Dôme en béton et son procédé de réalisation

La présente invention a pour objet un dôme de couverture d'une surface et son procédé de réalisation.

Depuis longtemps, en architecture, on utilise la technique du dôme ou coupole, pour couvrir des surfaces importantes de forme circulaire ou polygonale, par exemple, dans une église, à la croisée de la nef et du transept.

Généralement, un dôme constitue une voûte demi-sphérique reposant sur une ceinture circulaire qui, elle-même, peut s'inscrire dans une surface carrée et repose sur quatre murs ou quatre piliers. A la partie supérieure, la voûte peut être fermée mais, souvent, elle forme une ceinture supérieure limitant un oculus qui peut être à ciel ouvert comme, par exemple, au Panthéon de Rome mais, généralement, est surmonté d'un lantemon. En section horizontale, le dôme peut aussi être polygonal comme, par exemple, à Florence, celui de l'église Sainte Marie des fleurs.

La technique du dôme a été utilisée jusqu'au 19 ^eme siècle, éventuellement pour des bâtiments civils mais, toujours, pour recouvrir de grandes surfaces et, depuis un certain temps, ce mode de construction est devenu assez rare.

Jusqu'à présent, cependant, on utilisait les techniques de construction classiques, soit en maçonnerie, soit en construction métallique, pour la réalisation des dômes.

Or, l'inventeur a eu l'idée que certaines techniques de construction par éléments préfabriqués, prévues pour réaliser de façon rapide et économique des structures voûtées de grande portée recouvertes d'un remblai, pourraient être mises à profit pour renouveler la construction des dômes, en particulier, pour réaliser des salles enterrées.

En effet, pour diverses raisons, telles que la conservation de l'environnement, l'encombrement au niveau du sol etc , il est parfois nécessaire de réaliser des constructions enterrées. Par construction enterrée, il faut entendre toute construction destinée à être située en dessous du niveau du terrain naturel et recouverte d'un remblai.

Une telle construction enterrée délimite un volume pouvant être utilisé en tant que volume de stockage, abri, espace couvert pour des activités sportives ou autres.

Pour cela, on peut réaliser des constructions de forme globalement parallélépipédique comportant une couverture plane reposant sur des murs ou des piliers mais cette couverture doit reposer sur des poutres qui, selon la portée, doivent avoir une hauteur relativement importante pour supporter les charges appliquées, ce qui diminue le volume au-dessous de la surface couverte. On peut aussi réaliser des voûtes en berceau, sensiblement demi- cylindriques mais plutôt pour couvrir des surfaces rectangulaires, la portée entre appuis restant relativement réduite.

Or, dans certains cas, il peut être utile de recouvrir d'une voûte une surface circulaire ou polygonale centrée sur un axe vertical, par exemple pour recouvrir une grande salle souterraine.

L'invention a pour objet un nouveau procédé rapide et économique de réalisation d'une telle voûte en forme de dôme s'étendant, d'une façon générale, entre une ceinture inférieure délimitant la surface à couvrir et une ceinture supérieure écartée vers le haut et délimitant une surface plus réduite formant un oculus centré sur l'axe vertical de la surface couverte.

Conformément à l'invention, la couverture est constituée d'une pluralité d'éléments préfabriqués en béton armé comportant chacun une coque incurvée s'étendant entre la ceinture inférieure et la ceinture supérieure et formant un claveau à profil sensiblement trapézoïdal ayant une base inférieure large reposant sur la ceinture inférieure, une base supérieure étroite fixée sur la ceinture supérieure et deux côtés latéraux convergeant vers le haut entre la base inférieure et la base supérieure, lesdits claveaux préfabriqués étant posés l'un à côté de l'autre sur la ceinture inférieure réalisée à l'avance, avec leurs côtés latéraux jointifs et les bases supérieures desdits claveaux étant solidarisées par scellement dans une ceinture supérieure en béton armé, coulée en place après la pose desdits claveaux.

De préférence, chaque élément formant claveau a une forme en demi-fuseau, les côtés latéraux étant placés dans deux plans passant

par l'axe vertical de la surface à couvrir et faisant entre eux un angle aigu.

De façon particulièrement avantageuse, la coque incurvée de chaque claveau est renforcée par au moins une nervure s'étendant dans un plan passant par l'axe vertical de la surface couverte.

Dans un mode de réalisation préférentiel, la coque incurvée de chaque claveau en béton armé est munie, au moins le long de la base supérieure, d'armatures en attente qui sont noyées, après la pose desdits claveaux, dans la ceinture supérieure coulée en place. De même, la base inférieure large de chaque claveau peut être munie d'armatures en attente qui sont noyées, après la pose du claveau, dans du béton coulé en place pour le scellement dudit claveau avec la ceinture inférieure.

Cependant, selon une autre caractéristique préférentielle, la ceinture inférieure forme un sommier annulaire fermé ayant une face supérieure sensiblement plane, munie d'un épaulement faisant saillie vers le haut et sur lequel vient buter la base inférieure large de chaque claveau, à la pose de ce dernier.

Cet épaulement peut aussi être constitué par la face externe d'une rainure à fond courbe dans laquelle vient s'engager la base inférieure large de chaque claveau, celle-ci ayant un profil courbe conjugué de façon à former une articulation à rotule.

Dans un mode de réalisation préférentiel, la ceinture inférieure est ménagée dans le fond d'une fosse creusée dans le terrain naturel et la fosse est remblayée après la pose des éléments, de façon à recouvrir le dôme au moins partiellement.

D'autres caractéristiques avantageuses de l'invention apparaîtront dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés. Sur ces dessins :

- la figure 1 est une vue de dessus d'un dôme selon l'invention;

- la figure 2 est une vue d'ensemble en coupe verticale selon un plan passant par l'axe du dôme ;

- la figure 3 est une vue de côté d'un élément formant claveau;

- la figure 4 est une vue de dessous selon la flèche F1 de la figure 3

- la figure 5 et la figure 6 sont des vues de côté, respectivement, selon F2 et selon F3, de l'élément de la figure 3 ; - la figure 7 est une vue de détail, en coupe verticale, de l'appui d'un élément sur la ceinture inférieure.

Sur les figures 1 et 2, on a représenté, respectivement, en vue de dessus et en coupe axiale, un dôme D selon l'invention qui, dans cet exemple préférentiel, est destiné à recouvrir une surface S centrée sur un axe vertical A et ménagée sur le fond d'une fosse F, le dôme D étant recouvert d'un remblai R après la pose.

D'une façon générale, la voûte 1 du dôme est constituée d'une pluralité d'éléments 10 formant claveau, comportant chacun une coque incurvée de forme générale trapézoïdale, avec une base inférieure large 14, une base supérieure plus étroite 16 et deux côtés latéraux 12 qui convergent vers le haut et sont placés dans des plans passant par l'axe vertical A et faisant entre eux un angle aigu a.

Dans le mode de réalisation représenté sur les figures, la voûte 1 est formée par l'assemblage de 34 éléments qui reposent, par leurs bases inférieures 14, sur un sommier annulaire 3 formant une ceinture inférieure en béton armé et sont fixés, par leurs extrémités supérieures 16, sur une ceinture supérieure 2 formant une clé de voûte et limitant un oculus 102. La hauteur H au-dessus de la surface couverte S peut varier selon la courbure de la voûte, celle-ci pouvant ne pas être rigoureusement hémisphérique mais ayant, par exemple, en coupe verticale, un profil en anse de panier.

Les éléments préfabriqués 10 formant claveau sont identiques les uns aux autres, à l'exception éventuellement de certains éléments permettant de ménager des orifices d'entrée dans le volume intérieur 5 délimitant la voûte 1 et le plancher 4 qui recouvre le fond de la fouille F.

Un élément formant claveau 10 est un élément unitaire monobloc en béton armé préfabriqué. L'élément est conçu pour couvrir environ la moitié de la portée de la voûte 1 à réaliser, c'est-à-dire la distance entre

les bases 14 de deux éléments 10a, 10b diamétralement opposés de part et d'autre de l'axe A et formant avec la clé de voûte 2, la totalité de la section en arc de la voûte selon un plan axial

Un tel élément formant claveau 10 est représenté isolément sur les figures 3 à 6. Sur ces figures, l'élément 10 est représenté tel qu'il se présente en sortie des moules de fabrication, sans tenir compte des contraintes appliquées en service, un tel élément étant relativement déformable.

Chaque élément 10 comporte une partie 20 formant une coque extérieure, et au moins une partie 40 formant une nervure destinée à renforcer intérieurement la coque 20. En variante, par exemple pour des raisons esthétiques, la nervure 40 pourrait être disposée extérieurement à la coque 20.

D'une façon générale, le nombre et les dimensions des éléments préfabriqués 1 sont déterminés de façon que chaque élément, compte tenu de sa portée, puisse être manipulé et posé par une grue du type habituellement utilisée sur les chantiers de travaux publics mais, aussi, en tenant compte de l'aspect esthétique de la voûte à l'intérieur du dôme lorsque celui-ci est enterré. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, le dôme est formée de 34 éléments fuselés 10 ayant un angle d'ouverture (a) d'environ 10,5°. Le nombre d'éléments et leurs angles d'ouverture dépendront, donc, du diamètre de la surface S à couvrir, de la hauteur H que l'on souhaite donner au dôme, ainsi que des moules de préfabrication dont on dispose et des possibilités de levage.

Normalement, la coque 20 de chaque élément présente une forme cylindrique à génératrices parallèles à un axe horizontal, les bases inférieures 14 étant rectilignes. Le dôme 1 présente donc une section horizontale polygonale mais pratiquement circulaire lorsque le nombre d'éléments est important.

Cependant, si le nombre d'éléments est faible, le dôme 1 peut présenter des facettes sur sa face externe. On peut même envisager de couvrir une surface carrée avec un dôme à quatre faces incurvées.

D'une façon générale, chaque élément de base 10 doit avoir un poids raisonnable permettant son acheminement et sa manipulation sur

le chantier pour la réalisation du dôme. Par exemple, pour une hauteur de 7 m et un rayon de 10 m, le poids de chaque élément de base représenté sur les figures 1 à 3, sera d'environ 20 tonnes.

La face extérieure 26 de la coque 20 est essentiellement lisse. Elle comporte une pluralité d'organes d'ancrage 17 scellés en creux dans l'épaisseur de la coque 20 et de part et d'autre du centre de gravité pour permettre la fixation par des élingues de l'élément de base 10 à des moyens de manutention tels que des crochets de grue et son soulèvement dans une position redressée permettant la pose de la base 14 sur la ceinture inférieure 3, et le dépôt de la partie supérieure 16 sur un échafaudage provisoire non représenté.

Comme indiqué précédemment, la face intérieure 28 de la coque 20 est munie d'une nervure 40 s'étendant le long du plan axial médian dudit élément formant claveau 10. Comme le montre la figure 6, la nervure 40 peut avoir une section légèrement trapézoïdale, allant en s'élargissant en direction de la face intérieure 28 de la coque 20.

Comme indiqué plus haut, le dôme 1 peut avoir, en section verticale, un profil du type en anse de panier comportant deux arcs de cercle se raccordant tangentiellement et ayant des rayons de courbure différents, respectivement un arc supérieur de grand rayon R1 , dont le centre C1 peut être placé sensiblement à la verticale de l'extrémité supérieure 16 de l'élément 10 lorsque celui-ci a été mis en place, et un arc inférieur de plus faible rayon R2 qui se raccorde tangentiellement à l'arc supérieur, les centres de courbure C1 et C2 étant alignés suivant un rayon commun au point de tangence des deux arcs.

Après la pose, chaque élément 10 prend appui, par son extrémité inférieure 14, sur la ceinture inférieure 3, suivant un plan d'appui sensiblement vertical. Comme indiqué plus haut, les points d'ancrage des élingues sont disposés de façon que chaque élément, après démoulage, puisse être suspendu dans une position correspondant sensiblement à la forme du dôme. Chaque élément est alors posé sur la ceinture inférieure 3 par sa base inférieure 14 et vient reposer, par son extrémité supérieure 16, sur un échafaudage non représenté qui a été construit sur la surface à

couvrir S. Cet échafaudage peut être constitué de piliers ou de cadres verticaux reliés les uns aux autres par des éléments de contreventement et peut être réalisé au fur et à mesure de l'avancement de la construction. Les éléments 10 sont ainsi posés avec leurs côtés latéraux 12 jointifs, de façon à former progressivement la voûte du dôme, leurs extrémités supérieures 16 alignées limitant un orifice circulaire qui est fermé par un coffrage posé sur l'échafaudage et sur lequel est placée une cage de ferraillage, de préférence préfabriquée, correspondant à la forme à donner à la ceinture supérieure 2. Chaque élément formant claveau 10 est réalisé en béton armé et comporte, à son extrémité supérieure 16, des fers en attente 15 qui viennent s'imbriquer dans le ferraillage de la ceinture 2. Celle-ci peut alors être coulée et, après la prise, forme une clé de voûte solidarisant l'ensemble des extrémités supérieures 16 des éléments 10.

Dans le mode de réalisation préférentiel représenté sur les figures et en détail sur la figure 7, l'extrémité inférieure 14 de chaque élément 10 est arrondie de façon à former une rotule cylindrique à profil convexe qui vient s'engager dans une rainure 35 à profil concave conjugué, ménagée sur la face supérieure 32 de la ceinture inférieure 3. De plus, l'extrémité inférieure 41 de la nervure 40 est biseautée pour ne pas gêner la mise en place de l'extrémité 14 dans la rainure 35 et, en outre, permettre la pose sur le sol d'un élément 10 reposant sur son extrémité large 14 sans risquer de détériorer et de fissurer le béton de la nervure. De préférence, le dôme D est enterré, la ceinture inférieure 3 étant ménagée sur le fond d'une fosse F.

La ceinture inférieure 3 peut être coulée en place, dans un coffrage ou, éventuellement, une tranchée creusée dans le sol, ses dimensions et son ferraillage étant déterminés en fonction des charges à supporter, en particulier celles du remblai R qui recouvre le dôme D.

Comme indiqué plus haut, la face supérieure 32 du sommier 3 est munie d'une rainure concave 35 dans laquelle vient s'engager l'extrémité 14 de chaque élément, la face externe verticale de cette rainure étant prolongée vers le haut par un épaulement 33 sur lequel peut venir buter

l'extrémité 14 afin d'être guidée, à la pose de l'élément, pour s'engager dans la rainure 35.

Cette rainure 35 s'étend sur toute la circonférence du sommier annulaire formé par la ceinture inférieure 3. Pour éviter des concentrations de contraintes, lorsque la base 14 de chaque élément est rectiligne, la rainure 35 peut avoir une forme polygonale correspondante de façon que l'extrémité 14 de chaque élément 10 prenne appui latéralement sur toute sa largeur.

Grâce à cette forme en rotule de l'extrémité 14, il est possible de placer les points d'ancrage de façon que, à la pose, l'élément 10 soit légèrement redressé et pivote légèrement autour de son articulation inférieure 14 pour venir reposer sur l'échafaudage.

Les éléments 10 formant des claveaux adjacents sont disposés bord à bord avec, de préférence, interposition d'un joint d'étanchéité qui peut être, par exemple, placé dans une rainure ménagée le long de chaque côté 12 d'un élément 10. Cependant, on peut aussi réaliser une couverture d'étanchéité globale après la pose des éléments.

Le procédé selon l'invention permet de réaliser facilement, de façon rapide et économique, des dômes de forme circulaire ou polygonale pouvant recouvrir une surface ayant un diamètre de plus de 20 mètres et sur une hauteur de 5 à 10 mètres.

Il est à noter que la voûte ainsi réalisée présente un aspect particulièrement esthétique grâce à sa forme en anse de panier et aux nervures disposées en étoile. On peut ainsi réaliser, par exemple, une salle d'exposition, une salle de sport, ou une piscine, la lumière naturelle pouvant pénétrer par l'orifice supérieur 102 qui peut être à ciel ouvert ou recouvert d'une verrière ou d'un lantemon.

Bien que l'invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation particulier, elle n'est nullement limitée à ce mode de réalisation et couvre tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons qui entrent dans le cadre de protection de l'invention.

En particulier, comme on l'a indiqué plus haut, la forme du dôme dépend du nombre d'éléments formant claveau et peut être semi- sphérique ou à facettes. D'autre part, en raison de la grande résistance

aux contraintes, même pour une épaisseur de coque relativement réduite et de la relative souplesse des éléments formant claveaux, il est possible de réaliser avantageusement des dômes enterrés mais, bien entendu, la même technique pourrait être utilisée pour un dôme extérieur, la ceinture inférieure 3 pouvant être ménagée à la partie supérieure d'un mur, ou bien reposer sur des piliers espacés.

Par ailleurs, il est avantageux de prévoir, à la base de chaque élément formant claveau, une articulation à rotule qui facilite la pose de l'élément et permet de donner à l'ensemble du dôme une relative souplesse sous la charge du remblai mais le dôme pourrait aussi être scellé, à la base, dans le sommier 3, les extrémités inférieures 14 étant munies d'armature en attente pouvant être noyées dans du béton coulé en place. Ces armatures en attente peuvent, d'ailleurs, être assez rigides pour permettre le pose de l'élément sur le sommier, avant de le sceller par coulée de béton dans un coffrage approprié.

D'autre part, dans l'exemple représenté, le fond de la fosse F est recouvert d'un plancher plan 4 mais il pourrait présenter toute forme appropriée, éventuellement creusée dans le sol, par exemple pour une salle de sport, une piscine ou une salle de spectacle.