PFE soutenu en juin 2012 DE BARBA-Amandine 1/4

M E T H O D E D E D I M E N S I O N N E M E N T A U X E U R O C O D E S

D ´ O U V R A G E S P R E C O N T R A I N T S C O N S T R U I T S

P A R E N C O R B E L L E M E N T S S U C C E S S I F S –

A P P L I C A T I O N D E L A M E T H O D E A U C A S D ´ U N O U V R A G E

D I M E N S I O N N E S E L O N L E C O D E C O L O M B I E N .

Société d’accueil : Consultoría Colombiana S.A

PFE présenté par : DE BARBA Amandine

Tuteur industriel : MEDINA Pedro

Enseignant superviseur : ZINK Philippe

Resumé

Ayant effectué mon neuvième semestre d´études dans une université colombienne, j´ai voulu me donner la chance de mieux connaître la culture et les méthodes de travail colombiennes en vue d´une probable future carrière professionnelle à l´étranger. Le sujet de ce projet de fin d´études consiste en la réalisation d´un guide méthodologique de dimensionnement des ouvrages en béton précontraints construits par encorbellements successifs. Cette méthode, commence à être utilisée en Colombie, mais les techniques restent anciennes. La précontrainte extérieure est par exemple complètement inconnue dans le pays. Une partie du projet a consisté en de la recherche bibliographique et la rédaction d´un guide technique expliquant les connaissances et l´expérience française de la précontrainte extérieure. Dans un second temps, un guide de dimensionnement a été réalisé afin d´expliquer les méthodes de calculs des ouvrages construits par encorbellements successifs. Enfin une partie du travail a été d´appliquer cette méthode au cas concret d´un viaduc dimensionné au Code Colombien afin de réaliser une étude plus précise des méthodes de dimensionnement.

Resumen

Haber hecho mi noveno semestre en una universidad colombiana, quise conocer más la cultura y los métodos de trabajo colombianos, con miras de desarrollarme profesionalmente en el extranjero. El fundamento de esta pasantía consiste en la realización de una guía metodológica de diseño de puentes en concreto pretensados construidos por voladizos sucesivos. Esta manera de construir recién empiezan a utilizarse en Colombia, pero los métodos son antiguos, por ejemplo el pretensado externo es totalmente desconocido. La primera parte del proyecto fue una investigación bibliográfica y la redacción de una guía técnica explicando los conocimientos y la experiencia francesa sobre el pretensado externo. Otra parte fue la realización de una guía de diseño en el cual se explica el método a seguir para diseñar los puentes construidos por voladizos sucesivos. Por último se hizo una aplicación del método a un caso, el cual fue un viaducto ya dimensionado con el CCDSP, Código Colombiano de Diseño Sísmico de puentes. El objetivo de este ejercicio era el de realizar un estudio más minucioso de los métodos de diseño.

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1. Description du projet

Problématique A cause de la guerre civile et de ses difficultés économiques, la Colombie est sous-développée en équipements routiers, et reste en marge quant aux innovations technologiques mondiales. Aujourd´hui, la situation politique s´améliore et la Colombie est en pleine expansion économique : elle a mis en place un programme de développement de son réseau routier. Afin de répondre rapidement à la demande, les bureaux d´études appliquent les méthodes connues et n´accordent que peu de temps à la recherche de nouvelles solutions. Pour combler ce manque, le pays fait souvent appel au savoir-faire des entreprises étrangères. Au sein de Consultoría Colombiana, les ingénieurs sont aussi surchargés. Néanmoins, le directeur « Structures », Edgar Franco, souhaite accorder plus de temps à l´étude de nouvelles technologies. L´embauche d´un stagiaire français est vue comme un atout, dont il souhaite profiter pour orienter l´entreprise vers de nouvelles méthodes de calcul. Description du sujet En particulier, M. Franco est intéressé par l´étude de la précontrainte extérieure. Cette méthode qui est appliquée massivement depuis les années 80 en Europe, est inconnue en Colombie. La précontrainte extérieure peut être utilisée pour différents types d´ouvrages. Etant donné que le pays est montagneux, c´est la méthode d´encorbellements successifs qui sera étudiée en particulier. Le sujet se décompose en trois parties :

1- Recherche bibliographique et rédaction d´un guide technique quant aux pratiques de la précontrainte extérieure et à l´expérience française.

2- Rédaction d´un guide méthodologique pour le dimensionnement d´un tablier à encorbellements successifs.

3- Application de la méthode au cas d´un viaduc déjà dimensionné selon le Code Colombien. Le but étant d´être plus précis quant à la méthode de calcul.

Intérêt du sujet Dans un premier temps, ce projet intéresse mon entreprise, pour s´ouvrir à de nouvelles techniques. D´autre part, les ingénieurs de Consultoría Colombiana ont plutôt été éduqués à l´utilisation de programmes pour le dimensionnement des structures. Le travail que j´effectue les intéresse, car ils souhaitent avoir un regard plus critique quant aux calculs qu´ils réalisent. D´un point de vue personnel, ayant réalisé mon neuvième semestre en Colombie j´ai pris conscience des possibilités de travail pour un ingénieur civil en Amérique Latine. Ce projet était pour moi une réelle opportunité, très enrichissant sur le plan professionnel il représentait aussi un défi linguistique.

2. La précontrainte extérieure

La précontrainte extérieure n´étant pas du tout utilisée en Colombie, j´ai étudié le système, et rédigé un guide d´utilisation technique. Le but était d´expliquer les problématiques rencontrées par les français lors des débuts de cette méthode, ainsi que de comprendre ses spécificités techniques et dispositions constructives. Historique La précontrainte extérieure a vu ses premiers jours en France en 1928 et 1936. Etant donné que Freyssinet se fit connaître internationalement, la méthode ne s´est pas vraiment développée aussi vite que la précontrainte interne, mais néanmoins quelques ouvrages furent construits avec des câbles extérieurs. Cependant la constatation de cas de corrosion dans certains ouvrages a valu une mauvaise réputation à la technique, et les recherches ont été abandonnées. Malgré tout, des progrès ont été réalisés au niveau des réparations ce qui a relancé la construction d´ouvrages avec des câbles externes. La technique fut massivement utilisée en France et aux Etats-Unis dans les années 80-90. Aujourd´hui, les problèmes de corrosion sont dominés, et les producteurs de précontrainte proposent des solutions adaptées, agrémentées. Pour les ouvrages construits par encorbellements successifs, d´emblée le dimensionnement des câbles de continuité se fait en précontrainte extérieure. Technique La particularité de la précontrainte extérieure est la possibilité de remplacer les câbles, il est donc important de mettre en œuvre des unités qui se détendent et se démontent facilement sans

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endommager l´ouvrage. La précontrainte étant exposée aux agressions extérieures, il est primordial d´utiliser des câbles de bonne qualité. Les câbles les plus exploités sont injectés au coulis de ciment, plus économiques, ils sont aussi très efficaces pour la lutte contre la corrosion. De plus, leur remplacement est relativement aisé et se révèle plus propre que celui des câbles injectés de produits souples. Dispositions constructives particulières Des dispositions doivent être prises pour permettre le remplacement des câbles. Elles concernent en général la circulation de personnes, l´électricité, l´aménagement des piles et des culées, ou encore les ouvertures permettant d´amener les outils de remplacement. D´autre part, certaines dispositions constructives particulières doivent être respectées afin de faciliter la mise en œuvre de la précontrainte. Une distance minimale de 5cm doit être ménagée entre la gaine et le béton des hourdis (dans le cas de structures fermées). Une attention particulière doit aussi être portée quant aux rayons de courbure des déviateurs pour obliger le câble à s´appuyer dans la masse et permettre ainsi aux déviateurs de transmettre intégralement les efforts de pression aux voussoirs.

3. Méthode de dimensionnement des ponts en béton précontraints construits par encorbellements successifs

La construction par encorbellements successifs consiste en l´assemblage en hauteur, d´éléments de tabliers appelés voussoirs. L´assemblage s´effectue de façon symétrique à partir des piles. Un premier voussoir appelé VSP, est mis en place sur pile, puis les autres éléments y sont assemblés pour former un fléau, isostatique et en équilibre. Les fléaux sont ensuite assemblés les uns aux autres pour former un système de poutre continue. L´étape d´assemblage des fléaux est appelée clavage, elle se réalise avec un voussoir dit de clavage. Détermination de la section Un pré-dimensionnement de la section est réalisé à l´aide du guide de conception du Sétra : Ponts en béton précontraint construits par encorbellements successifs. Le type de variation du tablier est déterminé en fonction des portées : de 60 à 80m la hauteur de tablier est constante, de 80 à 100m elle peut être variable ou constante et au dessus de 100m elle est variable. Une feuille de calcul Excel a été réalisée afin de calculer les caractéristiques des sections le long du tablier. Elle permet d´entrer les dimensions de la section, le type de variation envisagé et renvoie les caractéristiques aux abscisses voulues (généralement au droit des joints entre voussoirs). Puis, les longueurs de voussoirs sont déterminées. On essaie de réaliser des voussoirs de même poids. La longueur de voussoir courante est comprise entre 3 et 4m. Détermination des câbles de fléaux La première précontrainte utile à la construction par encorbellements successifs, est la précontrainte de construction utilisée pour l´assemblage de voussoirs. Cette précontrainte est interne, placée le plus proche de la fibre supérieure, elle a pour but de permettre à la structure de résister aux charges de construction et au poids propre du fléau. Une Excel a été réalisée pour cette étape de calcul, elle permet de déterminer le type de câble nécessaire en fonction des longueurs de voussoirs souhaitées. Détermination des câbles éclisses Lors de l´assemblage des fléaux et avant la mise en place de la précontrainte continue, des moments positifs se créent en travée. Ils sont dus à la mise en continuité successive du tablier et aux effets thermiques. Pour reprendre ces moments il convient de mettre en place des câbles, appelés éclisses ou câbles de continuité, dans les goussets inférieurs du caisson, en travée. Le calcul de ces unités dépend des efforts hyperstatiques des câbles précédents ainsi que des charges de construction. Il est donc important dès le stade de dimensionnement de déterminer les étapes de clavage. Les câbles sont calculés en commençant par la dernière étape. Ils sont dimensionnés en fonction de leurs effets, du poids propre du voussoir de clavage ainsi que du gradient thermique le long de la structure hyperstatique. Les câbles antérieurs résistent eux à leurs effets, au poids du voussoir de clavage ainsi qu´aux effets des câbles précédents. Pour cette étape de calcul aucune méthode Excel généralisable à tout type d´ouvrages n´a été créée. Il est cependant possible de réutiliser la feuille de calcul des câbles de clavage du viaduc étudié et de la réadapter. Cette feuille est, du reste, capable de calculer les sollicitations dues au gradient thermique, aux câbles et au poids des voussoirs.

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Détermination des câbles extérieurs Afin de permettre à l´ouvrage de résister aux charges d´exploitation, des câbles de continuité sont mis en place le long de l´ouvrage. Ils résistent en travée aux moments positifs et au niveau des piles aux moments négatifs. Pour permettre le remplacement des câbles mais aussi pour pallier aux pathologies observées d´une précontrainte de continuité complètement intérieure, ils sont extérieurs au béton. Les câbles peuvent être filants le long de l´ouvrage ou, par souci d´économie, être majoritaires dans les travées les plus sollicitées, et minoritaires dans les travées de rive. La position des déviateurs peut être prise de façon empirique : 1/3 de la portée pour les sections variables ou 1/4 pour les sections constantes Par manque de temps, les sollicitations dues au trafic seront calculées à l´aide du logiciel de l´entreprise : SAP2000. Un état des moments dans la structure continue sous la précontrainte de clavage et des câbles de fléau est réalisé dans le but de ne pas mettre en œuvre trop de câbles extérieurs. Au niveau du fluage, étant donné que les propositions de l´Eurocode s´avèrent éloignées de la réalité, une simplification sera faite en prenant en compte une réserve de 2MPa comme le préconise le guide de conception du Sétra.

4. Application au cas d´un ouvrage dimensionné au Code Colombien

Une application au cas d´un ouvrage dimensionné selon le Code Colombien sera réalisée afin d´expliquer de façon plus précise et concrète la méthode de calcul des ponts à encorbellements successifs. L´ouvrage choisit est long de 3 744 mètres et large de 11.70 mètres. Il se décompose en six tronçons de six fléaux de 104 mètres de long chacun, les joints d´étanchéité se trouvant en travée et permettant ainsi aux fléaux de fonctionner indépendamment. Je pensais au départ réaliser une étude selon les deux normes, mais l´Eurocode et le Code Colombien se sont révélés en fait très différents. Le manque de temps et la laboriosité de l´exercice m´ont donc conduite à effectuer l´étude uniquement aux Eurocodes. Adaptation de l´Eurocode Etant donné que les charges de trafic en Colombie sont supposées plus importantes, une adaptation a été effectuée lors du calcul de celles-ci et les sollicitations ont été déterminées en fonction du Code Colombien. Par ailleurs, l´un des grands avantages de la précontrainte extérieure est de permettre de réduire le poids de la structure. Cette réduction s´effectue surtout au niveau du hourdis inférieur. Hors les enrobages spécifiés par l´Eurocode sont d´environ 9cm et ceux du Code Colombien de 3.8cm. Une adaptation sera donc effectuée dans ce cas pour permettre une réduction du poids.

Conclusion

Je suis personnellement ravie du travail que j´ai eu à effectuer. Certes, mon projet a été compliqué car je l´ai réalisé en partie seule : la distance avec la France rendant les échanges difficiles et mon directeur ayant été muté au nord du pays. D´autre part, à cause du retard pris au début de mon stage pour m´accorder avec mon directeur sur le sujet je n´ai pas pu pousser l´étude au niveau de détail souhaité. Malgré tout je me suis passionnée et suis aujourd´hui certaine de vouloir travailler en bureau d´études. Je suis fière d´avoir réalisé ce travail en autonomie car il m´a permis d´approfondir mes connaissances théoriques, de les mettre en application et de mieux comprendre le fonctionnement du béton précontraint. Il m´a aussi donné l´occasion d´assimiler le fonctionnement d´Excel dont ma maîtrise n´était alors que basique. Par ailleurs, en ayant effectué mon projet de fin d´études en Colombie, j´ai réalisé que j´ai une réelle possibilité d´y exercer une activité professionnelle. Le pays est ouvert aux entreprises étrangères et en plein développement. J´ai donc profité de mon stage pour commencer à me faire des relations professionnelles, et comprendre le fonctionnement des entreprises colombiennes. J´ai pris conscience au contact de la population et de par mon expérience, que les conditions de travail dans ce pays sont radicalement différentes des nôtres. Elles existent notamment au niveau du salaire, des horaires de travail, du respect des congés et surtout au niveau de la sécurité de l´emploi. Je sais donc aujourd´hui que je ne travaillerai pas pour une entreprise colombienne, mais espère prêter mes services pour l´installation d´une entreprise française en Amérique Latine, ou pour une mission en particulier.