Conception - dimensionnement
Conception - calcul - économie
Pierre CORFDIRCETE de l’Est
Partie 1Daniel BITARCTICM
Partie 2Aude PETELSETRA
Partie 3
Damien CHAMPENOY
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 2
Acier du nuance supérieure au S355 : utilisé dans les ponts français depuis près de 15 ans (nuance S420 ou S460)
Pont de Normandie, S420M, 1992-1994
Viaduc de la LEO, Avignon, 2008, S460 près des piles
Autres exemples : pont de Rémoulins, pont sur l’A16, pont de Jassans, pont sur la Rivière St Etienne, viaducs de Garrigue, Verrières, Valence, Millau, …
Aciers HLE en France dans les ouvrages d’art
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 3
Aciers HLE à l’étranger dans les ouvrages d’art
Acier S690 : n’a jamais été utilisé dans les ponts français. Utilisé à l’étranger.
Pont Akashi-Kaikyo, Japon, S400 à S680
Pont Nesenbachtal, Allemagne, S690 près des appuis
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 4
Poutres hybrides en France dans les ouvrages d’art
-410 MPa -362 MPa
fys 410MPa= hplastifiée 168mm= -345 MPa-345 MPa
fyw 345MPa=
345 MPafyi 410MPa= 345 MPa
410 MPa 362 MPa
Mmax 95.5− MN m⋅= Mmax 84.3− MN m⋅=
Vérification aux Eurocodes Vérification aux réglements français
Semelles 1000 x 70
Ame 2860 x 25
C0 P1 P2 C3
Moments
+ - + - +
• Aucune utilisation de poutres hybrides (selon l’EN 1993-1-5) dans les ponts français.
• Les règlements français ne les interdisent pas mais les rendent peu intéressantes (plastification dans les âmes non autorisée dans les zones de moment négatif)
L’acier S460 est pleinement utilisé
Poutres hybrides intéressantes !
La contrainte dans l’âme est dimensionnante
Poutres hybrides peu intéressantes
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Poutres hybrides à l’étranger dans les ouvrages d’art
Pont Rangedala, Suède, poutres hybrides S355/S460 (calculé avec les règlements suédois)
Pont Mittadalen, Suède, poutres hybrides S460/S690
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 6
Caisson mixte : comparaison de deux solutions
4.00
2.06 3.50 3.50
21.50
6.70
12.00
2.10 2.063.503.50
6.50
4.00
6.70
0.50 0.50
0.50
0,20
4.751.50
Solution de base : acier S355 dans toutes les sections, semelles additionnelles près des appuis intermédiaires
Solution innovante : utilisation d’acier S460 et S690
90.00 m 120.00 m 120.00 m 120.00 m 90.00 m
C0 P1 P2 P3 P4 C5
5 travées : 90 m – 3 x 120 m – 90 m
4 voies de circulation : largeur totale 21.5 m
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 7
Axi
s of
the
brid
ge
S460 S460/S690
• Sur pile, semelle supérieure en S355, fy=315 MPa1500 mm x 100 mm
+ 1400 mm x 90 mm
• Suppression des semelles additionnelles :Utilisation d’acier à haute limite d’élasticité– Acier S690 dans les membrures sup. près des appuis– Acier S460 dans les âmes et le fond de caisson, et dans les MS en travée
Poutres hybrides près des appuis
Caisson mixte : comparaison de deux solutions
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 8
Section sur appui
75 mm S355 fy =325MPa50 mm S460 fy =430MPaFond de
caisson
27 mmS355 fy =345MPa
24 mmS460 fy =440MPa
Âmes
1500x100 + 1400x90S355 fy=315MPa
1500x70S690 fy =650MPa
Membrures sup.
Caisson S355Caisson S460/S690
Caisson mixte : comparaison de deux solutions
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 9
Réduction poids caisson entier
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
0 100 200 300 400 500
Abscisse (m)
Réd
uctio
n po
ids
char
pent
e
Réduction poids caisson entier (sans cadres et raidisseurs)
Caisson mixte - Détail des quantités d’acier
Acier caisson (sans les cadres) 2470 tonnes 3540 tonnes
Acier S355 / 3540 tonnes
Acier S460 2301 tonnes /
Acier S690 170 tonnes /
Caisson S460/S690 Caisson S355
25 à 40 % de gain sur le poids de la
charpente métallique
-30% sur le poids (en moyenne)
Soit environ –7% sur le poids total du tablier (acier, béton, superstructures)
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Moments fléchissants - ELU fondamental
151.8
-346.7
146.0
-369.1-400
-300
-200
-100
0
100
200
0 540
Abscisse (m)
M E
LU (M
N.m
)
S460-S690 S355
-6%
Caisson mixte - Efforts dans l’ouvrage
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Efforts tranchants - ELU fondamental
15.816.6
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
0 540
Abscisse (m)
M E
LU (M
N.m
)
S460-S690 S355
-5%
Caisson mixte - Efforts dans l’ouvrage
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 12
Caisson mixte : coût de l’acier
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
0 100 200 300 400 500
Abscisse (m)
Prix
(€/m
)
S460/S690 S355
-24%
-10%
Caisson entier
Membrures supérieures
Fond de caisson Ames
Différence de prix -20% -44% -21% 15%
Coût de l’acier (charpente seule, sans raidisseurs ni cadres)
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Caisson mixte - Déplacements sous LM1 caractéristique
Déplacements verticaux sous LM1 caractéristique
0.07
0.13 0.14
0.052
0.1040.113
-0.10
-0.05
0.00
0.05
0.10
0.15
0 540
Abscisse (m)
Flèc
he (m
)
S460-S690 S355
23%
26%
24%
Au milieu de la travée centrale : flèche L/1050 pour l’ouvrage en S355, et L/850 pour l’ouvrage en S460/S690
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 14
Caisson mixte - Flèches
• Flèche en travée centrale : – Ouvrage S355 : L/1050– Ouvrage S460/S690 : L/850
• La flèche augmente sensiblement avec des aciers HLE (+25% ici) mais n’est pas un problème pour cet ouvrage
Nuance max utilisée
Limite de flèche
Nuance max utilisée
Limite de flèche
Belgique S355-S460 L/700 S355 L/900 autorisées mais non utilisé
France S460 aucune S355 EC1-2 non
Allemagne S355 (S460) aucune S355 L/600-L/800 oui
Espagne S460 L/600-L/4000 - L/600-L/900 non
Suède S460-S690 L/400 S355-S420 L/800 ouiSource : rapport projet européen ComBri - 2006
Pays
Ponts ferroviairesPonts routiersPoutres hybrides
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Bipoutre mixte - comparaison de deux solutions
Travées : 95 m – 130 m – 95 mPortée comparable aux plus grandes portées françaises actuelles des bipoutres
(Triel sur Seine, Centron, Jassans)
S460 S460/S690
Poutres principales : - 5.0 m de haut- semelles de 1.3 m de large- ouvrage de référence entièrement en S460- ouvrage plus innovant en S460/S690 (poutres hybrides) + dalle BFUP
Nuances d’acier dans l’ouvrage avec poutres hybrides et dalle BFUPSemelle supérieure S460
Ame S460
Semelle inférieure S460 ou S690
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Bipoutre mixte - Dalle en béton
Dalle fortement inspirée de celle du projet national MIKTI :
- Forme de gaufre coupée en 2 dans l’épaisseur
- Matériau = béton fibré ultra-performant (BFUP)
- Eléments préfabriqués de 21.5 m x 2.5 m
- Connexion entre les éléments préfabriqués
- Précontrainte transversale (torons adhérents)
- Précontrainte longitudinale de la dalle (trente câbles 12T15S) + dénivellation d’appui de 1.2 m sur piles -> 14.3 MPa de compression dans la dalle après fluage et retrait
Dalle du projet national MIKTI
Principe de connexion
©S
ETR
A
©S
ETR
A
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 17
Bipoutre mixte - Dalle en béton
Dalle de 21.5 m de large :– Dévers en toit -> épaisseur de dalle de 40 à 61.5 cm– Précontrainte transversale torons T15S:
• 3 torons en haut de chaque nervure• 2 torons en bas de chaque nervure (gainés sur les encorbellements)
Coupes transversales d’un élément de dalle
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 18
Bipoutre mixte – solution innovante
• Distribution d’acier dans les poutres principales
• Justifications effectuées selon les Eurocodes :– Justifications aux ELU et aux ELS (limitation à la résistance élastique dans les sections
comprenant de l’acier S690, car l’EN 1994-2 ne s’applique qu’aux aciers ≤ S460) – Déversement de la membrure inférieure près des piles– Fatigue
C0 C3P1 P2
Déplacement latéral du 1er mode critique
Position des appuisLongueur (m) 70 16 18 16 21 38 21 16 18 16 70
Épaisseur membrure supérieure (mm) - S460 30 35 40 40 35 30 35 40 40 35 30
Épaisseur membrure inférieure (mm) - S460 35 45 60 40 40 40 40 40 60 45 35
Nuance d'acier membrure inférieure S460 S460 S690 S460 S460 S690 S460 S460 S690 S460 S460
Épaisseur de l'âme (mm) - S460 20 22 22 22 20 18 20 22 22 22 20
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 19
Bipoutre mixte - Comparaison du poids d’acier
Comparaison de poids entre l’ouvrage innovant (poutres hybrides S460/S690, dalle BFUP) et l’ouvrage de référence (acier S460, dalle en béton armé)
Dalle Béton+câbles 3850 tonnes 4280 tonnes 10%
Poutres principales 990 tonnes 1390 tonnes
Éléments transversaux 192 tonnes 652 tonnes
Superstructures Superstructures 1270 tonnes 2130 tonnes 40%
Dalle + charpente + superstructures Poids total de l’ouvrage 6290 tonnes 8450 tonnes 26%
Charpente métallique 42%
Ouvrage innovant(S460/S690)
Ouvrage référence(S460)
Réductionde poids
Constructions métalliques et mixtes - 7 et 8 décembre 2010 20
Conclusion
Bipoutre mixteAcier
– Réduction de poids : environ 40%– Réduction de prix : environ 25%
Béton– Dalle BFUP plus légère qu’une
dalle BA– Préfabrication -> fiable– Mais BFUP très cher
⇒ Économie de matériaux (acier principalement)
⇒ Tablier plus léger -> économies sur les fondations et les appuis
⇒ Moins de transports de matériaux
Caisson mixteAcier
– Réduction de poids : environ 30%– Réduction de prix : environ 20%
Béton– Dalle béton armée classique
⇒ Économies d’acier (poids)⇒ Réduction des coûts
(acier, soudures, …)