison suffisamment rigide entre les poutres et la plaque en béton, ce qui altère sensiblement la résistance mécanique et notamment à la friction de la structure bois-béton. En outre, dans le cas des deux dernières techniques de liaison mentionnées ci-dessus, il n'est pas possible de réaliser séparément la plaque en béton et les poutres en vue de leur assemblage. En effet, la plaque en béton doit être réalisée par coffrage sur les éléments de poutre de telle manière que les éléments métalliques de liaison soient noyés dans la masse du béton.

Un premier objet de l'invention est de fournir une structure bois-béton qui soit d'un coût de fabrication plus réduit et surtout qui présente une liaison bois-béton améliorée. Pour atteindre ce but selon l'invention une structure porteuse béton-bois, comprend :

- au moins une plaque de béton d'épaisseur sensiblement constante présentant une longueur et deux faces principales, réalisée en béton fibre ultra-performant ;

- au moins deux poutres en bois présentant chacune une face de fixation et s'étendant sensiblement parallèlement selon sensiblement toute la longueur de la plaque ; et

- des moyens de fixation de chaque poutre sur ladite plaque, lesdits moyens consistant en une couche de colle interposée entre la deuxième face de ladite plaque et la face de fixation de la poutre correspondante.

On comprend que selon l'une des caractéristiques essentielles de l'invention, la liaison entre la plaque de béton et les poutres en bois est réalisée par collage. Or, comme on l'expliquera plus en détails ultérieurement, ce mode de liaison entre la plaque de béton et les poutres en bois assure une liaison entre ces éléments qui présente une résistance notamment en cisaillement beaucoup plus élevée que les solutions mentionnées ci-dessus. En outre, on comprend que l'opération de collage est beaucoup moins onéreuse que l'élaboration, la fabrication et la mise en place des éléments de liaison mécanique décrits précédemment. II va de soi que la structure porteuse pourrait comporter plus de deux poutres sensiblement parallèles. Dans ce cas, de préférence, deux de ces poutres sont fixées à proximité des bords longitudinaux de la plaque en béton.

De préférence, la colle est une colle époxy. De préférence également, chaque poutre est réalisée en lamellé-collé de classe GL28. D'autres poutres pourraient bien sûr être utilisées.

De préférence encore, le béton fibre ultra-performant utilisé présente une résistance en compression au moins égale à 150 MPa. Selon un mode préféré de réalisation de la structure porteuse, des entretoises sont fixées entre les extrémités en regard des poutres.

Grâce à cette disposition particulière, on peut éviter les risques de déversement des poutres fixées sur la plaque de béton.

Un deuxième objet de l'invention est de fournir un élément de plancher utilisant la structure béton-bois définie ci-dessus.

L'élément de plancher se caractérise en ce qu'il comprend une structure porteuse du type défini ci-dessus, une couche de matériau isolant phonique fixée sur la première face de la plaque de béton et un revêtement fixé sur ladite couche d'isolation phonique. On obtient ainsi un élément de plancher modulaire, ces éléments de plancher pouvant être aisément reliés entre eux pour constituer l'ensemble du plancher grâce à la présence des poutres. Un tel élément de plancher est particulièrement bien adapté à la réalisation de plancher pour bâtiment d'habitation. En variante, l'élément de plancher peut comprendre une structure porteuse du type mentionné ci-dessus et une plaque de bois collée sur la face des poutres opposées à leur face de fixation. Dans ce cas de préférence, le volume limité par les poutres, la plaque de béton et la plaque de bois est sensiblement rempli d'un matériau isolant phonique. Cet élément de plancher est plus particulièrement bien adapté à la réalisation de bâtiment de bureau.

Un troisième objet de l'invention est de fournir un élément de pont utilisant la structure porteuse béton-bois définie ci-dessus.

L'élément de pont se caractérise en ce qu'il comprend une structure de support béton-bois du type défini ci-dessus et en ce que la plaque de béton a une épaisseur au moins égale à 60 mm et en ce que les poutres ont une hauteur au moins égale à 400 mm, l'entraxe entre les deux poutres étant de l'ordre de 500 à 700 mm.

Ces éléments de pont peuvent facilement être assemblés entre eux grâce à la présence des poutres en bois pour réaliser l'ensemble du pont.

Un quatrième objet de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'une structure porteuse du type mentionné ci-dessus.

Le procédé de fabrication se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes :

- on réalise une plaque en béton fibre ultra-performant présentant les dimensions données ;

- on ponce la première face de ladite plaque pour mettre à jour la zone poreuse de ladite plaque ; - on fournit deux poutres en bois de dimensions désirées présentant chacune une face de fixation ;

- on enduit d'une colle époxy lesdites faces de fixation des poutres et les portions de Ia deuxième face de la plaque sur lesquelles doivent être fixées lesdites poutres ; et

- on réalise le collage des poutres sur la plaque. De préférence, pour réaliser ladite plaque en béton, on coule le béton comprenant des fibres de renforcement dans un coffrage de forme convenable et on laisse vieillir la plaque de béton fibre ainsi obtenue pendant au moins 25 jours.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs.

La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles :

- la figure IA montre en vue de face une structure support bois-béton conforme à l'invention ;

- la figure IB est une vue de côté de cette même structure ;

- la figure IC est une vue de dessous de la structure représentée sur la figure IA ;

- la figure 2 est une vue en perspective de la structure porteuse béton-bois représentée sur les figures IA à IC ;

- Les figures 2A et 2B sont des vues en perspective et de dessous d'une variante de réalisation de la structure porteuse à trois poutres ;

- la figure 3 est un diagramme qui donne la flèche de la structure support en fonction de la force appliquée pour une structure conforme à l'invention et des structures béton-bois réalisées notamment par liaison par tube ou par liaison par métal déployé ;

- la figure 4 est une vue de face d'une structure porteuse adaptée à la réalisation d'un élément de plancher ; - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 4 montrant une variante de réalisation d'éléments de plancher ;

- la figure 6A est une vue de face d'une structure porteuse adaptée à la réalisation d'un élément de pont ; et

- la figure 6B est une vue de côté à échelle réduite de l'élément de pont.

En se référant tout d'abord aux figures IA à IC et 2, on va décrire un exemple de réalisation de structure porteuse béton-bois.

Comme Ie montrent les figures IA à IC, la structure porteuse béton-bois 10 est constituée par une plaque de béton 12 et par deux poutres en bois 14 et 16. La plaque en béton 12 est réalisée en un béton fibre ultraperformant (BFUP), il s'agit d'un béton fibre, c'est-à-dire dosé avec une certaine teneur en fibres métalliques, obtenu par moulage dans un coffrage. Typiquement, le dosage est de 1,5 % et les fibres métalliques ont une longueur de 14 mm. Le module d'élasticité théorique de ce béton est de 45 GP. En ce qui concerne les poutres en bois, elles sont de préférence réalisées en lamellé-collé de classe GL28, c'est-à-dire présentant des caractéristiques en flexion de 28 MPa.

La plaque de béton 12 présente une première face supérieure 12a et une face inférieure 12b. Les poutres 14 et 16 présentent respectivement des faces supérieures de fixation 16a et 14a.

Les dimensions des différents éléments constitutifs sont repérés par les références suivantes pour ce qui concerne la plaque en béton 12, sa largeur est I, son épaisseur w et sa longueur L. Pour ce qui concerne les poutres en bois 14 et 16, leur épaisseur est w", leur largeur I" et leur longueur est sensiblement égale à celle de la plaque en béton, c'est-à-dire L. Pour faciliter l'ancrage de la structure, les poutres pourraient avoir une longueur supérieure à celle de la plaque de béton.

Comme on l'a déjà expliqué, selon une caractéristique essentielle de l'invention, les poutres 14 et 16 sont fixées sur chaque côté de la face inférieure 12b de la plaque en béton BFUP référencée 12 par collage. Sur les figures, on a représenté les couches de colle 18 et 20 dont l'épaisseur est évidemment excessive. Les essais réalisés par les inventeurs ont montré qu'une colle époxy était particulièrement adaptée pour le collage des poutres en bois sur le béton BFUP. Cette colle époxy peut être notamment celle qui est commercialisée sous la marque Sikadur 30 bénéficiant de la norme NF. Bien entendu, d'autres types de colle pourraient être utilisés. On décrira plus en détails le procédé de réalisation de la structure porteuse béton-bois et notamment l'étape de collage. Comme le montre mieux la figure 2, l'élément support peut en outre comporter à chaque extrémité 14b, 14c et 16b, 16c des poutres 14

et 16, une entretoise telle que 21 disposée à proximité des extrémités de ces poutres et s'étendant donc perpendiculairement à la plaque en béton 12. Bien entendu, les poutres 14 et 16 sont parallèles entre elles et fixées sur la périphérie de la plaque en béton 12 selon la direction de sa longueur. Les entretoises 21 peuvent avantageusement être fixées à l'aide de tirants boulonnés tels que 22 et 24 traversant également les extrémités des poutres. La présence de ces entretoises d'extrémité 21 permet d'éviter les risques de déversement des poutres 14 et 16 collées sur la plaque 12 sous l'effet des contraintes appliquées à la structure. Des essais ont été réalisés sur un exemplaire de la structure porteuse présentant une longueur L de 1 m. L'épaisseur de la plaque en béton 12 est de 5 cm et la hauteur des poutres en bois est de 13,5 cm.

La figure 3 montre le résultat des tests de flexion en 3 points réalisés sur l'échantillon qui vient d'être défini (courbe A) sur une structure porteuse de même dimension réalisée avec des moyens de connexion consistant dans un métal déployé (courbe B) et un échantillon présentant les mêmes dimensions dans lequel la liaison entre les poutres et la plaque de béton est obtenue à l'aide de tubes (courbe C). On constate que la tenue en flexion de la structure porteuse conforme à l'invention, c'est-à-dire dans laquelle la liaison entre la plaque en béton et les poutres est réalisée par collage, est très supérieure à celle que l'on obtient avec les deux structures porteuses de l'art antérieur.

Avec cet échantillon, on a mesuré que sous la charge maximale de 100 kN, la contrainte de cisaillement dans le plan de colle 18, 20 est de 4,3 MPa.

Un prototype de structure porteuse conforme aux figures IA à IC a été réalisé avec une plaque en béton BFUP ayant une teneur de 2,5 % en fibres métalliques et des poutres en bois 14 et 16 réalisées en lamellé-oollé de type GL28. La longueur L de la structure est de 3,20 m, sa hauteur est de 230 mm, la largeur I' de la poutre est de 80 mm. La plaque de béton 12 a une épaisseur w de 40 mm et la largeur I de la plaque de béton est de 500 mm.

Les essais réalisés avec ce prototype ont abouti à une première rupture dans Ie bois en partie inférieure d'une des poutres à mi-portée pour une charge de 320 kN.

En se référant maintenant aux figures 2A et 2B, on va décrire une variante de réalisation de la structure porteuse.

La structure porteuse 25 comprend une plaque 25' de béton fibre ultra-performant du même type que celle qui a déjà été décrite et trois poutres 26, 27 et 28 en bois de même type que celles qui ont été décrites précédemment. Ces poutres 26, 27 et 28 sont fixées sur la face 25'b de la plaque 25' par collage comme on l'a déjà décrit. Elles s'étendent parallèlement à la longueur de la plaque en béton 25'. Les poutres 26 et 28 peuvent coïncider avec les bords longitudinaux 25'b et 25'c de la plaque 25' ou être légèrement en retrait comme le montrent les figures 2A et 2B. De même, la poutre centrale 27 peut avoir la même section que les poutres latérales 26 et 28 ou une section différente.

En outre, les poutres peuvent avoir la même longueur que la plaque 25' ou encore une longueur légèrement inférieure, la longueur de la poutre centrale 27 pouvant être différente de celle des poutres latérales. Il est également possible, comme le montrent les figures 2A et 2B que les extrémités 26c, 27c et 28d des poutres soient légèrement en retrait par rapport à l'extrémité 25'd de la plaque.

Enfin, la structure porteuse peut également comporter des entretoises 29 et 29" entre les extrémités des poutres 26, 27 et 28.

En se référant maintenant aux figures 4 et 5, on va décrire deux variantes de réalisation de la structure porteuse pouvant servir à la réalisation d'éléments de plancher.

Dans le cas du mode de réalisation de l'élément de plancher 30 représenté sur la figure 4, la plaque de béton qui porte la référence 32 est conforme à celle qui a été décrite précédemment. Les deux poutres longitudinales 34 et 36 sont collées sur la face inférieure 32a de la plaque en béton par des couches de colle 38 et 40, ainsi qu'on l'a décrit précédemment Dans ce mode de réalisation, la face supérieure 32b de la plaque en béton 32 est recouverte d'une couche de matériaux d'isolation phonique 42 elle-même recouverte d'un revêtement ayant des qualités esthétiques 44. On obtient ainsi une structure de plancher 13 efficace. L'élément de plancher peut avoir une portée de 7,5 m, l'épaisseur de la plaque en béton de 30 mm et l'entraxe entre les poutres de 500 mm. Les poutres ont une hauteur de 200 mm et une largeur de 90 mm. La masse d'un élément de plancher ainsi obtenue est de 773 kg soit une masse de

103 kg/m ² de plancher, ce qui est bien inférieur à ce que l'on rencontre habituellement pour des éléments de plancher équivalents.

Sur Ia figure 5, on a représenté un deuxième mode de réalisation d'élément de plancher 50 mieux adapté à la réalisation de locaux de bureaux ou industriels.

L'élément de plancher 50 comprend une plaque de béton BFUP 52 et deux poutres en bois, de préférence du type GL28, 54 et 56. L'élément comprend en outre une plaque inférieure 58, de préférence en bois également, dont les bords sont fixés, de préférence par collage, sur les faces inférieures 54b et 56b des poutres 54 et 56.

De préférence, le volume V limité par les plaques 52 et 58 et les poutres 54 et 56 est rempli d'un matériau 60 isolant phonique. En outre, cette structure constitue un "coussin", ce qui en renforce la résistance mécanique. Sur les figures 6A et 6B, on a représenté un élément de pont 70. Cet élément de pont a la même architecture que la structure porteuse. Il comprend une plaque en béton 72 (BFUP) et deux poutres longitudinales 74 et 76. Ces poutres sont de préférence du type GL28. La liaison est réalisée par collage. Dans un mode de réalisation particulier, la plaque en béton 72 a une épaisseur w de 70 mm et une largeur | de 600 mm. Chaque poutre 74, 76 a une hauteur w" de 650 mm. Ce sont les dimensions des différentes parties de la structure qui sont adaptées à la réalisation d'un pont. Cet élément de pont permet de répondre au critère de flèche maximale sous les charges d'exploitation.

On va maintenant décrire un mode préféré de mise en œuvre du procédé de fabrication de Ia structure porteuse béton-bois. Ce même procédé pourrait être utilisé pour la fabrication des éléments de plancher ou de pont. On réalise d'abord la plaque de béton BFUP selon la technique standard, c'est-à-dire par moulage dans un coffrage en utilisant 1,5 % ou 2,5 % de fibres métalliques, par exemple de 14 mm de longueur.

Après démoulage, on laisse "vieillir" la plaque pendant au moins 25 jours, de préférence 28 jours, ce qui permet d'obtenir un béton de résistance à la flexion moyenne de 120 MPa. La face de la plaque de béton sur laquelle seront collées les poutres est poncée pour mettre à nu

la partie de la plaque présentant une bonne porosité. Cette étape permet d'améliorer très sensiblement les propriétés mécaniques du collage.

Puis, on dépose sur la face de fixation des poutres et sur les parties correspondantes de la face poncée de la plaque une pellicule de colle, de préférence une colle époxy et de préférence une colle de la marque Sikadur 30. Enfin, on applique les poutres sur la plaque de béton pour obtenir le collage.

Cette technique permet d'obtenir une résistance au cisaillement de 4,7 MPa dans les zones de fixation.