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Université Saint Joseph de Beyrouth Ecole Supérieure d’Ingénieurs de Beyrouth
PONT MIXTE ACIER ET BETON ARME
Projet de Fin D’Étude -‐ Phase 1 -‐
Christian HABRE Maroun Lucien El-‐Harran
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Sommaire Introduction……………………………………………………………………………………………….………2 Lancement et description du projet
1 – Utilisation……………………………………………………………………………………………3 2 -‐ Géométrie…………………………………………………………………………………………….3 3 – Système Porteur………………………………..…………………………………………………3 4 – Type de dalle……………………………………………………………………………………..…4 5 – Section Transversale……………………………………………………….……………………5 6 – Position de la dalle……………….………………………………………………………………5 7 – Montage de la Structure……………………………………………………………..…………6 8 – Mise en place de la dalle………………………………………………………………….……6 Éléments Structuraux Superstructure : 1 – Dalle…………………………………………………………………………7 2 – Poutre Maitresses………………………………………...……………8 3 – Entretoises………………………………………………………………..8 4 – Connecteurs………………………………………………………………8 5 – Contreventement………………………………………………………9
Infrastructure : 1 – Piles………………………………………………………………………..10 2 – Culée………………………………………………………………………10 3 – Fondation………………………………………………………………..10 Équipements
1 -‐ Appareils d’appuis……………………………………………………………………………...11 2 – Joints de chaussée………………………………………………………………………………12 3 – Évacuateur d’eau………………………………………………………………………………..13
Pré-‐dimensionnement 1 – Description du projet………………………………………………..………………………..14 2 – Profil en long et trace en plan……………………………………………………………..14 3 – Section transversale type et dalle en béton……………………………………...…..15 4 – Poutres Maitresses……………………………………………………………………………..15 5 – Entretoises………………………………………………………………………………………...16 6 – Contreventements……………………………………………………………………………...16 7 – Connexion Acier – Béton…………………………………………………………………….16 8 -‐ Pré-‐dimensionnement :
-‐ Hauteur de la poutre maitresse…………………………………………….17 -‐ Actions : Poids Propre………………………………………………………….17
Charge de trafic…………………………..………………………….18 Vent …………………………………………………………..………….20 Neige……………………………………………………………………..20 Température………………………………………………………….20 Séisme…………………………………………………………………...20
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Introduction Un pont est une structure spatiale dont la fonction est le franchissement d’un obstacle (vallée, cours d’eau, autres voies de communication) par une voie de communication. Par conséquent, un pont doit être capable de transmettre aux fondations les actions qui le sollicitent. Il existe de nombreux critères permettant de distinguer les ponts. Ces critères répondent aux besoins de l’ingénieur car les modèles de charges, les situations de risques, les hypothèses de dimensionnement ou encore les modèles de calcul sont fonction du type d’ouvrage. Les critères de classification des ouvrages d’art sont principalement :
• Utilisation, • Géométrie, • Système porteur, • Type de dalle, • Section transversale, • Position dalle, • Méthode de montage de la structure métallique, • Méthode de mise en place de la dalle.
Figure 1 : Coupe d’un pont-‐mixte.
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Lancement et Description du Projet Notre projet se base sur l’étude d’un pont mixte, se situant dans une vallée, et ayant les propriétés suivantes :
1-‐ Utilisation : La classification selon l’utilisation permet de distinguer principalement les ponts suivants:
• Pont-‐route, • Pont-‐rail, • Pont pour les piétons et cyclistes.
Notre cas, est un pont-‐route, plus précisément pont autoroutier, constitué de deux ouvrages indépendants, chacun supportant les voies de circulation dans un sens de circulation. Notre étude est basée sur l’étude d’un de ces deux ponts, suivant un sens unidirectionnel, comportant 3 voies.
2-‐ Géométrie : La classification selon le tracé en plan du pont, et l’alignement des appuis, permettent de distinguer trois géométries en plan :
• Ponts droits, • Ponts courbes, • Ponts biais.
Notre étude se base sur l’étude d’un pont droit, qui a une forme rectangulaire, et qui ne nécessite pas d’inclinaison ni de déviation au niveau de son plan horizontal.
3-‐ Système Porteur :
Une classification fréquemment utilise est celle qui se base sur le système porteur. On distingue principalement les quartes types suivants :
• Ponts poutres,
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• Ponts arcs, • Ponts a béquilles, • Ponts a câbles porteurs.
Notre étude se base sur un pont poutre, ou les charges verticales sont conduites aux appuis par flexion des poutres. Les ponts poutres sont plus utilises pour de faibles portées, et généralement sous forme de pont mixte, le cas de notre projet.
4-‐ Type de Dalle : On distingue principalement trois catégories de dalles :
• Dalles en béton liées a la structure porteuse, • Dalles en béton non liées a la structure porteuse, • Dalles orthotropes en acier.
Notre étude se base sur une dalle en béton liée à la structure porteuse, c’est à dire aux poutres maitresses métalliques. Par conséquent cette dalle participe à la résistance à la flexion des poutres et à la torsion.
Figure 2 : Dalle en béton liée a la structure porteuse.
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5-‐ Section transversale : La classification selon le type de la section transversale est très utile pour décrire le comportement a la torsion du pont ; on distingue les ouvrages a :
• Section transversale ouverte, • Section transversale fermée.
Notre étude se base sur une section transversale ouverte, cette dernière qui décrit le système de pont comprenant deux poutres maitresses (bipoutres) ou plusieurs poutres (multi poutres).
Figure 3 : Section transversale.
6-‐ Position de la dalle : La dalle peut être disposée à différentes hauteurs par rapport aux poutres maitresses. On distingue principalement entre deux positions :
• Dalle supérieure, • Dalle inferieure.
Notre étude se base sur une dalle supérieure. En effet, la conception d’un pont a dalle supérieure est plus courants. La dalle protège la structure porteuse en métal des intempéries et des chocs de voitures. Elle permet aussi un élargissement de la surface de circulation.
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7-‐ Montage de la structure : On peut distinguer principalement trois méthodes de montage de l’ossature métalliques, à savoir la mise en place:
• A la grue depuis le sol, • Par encorbellement, • Par lancement.
Le montage de notre projet se fera par encorbellement. En effet, cette méthode est utilisée lorsque les hauteurs de l’ouvrage par rapport au sol sont grandes, ou lorsque l’accès au fond de la vallée ne permet pas une mise en place de la charpente métallique à la grue depuis le sol, ce qui est notre cas. Les éléments de la structure métallique sont mis en place tronçons après tronçons, en avançant en porte a faux vers l’appui.
Figure 4 : Montage par encorbellement.
8-‐ Mise en place de la dalle : Dans le cas d’une dalle en béton, on a généralement trois méthodes de mise en place sur poutres métalliques :
• Dalle coulée sur place, • Dalle ripée, • Dalle composée d’éléments préfabriqués.
Notre étude se base sur une dalle coulée sur place. Pour la dalle coulée sur place, le béton frais est coulé sur un coffrage fixe (fixé aux poutres maitresses) ou un coffrage mobile (chariot de coffrage se déplaçant sur les poutres).
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Éléments structuraux Cette section décrit les principaux éléments porteurs qui constituent les ponts et présente leurs fonctions dans la structure. Il faut distinguer entre les éléments de l’infrastructure et ceux de la superstructure. L’infrastructure est composée des éléments de soutien de l’ouvrage tels que les piles, les culées et les fondations. Les autres éléments structuraux de l’ouvrage représentent la superstructure. Dans le cas des ponts poutres, la limite entre la superstructure et l’infrastructure si=e situe au droit des appareils d’appuis.
Figure 5 : Infrastructure. Superstructure La figure si dessous montre les différents éléments porteurs constituants la superstructure d’un pont mixte bipoutre. On distingue la dalle, les poutres maitresses avec les connecteurs et les entretoises. Le contreventement fait également partie de la superstructure. A noter que le système forme de la dalle et les poutres maitresses est appelé tablier du pont.
Figure 6 : Superstructure.
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Dalle La fonction essentielle de la dalle est de transmettre les charges de trafic aux éléments porteurs principaux. Elle est généralement réalisée en béton arme, et parfois en béton précontraint transversalement ou longitudinalement, et rarement en acier. Poutres Maitresses Les poutres maitresses constituent l’élément porteur longitudinal du pont. Elles transmettent aux appuis, par flexion, par cisaillement et par torsion, les charges qui proviennent de la dalle. Elles peuvent être des profiles lamines, composées soudées a ame pleine, ou encore des poutres a treillis. Entretoises Les entretoises sont des éléments plans perpendiculaires à l’axe du pont, qui solidarisent les poutres maitresses entre elle. Elles jouent deux rôles principaux :
• Garantir l’indéformabilité de la section transversale du pont, • Assurer la transmission au contreventement des forces horizontales qui
agissent sur les poutres maitresses (vent, séisme, effet de la courbure) Elles peuvent être formée d’une plaque en acier, d’un treillis ou d’un cadre. Connecteurs Les connecteurs assurent la liaison entre la dalle en béton et les poutres maitresses de manière à ce que ces deux matériaux résistent ensemble aux actions. Les connecteurs les plus fréquemment utilises sont les goujons a tète.
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Contreventement Le contreventement est important pour le comportement latéral de l’ouvrage. Il rigidifie le système porteur principal dans le plan horizontal. Il a pour fonction de transmettre aux appuis les efforts horizontaux, essentiellement dus aux forces de vent. Il est en général constitue de d’une poutre a treillis dont les membrures sont les poutres maitresses de l’ouvrage. Dans le cas des ponts mixtes, lorsque la dalle est liée a la structure métallique, la dalle elle même assure cette fonction durant l’exploitation de l’ouvrage. Cependant il faut garantir la résistance latérale de l’ouvrage durant le montage et placer, au besoin, un contreventement provisoire.
Figure 7 : Contreventements.
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Infrastructure L’infrastructure comprend les piles, les culées et les fondations. Le rôle de ces éléments est de servir d’appuis à la superstructure et de transmettre au sol les charges qui la sollicitent. Les Piles Les piles, sont généralement réalisées en béton arme, parfois précontraint, et plus rarement en acier. Les piles peuvent être articulées ou plus généralement encastrées à leur base, libres ou articulées à leur sommet. Les culées Les culées sont généralement réalisées en béton armée, ce sont les éléments situes aux extrémités de l’ouvrage qui assurent le raccordement entre le pont et le terrain. Dans certain cas, les culées doivent soutenir l’extrémité des remblais d’accès et protéger celui-‐ci contre les effets de l’eau. Une dalle de transition en béton prend généralement appuis sur la culée et se prolonge de quelques mètres sous la voie de circulation. Cette dalle permet une transition progressive entre la route et la culée au cas ou un tassement se produit derrière la culée. Les fondations Les fondations transmettent au sol, par compression et par frottement, les efforts provenant des piles et des culées. On distingue entre fondations superficielle (semelles) ou profonde (pieux, pieux flottants). En raison des charges considérables qui agissent sur chaque pile, des fondations superficielles ne sont envisageables que pour un sol dont ces conditions sont excellentes.
Figure 8 : Pile et fondation.
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Équipements Pour le fonctionnement d’un pont, les équipements nécessaires comprennent les appareils d’appuis, les joints de chausses, et le système d’évacuation de l’eau. Appareils d’appuis Les appareils d’appuis se situent à l’interface entre superstructure et infrastructure. Ils doivent transmettre les charges verticales et horizontales de la superstructure aux piles et culées et permettre les mouvements de la superstructure. Cette double fonction est généralement assurée pas des appareils ad hoc conçus pour les degré de liberté désires (translation et/ou rotation). Ils sont des appareils, dont leur durée de vie est inferieure a celle de la structure porteuse. Ils sont sensibles à la présence de l’eau. Les appuis peuvent être de type fixe – ils transmettent alors une force horizontale a l’infrastructure sans déplacement relatif entre celle-‐ci et la superstructure – ou de type mobile – ils permettent le mouvement relatif entre l’infrastructure et la superstructure, et ceci dans la direction longitudinale de l’ouvrage et/ou dans la direction transversale. Il est important de noter que les appuis mobiles transmettent également une force horizontale a cause du frottement ou de la rigidité non nulle des appuis de type élastomère.
Figure 9 : Appuis.
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Joints de chaussée Les joints de chaussée assurent la continuité de la surface de roulement entre le tablier et la culée où entre deux parties du tablier. Ils servent avant tout a permettre les mouvements relatifs de la superstructure par rapport a l’infrastructure (variation de longueur dues a la variation de température, les rotations dues aux charges agissant sur le tablier engendrent de tels mouvements…) Les joints de chaussée doivent également supporter les charges verticales du trafic qui s’exercent sur eux. On peut différencier deux groupes de joints :
• Joints de chaussée en bitume polymère pour des petits mouvements (allongement : 20mm, raccourcissement : 10mm)
• Joints de chaussée avec éléments en acier ancres dans le béton de la dalle et de la culée. Ces joints permettent de plus grands mouvements (jusqu’à 1200mm) et sont appelé joint de dilatation.
Les joints de chaussée représentent un équipement important pour le bon fonctionnement du pont et par conséquent, demandent un entretien approprie. Ils subissent des usures ou des dégradations par fatigue qui indiquent que leur durée de vie est limitée dans le temps. La nécessite des joints de chaussée dépend avant tout de la distance entre le point fixe du pont et son extrémité et de l’importance du trafic utilisant l’ouvrage. Pour les petites longueurs de ponts, des ouvrages sans aucun joints peuvent être envisage dans le but de réduire les couts de maintenance.
Figure 10: Joints de chaussée.
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Évacuation de l’eau : Une évacuation de l’eau efficace et fiable, doit être assurée par garantir la durabilité de l’ouvrage. La stagnation d’eau sur revêtement, en plus de constituer un danger pour les utilisateurs peut conduire à une dégradation accélérée de la structure porteuse. Notamment, en cas de défauts ou de dégâts à la couche d’étanchéité située sous le revêtement, il s’ensuit des dégradations du béton sous l’action du gel ou des chlorures dissous dans l’eau. De même, la stagnation d’eau sur les éléments métalliques peut conduire à une dégradation par corrosion. Il est donc nécessaire de prévoir un système complet d’évacuation des eaux, tant transversalement que longitudinalement. Les pentes transversales et longitudinales doivent permettre la stagnation locale de l’eau de pluies.
Figure 11 : Coupe longitudinale et transversale avec les évacuateurs d’eau.
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Pre-‐dimensionemment du projet Description du projet Notre ouvrage est un pont mixte bipoutre, ayant une géométrie simple : pont droit, sans biais. C’est n pont route, destine a supporte 3 voies de circulation en trafic bidirectionnel, ainsi que deux trottoirs pour les piétons et cyclistes. Le pont n’est pas ouvert aux transports exceptionnels, et ayant une durée de service prévue de 70 ans. Profil en long et trace en plan L’élévation du pont est représentée à la figure ci-‐dessous. La longueur totale du pont est de 240m, repartie en trois travées de 75 m, 90 m et de 75 m. le pont est horizontal en élévation avec une contreflèche de 120mm dans la travée centrale et de 100mm dans les travées de rives. Il est rectiligne en plan et ne présente aucun biais.
Figure 12 : Élévation du pont.
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Section transversale type et dalle en béton La figure ci-‐dessous illustre la section transversale type. La chaussée est constituée de 3 voies de 3m de largeur chacun, et d’un trottoir de 1m de largeur de part et d’autre du pont, de largeur totale de 12m. La dalle présente un profile en toit avec une pente de 2.5% pour l’écoulement des eaux. La longueur du porte-‐à-‐faux est de 3m, et l’entraxe des poutres maitresses est de 6m. l’épaisseur de la dalle vaut 450mm au droit des poutres maitresses, 300mm a l’axe du tablier et aux extrémités du porte-‐à-‐faux, ce qui correspond a une épaisseur moyenne de hc=375mm.
Figure 13 : Section transversale. Poutres maitresses La hauteur des poutres métalliques est constante tout au long de l’ouvrage et vaut 3m (IPN 3000) et dont les propriétés seront présentées ultérieurement.
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Entretoises Les poutres métalliques sont entretoisées au droit des culées, des appuis intermédiaires ainsi qu’en travée au moyen d’entretoises de type cadre. L’espacement des entretoises est de 8m. La figure ci dessous nous montre la conception des entretoises. Sur appui, les traverses sont constituées d’un profilé compose-‐soude de 1.5m, alors qu’en travée il s’agit d’un profilé lamine IPE 600, place a mi-‐hauteur de la poutre métallique. Contreventements Pour le stade de montage, un contreventement provisoire est mis en place. Il se compose d’un treillis forme par les poutres maitresses, par les traverses des entretoises et par des diagonales croisées situées dans le plan des traverses des entretoises. Connexion Acier-‐Béton Sur appui, 3 rangées de goujons de diamètre 25mm sont soudées sur la semelle supérieure de la poutre. Les goujons sont espaces de 300mm ce qui représentent 9 goujons par mètre de poutre. En travée, 4 rangées de goujons de diamètre 25 mm sont soudées ssur la semelle supérieure de la poutre, dans la zone où se produisent des déformations plastiques. Ils sont espaces de 150mm ce qui représentent 20 goujons par mètre. Pré-‐dimensionnement Le predimensionnement consiste a définir de manière simple, rapide et réfléchie les dimensions des sections les plus sollicitées des poutres métalliques pour obtenir une première idée des caractéristiques de ces sections. Ces caractéristiques sont nécessaires pour procéder à une analyse de la structure et obtenir les efforts intérieurs correspondant à son comportement statique.
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• Hauteur de la poutre métallique : La hauteur de la poutre métallique doit être définie en utilisant l’équation permettant de calculer l’élancement l/h en fonction de la portée l et de la largeur 2b de la dalle. On obtient alors pour la travée :
l/h = 20 + (l-‐30)/5 – (2b-‐12)/2.5 Cet élancement de 32 donnerait une hauteur de poutre de 3000mm. Cette hauteur est maintenue constante pour toute la longueur de l’ouvrage. Le choix de la hauteur de la poutre conditionne les dimensions des semelles ; plus la hauteur est grande, plus l’aire des semelles sera plus petit, et inversement.
• Actions
1. Poids propre Dans le cadre d’un predimendionnement, il y a lieu de procéder a une estimation simplifiée des actions verticales agissant sur la poutre métallique pour le calcul approche des efforts intérieurs.
• Le poids propre de la charpente métallique peut être estime par :
Ga = 0.1 + 0.02lm / (0.6 + 0.035 * 2b) = 1.9 KN/m2
• Pour une poutre, le poids propre de la charpente métallique vaut 11.4 KN/m
• Le poids propre de la dalle est calcule en admettant une hauteur moyenne de 375mm ce qui conduit, pour une poutre, 0.375 * 25 * 6 = 56.25 KN/m
• Le poids propre des éléments non porteurs comprend celui du revêtement et
celui des glissières de sécurité. Pour un roulement moyen de 100mm sur une largeur de 11m nous obtenons pour une poutre 13.2 KN/m
• Le poids propre de la glissière est admis à 1 KN/m par poutre.
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2. Charges de trafic Le modelé de charge de trafic 1 (LM1) est place sur la chaussée en position défavorable longitudinalement et transversalement, ceci en fonctions des efforts maximaux recherches. La largeur de la chaussée accessible au trafic est de 11m. Le nombre n de voies de circulations fictives est détermine comme suit : n=partie entière de 11m/3m=3.
Figure 14 : Nombre et largeur des voies conventionnelles. La route qui franchit le pont n’est pas ouverte aux transports exceptionnels, d’ou LM1 est considéré. Les forces horizontales dues au démarrage et au freinage sont négligées pour la vérification de la superstructure.
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Figure 15 : Modèle de charge 1 – LM1.
Les charges prennent alors les valeurs suivantes :
-‐ qk1 = 9.0 KN/m2
-‐ qk2 = qk3 = qkr = 2.5 KN/m2 -‐ Qk1 = 300 KN -‐ Qk2 = 200KN
Les coefficients αqi = αQi = 0,9.
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3. Vent Les forces dues au vent se calculent selon les indications de la norme SIA 261. Cette norme permet de calculer les forces horizontales q1 et verticales q3 sur le tablier. Le vent horizontal permet de dimensionner le contreventement métallique au stade de montage.
4. Neige La charge de neige ne peut pas agir simultanément avec la charge de trafic. Comme le trafic est plus lourd que la neige, elle ne figure pas dans notre predimensionnement mais sera prise en compte dans le dimensionnement de notre ouvrage.
5. Température L’effet de température doit être pris en compte. Une contrainte de compression de l’ordre de -‐16 KN/mm2 agit dans l’ame de la poutre maitresse, une contrainte de compression de -‐4 KN/mm2 dans les semelles inferieures, et une contrainte de traction de 1.6 KN/mm2 dans la dalle en béton. A noter que ces calculs seront détaillés dans le dimensionnement du projet.
6. Séisme Pour le predimensionnement de notre ouvrage, l’effet du séisme n’intervient pas. Mais pour tout calcul de dimensionnement, cet effet interviendra dans le dimensionnement des fondations, piles, et surtout les appuis.
