ETUDE DES PONTS A POUTRES MI

Société d’accueil : ARCADISPFE présenté par : Thomas Tuteur industriel : Didier Enseignant superviseur : Saida

1. Présentation générale Les ponts bipoutres mixtes sont usuellement composés de poutrebéton en partie supérieure et le matériau acier en partie inférieure. L'une des pistes d'innovations en termes d'ouvrages mixtes est l'utilisatdeux semelles mixtes connectées par des âmes en acier. En effetfléchissant négatifs), le hourdis béton supérieur est fissuré et ne participe plus à la résisttablier. Il semble donc intéressant deappuis. L’objet du PFE est d’étudier un viaduc ferroviaire existant (Viaduc de la Vienne LGV SEA) en proposant une variante utilisant la doublecomparant les résultats de l’analyse statique, dynamique et sismique de l’ouvrage.

2. Caractéristiques géométriques La participation d'une dalle inférieure va directement impactersections mixtes. La position de l’axe neutre dépend de la répartition de la matirappelle que sur appui intermédiaire (momentarmatures tendues de la dalle participent à la résistance en flexion. compression, participe pleinement à la résistance et l’axe neutre dans la section transversale

La dalle inférieure, dans les zones où elle est participante, permet d’augmenter de façon significative l’inertie de la section mixte homogénéisée. appui. On peut observer une épaisseur de hourdis inférieur limdans la dalle inférieure. En effet, toute épaisseur de béton supplémentaire est directement fissurée et ne participe plus à la résistance de la section. On atteint alors une valeur plafonnée d’inertie et de moment résistant plastique.

3. Répartition transversale des charges verticales Lorsqu’une voie ferroviaire est chargéereprise par chacune des poutres principalesdéfini. En négligeant la contribution du contreventement inférieur, on obtientCourbon un coefficient de 0,857 pour la poutre la plus chargée et de 0,143 pour la poutre la moins chargée.

ETUDE DES PONTS A POUTRES MIXTES UTILISANT LE PRINCIPE DE LA DOUBLE ACTION MIXTE

ARCADIS Thomas BOOS Didier GUTH Saida MOUHOUBI

Présentation générale et objectifs

Les ponts bipoutres mixtes sont usuellement composés de poutres métalliques utilisant le matériau béton en partie supérieure et le matériau acier en partie inférieure. L'une des pistes d'innovations en termes d'ouvrages mixtes est l'utilisation de la double action mixte. Cette technique consiste à créer deux semelles mixtes connectées par des âmes en acier. En effet, sur appui intermédiaire (moment

), le hourdis béton supérieur est fissuré et ne participe plus à la résistdonc intéressant de pouvoir considérer un hourdis inférieur collaborant au niveau des

appuis. L’objet du PFE est d’étudier un viaduc ferroviaire existant (Viaduc de la Vienne LGV SEA) en proposant une variante utilisant la double action mixte. L’intérêt de cette solution sera validé en comparant les résultats de l’analyse statique, dynamique et sismique de l’ouvrage.

Caractéristiques géométriques

nférieure va directement impacter les caractéristiquesLa position de l’axe neutre dépend de la répartition de la matière dans la section. On

que sur appui intermédiaire (moments négatifs), le hourdis supérieur est fissuré et seules les tendues de la dalle participent à la résistance en flexion. Par contre, le hourdis inférieur, en

compression, participe pleinement à la résistance et sa présence a pour conséquence de transversale .

dans les zones où elle est participante, permet d’augmenter de façon significative l’inertie de la section mixte homogénéisée. On a alors une section plus résistante et plus rigide sur

une épaisseur de hourdis inférieur limite à partir de laquelle l’axe neutre dans la dalle inférieure. En effet, toute épaisseur de béton supplémentaire est directement fissurée et ne participe plus à la résistance de la section. On atteint alors une valeur plafonnée d’inertie et de

Répartition transversale des charges verticales

Lorsqu’une voie ferroviaire est chargée, il est nécessaire de connaitre la part des charges verticales reprise par chacune des poutres principales. Pour cela, un coefficient de répartition transversale est

. En négligeant la contribution du contreventement inférieur, on obtient selon la méthode de un coefficient de 0,857 pour la poutre la plus chargée et de 0,143 pour la poutre la moins

UTILISANT LE PRINCIPE DE LA

métalliques utilisant le matériau béton en partie supérieure et le matériau acier en partie inférieure. L'une des pistes d'innovations en

ion de la double action mixte. Cette technique consiste à créer sur appui intermédiaire (moments

), le hourdis béton supérieur est fissuré et ne participe plus à la résistance du considérer un hourdis inférieur collaborant au niveau des

appuis. L’objet du PFE est d’étudier un viaduc ferroviaire existant (Viaduc de la Vienne LGV SEA) en action mixte. L’intérêt de cette solution sera validé en

comparant les résultats de l’analyse statique, dynamique et sismique de l’ouvrage.

les caractéristiques géométriques des ère dans la section. On

), le hourdis supérieur est fissuré et seules les le hourdis inférieur, en

pour conséquence de descendre

dans les zones où elle est participante, permet d’augmenter de façon significative section plus résistante et plus rigide sur

ite à partir de laquelle l’axe neutre se trouve dans la dalle inférieure. En effet, toute épaisseur de béton supplémentaire est directement fissurée et ne participe plus à la résistance de la section. On atteint alors une valeur plafonnée d’inertie et de

la part des charges verticales rtition transversale est selon la méthode de

un coefficient de 0,857 pour la poutre la plus chargée et de 0,143 pour la poutre la moins

Des études ont montré que les ouvrages présentant un contreventement inférieur en béton, même discontinu, ont un comportement se rapprochant d’un caisson ferméune répartition des charges transversales de type 60% / 40%

4. Analyse globale L’analyse globale consiste à déterminer l« non fissurée », est réalisée afin de déterminer les zones de béton fissuréeinférieur collaborant n’est pas considérée à ce stade et nous est négligeable dans la détermination des zones fissurées. Une seconde analyse est ensuite réalisée en négligeant la participation de la dalle supérieure dans les zones fissurées. La réduction de la rigidité de la section transversale sur appui entraine une redistribution des moments de flexion le long de l’ouvrageplus important en travée par rapport à l’analyse non On introduit ensuite l’effet de la double action mixte en rendant collaborant le hourdis inférieur. On fait l’hypothèse que la dalle inférieure est uniquement participante dans les zones où le hourdis supérieur est fissuré et qu’on conserve la même répartition de mati

On remarque sur le diagramme enveloppe des moments à l’ELU cimoments change légèrement dès lors que la dalle inférieure est collaborante. l’utilisation de la double action mixte, donc d’une section transversale plus rigide au niveau des appuis, entraine une distribution des moments de flexion différenteimportant sur appui et plus faible en trav« simple mixte ». Pour les mêmes raisons, les déformations du tablier vont être réduitesdimensionnant les ouvrages mixtes ferroviairefaçon très sévère la déformation du tablier. La double action mixte, grâce à l’apport de rigidité qu’elle induit, permet donc de vérifier plus aisément ce critère.

Des études ont montré que les ouvrages présentant un contreventement inférieur en béton, même un comportement se rapprochant d’un caisson fermé . On peut alors considérer

répartition des charges transversales de type 60% / 40%.

déterminer les sollicitations du tablier. Une première analyse globale, dite », est réalisée afin de déterminer les zones de béton fissurées. L’influence du hourdis

s considérée à ce stade et nous faisons l’hypothèse que sa contribution est négligeable dans la détermination des zones fissurées.

Une seconde analyse est ensuite réalisée en négligeant la participation de la dalle supérieure dans réduction de la rigidité de la section transversale sur appui entraine une

redistribution des moments de flexion le long de l’ouvrage : moment fléchissant plus faible sur appui et plus important en travée par rapport à l’analyse non-fissurée.

la double action mixte en rendant collaborant le hourdis inférieur. On fait l’hypothèse que la dalle inférieure est uniquement participante dans les zones où le hourdis supérieur est fissuré et qu’on conserve la même répartition de matière (charpente).

On remarque sur le diagramme enveloppe des moments à l’ELU ci-dessus, que la distribution des dès lors que la dalle inférieure est collaborante. On peut conclure que

l’utilisation de la double action mixte, donc d’une section transversale plus rigide au niveau des distribution des moments de flexion différente : Moment fléchissant plus

important sur appui et plus faible en travée par rapport à l’analyse fissurée en considérant une section

déformations du tablier vont être réduites . Très souvent le critère dimensionnant les ouvrages mixtes ferroviaires est le critère de confort des voyageurs qui limite de façon très sévère la déformation du tablier. La double action mixte, grâce à l’apport de rigidité qu’elle induit, permet donc de vérifier plus aisément ce critère.

6,30 m

4,50 m

Des études ont montré que les ouvrages présentant un contreventement inférieur en béton, même . On peut alors considérer

es sollicitations du tablier. Une première analyse globale, dite . L’influence du hourdis

l’hypothèse que sa contribution

Une seconde analyse est ensuite réalisée en négligeant la participation de la dalle supérieure dans réduction de la rigidité de la section transversale sur appui entraine une

: moment fléchissant plus faible sur appui et

la double action mixte en rendant collaborant le hourdis inférieur. On fait l’hypothèse que la dalle inférieure est uniquement participante dans les zones où le hourdis supérieur

que la distribution des On peut conclure que

l’utilisation de la double action mixte, donc d’une section transversale plus rigide au niveau des : Moment fléchissant plus

ée par rapport à l’analyse fissurée en considérant une section

. Très souvent le critère est le critère de confort des voyageurs qui limite de

façon très sévère la déformation du tablier. La double action mixte, grâce à l’apport de rigidité qu’elle

Redistribution Travée -3% Appui +7 %

5. Retrait du béton Concernant le retrait du béton, la double action réduit les effets du retrait hyperstatique ce qui est favorable notamment dans les vérifications de flexion à l’ELU. Par contreisostatiques) sont accentuées au niveau des appuis et seront à conscontraintes à l’ELS.

6. Résistance de la section sur appui

Dans la section sur la première pilesection « simple » mixte et celle utilisant le princs’explique par un changement de la position de l’axe neutre et par une section plus résistante (inertie plus importante). En effet, le hourdis inférieur descend l’axe neutre dans la sectionrésulte une augmentation des contraintes sur les fibres supérie ures (semelle supérieure) et une diminution sur les fibres inférieuresréduite , ce qui rend la classification de l’âme moins contraignante et par flexion . Pour une section d’acier constante, opar flexion, à une âme de classe 1, nonvérification en plasticité. On peut alors imaginer réduire les épaisseurs de semellesde ses capacités et supprimer les raidisseurs d’âme longitudinaux

rait du béton, la double action réduit les effets du retrait hyperstatique ce qui est favorable notamment dans les vérifications de flexion à l’ELU. Par contre, les autocontraintes (effets isostatiques) sont accentuées au niveau des appuis et seront à considérer lors des vérifications des

de la section sur appui

la première pile, on remarque une distribution des contraintes différentes entre la » mixte et celle utilisant le principe de la double action mixte. Cette différence

s’explique par un changement de la position de l’axe neutre et par une section plus résistante (inertie plus importante). En effet, le hourdis inférieur descend l’axe neutre dans la section

augmentation des contraintes sur les fibres supérie ures (semelle supérieure) et une diminution sur les fibres inférieures (semelle inférieure) . La hauteur d’âme comprimée se voit

, ce qui rend la classification de l’âme moins contraignante et limite le risque de voilement Pour une section d’acier constante, on passe d’une âme de classe 4, sujet au voilement

par flexion, à une âme de classe 1, non-sensible au voilement et permettant d’effectuer une

réduire les épaisseurs de semelles afin de faire travailler l’acier au maximum les raidisseurs d’âme longitudinaux .

rait du béton, la double action réduit les effets du retrait hyperstatique ce qui est les autocontraintes (effets

idérer lors des vérifications des

, on remarque une distribution des contraintes différentes entre la ipe de la double action mixte. Cette différence

s’explique par un changement de la position de l’axe neutre et par une section plus résistante (inertie plus importante). En effet, le hourdis inférieur descend l’axe neutre dans la section transversale. En

augmentation des contraintes sur les fibres supérie ures (semelle supérieure) et une hauteur d’âme comprimée se voit

limite le risque de voilement n passe d’une âme de classe 4, sujet au voilement

et permettant d’effectuer une

afin de faire travailler l’acier au maximum

7. Comportement dynamique La présence de la dalle inférieure permet d’obtenir un quasi « effet caisson » vis-à-vis de la torsion . On peut alors considérer, dans les zones de connexion, l’inertie de torsion d’un caisson théorique dite de Saint-Venant, alors que dans les zones non-connectées, on divisera cette inertie par deux afin de prendre en compte la non-continuité du contreventement et le gauchissement des sections transversales (hypothèse effectuée dans la justification dynamique de l’ouvrage).

Mixte Double Mixte OPT

F=1,896 Hz

(Mode 1 : flexion)

F=1,793 Hz

(Mode 1 : flexion)

F=2,215 Hz

(Mode 3 : torsion)

F=4,818 Hz

(Mode 8 : torsion)

L’analyse modale permet de déterminer les modes fondamentaux de vibration du tablier. Les modes de flexion sont comparables mais les modes de torsion apparaissent pour des fréquences propres plus hautes dans le cas de la double action. C’est l’augmentation de la raideur en torsion et en flexion du tablier, et de la masse qui déplace les premiers modes de torsion vers des fréquences plus élevées et permet de découpler les effets de la flexion et de la torsion, et réduit l’impact sur le gauche de la voie.

Concernant l’analyse temporelle, on considère uniquement un convoi ferroviaire représentatif (HSLM-A4) circulant à quatre vitesses critiques. La vitesse critique d’un convoi dépend de la longueur des voitures et de la fréquence propre du mode étudié. L’atteinte des modes de torsion va donc correspondre à des vitesses critiques de convoi ferroviaire plus élevé es, qui dans certain cas peuvent dépasser la vitesse maximale à considérer de 420 km/h. Par conséquent le risque d’atteindre un seuil d’inconfort se trouve réduit . Il est clair que pour apprécier de façon exhaustive le comportement dynamique d’un pont utilisant la double action mixte, il serait nécessaire d’étudier l’ensemble des convois ferroviaires (HSLM-A) défini par l’Eurocode 1.2.

8. Influence sur la descente de charge Une augmentation moyenne de +5% sur l’ensemble de la descente de charge statique de l’ouvrage est observée, malgré la réduction sur le tonnage de charpente métallique. Cette augmentation est due au poids du hourdis inférieur (par rapport au contreventement inférieur métallique). Donc à système de contreventement similaire, on peut aisément imaginer une réduction de la masse totale du tablier. La géométrie des appuis (piles et culées) est généralement une donnée architecturale fixe, on peut alors conclure que la double action mixte influe peu sur les fondation s de l’ouvrage.

9. Conclusion

Mixte Double Action Mixte Gain Poids des poutres principales 1574,4 t 1396,2 t -11,3% Poids des diaphragmes 144,3 t 144,3 t 0,0% Poids des raidisseurs 67,7 t 9 t -86,6% Poids total de la charpente 1786,4 t 1545,8 t -13,3% Volume de béton 1758,5 m3 2162,8 m3 +23% La double action mixte est donc une réelle évolution dans la conception des ouvrages bipoutres mixtes ferroviaire. L’augmentation de la rigidité de l’ouvrage (flexion et torsion), des sections transversales plus résistantes et moins sujettes aux instabilités, un fonctionnement se rapportant à celui d’un caisson et un meilleur comportement dynamique, rendent ces ouvrages très adaptés à la conception de ponts ferroviaires. On obtient en effet une réduction de l’ordre de 13% sur le poids total de la charpente et laisse présager une économie d’environ 10% sur le coût du tablier par rapport à une solution mixte classique.