E-13-Le viaduc de la Savoureuse - Les tudes · Les deux voies de la ligne nouvelle sont écartées de 4,50 m. Sur ouvrage d’art, une piste de 0,75 m est prévue de chaque côté

La Technique Française du Béton / The French Technology of Concrete

Le viaduc de la Savoureuse – Les études / La Savoureuse viaduct – Design phase Christophe Cézard, Nabil Yazbeck, Gilles Frantz, Frédéric Menuel, Jim Eyre, Sébastien Ricard, Alfred Peter

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LE VIADUC DE LA SAVOUREUSE – LES ÉTUDES

LA SAVOUREUSE VIADUCT – DESIGN PHASE

Christophe CEZARD, Nabil YAZBECK, Gilles FRANTZ, Fr édéric MENUEL

EGIS JMI

Jim EYRE, Sébastien RICARD

Wilkinson Eyre Architects

Alfred PETER

Paysagiste

Sur le tronçon C de sa branche Est, entre les villages de Bermont et de Trévenans (territoire de Belfort), la nouvelle ligne ferroviaire à grande vitesse Rhin Rhône franchit la vallée de la Savoureuse par un viaduc de près de 800 m. L’insertion du viaduc dans le paysage de la vallée est rendue délicate par la géométrie de la ligne (tracé biais, descendant, peu éloigné du sol), et par l’occupation déjà très dense des lieux. C’est pourquoi il était prévu dans les Engagements de l’Etat de réaliser une étude architecturale et paysagère pour la réalisation du viaduc de franchissement de la vallée. A cette fin, le maître d’ouvrage, Réseau Ferré de France, a organisé en 2004 un concours de conception, mettant en compétition trois équipes pluridisciplinaires associant architectes, paysagistes et ingénieurs. Au terme de ce concours, le maître d’ouvrage a confié à l’équipe composée de Egis JMI*, Wilkinson Eyre Architects, et Alfred Peter, paysagiste, un marché de maîtrise d’œuvre particulière, limité à la phase de conception, et au visa des études d'exécution. La consultation des entreprises, la préparation du marché et la direction des travaux sont restés à la charge du bureau d’ingénierie SETEC tpi, qui assure également la maîtrise d’œuvre générale de l’ensemble du tronçon C.

1. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DU PROJET

La vallée de la Savoureuse relie les agglomérations de Montbéliard et de Belfort. Elle est empruntée par de nombreuses voies de communication (autoroute A36, canal de la haute Saône, RN 437, RD 25...) et par des réseaux importants. Entre les anciens villages ruraux, des zones commerciales, artisanales ou pavillonnaires se sont développées le long des routes (fig. 1).

Near the city of Belfort, the eastern branch of the new Rhine-Rhone high speed rail line crosses the Savoureuse Valley via an 800 metre long viaduct. Intergrating the viaduct into the valley landscape was not an easy task due to the geometry of the train line (skewed, descending route close to the ground) and the already dense occupation of the area. The authorities therefore decided to have an architectural and landscape study carried out for the new viaduct. The client, Réseau Ferré de France (RFF), organised a design competition in 2004 which attracted the participation of three multidisciplinary teams combining architects, landscape architects and engineers. At the end of the competition, a special project management contract was awarded to a consortium consisting of Egis JMI*, Wilkinson Eyre Architects and landscape architect Alfred Peter, restricted to the design phase and approval of the construction drawings. The preparation of the tender and contract documents and the supervision of the works remained the responsibility of engineering consultancy SETEC TPI in charge of general project management of the 30 km long Section C of the new line.

1. GENERAL PRESENTATION OF PROJECT

The Savoureuse Valley links the cities of Montbéliard and Belfort. Many traffic routes and utilities pass through the valley. Local businesses, SMEs and residential areas have developed alongside these different routes in between small rural villages (fig. 1).


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Fig.1 : Situation de l’ouvrage / Location of viaduct

Comme l’indiquait dès 2000 le dossier de D.U.P, "le choix d’un long viaduc s’impose pour franchir les obstacles que constituent les différentes infrastructures". A l’Ouest, la limite de la brèche est clairement marquée par un versant relativement abrupt et boisé, que la LGV entaille par un long déblai dont la profondeur dépasse 20 m. Ce déblai, qui a reçu le nom de tranchée de Bermont, s'achève au PK 16+500.

As far back as 2000, the public infrastructure declaration documents had noted that “the choice of a long viaduct is necessary to accommodate the existing transport infrastructure”. To the west, the valley is clearly delimited by a relatively steep tree-covered slope with a 20 metre deep cutting for the high speed rail line. Called the Bermont Cutting, it stops at PK 16+500. To the east, the slope is much gentler.



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A l’Est, la pente du versant est beaucoup plus douce ; le profil en long de la ligne se rapproche lentement du terrain naturel, occupé par des pâtures ; il ne le rejoint qu'au PK 18+320. Dans cette vallée en voie d’urbanisation rapide, les bois du versant Ouest et les prairies du versant Est contribuent à conserver aux paysages de la vallée leur caractère rural d’origine. D’autre part, la rivière et le canal constituent des coulées de verdure propices aux activités de détente. La rigidité des contraintes de tracé imposées par la grande vitesse, et l'importance des charges ferroviaires confèrent à l'ouvrage de franchissement de la vallée une grande visibilité. Insérer la ligne dans le tissu déjà très dense de la vallée, préserver et mettre en valeur les éléments naturels qui subsistent, minimiser les effets négatifs de cette nouvelle infrastructure, et si possible en tirer parti pour lui rendre une nouvelle unité, tels ont été les objectifs poursuivis par les concepteurs dans l’étude architecturale et paysagère.

2. PROGRAMME FONCTIONNEL DE L’OUVRAGE

2.1. Caractéristiques de la ligne à grande vitesse

Les caractéristiques de la branche Est de la LGV Rhin Rhône sont définies par un référentiel technique spécifique. Celui-ci fixe les dispositions suivantes.

2.1.1. Vitesse de référence

La vitesse de référence de la ligne est V = 350 km/h. La LGV Rhin-Rhône et la LGV Perpignan-Figueras sont les premières lignes françaises soumises aux exigences de la spécification technique d’interopérabilité du système ferroviaire transeuropéen à grande vitesse (STI) du 30 mai 2002. Cette spécification a durci les exigences relatives aux calculs dynamiques des ponts-rails : Alors que sur la LGV Est on n'envisageait qu'un petit nombre de convois réels, tous plus ou moins semblables au TGV français ou à l'ICE allemand, la STI prescrit de calculer les accélérations verticales des tabliers sous les dix convois du "train dynamique universel A" défini par l'Eurocode 1, partie 2, section 6. L'espacement des boggies de ces dix convois varie par pas d'un mètre de 18 à 27 m, de telle sorte que pour un ouvrage donné, il se trouve toujours un convoi et une vitesse susceptibles d'exciter l'un des modes de vibration propres à l'ouvrage. De plus, la limite supérieure des vitesses à envisager, jusqu'ici fixée à V + 50 = 400 km/h a été portée dans la STI à 1,2.V soit 420 km/h.

2.1.2. Largeur utile de la plate-forme ferroviaire

Les deux voies de la ligne nouvelle sont écartées de 4,50 m. Sur ouvrage d’art, une piste de 0,75 m est prévue de chaque côté des voies, à 3,05 m au moins de l’axe de la voie la plus proche.

The longitudinal profile of the line gradually approaches that of the natural terrain, occupied by pastureland, joining it only at PK 18+320. In this rapidly developing valley, the woods on the west slope and the meadows on the east slope help to maintain the original rural character of the valley landscape. The river and canal offer pedestrian areas bordered with trees and grass for leisure time activities. The severe design requirements of the high speed and the heavy rail loads give high visibility to the viaduct as it crosses the valley. When carrying out the architectural and landscape studies, the designers were particularly concerned with incorporating the train line into the already very dense urban fabric of the valley, while preserving and enhancing the remaining natural elements, minimising the negative effects of the new infrastructure and, if possible, using it to provide a new unity to the valley.

2. FUNCTIONAL BRIDGE SCHEME

2.1. Characteristics of the high speed rail line

The characteristics of the Eastern Branch of the Rhine Rhône high speed rail line are defined by special technical guidelines which determine the following.

2.1.1. Reference speed

The reference speed for the line is V = 350 km/hr. The Rhine-Rhône and Perpignan-Figueras high speed rail lines (HSR) were the first French trains lines required to meet the trans-European high speed rail system’s technical specification for interoperability (TSI) of 30th May 2002. The TSI tightened requirements in relation to the dynamic design of rail bridges. Whereas the Eastern HSR line only envisaged a small number of real convoys all more or less similar to the French TGV and the German ICE, the TSI requires the calculation of vertical deck accelerations for ten convoys forming the high-speed load model A defined by Eurocode 1, part 2, section 6. Spacing of the bogies on the ten convoys varies in one-metre increments from 18 to 27 m so that, for a given structure, there is always a convoy and a speed that can excite one of the normal vibration modes of the structure. In addition, the upper speed limit to be envisaged, defined as V + 50 = 400 km/hr up until now, has been increased in the TSI to 1.2 V, i.e. 420 km/hr.

2.1.2. Effective width of track bed

The axes of the two tracks are 4.50 m apart. On the viaduct, a 0.75 m path is provided on each side of the tracks, at least 3.05 m from the axis of the closest track.


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La largeur minimale de la plate-forme ferroviaire entre lisses des mains courantes de sécurité est alors égale à 12,30 m. Sur les remblais d’accès, le bord intérieur de la piste doit être à 3,80 m de l’axe de la voie la plus proche. La largeur minimum de la plate-forme à l’interface entre la couche d’assise et le ballast est alors de 13,90 m.

2.1.3. Profils en travers de la plate-forme

Les voies sont constituées de longs rails soudés de profil UIC 60, fixés tous les 60 cm sur des traverses en béton. Elles sont posées sur ballast. De part et d’autre du viaduc, le ballast repose sur une structure d’assise de 55 cm d'épaisseur, mise en œuvre sur l’arase des terrassements. Elle est déversée en toit, avec une pente de 4%. Sur ouvrage, le dévers de la dalle supportant le ballast est réduit à 1%. L’épaisseur du ballast en tout point doit être au moins égale à 30 cm en zone courante, et à 40 cm sur ouvrage. Compte tenu des tolérances d’exécution de la plate-forme et de mise en œuvre du ballast, on a pris en compte pour l'étude du viaduc une épaisseur de 45 cm. Suivant l'effet recherché, la masse des voies et du ballast est pondérée par 1 ou par 1,3 pour obtenir la valeur caractéristique à considérer dans les calculs.

2.2. Géométrie de la ligne au franchissement de la vallée

Le tracé en plan et le profil en long de la ligne sont définis par un point P situé dans l’axe de la plate-forme ferroviaire, à 2,25 m de l’axe de chaque voie. En section courante des terrassements, ce point P est à l'interface entre la couche d'assise et le ballast. Sur ouvrage, du fait des particularités du profil en travers, il se trouve 165 mm au dessus de la surface de la chape d'étanchéité de la dalle.

2.2.1. Tracé en plan et dévers

Sur presque toute la longueur de la brèche, du PK 16+386 au PK 17+964, le tracé en plan retenu est en courbe de rayon constant, égal à 11 000 m. Ce rayon est encadré par deux raccordements progressifs en clothoïde. Les voies doivent présenter de ce fait un dévers de 100 mm (le dévers est la dénivellation entre les rails, distants de 1507 mm).

2.2.2. Profil en long de la plate-forme

Afin de limiter la hauteur des remblais à l’Est de l’ouvrage, le profil en long est en cuvette au passage de la vallée. Il se raccorde :

• à l’Ouest à une pente descendant d’Ouest en Est à 2,62 %, jusqu'au PK 16+995,

• à l’Est, à une rampe montant d’Ouest en Est à 0,7 %, à partir du PK 17+825.

Le schéma statique retenu par Egis JMI découpe le viaduc en plusieurs tronçons de faible longueur dilatable. Ainsi, les voies constituées de longs rails soudés peuvent le franchir sans l’aide d’appareils de dilatation.

The minimum width of the track bed between the horizontal rails of the safety handrails is therefore equal to 12.30 m. On the approach embankments, the inside edge of the path must be 3.80 m from the axis of the closest track. The minimum width of the track bed at the interface between the trackbed layers and the ballast is therefore 13.90 m.

2.1.3. Cross-sectional profile of track bed

The tracks are UIC60 long welded rails, fixed every 60 cm to concrete sleepers, laid on ballast. On either side of the viaduct, the ballast rests on a 55 cm thick foundation layer which has a cross-fall of 4%. On the viaduct, the cross-fall of the slab supporting the ballast is reduced to 1%. At no point on the viaduct must the thickness of the ballast be less than 40 cm. A thickness of 45 cm was taken for the design in order to cover the construction tolerances. Depending on the effect required, the mass of the tracks and ballast is weighted by 1 or 1.3 to obtain the characteristic value to be used in the calculations.

2.2. Geometry of train line over the valley

The horizontal alignment and the longitudinal profile of the line are defined by a point P located in the axis of the track bed, 2.25 m from the axis of each track. In the typical section of the earthworks, point P is on the interface between the foundation layer and the ballast. On the viaduct, point P is 165 mm above the surface of the waterproofing system on the deck slab because of the particular features of the cross-sectional profile.

2.2.1. Horizontal layout and superelevation

Over nearly the entire length of the crossing, from PK 16+386 to PK 17+964, the horizontal alignment chosen is a curve with a constant radius of 11,000 m and two gradual junction curves on either end. As a result, the tracks must have a superelevation of 100 mm (the superelevation is the difference in level between the tracks which are 1507 mm apart).

2.2.2. Longitudinal profile of trackbed

In order to limit the height of the embankments at the eastern end of the viaduct, the longitudinal profile dips down as it crosses the valley. It is connected:

• on the west to a 2.62% eastwards slope up to PK 16+995,

• on the east, to a ramp rising eastwards at a slope of 0.7%, starting at PK 17+825.

The static scheme chosen by Egis JMI divides the viaduct into several sections of low dilatable length, which means that long welded rails could be used without breather switches.



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Il a donc été possible de raccorder ces deux déclivités par un rayon unique de 25 000 m, long de 830 m. Le point bas se trouve sur le remblai d’accès Est, au PK 17+650, à 4,45 m au dessus du sol.

2.3. Equipements des ouvrages

2.3.1. Exploitation de la ligne

Les réseaux d'exploitation sont placés de part et d'autre des voies dans des caniveaux préfabriqués en béton dont les dimensions sont les mêmes d'une LGV à l'autre. Les supports des caténaires sont fixés sur des poteaux constitués d’un profilé HEB 320 de 10 m scellé sur un massif en béton armé. Certains sont munis d'un appareil tendeur ; la distance entre le profilé et l'axe de la voie la plus proche doit être alors au moins égale à 2,62 m. L’espacement des poteaux, compris habituellement entre 40 et 45 m, a pu être adapté au rythme des travées conformément aux souhaits de l'architecte. Pour assurer la protection électrique des ouvrages, leurs parties métalliques doivent être mises à la terre.

2.3.2. Etanchéité et assainissement

La dalle en béton armé du tablier est protégée par un complexe d’étanchéité constitué d’une chape adhérant au support et d’une contre-chape de protection lourde anti-poinçonnement.

2.3.3. Ecrans de protection phonique et écrans pare-ballast

Une protection phonique est exigée de part et d’autre des voies sur toute la longueur du viaduc. En rive nord de la plate-forme, elle se poursuit sans discontinuité sur le remblai d’accès Ouest jusqu’à l’orée de la tranchée. Les écrans de protection s’élèvent jusqu’à 1,10 m au moins au dessus du rail le plus haut. Sur le viaduc, les écrans de protection phonique servent aussi d’écrans pare-ballast, destinés à retenir les pierres projetées par le passage des trains, ainsi que de garde-corps pour le personnel d’entretien. A ce titre, ils sont équipés d’une main courante, fixée à 1 m au dessus de la piste. La hauteur des pare-ballast au dessus de la piste qu’ils bordent est au moins égale à 1,50 m.

2.4. Accès aux ouvrages en exploitation

2.4.1. Inspection des parois extérieures du tablier et des appuis

Pour pouvoir inspecter les viaducs sans interrompre l'exploitation des lignes à grande vitesse, la SNCF a fait l'acquisition d'une passerelle mobile MOOG, qui peut circuler sur les tabliers sans engager le gabarit ferroviaire. Elle est équipée d’un bras télescopique et orientable qui permet d’examiner l’intrados et les faces latérales des tabliers, les appareils d’appui et les piles. Cependant, elle n'est pas utilisable lorsque les tabliers comportent des poutres latérales hautes et larges.

The two gradients could therefore be connected with a single 25,000-metre radius, 830 metres long. The lowest point is on the east approach embankment, at PK 17+650, 4.45 m above the ground.

2.3. Viaduct equipment

2.3.1. Operation of train line

The operating utilities are placed on either side of the tracks in prefabricated concrete ducts whose dimensions are the same for all the high speed rail lines in France. The catenary supports are fixed to posts consisting of a 10 m HEB 320 steel section bolted to a reinforced concrete block. Some have wire stretchers, in which case the distance between the steel section and the axis of the closest track must be at least equal to 2.62 m. The space between the posts, usually 40 to 45 m, was adapted to suit the length of the spans to respect the architect's design. The metal parts of the structures must be earthed to ensure electrical protection.

2.3.2. Waterproofing and drainage

The reinforced concrete deck slab is protected with a waterproofing system consisting of a membrane, a bond coat, and a heavy protective reinforcement to withstand puncture.

2.3.3. Noise protection and ballast guards

Noise protection is required on both sides of the tracks along the entire length of the viaduct. At the northern end of the deck, it continues onto the western approach embankment until it reaches the cutting. The protection screens must stand at least 1.10 m above the highest track. On the viaduct, the noise protection screens double as ballast guards to retain stones thrown up by passing trains, and as a guard rail for the maintenance staff. The height of the ballast guard above the tracks is a minimum of 1.50 m.

2.4. Access to structures during operation

2.4.1. Inspection of outside walls of deck and piers

In order to inspect viaducts without interrupting operation of HSR lines, SNCF (French Railways) has acquired a travelling platform that can move along the deck without going into the area above the tracks. It is equipped with a telescopic, rotating arm to examine the soffit and side faces of the deck, the bearing pads and the piers. However, the footbridge cannot be used when the deck has high, wide lateral girders, in which case self-propelled articulating booms must be used.


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Il faut dans ce cas recourir à des nacelles télescopiques automotrices. Un accès permanent sous l'ouvrage doit être assuré, dans des conditions qui permettent d'examiner toutes les surfaces extérieures.

2.4.2. Visite et entretien des volumes intérieurs

Les volumes intérieurs des piles et des culées, doivent pouvoir être inspectés. Il en va de même pour ceux des poutres caissons métalliques, sauf lorsque leurs dimensions sont trop faibles pour le passage d'un homme.

2.4.3. Accès pour l'entretien des voies et les secours

Pour amener à pied d'œuvre le matériel d'inspection et d'entretien des voies, des plates-formes rail-route reliées à la voirie locale sont prévues de part et d’autre du remblai d’accès Est. Elles ont été utilisées pour la construction du tablier du viaduc, assemblé sur ce remblai. Elles permettront également l'accès des secours en cas d'accident sur la ligne. A l’extrémité Ouest du viaduc, à l'orée de la tranchée, deux rampes de caractéristiques réduites sont également prévues pour permettre l'accès des véhicules de secours.

3. LES CONTRAINTES ANTHROPIQUES

3.1. Voies et réseaux à rétablir

3.1.1. Autoroute A 36

Au PK 16+965, l’axe de la ligne nouvelle coupe celui de l’autoroute A 36 suivant un biais de 57 grades. A cet endroit, l'autoroute est en remblai, à 4 m environ au dessus du terrain naturel ; le profil en long de la LGV passe à une vingtaine de mètres au dessus de la chaussée. La largeur droite de la plate-forme est d’une cinquantaine de mètres entre pieds des talus (fig.2). L’autoroute, qui comportait initialement deux voies dans chaque sens, a été élargie par l’intérieur à 2 x 3 voies au début de la construction du viaduc. Des écrans de protection phonique ont été installés aussi en crête des talus du remblai. La société concessionnaire, Autoroutes Paris Rhin Rhône, a été associée dès la phase de concours au choix de la solution de franchissement. Des réunions de concertation ont permis de coordonner les travaux du viaduc et de l’autoroute, et de fixer les mesures de sécurité à prendre pendant les travaux.

3.1.2. Canal de la Haute Saône à Montbéliard

Au PK 17+095, la ligne nouvelle coupe ce canal désaffecté suivant un biais de 72 grades. Le plan d’eau du canal se trouve à 17 m sous le profil en long de la ligne, et à 3,5 m au dessus du terrain naturel ; il est contenu par deux digues en remblai supportant les chemins de halage, transformés en pistes cyclables. La largeur droite du canal est de 17 m entre berges, et d’une quarantaine de mètres entre pieds des digues.

Permanent access underneath the viaduct must be ensured, under conditions that enable all the outside surfaces to be examined properly.

2.4.2. Visit and maintenance of inside volumes

It must be possible to inspect the inside of the piers and abutments as well as the steel box girders, except when their dimensions are too small for a man to go inside.

2.4.3. Access for track maintenance and emergency teams

Flat paved areas connected to the local road network are provided on each side of the eastern approach embankment so that track inspection and maintenance equipment can be brought on site. They were used to build the steel deck which was assembled on the embankment. They will provide access to emergency teams if the case of a train accident. On the western end of the viaduct, next to the cutting, two small ramps have been provided to allow access to emergency vehicles.

3. HUMAN CONSTRAINTS

3.1. Tracks and utilities to be restored

3.1.1. Motorway A 36

At PK 16+965, the axis of the new train line intersects that of the A36 motorway at a skew of 57 grades. Here, the motorway is built on an embankment, about 4 m above the natural terrain. The longitudinal profile of the HSR line passes about twenty metres above the roadway. The straight width of the motorway at the bottom of the two slopes is about fifty metres (fig. 2). The motorway was widened from 2 to 3 lanes in each direction at the beginning of construction of the viaduct. Noise protection screens were installed on the top of the embankment slopes. The motorway operator, Autoroutes Paris Rhin Rhône, was involved in choosing the crossing solution during the design phase. Meetings were held to coordinate the viaduct and motorway construction works and decide on the safety measures to be taken.

3.1.2. Haute Saône Canal in Montbéliard

At PK 17+095, the new line intersects the Haute Saône Canal at a skew of 72 grades. This very old canal is no longer in use, but is a prized recreational area. The water in the canal is located 17 metres below the longitudinal profile of the train line, and 3.5 m above the natural terrain. The straight width of the canal is 17 m between banks, and about forty metres between the bases of the dikes.



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Compte tenu de la vétusté de l’ouvrage, il convenait d’éviter tout déblai et toute surcharge susceptibles de compromettre l’étanchéité ou la stabilité des digues. Là encore, le gestionnaire du canal, Voies Navigables de France, a été associé dès la phase de concours au choix de la solution de franchissement. A sa demande, l’étanchéité de la digue Est a été renforcée au début des travaux du viaduc par un rideau de palplanches de 60 m de longueur.

3.1.3. Route départementale 437

Au PK 17+175, la LGV coupe suivant un biais de 79 grades l'ancienne RN 437. Son profil en long passe à 18 m environ au dessus de la chaussée. Celle-ci a 8 m de large et ne comporte qu’une voie dans chaque sens, mais la circulation est intense.

3.1.4. Réseaux

L’obstacle le plus important était, au milieu de la brèche, une ligne électrique aérienne à trois câbles de 63 KV qu'il a fallu enterrer avant le démarrage des travaux du viaduc, le profil en long de la LGV n’étant pas compatible avec les gabarits d’isolement. Il a fallu protéger aussi une conduite de gaz de 150 mm et une ligne électrique enterrée de 20 KV qui passaient sous le futur remblai Est, ainsi qu'une conduite d'eau potable de 600 mm située entre le canal et l'A36. Enfin, de nombreux réseaux longeaient la RN 437 : câbles de télécommunications, canalisation d'eau potable, câbles électriques aériens ou enterrés… Les travaux de repérage et de déviation ont duré plusieurs semaines au démarrage du chantier.

3.2. Activités commerciales le long de la route nationale

A l’Est de la RN 437, la nouvelle ligne survolait sur une longueur de 70 m environ la halle abritant la réception des marchandises et le service après vente d'un grand magasin d'ameublement. Il aurait été très onéreux d’exiger que la construction du viaduc n’affecte pas ce bâtiment, car il eût fallu pour le franchir une travée d’une centaine de mètres de portée. Il aurait été plus coûteux encore de déplacer l'ensemble du magasin. RFF a donc accepté de prendre en charge la démolition de la halle, qui a été incluse dans le marché de travaux du viaduc. Les services correspondants ont été transférés dans un nouveau hangar, construit au nord du bâtiment principal, où l’activité du magasin a été maintenue pendant toute la durée des travaux. Aucune reconnaissance préalable n'a pu être effectuée dans l'emprise de la halle. Si la géologie est restée sans surprises, de nombreux réseaux non répertoriés ont été découverts à l'ouverture des fouilles. Les magasins de taille plus modeste implantés à l’ouest de la route ont pu être achetés en totalité au démarrage des travaux, avec les parcelles qu'ils occupaient.

Given the age of the canal, it was important to avoid any dig and surcharges that could compromise the tightness or stability of the dikes. Once again, the canal operator, Voies Navigables de France, was involved during the design phase in helping to choose the crossing solution. At its request, waterproofing of the eastern dike was reinforced at the beginning of the viaduct construction work using 60 m sheet piling.

3.1.3. RN 437 Highway

At PK 17+175, the HSR line intersects the RN 437 highway at a skew of 79 grades. Its longitudinal profile passes about 18 m above the roadway which is 8 metres wide. Although it only has one lane in each direction, there is heavy traffic.

3.1.4. Utilities

The most important obstacle was a 63 kV overhead AC transmission line in the middle of the valley which had to be buried before construction of the viaduct began, since the longitudinal profile of the high speed rail line was not compatible with the insulation clearances. A 150 mm gas pipeline and a buried 20 kV power line passing under the future embankment also had to be protected, together with a 600 mm water pipeline located between the canal and the A36 motorway. There were also numerous utilities along the RN 437 highway including telecommunications cables, drinking water pipes, overhead and buried cables. The identification and deviation work lasted for several weeks at the beginning of construction.

3.2. Commercial activities along the national highway

For a distance of about 70 metres east of the RN 437 highway, the new train line was to pass over the warehouse of a large furnishing store. It would have been very costly to ensure that construction of the viaduct would not affect the building because it would have required a span of about one hundred metres. It would have been even more expensive to move the entire store. RFF therefore agreed to include the demolition of the warehouse in the viaduct construction contract. The corresponding services were transferred to a nearby new building where the store was able to maintain business throughout the construction work. It was not possible to carry out any geotechnical surveys in the ground below the warehouse. Although the geology did not bring any surprises, numerous unmarked utilities were discovered when excavation began. The smallest stores to the west of the road were bought out completely at the beginning of construction, together with the land they occupied.


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Fig.2 : Vue en plan du projet initial / Plan view of initial project

4. LES CONTRAINTES NATURELLES

4.1. Le climat

Le climat de la région est continental et donc assez rude, mais l’altitude est modeste : La plaine est à 336 NGF, la LGV descend de 375 à 350 NGF. L’ouvrage, orienté OSO – ENE, est plutôt parallèle aux vents dominants.

4.2. La géologie

4.2.1. Morphologie du site

La vallée de la Savoureuse est le lieu d’un grand accident tectonique, d’orientation générale NNE-SSO. Les abrupts qui marquent le versant Ouest correspondent à des plans de faille. Mais d’autres lignes de fracture, masquées par les alluvions de la rivière, découpent aussi les marnes et les calcaires qui constituent le substratum de la vallée. Du fait de cette histoire géologique mouvementée, la géométrie et l'état d'altération des différents matériaux du sous-sol sont très variables : A l'Ouest, le massif rocheux du bois de Bermont est constitué de bancs de marnes et de calcaires, faiblement inclinés vers l’Est. Dans la zone concernée par les travaux, deux plans de faille principaux d’inclinaison quasi verticale délimitent deux gradins qui dominent la rivière. Leurs bords sont découpés en festons par des fractures secondaires, orientées suivant deux directions bien perceptibles dans la topographie. Dans la plaine alluviale de la Savoureuse, large de près d'un kilomètre, le substratum jurassique est recouvert par 5 à 10 m d’alluvions, d’autant plus argileuses et plus lâches que l’on s’approche de la surface. Il est altéré et fracturé sur une épaisseur variable de 2 à 8 m. Sa surface est irrégulière, striée de fissures remplies d’argile et de cailloutis.

4. NATURAL CONSTRAINTS

4.1. Climate

The climate in the area is continental and therefore quite harsh, but the altitude is not very high. The plain is at 336 m above mean sea level and the train line goes from 375 m down to 350 m. The viaduct is orientated WSW to ENE and is roughly parallel to the dominant winds.

4.2. Geology

4.2.1. Site morphology

The Savoureuse Valley is the site of a major tectonic accident, orientated NNE-SSW. The steep western slopes correspond to fault planes. But other fracture lines, masked by the river alluvium, also cut through the marl and limestone which constitute the valley substratum. Due to this eventful geological history, the geometry and state of alteration of the various subsoil materials are highly variable. To the west, the rocky massif of Bermont Woods consists of marl and limestone beds, with a slight eastwards inclination. In the area concerned by the construction works, two major fault planes with an almost vertical slope delimit two terraces overlooking the river. Their edges are scalloped by secondary fractures, orientated in two very perceptible directions in the topography. In the alluvial plain of the Savoureuse River, almost one kilometre wide, the Jurassic substratum is covered with 5 to 10 m of alluvium, which becomes looser and more clayey near the surface. It is weathered and fractured over a variable thickness of 2 to 8 m. Its surface is irregular, with many cracks filled with clay and gravel.



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Jusqu’à la RD 25, le versant Est n'est pas structurellement différent : Sous des alluvions et colluvions argilo-graveleuses, on retrouve le substratum marno-calcaire à une profondeur variable de 3 à 10 m. Plus encore que dans la vallée, on observe de fortes irrégularités de sa surface, dont le niveau peut varier de 3 à 5 m entre deux forages distants de 10 m seulement. Ces hétérogénéités résultent de l'élargissement des fractures de la roche par les circulations d’eau : Après avoir dissous les matériaux carbonatés broyés qui les tapissaient, celles-ci n’ont laissé subsister que des résidus argileux. Cette fracturation intense s’explique par la proximité d’une faille subverticale, que signale l’apparition, à l’Est de la RD 25, d’un substratum oligocène, plus récent que celui de la plaine alluviale. Il a fallu multiplier les sondages pour étayer cette interprétation, et démontrer que les matériaux argileux compressibles rencontrés sous le futur remblai Est ne constituaient pas une couche continue. Mais ainsi, le préchargement et les drains verticaux qui avaient été d'abord envisagés ont pu être supprimés.

4.2.2. Hydrogéologie

Pour suivre les mouvements des nappes, on a implanté sur le site une dizaine de piézomètres, relevés chaque mois pendant plus de deux ans. Dans le lit majeur de la Savoureuse et aux abords de la culée Est, la nappe phréatique est pratiquement horizontale. Elle oscille peu (entre 335 et 336,5 NGF). Sur toute la largeur du lit majeur, elle reste très proche de la surface du sol. Dans le versant ouest, des mesures plus précises ont permis d'évaluer l'importance des circulations d’eau dans les matériaux de couverture, qui risquaient d’affecter la stabilité des terrassements. Les matériaux argileux présents sous le remblai d'accès Est sont inégalement sensibles à l’eau. Les plus compressibles ont été localisés dans trois zones, d’étendue limitée, qu'il a été possible de curer ponctuellement.

4.2.3. Karstification

Les calcaires jurassiques sont susceptibles de contenir des karsts. Or l'effondrement du toit d'une cavité souterraine, ou le débourrage brutal des matériaux meubles qui la remplissent, peuvent provoquer un affaissement de la plate-forme ferroviaire, risque majeur pour la circulation des trains à grande vitesse. Il est donc très important de détecter et de traiter les karsts au moment des travaux. Une première étude effectuée par Calligée sur l’ensemble du tracé avait signalé que le versant Ouest de la vallée était principalement concerné. De fait, dès les premières reconnaissances, en 2003, des sondages ont rencontré des passages argileux de 40 cm à 1 m dans l’épaisseur de bancs calcaires, à des profondeurs variables de 7 à 14 m.

Up to road RD 25, the eastern slope is not structurally any different. Under a cover of clay and gravel, the marl-limestone substratum is present at a variable depth of 3 to 10 m. Even more than in the valley, its surface is highly irregular and can vary from 3 to 5 metres between two boreholes only 10 m apart,due to enlargement of the fractures in the rock by the circulation of water: After the crushed, carbonated materials lining the fractures have been dissolved, only clay residue remains. This intense cracking can be explained by the proximity of a subvertical fault, which indicates the appearance, to the east of road RD 25, of an Oligocene substratum that is more recent than that of the alluvial plain. Numerous boreholes were needed to support this interpretation, and show that the compressible clay material found under the future eastern embankment did not form a continuous layer. As a result, however, it was possible to eliminate the pre-loading and vertical drains initially envisaged.

4.2.2. Hydrogeology

To monitor movement of the water tables, a dozen or so piezometers were installed and readings taken each month for more than two years. Over the entire width of the valley, the ground water table is practically horizontal and varies only slightly (335 to 336.5 m above mean sea level), remaining very close to the ground surface. On the western slope, more precise measurements were taken to determine the amount of water circulating through the cover materials, as this could affect the stability of the earthworks. The clayey materials under the east approach embankment react differently to water. The most compressible were located in three fairly small areas which it was possible to scrape clean.

4.2.3. Karstification

Jurassic limestone is likely to contain karst. The collapse of the roof of an underground cavity or the sudden removal of the loose materials inside it could cause subsidence of the track deck, which is a major risk for high speed rails. It is therefore very important to detect and fill karst during construction. An initial study conducted by Calligée over the entire length of the viaduct showed that the western slope of the valley was principally concerned. As a result, during the first surveys conducted in 2003, 40 cm to 1 m clayey zones were encountered in the limestone beds, at depths varying from 7 to 14 m. However, a micro-gravimetric analysis conducted in May 2004 by Compagnie Générale de Géophysique eliminated the risk of very large cavities under the west embankment. This was confirmed by destructive borings carried out in the most pronounced irregularities, followed in October 2006 by a new electrical panel survey conducted by EDG.


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Une reconnaissance par micro-gravimétrie effectuée en mai 2004 par la Compagnie Générale de Géophysique a permis néanmoins d’écarter le risque de cavités de grande taille dans l’emprise du remblai ouest. Elle a été confirmée par des sondages destructifs réalisés à l’emplacement des anomalies les plus accentuées, puis en octobre 2006, par une nouvelle reconnaissance par panneaux électriques effectuée par EDG. Dans la plaine alluviale, la recherche systématique de cavités sous les futurs appuis a confirmé la fréquence, à la surface du substratum, de zones de surcreusement ou de fracture remplies de matériaux meubles. Lors de l’exécution des fondations profondes, cette topographie très irrégulière a donné lieu à des difficultés. Dans l’épaisseur du substratum, des indices de karstification ont été observés sous la plupart des piles. Cependant, les mesures géophysiques au cylindre électrique effectuées autour d'une trentaine de forages n’ont révélé aucune anomalie qui puisse remettre en cause les dimensions des fondations. La recherche systématique des cavités souterraines s'est poursuivie pendant les travaux, en réalisant un sondage destructif dans l'axe de chacun des pieux de fondation avant de commencer le forage. Les cavités rencontrées sont restées de petite taille, de l'ordre de quelques décimètres, plus rarement du mètre. On a rencontré très peu de vides francs ; les cavités étaient presque toujours remplies de matériaux argileux.

4.2.4. La sismicité

Le viaduc est situé en zone I b (sismicité faible). Il est rangé dans la classe C définie par le décret du 14.5.1991. L’accélération nominale à considérer pour l’étude des composantes horizontales du séisme est alors de 2 m/s² pour les justifications vis-à-vis de l’état limite ultime, et de 0,6 m/s² pour les justifications vis-à-vis de l’état limite de service. L’accélération verticale est prise égale à 70 % des valeurs précédentes. Le viaduc est supposé libre de toute charge d’exploitation lors du séisme. En revanche, le référentiel de la ligne exige que sous l’action sismique de service, l’ensemble de l’ouvrage reste dans le domaine élastique, et cette condition s'est avérée déterminante.

4.3. Le milieu naturel

4.3.1. Les zones protégées

Les zones directement concernées par le viaduc ne font l’objet d’aucune protection réglementaire. Cependant, le marché de travaux a inclus un plan de respect de l’environnement, exigeant notamment que la végétation soit préservée sur les berges des cours d’eau, et dans la zone humide comprise entre l’autoroute et le canal. Des mesures de protection étaient prescrites également au passage des pistes de chantier dans la zone située à l'Ouest du canal et au Sud du viaduc, dont une grande partie est classée ZNIEFF.

In the alluvial plain, the systematic search for cavities under the future piers confirmed the frequency of fracture zones filled with loose material on the surface of the substratum. During the foundation work, this very irregular topography posed a number of problems. Indications of karstification were observed inside the substratum under most of the piers. However, geophysical measurements with an electrical cylinder taken in the perimeter of about thirty borings did not reveal any abnormalities that might lead to modifying the design of the foundations. The systematic search for underground cavities continued throughout construction, with destructive borings in the axis of each of the foundation piles before drilling. The cavities encountered were mostly small, just a few decimetres, and more rarely, a meter deep. Very few actual voids were encountered and the cavities were nearly always filled with clayey materials.

4.2.4. Earthquakes

The viaduct is located in a zone of low earthquake risk (1b). The nominal acceleration taken to study the horizontal earthquake components was 2 m/s² to analyse the ultimate limit state and 0.6 m/s² to analyse the serviceability limit state. The vertical acceleration was taken as being equal to 70% of the previous values. The viaduct is assumed to be free of any operating loads during an earthquake. However, the guidelines for the high speed rail line require that during an earthquake, the entire viaduct must remain in the elastic field, and this condition proved decisive.

4.3. The natural environment

4.3.1. Protected areas

The areas directly concerned by the viaduct are not the subject of any regulatory protection. However, the works contract included a plan to respect the environment, requiring in particular that the vegetation be conserved on the river banks and in the wetland between the motorway and the canal. Protective measures were also required in relation to the construction site roads in the area to the west of the canal and south of the viaduct, most of which is classified as an area of special natural resources interest.

4.3.2. Waterways

The new train line crosses the Savoureuse towards PK 16+770 at a skew of 70 grades. The width of the river bed is 25 m. It is about 3 metres lower than the plain. At the foot of the east approach embankment (PK 17+349), the Varonne stream is the last obstacle crossed by the viaduct.



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4.3.2. Les cours d’eau

La ligne nouvelle traverse la Savoureuse vers le PK 16+770, suivant un biais de 70 grades. Le lit mineur a une largeur droite de 25 m ; il est encaissé d’environ 3 m par rapport à la plaine. Au pied du remblai d'accès Est (PK 17+349), le ruisseau de la Varonne est le dernier obstacle franchi par le viaduc. La qualité de ces eaux est moyenne. La faune est peu développée. Néanmoins, les travaux ont été entourés de toutes les précautions couramment exigées.

4.3.3. Impact de l’ouvrage sur les crues de la Savoureuse

Les crues de la Savoureuse sont rapides et violentes. Elles surviennent entre novembre et mars, quand de fortes pluies tombent en plaine alors que la neige fond sur les sommets des Vosges. Au droit de l'ouvrage, la rivière sort de son lit mineur pour des crues de période de retour voisine de 5 ans (environ 100 m3/s). Elle inonde alors la plaine jusqu'au remblai de l’A 36. Au delà du débit décennal (140 m3/s), l'eau envahit la zone comprise entre l'autoroute et le canal. Pour des crues plus importantes (période de retour de 30 à 40 ans), l'eau franchit la diguette construite à l’Est du canal, à 300 m en amont du viaduc, pour protéger le village de Trévenans. La nappe d'eau atteint alors 10 à 50 cm de part et d'autre de la RN 437. L’enjeu principal était donc de ne pas augmenter la fréquence des crues susceptibles d’inonder le village et sa zone commerciale. Il convenait aussi de ne pas aggraver la vulnérabilité de deux habitations situées au pied du village de Bermont. Une étude spécifique a été réalisée par Hydratec en novembre 2005, pour évaluer l’impact de l’ouvrage sur l’écoulement des crues, en situation définitive et pendant sa construction. Elle a établi qu'une fois construit, le viaduc n'aggraverait pas la situation antérieure, même si l’on rehaussait la semelle des piles voisines de l’autoroute et du canal, en les entourant par des remblais de remodelage adossés au remblai et aux digues. L'impact des travaux sur l’écoulement des crues a été étudié en détail, en tenant compte des obstructions engendrées par les échafaudages de trois piles, supposées construites en même temps, et par les rampes d'accès du pont provisoire à construire pour accéder aux appuis Ouest. En outre, le marché de travaux a imposé de réaliser par décaissement toutes les pistes de chantier tracées au travers du lit majeur.

The quality of these waterways is only medium and there is little fauna. However, all the precautions usually required were taken throughout construction.

4.3.3. Impact of viaduct on flooding of Savoureuse Valley

Flooding of the Savoureuse is sudden and violent. It occurs between November and March when heavy rain falls in the plains just when the snow is melting on the top of the Vosges Mountains. The river under the viaduct overflows about every 5 years (about 100 m3/s) and floods the surrounding plain up to the A 36 motorway embankment. When the ten-year flood rate is exceeded (140 m3/s), the water invades the area between the motorway and the canal. During more important floods (return period of 30 to 40 years), the water overflows the small dike built to to protect the village of Trévenans. The water depth then comes to within 10 to 50 cm on both sides of RN 437. It was therefore essential not to increase the frequency of floods likely to affect the village and its business area. It was also important not to exacerbate the vulnerability of two houses at the foot of the village of Bermont. A special study was conducted by Hydratec in November 2005 to evaluate the impact of the viaduct on the evacuation of floodwaters both during and after construction. It established that, once the viaduct was built, it would not aggravate the previous situation, even if the footing of the piers next to the motorway and canal were raised over the existing terrain and surrounded with landscaping embankments. The impact of the construction work on the evacuation of floodwaters was studied in detail, taking into account obstructions caused by the scaffolding for three piers that were to be built at the same time and by the approach ramps of the temporary bridge to provide access to the west piers. In addition, the construction contract required that all the construction site roads in the valley remain at the level of the existing ground

5. THE CHOICES MADE BY THE DESIGN TEAM

The longitudinal asymmetry of the viaduct (inclined on one side only), the skew with respect to the valley and the many obstacles it has to cross, all argued for a simple, regular structure, with its own particular order and a clear load path. A deck of constant thickness, divided into equal spans, and piers of identifcal shape despite the significant variation in their height seemed the best way to link up the different components of a relatively heterogeneous site.


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5. LES CHOIX DE L’ÉQUIPE DE CONCEPTION

La dissymétrie du profil en long, incliné d'un seul côté, le biais de l'ouvrage par rapport à la vallée et aux voies qui la parcourent, la dispersion des obstacles sur toute la longueur du futur viaduc constituaient autant d'arguments en faveur d'une structure simple et régulière, ordonnée suivant son rythme propre, et où le cheminement des efforts serait clairement lisible. Un tablier d'épaisseur constante découpé en travées égales, et des piles façonnées suivant une forme unique malgré la forte variation du tirant d'air, ont paru le meilleur moyen de relier entre eux les divers éléments d'un site morcelé et relativement hétérogène. Le tablier devait être aussi mince que possible pour ne pas être écrasant. Pour minimiser son impact visuel, on a choisi des poutres porteuses en acier, et on les a placées de part et d'autre des voies, afin qu'elles tiennent lieu d'écrans phoniques et pare-ballast. Ainsi, la hauteur vue des poutres ne s'ajoute pas à celle des écrans. Pour diminuer encore la hauteur des poutres porteuses, on a imaginé de les encastrer sur des béquilles inclinées, suivant un schéma statique assez proche de celui que N. Esquillan avait adopté en 1952 pour le pont ferroviaire de la Voulte, sur le Rhône. Les béquilles encastrées sur les poutres devaient être en acier comme elles. Pour diminuer leur encombrement et améliorer leur aspect, on a donné aux unes comme aux autres une section en caisson. Le schéma fonctionnel retenu par l'équipe de conception est celui d'une succession de portiques indépendants, séparés au niveau du tablier par des joints de dilatation, mais réunis à la base des béquilles par un soubassement commun. La continuité géométrique du tablier au droit des joints est assurée par des appareils d’appui glissants, qui transmettent les efforts perpendiculaires à l’axe du pont, en laissant libres les mouvements relatifs des tronçons suivant l'axe longitudinal de l’ouvrage. Afin de prévenir tout décollement des appuis sous chargement dissymétrique, les joints sont décalés par rapport à l’axe des piles (fig.3). Entre deux joints successifs, la longueur dilatable des tronçons est suffisamment courte pour que l'on puisse se passer d’appareils de dilatation des voies, et de joints garde-ballast. Il en résulte une simplification des opérations d’entretien. Chacune des piles sert d’appui commun aux deux portiques qui l’encadrent. Elle se compose donc de quatre béquilles métalliques qui convergent vers un socle unique en béton armé de hauteur variable, encastré sur la semelle de fondation. L'ensemble a fait l'objet d'une recherche architecturale très approfondie (fig.4).

The deck had to be as thin as possible so that it would not seem overwhelming. To minimise its visual impact, steel girders were chosen, and placed on either side of the tracks to provide noise and ballast protection, thus eliminating the need for screens, whose height would have increased the visual impact of the structure. To further reduce the height of the main girders, it was decided to fix them to inclined struts, according to a static scheme fairly similar to that adopted by N. Esquillan in 1952 for the La Voulte rail bridge over the Rhone River.

La Voulte rail bridge (N.Esquillan – 1952)

The inclined struts fixed to the girders were also to be made of steel. To reduce their size and improve the aesthetics, a box section was adopted throughout. The functional diagram chosen by the design team was that of a series of independent portal frames, separated at deck level by expansion joints, but joined together at the bottom of the inclined struts by a common base. The geometrical continuity of the deck at the joints was to be provided by sliding bearings, which transfer the stress perpendicular to the axis of the bridge, allowing for relative movement of the deck sections along the longitudinal axis of the viaduct. In order to keep the reaction on the bearings positive under every loading scheme, the joints were not in line with the pier axes (fig. 3). The dilatable length of the sections between two successive joints is short enough to do away with breather switches on the tracks and ballast guard joints, which makes maintenance operations much easier. Each pier acts as a support for the two portal frames on each side. The pier therefore consists of four inclined steel struts converging towards a single reinforced concrete base of variable height, embedded in the footing. The piers are the result of very detailed architectural research (fig. 4).



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Fig.3 : Elévation du projet initial / Elevation of initial project

Fig.4 : Etude architecturale des piles / Architectural study of piers

Toutes les piles se déduisent d'un modèle unique par simple troncature de la partie basse du socle. A cette fin, l'axe de symétrie de la pile est disposé perpendiculairement au profil en long de la LGV, et non suivant la verticale. Malgré la courbure en plan du tablier, les quatre béquilles d’une pile sont identiques et symétriques. Le décalage des tôles qui en résulte au niveau de l’encastrement des béquilles sur les poutres-caissons du tablier reste en effet compatible avec les tolérances d’exécution des assemblages soudés.

6. CARACTÉRISTIQUES DU PROJET INITIAL

6.1. Travure et implantation des appuis

C'est le franchissement biais de l'A36 qui détermine la longueur des travées. Pour qu'elle soit la plus courte possible, tout en minimisant les fouilles à réaliser dans le remblai de l'autoroute, les semelles des piles adjacentes ont été disposées parallèlement aux talus, et on les a rehaussées au dessus du terrain naturel. Ainsi, la circulation a pu être maintenue pendant les travaux, au prix d'un blindage battu en crête des talus. La même disposition a été adoptée pour les piles encadrant le canal, pour éviter d'entailler les digues.

They are all based on a single model. The required height is obtained by truncating the lower part of the pier pedestal. The use of a single model was achieved by placing the axis of symmetry of the pier perpendicular to the longitudinal profile of the HSR line, and not vertical

6. CHARACTERISTICS OF INITIAL PROJECT

6.1. Span length

It is the skewed crossing of the A36 motorway that determines the span length of the spans. In order to make them as short as possible, while keeping excavation of the motorway embankment to a minimum, the footings of the adjacent piers were placed parallel to the embankment slopes and raised above the natural terrain. Traffic could thus be maintained throughout construction by installing driven sheeting at the top of the slopes. The same layout was adopted for the piers on either side of the canal to avoid cutting into the dikes.


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On a pu ainsi franchir la vallée par douze travées de 66 m, encadrées par deux tronçons courts de 12 m prolongeant la traverse des portiques de rives. La longueur entre axes des appuis extrêmes était de 816 m.

6.2. Tablier

Transversalement, le tablier prévu par l'équipe de conception s’apparentait aux ponts types RAPL de la SNCF : Les deux poutres maîtresses, placées de part et d’autre des voies, étaient reliées à leur base par un hourdis en poutrelles enrobées disposées perpendiculairement à l’axe de l’ouvrage. Après le viaduc de Saint André à Lille (V = 200 km/h), plusieurs ponts-rails de ce type ont été réalisés sur la LGV Méditerranée, la LGV Est et la LGV Perpignan-Figueras, pour une vitesse de référence de 350 km/h. La solution proposée s’en distinguait par le remplacement des poutres en I des RAPL classiques par des caissons, de rigidité supérieure. Ces caissons hauts et étroits (3,50 m x 1,10 m) étaient raidis intérieurement par des diaphragmes espacés de 3 m, disposés dans le plan des poutrelles principales du hourdis. L’épaisseur des âmes des poutres-caissons variait de 16 à 20 mm. Elles étaient raidies longitudinalement par des plats disposés au tiers et aux trois quarts de leur hauteur. L’épaisseur des membrures supérieures, larges de 1,30 m, variait de 40 à 70 mm, et celle des membrures inférieures, larges de 1,60 m, de 35 à 85 mm. Dans les zones d’encastrement des béquilles, les âmes des poutres-caissons et les diaphragmes obliques prolongeant les parois des béquilles étaient prévus en acier S 460. Les autres tôles étaient de nuance S 355. Le hourdis de 13 m de largeur était constitué de poutrelles HEA 500 en acier S 355 enrobées de béton. L’épaisseur maximale du béton était de 62 cm dans l’axe du pont (coffrage perdu compris). Des relevés latéraux enrobaient les attaches des poutrelles et calaient les caniveaux préfabriqués. Ils étaient connectés sur la paroi des poutres-caissons latérales au moyen de goujons Nelson. Comme sur la plupart des RAPL, les poutrelles étaient espacées de 75 cm. Il était prévu de les boulonner sur des mouchoirs soudés sur la paroi des caissons. Une poutrelle sur quatre, disposée dans le plan des diaphragmes des poutres-caissons principales, devait jouer le rôle d’entretoise de rigidité lors du lancement du tablier ; ses attaches sur les caissons latéraux étaient renforcées afin d’assurer son encastrement. Les poutrelles courantes n'étaient boulonnées qu’au niveau de leur âme (fig.5).

The viaduct crosses the valley in twelve 66-metre spans, with two short 12-metre sections on each side extending the portal frames at the deck ends. The length between the axes of the end bearings is 816 m.

6.2. Deck

Transversally, the deck designed by the team was similar to the standard RaPL bridges (steel lateral girder bridges) of the French railways. The two main girders, on either side of the tracks, were connected to their base by steel crossbeams embedded in concrete. After the Saint André Viaduct in Lille (V = 200 km/hr), several rail bridges of this type were built on the Mediterranean, Eastern and Perpignan-Figueras HSR lines for a reference speed of 350 km/hr. The solution proposed differed in that it used box girders instead of the traditionnally used I-beams. The high, narrow box girders (3.50 m x 1.10 m) were stiffened internally with diaphragms 3 metres apart. The thickness of the box girder webs ranged from 16 to 20 mm. They were stiffened longitudinally with flats at one third and three-quarters of their height. The thickness of the 1.30 m wide top flanges varied from 40 to 70 mm, and that of the 1.60 m wide bottom flanges from 35 to 85 mm. In the fixing areas of the inclined struts, the box girder webs and oblique diaphragms extending the walls of the inclined struts were to be made of S 460 steel. In all other cases, S355 grade steel was sufficient. The 13-metre wide slab consisted of concrete-embedded HEA 500 S 355 steel crossbeams. The maximum thickness of the concrete was 62 cm in the bridge axis (permanent formwork included). The crossbeams were 75 cm apart. They were to be bolted to brackets welded to the side of the box girders. One beam out of four, laid in the same plane as the diaphragms of the main box girders, was to act as bracing during launching of the deck. Its connections to the lateral box girders were reinforced in order to ensure correct fixing. The typical beams were bolted only in the web plane (Fig. 5).



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Fig. 5 : Attache des poutrelles enrobées du projet initial Fixing of concrete-embedded crossbeams in initial project

Au droit des béquilles d’appui du tablier, le dispositif précédent avait dû être renforcé : Les poutrelles étaient remplacées par des profilés reconstitués soudés plus épais, afin de constituer avec le tirant transversal reliant la tête des béquilles un entretoisement très rigide.

6.2. Piles

La partie métallique des piles, baptisée tétrapode, était composée de tôles de 50 à 100 mm. Compte tenu de l’intensité des efforts d’encastrement sur le tablier, il était prévu de réaliser le haut des béquilles en acier S 460. Initialement, le passage du matériau acier au matériau béton devait avoir lieu au niveau le plus étroit de la pile. Malgré son faible diamètre (4,40 m), et l'ajout d'une précontrainte de clouage constituée de 20 barres Ø 50 mm, la section d'appui n'était pas assez comprimée pour assurer par simple frottement le transfert des efforts horizontaux dus aux séismes et au freinage des trains. Pour que les barres de clouage ne soient sollicitées qu'en traction, on avait donc ajouté une clé de cisaillement cylindrique en tôle de 60 mm d’épaisseur, scellée au mortier sans retrait dans une réservation ménagée au sommet du socle. A la fin des études de projet, le calcul aux éléments finis d'un tétrapode a montré que pour obtenir la rigidité escomptée dans les calculs de stabilité générale, l'embase métallique commune aux quatre béquilles devait être très fortement raidie. Pour y parvenir tout en maintenant l'accès nécessaire à la mise en œuvre et à la surveillance des barres de clouage, il a fallu multiplier les raidisseurs (fig. 6). C’est pourquoi on a ajouté dans le dossier de consultation des entreprises une solution variante, dans laquelle l’embase des tétrapodes était réalisée en béton armé. Les quatre béquilles métalliques étaient ancrées individuellement dans cette embase, au moyen de 18 barres de précontrainte. Là encore, chacun des plans de contact acier-béton était traversé par une clé de cisaillement en acier.

The above system had to be reinforced at the inclined struts. The beams were replaced with thicker welded fabricated sections, which, combined with the cross tie connecting the heads of the inclined struts, formed very rigid bracing.

6.3. Piers

The metal part of the pier, dubbed the Tetrapod, was made of 50 to 100 mm sheet steel. Given the intensity of the end constraints on the deck, S 460 steel was prescribed for the top of the inclined struts. Initially, the switch from steel to concrete was to take place at the narrowest part of the pier. Despite its small diameter (4.40 m) and the addition of 20 dia 50 mm prestressing bars, the bearing section was not sufficiently compressed to transfer the horizontal loads due to earthquakes and braking of the trains by friction alone. A cylindrical shear key made of 60 mm thick sheet steel was added so that the prestressing bars would work under tensile stress only At the end of the detailed design, a finite element study of the tetrapod showed that in order to obtain the required rigidity, the metal base used for the four inclined struts would have to be considerably stiffened. To do so while still allowing access for installation and monitoring of the prestressing bars, the number of stiffeners had to be increased,turning the steel base into a very complex piece (fig. 6). This is why an alternative solution was added to the tender documents, in which the tetrapod base was to be made of reinforced concrete. The four steel inclined struts were individually anchored to the base with 18 prestressing bars. Once again, there was a steel shear key in each of the steel-concrete contact planes.


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Fig.6 : Modèle aux éléments finis du projet initial - Raidissage interne de l''embase métallique Finite element model of initial project - Internal stiffening of steel base

6.4. Culées

Aux extrémités de l’ouvrage, les deux béquilles des portiques de rive venaient s’encastrer dans un socle en béton armé, solidaire de la palée supportant les appareils d’appui du tronçon de rive, long de 12 m seulement. Cette palée était noyée dans le bloc technique du remblai d'accès, dont le talus était protégé par un perré.

6.5. Fondations

La compacité médiocre des matériaux de couverture impose des fondations profondes. Pour respecter la limite imposée par le référentiel au déplacement horizontal du tablier sous les efforts de freinage et démarrage des trains, ces fondations doivent être très rigides : En effet, en l’absence d’appareils de dilatation sur les voies, ce déplacement ne doit pas dépasser 5 mm, sous un effort qui peut atteindre 7 MN. Les fondations prévues pour les piles dans le projet initial étaient constituées de dix barrettes de 82 cm d’épaisseur ancrées dans le rocher sain. Suivant la hauteur de la pile et la profondeur du rocher, les barrettes avaient une longueur de 2,20 ou de 2,70 m. Elles formaient autour du socle une enceinte discontinue de plan carré, offrant la plus grande surface possible à la réaction horizontale du sol. L'épaisseur des semelles de répartition variait de 1,65 à 2,60 m suivant les dimensions du socle. Elles étaient calées au plus près de la surface du sol, afin de minimiser le coût des batardeaux provisoires nécessaires à leur exécution dans des matériaux perméables, saturés par la nappe alluviale. Sous les culées, le massif d’encastrement des béquilles était fondé sur huit barrettes disposées comme sous les piles, et la palée enterrée sur quatre autres, placées sous les poteaux. Deux butons reliant les semelles permettaient de mobiliser l'ensemble de la culée pour résister aux poussées des béquilles et du remblai.

6.4. Abutments

At the ends of the bridge, the two inclined struts of the last portal frames were fixed to a reinforced concrete base solid with the bent supporting the bearing pads placed under the deck ends. The bent was embedded in the fill of the approach embankment whose slope is protected with stone facing.

6.5. Foundations

The mediocre compactness of the cover materials required deep foundations. To respect the limit imposed by the guidelines for horizontal displacement of the deck under the braking and starting forces of the trains, the foundations have to be very rigid. In the absence of breather switches on the tracks, displacement must not exceed 5 mm under a force of up to 7 MN. The pier foundations in the initial project consisted of ten 83 cm thick barrette piles anchored in good quality rock. Depending on the height of the pier and depth of the rock, the barrettes were 2.20 m or 2.70 m long. They formed a discontinuous square enclosure around the base, offering the largest possible surface for the horizontal ground reaction. The thickness of the footings varied from 1.65 to 2.60 m depending on the dimensions of the base. They were adjusted as close as possible to the surface of the ground in order to minimise the cost of the temporary cofferdams required for construction in water-logged permeable ground. Under the abutments, the base of the inclined struts was founded on eight barrettes with the same layout as the piers, and the bent on four others, placed under the posts. Two braces connecting the footings enabled the entire abutment to withstand the thrust of the inclined struts and embankment.



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6.6. Méthodes de construction envisagées

Les pentes raides du versant ouest, la rivière, l’autoroute, le canal et la route nationale découpent la brèche en six secteurs, entre lesquels les communications sont difficiles. Ainsi, pour traverser l’autoroute A 36, le passage supérieur le plus proche est celui de la RN 437, à un kilomètre du site. Afin de réduire les circulations de chantier, on a prévu de mettre en place l’ossature métallique du tablier par lancement à partir d’une plate-forme d’assemblage installée sur le remblai Est, le plus facilement accessible. Néanmoins, on a dû inclure dans le marché de travaux près de quatre kilomètres de pistes, un pont provisoire sur la Savoureuse, ainsi que le remplacement du tablier d’un pont existant sur le canal. En outre, la piste principale du chantier, tracée entre la culée Ouest et la RN 437, devait être utilisée aussi par les terrassiers de la section courante, pour transférer 320 000 m3 de matériaux d'une rive à l'autre de la brèche. Dès le stade du projet, on s'est préoccupé des problèmes posés par la mise en place des tétrapodes, et par l'assemblage du tablier sur les béquilles. Pour pouvoir régler avec toute la précision nécessaire la position du tétrapode sur le socle, on a prévu d’interposer entre les deux un "anneau de positionnement". Ajusté en usine à la face inférieure du tétrapode, cet anneau d’acier très rigide devait être calé sur le socle au moyen de vérins permettant de régler finement sa position dans l'espace, puis scellé au mortier sans retrait.

7. LES ÉTUDES DE PROJET

7.1. Vérifications effectuées

Le référentiel technique de la ligne nouvelle renvoie au fascicule 2.01 de la SNCF, complété par les cahier-programme relatif à l’étude dynamique des ponts-rails qui détaille les prescriptions de la STI. L’étude sous charges statiques inclut :

• la vérification des contraintes aux Etats Limites de Service et aux Etats Limites Ultimes,

• la vérification des Etats Limites spécifiques aux ponts rails,

• la vérification des matériaux vis-à-vis de la fatigue.

Les calculs dynamiques concernent :

• le calcul de l'accélération verticale et des déformations du tablier sous le convoi universel et les trains réels,

• la vérification de la structure sous sollicitations sismiques.

Enfin, à la demande de l’AMOT, les effets de l’interaction voie-ouvrage d’art et le confort des voyageurs ont fait l’objet d’une étude spécifique, car on pouvait craindre que les critères simplifiés définis dans le référentiel ne soient plus valides dans le cas du viaduc de la Savoureuse, du fait de son schéma statique inhabituel.

6.6. Construction methods envisaged

The steep western slopes, the river, the motorway, the canal and the national highway divide the valley into six sectors with very poor communication between them. To cross motorway A 36, the closest overpass is a kilometer away. In order to reduce construction site traffic, the steel deck was to be launched from a platform on the eastern embankment which is the easiest to access. The construction contract nevertheless included nearly four kilometers of dirt roads, a temporary bridge over the Savoureuse and replacement of the deck of an existing bridge over the canal. Also, the main construction site road, between the western abutment and highway RN 437, had to be used by the earthwork contractor for the surrounding section to transfer 320,000 m3 of materials from one side of the valley to the other. Already in the design stage, the problems posed by installing the tetrapods and assembling the deck on the inclined struts had been addressed. A flat “positioning ring” was designed to be placed between the tetrapod and its base so that its position could be adjusted with the necessary precision. This very rigid steel ring, machined to fit the lower face of the tetrapod, was to be finely adjusted onto the base before sealing.

7. DETAILED DESIGN STUDIES

7.1. Verifications carried out

The technical guidelines for the new train line are given in SNCF Fascicule 2.01, completed by specifications relating to the dynamic design of rail bridges, which include the requirements of the technical specification for interoperability (TSI). The static load study includes:

• verification of Serviceability Limit States and Ultimate Limit States,

• verification of limit states specific to rail bridges, • verification of the fatigue resistance of materials.

The dynamic calculations concern:

• calculation of vertical acceleration and deformation of the deck under the HSLM-A load model and real trains,

• verification of the structure under seismic loads. The effects of track-viaduct interaction and passenger comfort were the subject of a special study due to concern that the simplified criteria defined in the guidelines would not be valid in the case of the Savoureuse Viaduct because of its unusual static scheme. The study was outsourced to SNCF’s engineering department.


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Cette étude a été sous-traitée à la Direction de l’Ingénierie de la SNCF.

7.2. Modèles de calcul

Aux stades du concours et de l’avant-projet, deux modèles tridimensionnels à barres de la totalité de l’ouvrage avaient été construits. Le premier, réalisé à l’aide du logiciel ST1, était utilisé pour les calculs sous charges statiques. Le second, réalisé à l’aide du logiciel Hercule, était utilisé pour les calculs dynamiques (passage du TGV double rame à 400 km/h et séismes). L’étude de cas élémentaires avait permis de s’assurer que les deux modèles donnaient les mêmes résultats. Au stade du projet, un troisième modèle tridimensionnel complet a été réalisé à l’aide d'un nouveau logiciel, afin d’étudier les effets dynamiques des dix convois du train dynamique universel A jusqu’à 420 km/h, conformément à la spécification technique d’interopérabilité. Ce logiciel permettait de systématiser la génération des cas de charge pour des gammes étendues de véhicules et de vitesses, et d’obtenir dans des délais acceptables tous les résultats requis sous une forme synthétique. La définition des éléments restait inchangée, à une exception près : Le grill de poutres représentant le hourdis du tablier avait été remplacé par des éléments finis isotropes de type coque. Enfin, une modélisation fine d’un tétrapode au moyen d’éléments coques a été effectuée, afin de valider les rigidités introduites dans les modèles à barres, et d’étudier en détail la résistance des tôles aux efforts locaux. Pour s’affranchir des effets de bord induits par la proximité entre la zone d’étude et les points d’introduction des efforts, et pour tenir compte de la participation du hourdis et des tirants transversaux, les deux tranches du tablier couvrant les sections d’encastrement des béquilles ont été modélisées aussi (fig.7).

7.2. Calculation models

At the preliminary design stage, two 3D bar models of the entire viaduct were built. The first was used for the static load calculations. The second was used for the dynamic calculations (passage of a double-length TGV train at 400 km/hr plus earthquakes). The comparison of single load cases showed that the two models gave the same results. At the detailed design stage, a third complete 3D model was built using new software, in order to study the dynamic effects of the ten convoys of the HSLM-A load model up to 420 km/hr, in accordance with the technical specification for interoperability. The new software enabled the generation of load cases to be systemised for extended ranges of vehicles and speeds and to rapidly obtain all the results required in synthetic form. The definition of the elements remained unchanged, with one exception : The girder grid representing the deck slab was replaced with isotropic shell finite elements. Fine modelling of a tetrapod using shell elements was carried out to evaluate the rigidities introduced into the bar models and produce a detail study of the resistance of the steel sheets to local stress. To overcome the edge effects caused by the proximity of the study area to the stress introduction points, and to take participation of the deck slab and transverse prestressing into account, the two sections of the deck covering the fixing sections of the inclined struts were also modelled (fig. 7).

Fig.7 : Modèle aux éléments finis de l'encastrement du tablier sur les béquilles (projet initial)

Finite element model of fixing of deck to inclined struts (initial project)



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7.3. Calculs statiques

Les dimensions de l’ouvrage sont déterminées par les critères de sécurité des circulations ferroviaires, qui exigent une très grande rigidité. C’est notamment le cas de la limitation à 5 mm du déplacement longitudinal du tablier sous l’effet du freinage des trains, que l’on s’est appliqué à respecter sans tenir compte de la participation des rails, conformément aux prescriptions simplifiées du fascicule 2.01. De ce fait, les critères de stabilité et de résistance sont aisément satisfaits, sauf en deux zones dont le haut niveau de sollicitations a été mis en évidence par le calcul aux éléments finis :

• L’embase commune aux quatre béquilles d’un tétrapode, qu’il a fallu fortement raidir,

• Les nœuds supérieurs des portiques, et notamment la partie supérieure des béquilles, qu’il a fallu passer en acier S 460.

Les résultats principaux sont les suivants :

• Résistance des matériaux aux Etats Limites de Service et aux Etats Limites Ultimes

Les contraintes normales extrêmes relevées à l’état limite ultime sont :

7.3. Static calculations

The viaduct dimensions were dictated by the safety criteria for rail traffic which require very high rigidity. In particular, longitudinal displacement of the deck under the effect of braking must be limited to 5 mm. This requirement was respected without considering the contribution of the rails, in accordance with the technical guidelines of the HSR. As a result, the stability and resistance criteria were easily satisfied except in two areas whose high stress level was revealed by the finite element calculation:

• The base of the four inclined struts of the tetrapod, which had to be stiffened considerably,

• The upper nodes of the portal frames, and particularly the upper part of the inclined struts, which had to be upgraded to S 460 steel.

The main results were as follows:

• Resistance of the materials at the Serviceability Limit States and Ultimate Limit States:

The normal extreme stresses recorded at the ultimate limit state were as follows:

- dans les poutres-caissons du tablier - in the box girders of the deck

• en travée (S 355) • in the span (S 355) MPa335305 e =σ≤=σ

• à l’encastrement sur les béquilles des culées (S 460) • at fixing of the inclined struts of the abutments (S 460) MPa410340 e =σ≤=σ

• à l’encastrement sur les béquilles des piles (S 460) • at fixing of the inclined struts of the piers (S 460) MPa400320 e =σ≤=σ

- en tête des béquilles des tétrapodes (S460) - at the top of the inclined struts of the tetraopods (S460)

MPa400385 e =σ≤=σ

• Résistance des matériaux à la fatigue sous

sollicitations répétées L’amplitude de variation des contraintes est calculée sous les charges ferroviaires de l’UIC :

• Fatigue resistance of materials under repeated

stress The stress variation amplitude was calculated under the UIC’s rail loads:

• en fibre supérieure du tablier • top chord of deck ∆σ = 34 MPa < 59,7 MPa

• en fibre inférieure du tablier • bottom chord of deck ∆σ = 37 MPa < 56,0 MPa

• au sommet des béquilles • at top of inclined struts ∆σ = 41 MPa < 56,0 MPa

• Critères spécifiques aux ponts rails

- Sécurité des circulations ferroviaires

• Criteria specific to rail bridges

- Safety of train traffic

Limitation de la longueur des tronçons : longueur maximum Limitation of length of sections: maximum length 80,2 m < 90 m

Limitation du gauche des voies Limitation of warping of tracks t = 0,1 mm < 1,5 mm sur 3 m


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Limitation des rotations d’extrémités des tronçons du tablier Limitation of rotation of ends of deck sections

• Sur culée ouest / On west abutment • Sur culée est / On east abutment

q = 0,6.10-3 radian < 3,5.10-3 radian q = 0,9.10-3 radian < 3,5.10-3 radian

Entre deux tronçons successifs Between two sections q1 + q2 = 1,3. 10-3 radian < 5.10-3 radian

Limitation des déformations du tablier dans le plan de la dalle Limitation of deck deformation in concrete slab plane

• Cassure angulaire au droit des culées • Angular break at abutments q = 0,02.10-3 radian < 1,5.10-3 radian

• Rayon de courbure en plan imposé au tablier • Radius of curvature in plane required for deck R = 28 900 m > 17 000 m

Limitation à 5 mm du déplacement longitudinal du tablier sous freinage démarrage des trains Limitation of longitudinal displacement of deck to 5 mm under braking and starting of trains

Le critère est respecté strictement. Strictly respected without considering the participation of the rails.

- Confort des voyageurs (critères simplifiés Fasc. 2.01) - Passenger comfort (simplified criteria in Fasc. 2.01)

Flèche de la traverse des portiques Deflection of deck in the portal frames 22,5 mm < 24 mm

Flèche du tablier à l’aplomb des piles Deflection of deck over pier axe 10,3 mm < 17 mm

7.4. Calculs dynamiques sous séismes

Les effets des séismes ont été étudiés par analyse multimodale, en appliquant les spectres normalisés de l’AFPS. On a exploité les 120 premiers modes propres. Aux ELS, les déplacements relatifs entre tronçons successifs du tablier, ou entre les extrémités de celui-ci et les culées, restent inférieurs aux limites exigées par la circulation des trains :

• Déplacements suivant la direction longitudinale du pont : 15 mm < 20 mm.

• Déplacements suivant la direction transversale du pont : 10 mm < 20 mm

• Cassure angulaire au droit des joints : 0,8.10-3 radian < 3.10-3 radian.

Les contraintes dans la charpente sous combinaison sismique de service ne dépassent pas 250 MPa.

7.6. Calculs dynamiques sous train dynamique universel

Sous les dix trains du convoi universel, l’accélération verticale du tablier doit être calculée pour la vitesse de référence V (350 km), pour 1,2.V (420 km/h), et pour trois vitesses critiques déterminées par Vc =λ.F, où λ est l’espacement des boggies, et F la période d’un mode propre associant une déformation importante dans le plan vertical et une masse modale conséquente. On ne s’attache qu’aux modes de fréquence inférieure à 20 hertz. La structure proposée étant fortement hyperstatique, ses modes propres de vibration sont complexes, et ne le mobilisent qu’en partie : Ainsi, les premiers modes correspondent au balancement de quatre travées consécutives dans le plan transversal (fig.8).

7.4. Dynamic earthquake calculations

The effects of earthquakes were studied using multimode analysis, applying the spectra standardised by the French association for earthquake engineering (AFPS). The first 120 normal modes of the structure were used. At SLS, the relative displacement between successive deck sections or between the end of the section and the abutment remained lower than the limits required for train traffic:

• Displacement in the longitudinal direction of the bridge: 15 mm < 20 mm.

• Displacement in the transverse direction of the bridge: 10 mm < 20 mm

• Angular break at joints: 0.8.10-3 radian < 3.10-3 radian.

The stresses in the steelwork under SLS seismic loadings do not exceed 250 MPa.

7.5. Dynamic calculations for the HSLM-A load model

The vertical acceleration of the deck under the ten trains of the HSLM-A load model must be calculated for the reference speed V (350 km), for 1.2 V (420 km/hr) and for three critical speeds determined by Vc = λ.F, where λ is the bogie spacing and F the period of a normal mode combining high deformation in the vertical plan and a large modal mass. Only frequency modes of less than 20 hertz were considered. Since the proposed structure is very hyperstatic, its normal vibration modes are complex, and affect only a part of the viaduct. The first modes therefore correspond to the side-to-side rocking of four consecutive spans (fig. 8).



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Faute de vitesses critiques bien identifiées, les calculs ont été menés en augmentant progressivement la vitesse des convois par pas de 25 km/h entre 200 et 350 km/h, puis par pas de 20 km/h entre 380 et 420 km/h. On constate que l’amplification dynamique reste faible jusqu’à 350 km/h. C’est dans les travées de rive et dans les tronçons courts entre V des béquilles qu’ont été constatées les accélérations les plus fortes ; les déformations du tablier restaient très inférieures aux limites fixées.

In the absence of well-identified critical speeds, the calculations were carried out by gradually increasing the speed of the convoys in 25 km/hr increments from 200 to 350 km/hr, then in 20 km/hr increments from 380 to 420 km/hr. It was observed that the dynamic amplification remained low up to 350 km/hr. It was in the end spans and the short sections between the V of the inclined struts that the highest acceleration was observed. Deformation of the deck remained well below the specified limits.

Perspective / Perspective

Vue en plan / Plan view

Elévation / Elevation

Fig 8 : Premier mode de vibration du projet initial : F = 1,08 hertz (balancement transversal) First vibration mode of initial project: F = 1.08 hertz (side-to-side rocking)

7.6. Calculs dynamiques sous convois réels

Les effets d’une double rame TGV ont été également examinés. Les valeurs extrêmes de l’accélération verticale restaient inférieures à la limite de 3,5 m/s² fixée par le référentiel. L’endommagement des soudures sous les effets dynamiques de la double rame, calculé suivant les prescriptions du référentiel, restait inférieur à 0,6, pour une valeur limite de 1.

7.7. Etude de l’interaction voie ouvrage d’art

Cette étude particulière demandée par l’AMOT avait pour but de calculer les contraintes supportées par les rails du fait de l’interaction voie-ouvrage d’art, et de confirmer qu’il était loisible de négliger cette interaction dans la justification de l’ouvrage lui-même.

7.6. Dynamic calculations for real convoys

The effects of a double-length TGV train were also examined. The extreme vertical acceleration values remained below the 3.5 m/s² limit indicated in the guidelines. Weld damage under the dynamic effects of the double-length TGV train calculated according to the specifications in the guidelines remained below 0.6 for a limit value of 1.

7.7. Study of track/viaduct interaction

This study was aimed at calculating the stresses supported by the rails due to interaction of the tracks and the viaduct and confirming that it was possible to ignore this interaction during verification of the viaduct.


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Cet objectif a été atteint : • Les contraintes obtenues dans les rails en

cumulant les effets extrêmes de la température, du freinage et de la flexion du tablier, restaient bien inférieures aux limites fixées par l’eurocode (NF EN 1991-2 art. 6.5.4.5.1) : - contraintes maximales de compression :

48 MPa < 72 MPa, - contraintes maximales de traction :

58 MPa < 92 MPa. • Les efforts calculés sous les effets de la

tempéature et du freinage en tenant compte de l’interaction voie-ouvrage étaient près de deux fois plus faibles que lorsque cette interaction était ignorée. Apparemment, du fait de la continuité des rails, les effets du freinage ou de la température se répartissent entre les portiques successifs constituant le viaduc, et se reportent en partie sur les remblais d’accès.

7.8. Etude du confort des voyageurs

Les critères de flèche définis dans le fascicule 2.01 de la SNCF ne couvrent que les travées isostatiques et les tabliers assimilables à une poutre continue sur appuis simples. Il a donc fallu calculer directement l’accélération verticale subie par les passagers d’une double rame TGV lorsqu’elle traverse l’ouvrage, à 300 puis à 350 km/h, en modélisant la suspension et la masse de ses différents éléments. On a observé que c’étaient les montagnes russes engendrées par la déformation des portiques sous l’effet de la température qui étaient prioritairement responsables des accélérations subies par les voyageurs (fig.9). A 350 km/h, l’accélération maximale dans les voitures passe de 0.7 m/s² lorsque la température n’intervient pas à 1.9 m/s² lorsqu’une variation de 35°C de la température de l’ouvrage impose au tablier et à la voie un profil en long ondulé.

The aim was achieved: • The stresses obtained in the rails when adding

the extreme effects of temperature, braking and deflection of the deck, remained well below the limits fixed by the Eurocode EN 1991-2 art. 6.5.4.5.1: - maximum compression stress:

48 MPa < 72 MPa - maximum tensile stress:

58 MPa < 92 Mpa • The stresses calculated under the effects of

temperature and braking, taking the track-viaduct interaction into account, were nearly twice as low as when their interaction was ignored. Apparently, because of the continuity of the rails, the effects of braking or temperature are distributed between the successive portal frames of the viaduct, and are partly transferred to the approach embankments.

7.8. Study of passenger comfort

The deflection criteria defined in the technical guidelines of the HSR only covered isostatic spans and decks that can be likened to a simply supported continuous girder. The vertical acceleration sustained by the passengers of a double-length TGV train crossing the viaduct at 300 and 350 km/hr was therefore calculated by modelling the suspension and mass of its different components. It was observed that it was the roller coaster effect caused by deformation of the portal frames under the effect of temperature that was mainly responsible for the acceleration sustained by the passengers (fig. 9). At 350 km/hr, the maximum acceleration in the carriages increases from 0.7 m/s² when there is no temperature difference to 1.9 m/s² when a 35°C variation in the temperature of the viaduct imposes an undulating longitudinal profile on the deck and track.

Fig.9 : Déformation du tablier du projet initial sous l'effet d'une augmentation de sa température de 35°C Deformation of the viaduct structure under a 35°C i ncrease of its temperature

D’après le tableau A2.9 de l’annexe A2 de la NF EN 1990/A1 une accélération de 2 m/s² correspond à un niveau de confort « acceptable », et une accélération de 1 m/s² à un très bon niveau de confort. C’est ce très bon niveau qui est recherché sur les chemins de fer français. Cette étude indépendante a confirmé les accélérations verticales du tablier qui avaient été calculées, sauf aux extrémités de l’ouvrage où elle a fourni des valeurs plus élevées. Il avait donc été décidé de raidir les extrémités du hourdis par une entretoise d’appui plus rigide que les poutrelles courantes.

According to table A2.9 of annex A2 of EN 1990/A1, an acceleration of 2 m/s² corresponds to an “acceptable" level of comfort and an acceleration of 1 m/s² to a very good level of comfort. It is this very good level of comfort that is required by the French railways. This independent study confirmed also the vertical accelerations of the deck resulting from the design calculations, except at the ends of the viaduct where higher values were obtained. It was therefore decided to stiffen the ends of the slab with a more rigid supporting crossbeam than for the typical spans.



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8. CONSULTATION DES ENTREPRISES

Le dossier de consultation a été remis aux concurrents retenus le 4 août 2006. Six offres ont été remises. Les concurrents avaient soigneusement étudié les méthodes de construction du viaduc, en tenant compte des contraintes imposées. Le groupement constitué des entreprises Eiffel (mandataire), Eiffage TP, société forézienne d'entreprises et SPIE fondations a été retenu.

9. LE PROJET EXÉCUTÉ

Les modifications apportées par l'entrepreneur au projet de l’équipe de conception concernent :

• Le schéma fonctionnel : Initialement constitué de douze portiques réunis à la base des béquilles par une fondation commune, il est désormais constitué de douze travées indépendantes de 45,55 m, appuyées aux extrémités de courts tronçons de tablier (20,45 m), encastrés sur les quatre béquilles de chacun des tétrapodes (fig. 10).

• Les poutres porteuses latérales : Les caissons métalliques de 3,5 m de hauteur ont été remplacés par des poutres en C de 4,0 m, plus faciles à façonner (fig.11) ;

• La structure transversale du tablier : Les poutrelles enrobées qui reliaient les poutres latérales ont été remplacées par un système plus léger mais beaucoup plus rigide, constitué de pièces de pont hautes et rapprochées, supportant une dalle mince en poutrelles enrobées (fig.11) ;

• Les fondations profondes : Les barrettes en parois moulées ont été remplacées par des pieux forés de 1,6 m de diamètre, moins sensibles que les barrettes aux irrégularités du substratum.

8. TENDER

The tender documents were given to the short-listed contractors on 4th August 2006. Six tenders were received. All the contractors had carefully studied the viaduct construction methods, taking into account the constraints imposed upon them. The consortium consisting of Eiffel (representative), Eiffage TP, Société Forézienne d’Entreprises and SPIE Fondations was awarded the contract.

9. THE ACTUAL DESIGN

The modifications made by the contractor to the design team’s project concerned:

• The functional diagram: Initially composed of twelve portal frames connected at the base of the inclined struts by common foundations, it now consists of twelve independent 45.55 m spans, supported at the ends by short deck sections (20.45 m) fixed to the four inclined struts of each tetrapod (fig. 10).

• The lateral girders: The 3.5 m high metal box girders were replaced with 4.0 m C-girders, easier to fabricate (fig. 11);

• The transverse structure of the deck: The concrete-embedded beams connecting the lateral girders were replaced with a lighter but much more rigid system, consisting of 1.25 m high crossbeams, supporting a thin concrete slab (fig. 11);

• The deep foundations: The concrete barrettes were replaced with 1.6 m diameter driven piles, less sensitive to the irregularities of the substratum.

Projet initial : Portiques à béquilles / Initial design: portal frames on inclined struts

appuis glissants appuis glissants


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Ouvrage exécuté : Travées indépendantes / Actual viaduct: simply supported single spans on tetrapods

appuis glissants appuis fixes

Fig. 10 : Schémas fonctionnels comparés / Comparison of functional diagrams

Projet initial : Poutres caissons reliées par une dalle en

poutrelles enrobées Ouvrage exécuté : Poutres en C reliées par des

pièces de pont Initial design: box-girders and concrete embedded

crossbeams Actual viaduct: C-shaped girders and crossbeams

Fig.11 Coupes transversales comparées / Comparison of typical cross-sections



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9.1. Travure et implantation des appuis

L’implantation des piles n’a pas été modifiée. L’extrémité Ouest du tablier a été décalée de 24 m vers la vallée : La première travée indépendante du tablier repose directement sur un chevêtre en béton armé, encastré sur trois voiles longitudinaux de 1,20 m d’épaisseur noyés dans le remblai d’accès. Leur forme en trapèze leur confère une très grande rigidité vis-à-vis des efforts horizontaux dirigés suivant l’axe du pont. A l’extrémité Est du viaduc, la présence du ruisseau au pied du remblai d’accès n’a pas permis d’adopter une structure aussi simple. La douzième travée indépendante a dû être poursuivie par un dernier tronçon de tablier, long de 24,5 m, encastré d’un côté sur deux béquilles en acier semblables à celles des tétrapodes (appui P13), et de l’autre sur une palée en béton armé noyée dans le remblai (culée C14). La palée et l’embase en béton des deux béquilles reposent sur une fondation commune, comme dans la solution initiale. La longueur du viaduc a ainsi été réduite à 792 m entre axes des appareils d’appui extrêmes.

9.2. Tablier

Au départ, l'entrepreneur avait prévu de remplacer les poutres-caissons latérales par des poutres en I. On éliminait ainsi les contraintes d’ajustage des raidisseurs et d’accessibilité du volume intérieur. Soucieux de rester fidèle au parti architectural, le maître d’ouvrage a demandé d’excentrer l’âme unique vers l’extérieur du tablier. Cette disposition inhabituelle a simplifié le raidissage de l’âme, et facilité la transition avec les sections en caisson, qui ont été conservées dans les zones où les béquilles viennent s’encastrer sous les poutres, ainsi qu’au droit des appareils d’appui. En revanche, elle engendre des déformations et des contraintes dues à la torsion gênée des poutres, inconnues dans le cas des tabliers à poutres latérales classiques. Pour y remédier, le bureau d’étude a choisi de bloquer le gauchissement de la section en C à l’extrémité des poutres par du béton armé relevé le long de l’âme et solidement connecté. L’épaisseur de ce doublage varie progressivement de 20 à 75 cm, afin d’assurer la diffusion de l’effort tranchant de l’âme unique de la section courante vers les deux âmes des caissons d’appui. L’efficacité de ce dispositif innovant a été vérifiée par un calcul aux éléments finis (fig.12). Pour obtenir la rigidité nécessaire sous sollicitations dynamiques, la hauteur totale des poutres longitudinales a été portée à 4,00 m. La distance entre parements extérieurs des âmes est égale à 14,44 m. L’épaisseur de celles-ci est de 24 mm. Dans les travées indépendantes, elles sont raidies par un plat longitudinal disposé au tiers du panneau supérieur. L’épaisseur des membrures, larges de 1,08 m, varie de 35 à 85 mm.

9.1. Spans and piers

The pier layout was not modified. The western end of the deck was moved 24 m towards the valley. The first span rests directly on a reinforced concrete cap fixed to three longitudinal walls 1.20 thick embedded in the approach embankment. Their trapezoidal shape makes them very rigid in relation to the horizontal forces along the bridge axis. At the eastern end of the viaduct, the presence of a stream at the foot of the approach embankment excluded the possibility of using a simple structure of this type. The twelfth span had to be continued with a final deck section 24.5 m long, fixed one side to two steel inclined struts similar to those of the tetrapods (pier P13), and on the other side to a reinforced concrete bent embeddded into the embankment (abutment C14). The bent and the concrete base of the two inclined struts are supported by a common foundation, as in the initial solution. The length of the viaduct was thus reduced to 792 m between the axes of the end bearings.

9.2. Deck

Initially, the contractor intended to replace the lateral box girders with I-girders to eliminate problems relating to adjustment of the diaphragms and access to the inside of the girders. However, in order to respect the architectural design, the owner asked for the single web to be moved towards the outside of the deck. This unusual arrangement simplified stiffening of the web and facilitated the transition with the box girder sections which had been kept at the bearings and in the areas in which the inclined struts are fixed to the girders. This, however, causes stress and strain due to warping torsion, unknown in the case of classical lateral girder decks. To remedy the problem, the design office chose to prevent warping of the C-section at the end of the girders by means of a reinforced concrete upstand connected to the web. The thickness of the concrete lining of the webs varies gradually from 20 to 75 cm, in order to ensure distribution of the shear force from the single web in the typical section towards the two webs of the load-bearing box girders. The efficiency of this innovative system was verified by finite element analysis (fig. 12). To obtain the rigidity required under dynamic stress, the total height of the longitudinal girders was increased to 4.00 m. The distance between the outside facings of the 24 mm webs is equal to 14.44 m. In the independent spans, the girders are stiffened with a longitudinal flat one third of the way up the top panel. The thickness of the 1.08 m wide top flanges varies from 35 to 85 mm.


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Fig. 12 : Ouvrage exécuté : travée indépendante de 45,55 m / Actual viaduct: 45.55 m independent span La structure transversale proposée par l'entrepreneur reconduit les dispositions mises en œuvre sur le nouveau pont ferroviaire de Bordeaux. Sa grande rigidité la rend très efficace vis-à-vis des effets dynamiques des trains. Forte consommatrice d’acier, elle permet cependant de réduire les charges permanentes qui sollicitent les poutres porteuses, et donc les efforts horizontaux transmis lors d’un séisme aux appuis et aux fondations. Les pièces de pont ont une hauteur de 1,25 m et une inertie de 2,16.10-3 m4. Leur espacement est de 2,60 m dans les travées indépendantes, et de 2,70 m au droit des tétrapodes. Elles sont assemblées par soudage sur les raidisseurs verticaux des poutres longitudinales. Le hourdis en béton armé de 12,04 m de largeur a une épaisseur variable de 26 à 32 cm. Il est connecté sur les pièces de pont par des goujons Nelson. Vingt poutrelles enrobées HEA 200, disposées parallèlement à l’axe du pont avec un espacement de 65 cm, permettent de se passer d’outil coffrant. De part et d’autre du hourdis, des relevés latéraux de 120 x 40 cm connectés sur les poutres apportent une contribution significative à la rigidité du tablier.

9.3. Tétrapodes

Les dimensions extérieures des béquilles métalliques ont été conservées, mais leur épaisseur a été réduite : Elle varie de 35 à 45 mm. Les béquilles sont désormais entièrement réalisées en acier S 355.

The transverse structure proposed by the contractor is similar to that of the system used on the new Bordeaux rail bridge. Its high level of rigidity makes it very efficient in combating the dynamic effects of trains. Although it requires a lot of steel, it reduces the dead loads and therefore the horizontal forces transferred to the piers and foundations during an earthquake. The crossbeams are 2.60 m apart in the independent spans and 2.70 m at the tetrapods. They are assembled by welding to the vertical stiffeners of the longitudinal girders. The 12.04 m wide reinforced concrete slab varies in thickness from 26 to 32 cm. It is connected to the bridge pieces with welded bolts. Twenty HEA 200 concrete-embedded beams, laid parallel to the bridge axis 65 cm apart, eliminate the need for formwork. On either side of the slab, 120 x 40 cm upstands connected to the girders contribute significantly to the rigidity of the deck.

9.3. Tetrapods

The outside dimensions of the steel inclined struts have been kept but their thickness has been reduced and now varies from 35 to 45 mm. The struts are made entirely of S 355 steel. They are filled with C50/60 concrete up to a height of 4.5 m.



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Elles sont remplies sur 4,5 m de hauteur par du béton C50/60, connecté sur les parois. Le raidissage intérieur des caissons est assuré par des plats longitudinaux, que traversent les armatures passives assurant la connexion. Chaque béquille est encastrée sur l’embase en béton armé du tétrapode au moyen de quinze barres de précontrainte de 76 mm de diamètre, de résistance à la traction.au moins égale à 1030 MPa. Sous l’effet de cette précontrainte, les sections d’appui restent entièrement comprimées aux états-limites de service. Le principe de "platines de positionnement" réglées puis scellées sur le socle avant l'assemblage des béquilles a été conservé. Le béton des embases est fortement sollicité. Sa résistance caractéristique est de 50 MPa et il est densément armé (173 kg/m3 pour un massif de 217 m3). Le socle pyramidal des piles P2 à P5 a été simplifié, sans dénaturer le parti architectural. Mais c'est encore une structure imposante, au ferraillage dense : Le volume de béton C35/45 varie de 300 à 430 m3, et le ratio d'armatures de 180 à 220 kg/m3.

9.4. Fondations

Les piles P2 à P12 sont fondées sur huit pieux forés de 1600 mm de diamètre, dont la longueur varie de 8,5 à 18,5 m. Les pieux sont surmontés par une semelle de répartition carrée de 15 m de côté et de 2,1 m d’épaisseur, calée au plus près de la surface du sol. La culée Ouest est fondée sur neuf pieux disposés en trois files, sous les voiles longitudinaux supportant le chevêtre. A l'Est, l’embase des deux béquilles P13 est fondée sur quatre pieux, et la palée d’extrémité C14 sur huit pieux, l'ensemble étant coiffé par une semelle commune de 280 m², épaisse de 2,1 m.

10. LES ACTEURS

• Maître d’Ouvrage : Réseau Ferré de France • Assistant technique du maître d'ouvrage : Inexia • Maître d’Œuvre général : SETEC tpi • Concepteurs : Egis JMI (mandataire) –

Wilkinson Eyre Architects – Alfred Peter paysagiste

• Entrepreneurs : Eiffel (mandataire) – Eiffage TP – Forézienne d'entreprises – SPIE Fondations

• Etudes d'exécution : Stabilité générale et charpente (ouvrage en service) : SNCF - IGOA Génie civil (ouvrage en service) : Coredia Terrassements : Forézienne d'entreprises Géotechnique et karsts : Fondasol Appareils d'appui : Maurer Méthodes de construction : Eiffel (charpente) - Eiffage TP (génie civil) Ouvrages provisoires : Leduc

• Contrôle externe des études d'exécution : CCS (charpente) – BIEP (génie civil)

• Contrôle extérieur des études d'exécution : Egis JMI

The concrete is connected to the strut walls by means of reinforcement bars passing through holes bored in the stiffening plates. Each inclined strut is fixed to the reinforced concrete base of the tetrapod by means of fifteen 76 mm diameter prestressing bars with a tensile strength of 1030 MPa. Prestressing means that the steel/concrete bearing sections are entirely compressed to the serviceability limit states. The principle of flat positioning rings adjusted then grouted to the base before assembly of the inclined struts has been kept. The concrete in the tetrapod bases is under considerable stress. It has a strength of 50 MPa and is densely reinforced (173 kg/m3 for a 217 m3 block). The pyramidal pedestal of piers P2 to P5 has been simplified without compromising the architectural design. However, it is still an imposing structure with dense reinforcements. The volume of C35/45 concrete varies from 300 to 430 m3 and the reinforcement ratio from 180 to 220 kg/m3.

9.4. Foundations

Piers P2 to P12 are founded on eight 1600 mm diameter driven piles which vary in length from 8.5 to 18.5 m. The piles support a square footing slab with a side of 15 m and a thickness of 2.1 m, placed as close as possible to the ground surface. The west abutment is founded on nine piles arranged in three rows under the longitudinal walls supporting the cap. At the east abutment, the base of the two inclined struts P13 is founded on four piles and end bent C14 on eight piles, all capped with a 2.1 m thick 280 m² common footing.

10. PARTNERS

• Client: Réseau Ferré de France (R.F.F) • Client’s technical assistant: Inexia • General Project Manager: SETEC TPI • Designers: Egis JMI (representative) –

Wilkinson Eyre Architects – Alfred Peter landscape architect

• Contractors: Eiffel (representative) – Eiffage TP – Forézienne d'Entreprises – SPIE Fondations

• Construction drawings and calculations: General stability and steelwork (viaduct in service): SNCF - IGOA Civil engineering (viaduct in service): Coredia Earthworks: Forézienne d'Entreprises Geotechnics and karsts: Fondasol Bridge bearings: Maurer Construction methods: Eiffel (steelwork) - Eiffage TP (civil engineering) Temporary structures: Leduc

• Contractor’s verification of construction drawings and calculations:

• CCS (steelwork) • BIEP (civil engineering) • Client’s verification of construction drawings and

calculations: Egis JMI


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Fig. 13 : Photomontage avec l'éclairage de mise en valeur proposé par WEA Night photomontage with architectural lighting proposed by WEA

Documents

E-13-Le viaduc de la Savoureuse - Les tudes · Les deux voies de la ligne nouvelle sont écartées de 4,50 m. Sur ouvrage d’art, une piste de 0,75 m est prévue de chaque côté