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L’évaluation de la résistance résiduelle d’une structure existante Ouvrages métalliques , état des pratiques RATP
J-F Douroux
2
Sommaire
• Présentation du patrimoine
• L’évaluation structurale : 6 questions
• Exemples de structures métalliques et enjeux :
– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7
– pont RER B de Reillle 1868
– Viaduc d’Austerlitz ligne 5
Présentation du patrimoine
3
Histoire du patrimoine RATP
Premières lignes de banlieue (Sceaux, St Germain, Bastille, Les Moulineaux)
Réseau Métro
Construction du RER et poursuite du développement du métro en banlieue
Métro automatique et tramway
1837 – 1890
1900 – 1940
1960 – 1980
1995 – maintenant
History of materials
Pont de Reille 1868
Viaduc Austerlitz 1904
Renforcement Viaduc Aust. 1936 -1938
Matériaux
Assemblages
5
Sur document P. Persy
6
Sommaire
• Présentation du patrimoine
• L’évaluation structurale : 6 questions
• Exemples de structures métalliques et enjeux :
– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7
– pont RER B de Reillle 1868
– Viaduc d’Austerlitz ligne 5
7
Evaluation de la résistance d’un ouvrage existant
Les motifs :
1 – Modification des charges ou changement de destination
2 – Pathologie importante sur l’ouvrage ou projet de réparation ou grosse opération d’entretien
3 – Modification de l’ouvrage
8
Evaluation des ouvrages existants
1 – Recherche approfondie de tous les documents existants, analyse
et contrôle des dimensions et pertes de section
Décision ou non d’évaluation de la résistance
2 – Calcul avec le règlement de l’époque et la circulaire de 1930 (pour prise en compte du coefficient dynamique notamment)
3 – Calcul avec un règlement moderne (Fascicule 61 t V, Eurocode) pour comparaison
Première analyse et décision de poursuite ou non des investigations
4 – Parfois prélèvement d’échantillons (soudabilité, résistance)
5 - Instrumentation éventuelle
Deuxième analyse et décision
9
Evaluation des ouvrages existants
Ouvrage réel
modèle
Règles / règlements
Evaluation des ouvrages existants La question des règles/règlements
Evolution des contraintes admissibles
11
Réévaluation des ouvrages existants La question des règles/règlements
La circulaire du 7 aout
1930 définit des règles
pour l’évaluation des
structures existantes, en
tenant compte du
coefficient dynamique
introduit dans le
règlement de 1927
Pour les ouvrages ferroviaires
12
Évolution des
charges de
routières sur les
ouvrages
Moments en tonne
mètre pour une
poutre de 10 m et une
poutre de 50 m (une
voie chargée)
10 m
50 m
Evaluation des ouvrages existants La question des charges
13
Evolution des charges
Evolution des charges
ferroviaires sur les
ouvrages
Moments en tonne.mètre
pour une poutre de 10 m
et de 50 m (une voie
chargée)
10 m
50 m
14
Charges – Trains type du métro
Evolution des
convois types
pour le métro
entre 1900 et
1932
15
Réévaluation des ouvrages existants La question du modèle de calcul
16
Evaluation des ouvrages existants La question du modèle de calcul
1927
Le calcul des treillis
17
Evaluation des ouvrages existants La question du modèle de calcul
Bertrand de Fonviolant démontre
qu’en fonction de l’élancement
de l’élément (compris comme le
ratio de sa largeur à sa longueur)
les « fatigues » dites secondaires
peuvent être très importantes et
devenir du même ordre de
grandeur que les fatigues dites
primaires
Note de calcul de
2015 où le choix a
été fait de garder
une articulation des
diagonales et des
montants des
poutres treillis
19
Evaluation des ouvrages existants La question des matériaux
Caractéristiques
spécifiées pour les
ponts rails dans le
règlement de 1891
20
Evaluation des ouvrages existants La question des matériaux
Evaluation des ouvrages existants La question des matériaux
Les matériaux utilisés pour la construction du métro (Biette – 1928)
22
Evaluation des ouvrages existants La question de la ductilité
23
Evaluation des ouvrages existants La question de la ductilité
Les expériences menées
mirent en évidence une
large capacité de
déformation plastique
pour la section à
assemblage mixte
rivetée-soudé
24
Réévaluation des ouvrages existants La question de la fatigue
700 trains par jour
20 essieux par train
110 ans d’exploitation à 365 j/a
> 5 108 cycles Quand on veut tuer son chien on
dit qu’il a la rage
Quand on veut remplacer son pont on dit qu’il est fatigué ? !
Avis personnel :
Nous considérons le calcul à la fatigue comme un indicateur utile, notamment pour orienter la surveillance
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Sommaire
• Présentation du patrimoine
• L’évaluation structurale : 6 questions
• Exemples de structures métalliques et enjeux :
– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7
– pont RER B de Reillle 1868
– Viaduc d’Austerlitz ligne 5
Les ouvrages métalliques de la RATP
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Ouvrage aérien RER B Passage Inférieur de la rue de l’abbaye
♦ Ponts métalliques
PI de l’Abbaye
RER B
Inter La Hacquiniere - Gif
1889 Ouverture 7.50 m Poutres âme pleine
sous rail Pose directe Hauteur sous poutre
4,30 m
27
État de l’ouvrage
• Ouvrage vieillissant, corrosion de la métallerie.
• Blocage et battement d’appareils d’appui
• Absence de dispositifs d’évacuation des EP
•Ouvrage non vérifié avec les convois de référence
du livret 2.01
• Flèche importante lors du passage des trains
Sensible au CHOC CAMION
•Semelle inférieure abîmée, Têtes de rivets
arrachées
•Appui poutre de rive cassé
•Déplacement des voies en pose directe (Arrêt
trafic)
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Remplacement du PI de l’Abbaye
29
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• Présentation du patrimoine
• L’évaluation structurale : 6 questions
• Exemples de structures métalliques et enjeux :
– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7
– pont RER B de Reillle 1868
– Viaduc d’Austerlitz ligne 5
? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? !
L07 – Franchissement du Collecteur de Clichy Plan de situation
Ligne 7
Collecteur de Clichy
30
Vue en plan de l’ouvrage - 1910
31
Ligne 7 du métro
Collecteur de
Clichy
Longueur des poutres : ~ 11,5 m
Coupe transversale de l’ouvrage ouvrage métallique à poutres jumelles
32
Vue depuis le collecteur
33
Recalcul de l’ouvrage
Type de convoi
envisagé
Charge à
l’essieu (T)
Espaceme
nt entre
bogies (m)
Contrainte
avec section
d’origine
(kg/mm2)
Contrainte avec
section
amoindrie
(kg/mm2)
Limite
élastique
Convoi type 1932 (convoi règlementaire utilisé
pour les vérifications des
ouvrages du métro)
15 2,25 24,13 sans objet 24
Rame MF77 avec coefficient
dynamique En exploitation sur la L7
11,3 2,20 20,23 24,10 24
Train travaux avec coefficient
dynamique
15 1,80 28,96 35,38 24
Train travaux sans coefficient
dynamique
15 1,80 25,11 29,11 24
Premier calcul à chaud en isostatique (poutre isolée) :
34
Calcul de l’ouvrage en tenant compte du biais
35
Vue en plan du modèle de calcul
Remplacement de l’ouvrage ?
Le calcul avec une perte de section de 4 mm pour chaque poutre ne prend pas en compte un certain nombre d’éléments :
ouvrage biais (donc hyperstatique)
portée réduite du fait du béton dans la zone d’appui
Nouveau modèle
Instrumentation de l’ouvrage
36
5,7 MPa
Instrumentation de l’ouvrage
Mesure des déformations sous passage des trains de travaux
37
Analyse historique
Procès verbal des épreuves Flèches mesurées et calculées
1910
38
L07/collecteur de Clichy - Etude de l’ouvrage
Conclusion : - Le remplacement de l’ouvrage nécessite la fermeture de la
ligne 7 pendant 3 ou 4 semaines - Les conditions de remplacement de l’ouvrage sont
complexes vis-à-vis de l’exploitation du collecteur - Les déformations mesurées sont très nettement inférieures
à celles calculées, et le niveau de contrainte très faible
Il a été décidé de procéder à une remise en l’état de l’ouvrage
39
40
Sommaire
• Présentation du patrimoine
• L’évaluation structurale : 6 questions
• Exemples de structures métalliques et enjeux :
– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7
– pont RER B de Reillle 1868
– Viaduc d’Austerlitz ligne 5
Pont sur l’avenue de Reille - 1868
Ligne de Sceau - Actuellement
RER B
Pont sur l’avenue de Reille - 1868
Ligne de Sceau - Actuellement RER B
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Sommaire
• Présentation du patrimoine
• L’évaluation structurale : 6 questions
• Exemples de structures métalliques et enjeux :
– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7
– pont RER B de Reillle 1868
– Viaduc d’Austerlitz ligne 5
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Inter station Gare d’Austerlitz – Quai de la Rapée
Travée de 140 m d’ouverture (Acier doux)
Pose directe
Pont en arc parabolique avec triple articulation
Renforcement de l’ouvrage en 1936-38
Viaduc d’Austerlitz – Ligne 5 (1904)
53
Viaduc d’Austerlitz : construction
Renforcement du viaduc par soudure (~ 1936)
Renforcement du viaduc par soudure (~ 1936)
Rajout de 275 t de métal (plus du tiers de la masse d’origine)
Viaduc d’Austerlitz : désordres
Fissures de 1916 dans le gousset
Tôle de gousset (bleue)
57
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
8
ROBOT – Eléments finis Modèles Barres, 3D
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
10
Plans de 1932 Modélisation ROBOT, 3D, plaques Calculs statiques
BLACHET Diane
MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
9
-5E-05
-4E-05
-3E-05
-2E-05
-0,00001
-1E-20
0,00001
0,00002
3E-05
4E-05
5E-05
Dé
form
atio
n
Position du convoi
-0,00004
-0,00003
-0,00002
-0,00001
0
0,00001
0,00002
0,00003
0,00004
0,00005
Dé
form
atio
n
Position du convoi
INSTRUMENTATION OSMOS ROBOT
(MF67 50% voyageurs voie 2 puis voie 1)
Déformations dans la suspente 9' amont, au passage d'un MF67
voie 2 puis voie 1
VOIE 2 VOIE 1
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67
Voie 1 (opposée à la suspente)
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67
460 MPa 830 MPa
Traction Compression
Plastification rivet
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
SUPPRESSION RIVET DEFECTUEUX : report des efforts
850 MPa
MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67
Renforcements
65
RENFORCEMENTS ET FISSURES
Renforcements supérieurs réalisés en 1936-1938
Suspentes avec fissure
66
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
MODELISATION LOCALE : SOLUTION RENFORCEMENT
2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz
Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane
MODELISATION LOCALE : RESULTATS – SOLUTION
RENFORCEMENT
20 Mpa < s < 30 MPa
18 Mpa < s < 23 MPa
Suspente sans renforcement Suspente avec renforcement
50 Mpa < s < 150 MPa
30 Mpa < s < 65 MPa
Viaduc d’Austerlitz : réparation
Conclusion : • Rester modeste face aux structures existantes • Importance du dossier d’ouvrages et des données sur l’ouvrage • Regarder les conditions réelles de fonctionnement (charges, conditions
d’appuis, • Ne pas se brider sur les possibilités de justification (y compris
l’instrumentation) • La réévaluation d’une structure doit être globale, or la superstructure est
souvent la partie la plus simple à justifier, surtout en comparaison des fondations et culées notamment
• La surveillance est un élément primordial pour la pérennité des structures et leur sécurité
Point de vu personnel : • Le calcul règlementaire est pas nature un calcul conventionnel :
le fonctionnement des structures ne l’est pas
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L’évaluation de la résistance résiduelle d’une structure existante
Pour méditer :
H. Clément - Les ouvrages du Métropolitain - 1945