TABLIERS À TRAVÉES ENTIÈRES PRÉCONTRAINTES PAR PRÉ …

La Technique Française du Béton / The French Technology of Concrete

Tabliers à travées entières précontraintes par pré-tension : le futur des viaducs aériens de métro / Full span precast pre-tensioned decks : the future of elevated urban metro viaducts Jean-Charles Vollery

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TABLIERS À TRAVÉES ENTIÈRES PRÉCONTRAINTES PAR PRÉ-TENSION : LE FUTUR DES VIADUCS AÉRIENS DE MÉTRO

FULL SPAN PRECAST PRE-TENSIONED DECKS:

THE FUTURE OF ELEVATED URBAN METRO VIADUCTS

Jean-Charles VOLLERY

SYSTRA

1. SOMMAIRE

Des solutions innovantes ont été nécessaires pour mener à terme la construction des 7 km de la Ligne Express du Métro de l’Aéroport à New Dehli (Inde) qui devaient être réalisés en seulement 16 mois. Pour la Ligne de Metro Express, le client “Delhi Metro Rail Corporation” a présenté pour la première fois la méthode de construction par travée entière, en utilisant deux poutres en forme de U précontraintes par pré-tension. Au lieu de fabriquer le tablier par voussoirs successifs, les travées sont faites de travées uniques préfabriquées et simplement posées en place. La fabrication, le transport et le montage de ces lourdes pièces précontraintes (25 m de long et environ 130 tonnes) sont devenus réalisables grâce à l’utilisation de remorques à forte capacité et de grues. En évitant des opérations sur site qui demandent du temps, la rapidité de montage obtenue grâce à la méthode de travée entière a été radicalement améliorée : alors que les poutres de lancement classiques peuvent mettre en place des voussoirs dans un cycle de montage d’environ 2,5 à 3 par jour, le montage de travées entières prend environ 3 heures par travée. De plus, le concept de poutre en U, associé à une esthétique améliorée, ne requiert pas l'installation de parapets en béton précontraint (la forme en U fournit une barrière intégrée), activité encombrante et qui prend du temps.

1. ABSTRACT

Innovative solutions were required to complete on time the construction of the 7km of the Airport Metro Express Line in New Delhi (India) expected to last 16 months only. For the Metro Express Line, the client Delhi Metro Rail Corporation introduced for the first time the full span construction method, using double pre-tensioned U-shaped beams. Instead of fabricating the superstructure deck in several segments, the spans are made of single full precast units, and simply erected into position at site. The fabrication, transport and erection of such heavy precast members (25m long and about 130T) has now become feasible thanks to the availability of heavy duty trailers and cranes. By avoiding time-consuming operations required on site, the speed of erection reached by full span method is drastically improved: while standard launching girders can erect segmental spans in an erection cycle of about 2.5 to 3 days, the erection of full spans takes about 3 hours per span. Moreover, the U-shape concept, in addition to providing enhanced aesthetics, does not require the installation of precast concrete parapets (the U-shape provides in-built barrier) which is a time-consuming and cumbersome activity.


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Le concept permet aussi une économie d’argent, étant donné que la pré-tension est utilisée et représente une économie de 40% par rapport à la post-tension. Un autre avantage de cette solution est le fait que le tablier est très léger ce qui permet une réduction de la dimension des appuis et des fondations. Le coût des parapets préfabriqués est également économisé. Une optimisation supplémentaire du temps de construction a été réalisée par la préfabrication des chevêtres de pile, faisant gagner du temps sur le site et réduisant les perturbations sur le trafic. Une construction plus rapide, une gêne réduite sur le trafic, une qualité de travaux améliorée et des coûts réduits obtenus grâce à la méthode de construction par travée entière représente une amélioration qui sera le futur des lignes aériennes de Métro, un des premiers exemples étant la Ligne de l’Aéroport de Delhi.

2. INTRODUCTION

La “Delhi Metro Rail Corporation” a entrepris la construction de la Ligne Express de Métro de l’Aéroport mi-2007 pour assurer aux voyageurs une connexion rapide, fiable, moderne et intégrée entre la Place Connaught et l’Aéroport International Indira Gandhi, qui fait face à une activité en croissance ces dernières années. Alors que l’essentiel de la ligne est souterraine, le contrat C2, depuis la Route Vande Matram jusqu’à Palam est aérien sur un viaduc ferroviaire. Afin d’achever la construction du viaduc en 16 mois, le concept de construction par travées entières a été choisi pour augmenter la vitesse de fabrication et de montage du tablier, comparé à la construction par voussoirs préfabriqués utilisée actuellement sur les autres viaducs de « DMRC ». Cet article présente les avantages de la solution et les principes techniques de la méthode de construction par travée entière. Une autre solution innovante, le chevêtre préfabriqué en tête de pile, est aussi présentée à la fin de l’article en exemple d’amélioration de la vitesse de construction.

3. PRÉSENTATION DU PROJET

Le contrat C2 débute au point + 6.494 km et finit au chainage +13.533 km sur environ 7 km. Il commence à Vande Mataram Road, franchit le périphérique et le passage supérieur de Dhaula Kuan, survole l’autoroute NH-8 et finit à l’aéroport. Le système utilisé sur la liaison de l’aéroport est un système de métro à grande vitesse atteignant 140 km/h en service, constitué de wagons de 25 m de long, ayant chacun quatre essieux de 17 t. Le train roule sur de longs rails soudés supportés par des voies non ballastées et la structure du viaduc.

The concept also allows cost-saving, since pre-tensioning is used which is in overall 40% less costly than post-tensioning. Another advantage of the solution is that the deck is very light allowing reduction of substructure sizes. The cost of precast parapets is also saved. Further optimization of the construction time has been achieved through the prefabrication of pier caps, saving time at site and reducing disturbance on traffic. Faster construction, reduced hindrance on traffic, enhanced quality of works and cost savings of the precast full span method represents an improvement which will be the future of elevated urban Metro Lines, as is being pioneered now on the Delhi Airport Line.

2. INTRODUCTION

The Delhi Metro Rail Corporation has undertaken the construction of the Airport Metro Express Line in mid-2007 to provide the commuters with a fast, reliable, modern and integrated connection between Connaught Place and Indira Gandhi International Airport, which has been facing an increasing activity for the last years. While most of the line is underground, the C2-Contract from Vande Matram Road to Palam runs elevated on railway viaduct. In order to meet the completion period of 16 month for construction of the viaduct, the new concept of full span construction has been introduced to increase the speed of casting and erection of the superstructure, as compared to the standard precast segmental construction used nowadays in all other DMRC’s viaducts. This article gives a brief about the advantages of the solutions and the main technical features of the full span deck. Another innovative solution, the precast pier cap at top of pier, is also presented at the end of the article as a further improvement to the speed of construction.

3. BRIEF OF THE PROJECT

The C2-Contract starts at Chainage + 6.494 km and ends at +13.533 km on about 7km starting on Vande Mataram Road, crossing the Ring Road and Dhaula Kuan fly-over, running on National Highway NH-8 and heading to the Airport. The Rail System used on Airport Line is a high-speed metro system reaching 140 km/h in service, consisting of train coaches of about 25m length, each having four 17T axles. The train is running on long-welded rails supported by ballastless track and viaduct structure.



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Comme c’est une ligne express il n’y a pas beaucoup de stations. Sur les 7 km du lot C2, il y a une seule station au passage supérieur de Dhaula Kuan. La construction du lot C2 a été attribuée à IJM en fin 2007 par DMRC sur la base d’une offre basée sur les quantités. Le projet de consultation et la conception détaillée du génie civil pour le mandataire ont été réalisés par SYSTRA.

4. DESCRIPTION DE LA PRÉFABRICATION DES TRAVÉES

La méthode traditionnelle des viaducs du Métro utilise la construction à l’aide de voussoirs préfabriqués. Les travées sont constituées de voussoirs d’environ 3 m de longueur réalisés sur une aire de préfabrication. Les voussoirs sont ensuite amenés en place, levés, assemblés et connectés entre eux par une précontrainte par post-tension.

Being an express line, the AMEL has very few stations. Along the 7km elevated stretch of the C-2 contract, only one station is provided at Dhaula Kuan fly-over. The construction of the C-2 stretch was awarded to IJM by end of 2007 by DMRC on the basis of a Tender’s Bill of Quantities. The tender design and the detailed design of the civil works for the Contractor was undertaken by Systra.

4. DESCRIPTION OF THE FULL SPAN METHOD CASTING

The traditional method of Metro Viaducts uses single box precast segmental construction. The spans are made of separate segments at casting yard of typically 3m length. The different segments are then transported to the site, lifted, assembled, and connected together by prestressing on site.

Viaduc standard du Métro de Delhi par voussoirs préfabriqués

Standard precast segmental viaduct on Delhi Metro

Travée type de voussoirs préfabriqués montrant la précontrainte provisoire et définitive Typical span with precast segments showing temporary prestressing and final prestressing


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La méthode de construction à l’avancement, même si elle convient aux sites urbains, nécessite des tâches à réaliser sur place, principalement :

• Encollage et assemblage des voussoirs par des dispositifs de précontrainte provisoire

• Enfilage des torons de précontrainte à l’intérieur des gaines sur l’aire de préfabrication

• Mise en tension des câbles à l’extrémité des travées et injection des gaines.

Précontrainte provisoire Temporary Prestressing operation

The precast segmental method, although fast and well suitable to urban areas, still requires some work activities to be done at site, mainly

• Assembling and gluing of segments by temporary prestressing equipments

• Threading of prestressing strands inside ducts left at casting yard

• Stressing of tendons at the ends of the spans, including grouting of ducts

Final Prestressing operation Mise en tension des câbles définitifs

Ces travaux, qui font partie du cycle de construction de la travée, sont consommateurs de temps et sont réalisés sur site avec un contrôle qualité réduit comparé aux travaux réalisés sur l’aire de préfabrication. Comparativement, la méthode de construction par travée entière consiste à préfabriquer le tablier en un élément unique sur l’aire de préfabrication. Il n’est pas possible de préfabriquer et mettre en place le tablier complet supportant les deux voies, car il serait trop large et trop lourd à transporter. En conséquence, le tablier doit être séparé en deux tabliers indépendants supportant chacun une voie. Le tablier du viaduc de la liaison aéroport C-2 est constitué de deux poutres préfabriquées en forme de U incluant chacune une voie. Les principales caractéristiques de la section sont :

• Deux membrures supérieures situées au niveau de la plateforme

• Deux âmes • Un hourdis inférieur supportant la voie • Une section transversale type, constante le

long de la travée sans épaississement aux extrémités

• Longueur de la travée : 25m

These activities, which are part of the overall erection cycle of the span, are time-consuming and have to be done at site with less quality control as compared to casting yard activities. On the other hand, the full span method consists of precasting the deck units in one single piece at the casting yard, and not in several segments. It is not feasible to precast and erect the whole deck supporting the two tracks, because it would be too wide and too heavy to transport. Therefore, the deck needs to be split into two independent units supporting one track on each side. The superstructure of the Airport link C-2 viaduct consists of 2 precast units having a U-shape section enclosing each track. The main characteristics of the section are:

• Two top flanges at train coach platform level • Two webs • Bottom slab of about supporting the track • Typical cross-section provided throughout

the span without any thickening at the ends • Span length: 25m



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Vue de la poutre en U préfabriquée du Viaduc de la liaison Aéroport View of the precast U-girder on Airport Link Viaduct

Les poutres en U sont préfabriquées sur un banc de grande longueur : le banc de préfabrication est constitué de 5 cellules de préfabrication (chacune de 25 m de long) où sont préparées 5 travées entières de poutre en U coulées en une seule fois. Le banc est muni d’un dispositif de mise en tension à une extrémité et d’une poutre de blocage du côté passif. La mise en tension des torons pour les 5 poutres est réalisée en une seule fois.

Bancs de préfabrication Casting beds

The U-girders are cast using the long line method: the fabrication line is made of a succession of 5 casting beds (each about 25m long) where five full spans U-girder are prepared and cast at a time. Only one stressing equipment at the active end and one reaction beam at the passive end are provided for the full line of 5 beam and stressing of strands for the 5 units is done simultaneously.

Prestressing hardware Matériel de mise en précontrainte

La section en forme de U est une section ouverte quirend la fabrication de la poutre en U plus facile (et plus rapide) pour l’entreprise. En particulier, les opérations suivantes deviennent extrêmement simples pour un profil ouvert en comparaison avec un profil fermé :

• La préfabrication des cages d’armatures

The “U-shape” section, because it is an open section without closed hole in the middle, makes the fabrication of U-girder much easier (so faster) and very convenient for the Contractor. In particular, the following activities are becoming extremely simpler in open sections rather than closed section:

View of the precast U-girder on Airport Link Viaduct


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• L’ajustement du ferraillage après installation des aciers dans le coffrage

• La mise en place des torons est plus rapide dans une section ouverte

• Le bétonnage des poutres en U • La fabrication et la manutention des

coffrages intérieurs

Cage d’armatures Rebar cage

La précontrainte est constituée de torons individuels. Tous les torons sont rectilignes et horizontaux et situés dans le hourdis inférieur sous les âmes de la poutre en U

Il n’y a aucune déviation des câbles aux extrémités, mais pour éviter les contraintes de traction excessives aux abouts de la poutre en U pendant la construction, une partie des torons est gainée sur les deux premiers mètres à l’aide de gaines en PEHD. La précontrainte est réalisée en deux étapes :

• mise en tension du côté passif de chaque toron à l’aide d’un vérin monotoron à environ 10% de la tension au vérin, pour éviter tout jeu dans les torons.

• mise en tension de la force restante du côté actif.

A l’extrémité active, les torons ne sont pas mis en tension un à un mais sont mis en tension en utilisant une poutre métallique rigide à laquelle tous les torons sont ancrés à l’aide de clavettes. La poutre de mise en tension glisse longitudinalement sur un complexe plaque en inox / téflon en fonction de l’allongement des torons. La poutre est tirée à l’aide de 4 barres de précontrainte mises en tension par des vérins individuels.

• Fabrication of reinforcement cage on jig • Adjustment of reinforcement after

installation of rebars in shuttering • Threading of strands is easier and faster in

open section • Concreting U-girder • Fabrication and handling of inner formworks

The prestressing consists of individual prestressing strands. All strands are straight and horizontal and located in the bottom slab and underneath the webs of the U-girder. No deviation is provided on strands at the ends but in order to avoid excessive tensile stresses at the ends of the U-girder during construction, some of the strands are debonded on the first 2m of the U-girders using HDPE tubes. Stressing is done in 2 stages:

• stressing at the passive ends of each strand using monostrand jacks at about 10% of the required jacking stress, to remove any slackness in the strands which could cause mishap during stressing of the full force

• stressing of the remaining full jacking force at the active end.

At the active end, the strands are not directly stressed one by one by monostrand jacks but are stretched using a rigid steel beam where all strands are fixed with PT jaws. This stressing beam slides longitudinally on stainless steel / PTFE surface during stressing operation following the elongation of the strands. The beam itself is pulled using 4 PT bars, stressed by individual jacks



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Peigne de mise en tension à l’extrémité active / Pulling beam at active end

Le cycle de bétonnage pour une ligne de cinq poutres en U est décrit ci-dessous :

• Préparation des coffrages (nettoyage, huilage…)

• Installation des cages d’armatures dans le coffrage. Les cages sont préparées séparément et installées en un tronçon dans le coffrage (25 m de long)

• Enfilage des torons dans le coffrage et à travers les masques

• Installation et fermeture des coffrages intérieurs

• Ajustement du ferraillage et mise en place des cales d’espacement

• Mise en tension des torons en deux étapes

� Mise en tension des torons côté passif un par un à l’aide d’un vérin monotoron (pour éviter le jeu) environ 2 t par toron ;

� Mise en tension de la force restante à l’aide du peigne et des vérins

• Bétonnage

• Cure du béton – La résistance du béton nécessaire pour le transfert est de 35 MPa (sur cube).

• Mise en précontrainte de l’élément, coupage des torons entre éléments, enlèvement du coffrage intérieur et levage de la poutre en U pour stockage.

La méthodologie de préfabrication est simple et ne nécessite pas de procédures élaborées ou de banches compliquées tant que les formes de la poutre sont uniformes pour toute la structure.

The casting cycle for one line of five U-girders is described below :

• Preparation of formworks (cleaning, greasing…)

• Installation of rebar cages in formworks. It is to be noted that the full cages are prepared separately and installed in one piece in the formwork (25 m long cage)

• Threading of strands within the formworks and through the bulkheads

• Installation and closing of the inner formworks

• Adjustment of reinforcement and installation of spacer blocks

• Stressing of strands done in two stages:

� Stressing of strands at the passive ends one by end using monstrand jacks (for removal of slackness in strands) about 2T per strand

� Stressing of the remaining force in strands using steel beam and pulling jacks

• Pouring of concrete

• Curing and setting of concrete – The required concrete strength for prestressing transfer is M35 (Cubic)

• Release of prestressing force, cutting of strands, removal of inner shutter and lifting of U-girders for stacking

The methodology of casting is simple and does not require elaborated procedures or complicated shuttering since the shapes of the structure have been standardized for the whole viaduct.


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Qui plus est, la section en U permet des procédures simplifiées et moins coûteuses pour la fabrication des cages d’armatures, les opérations de précontrainte et le bétonnage. L’ajustement de la longueur de la travée est facilité, car la section est homogène sur toute la longueur de la travée.

Ces procédures simplifiées permettent un cycle de préfabrication de 5 poutres en U en 6 jours par banc, soit 10 poutres en U en 6 jours pour deux bancs. Cela représente 25 travées par mois soit 625 m de tablier pour un banc de préfabrication standard, ce qui ne peut être égalé par un procédé de fabrication par voussoirs préfabriqués.

5. MÉTHODES DE CONSTRUCTION PAR TRAVÉE ENTIÈRE

La méthode de construction par travée entière permet d’accélérer les phases de construction comparativement à la méthode de construction par voussoirs, car les opérations consommatrices de temps sont supprimées (assemblage, barres de précontrainte provisoires, encollage,…). Seuls le levage et la mise en place des éléments préfabriqués sont nécessaires.

Les éléments de travée sont transportés de l’aire de préfabrication jusqu’au chantier à l’aide d’une remorque constituée de deux plateaux, un à chaque extrémité de la poutre en U. La remorque est articulée avec des charnières lui permettant de prendre des virages serrés (40 à 50 m de rayon) pendant le transport.

Moreover, the shape of the section (“U-shape”) allows cost-effective, faster and simplified procedures for reinforcement fabrication, prestressing operations and concreting. The adjustement of span lengths is also made very easy thanks to the standard section throughout the span length. These simplified design and fabrication procedures allows a casting cycle of 5 U-girders in 6 days per casting line so 5x2=10 U-girders in 6 days for 2 lines. This represents a pace of casting of 25 spans a month so about 625 linear meter of viaduct deck per month for a standard casting yard set-up area, which cannot be matched by any segmental construction process.

5. DESCRIPTION OF THE FULL SPAN METHOD

The advantage of the full span method is not only a faster and simplified casting method, it allows also much faster erection cycles as compared to segmental, since time-consuming operations necessary in segmental construction (assembling, temporary PT, gluing, prestressing) can be avoided. Only lifting and installation of the precast units are required.

The full span units are transported from the casting yard to the erection site using trailers made of two carrier platforms at rear and front ends of the U-girders. The trailer is articulated with hinges between U-girder and platforms so that sharp radius (about 40 to 50m) can be taken by the trailer during transporting operations.

Vue de la remorque de transport des travées View of trailer for transport of full spans



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Vue de la poutre de lancement / View of launching girder equipment

Différentes méthodes de levage peuvent être utilisées pour les travées entières : par grue ou par des dispositifs de levage en appui sur les piles. La méthode choisie par l’entreprise sur la Liaison Aéroport est une poutre de lancement (la même que celle utilisée pour la construction par voussoirs). Après le lancement de la poutre sur les appuis suivants, les deux éléments de travée sont levés d’un côté pour être posés sur les chevêtres de pile.

La méthode, bien qu’elle nécessite le lancement du dispositif de levage, est rapide et le cycle de pose est d’un jour pour une travée, au lieu de 3 jours pour la construction par voussoirs.

6. AUTRES PARTICULARITÉS INNOVANTES SUR LE PROJET

Une réduction supplémentaire du délai de construction a pu être réalisée sur le projet grâce à l’utilisation de chevêtres de pile préfabriqués. Généralement les chevêtres sont coulés en place à l’aide d’échafaudages reposants au sol. Sur les viaducs de la Liaison Aéroport, les chevêtres de pile sont préfabriqués sur l’aire de préfabrication.

Les chevêtres sont transportés sur le chantier et connectés aux fûts de pile par un clavage en béton armé, après réglage en géométrie.

Le cycle de préfabrication des chevêtres est d’environ un jour par cellule de préfabrication. Sur chantier, le cycle de pose est d’environ une demi-journée par chevêtre

Different lifting methods can be implemented for full spans: for instance lifting by cranes or by lifting device fixed on top of pier, which can be self-launching.

The method selected by the contractor in the Airport Link uses traditional launching girder method (the same as used for segmental construction). After launching operations to the next span, the 2 full span units are lifted from one side onto the top of pier cap.

The method, although requiring launching of the lifting equipment, is fast and the erection cycle is brought down to 1 day per span as compared to 3 days approximately for the segmental construction.

6. ADDITIONAL INNOVATIVE FEATURES OF VIADUCT DESIGN

Further reduction of construction time has been possible on the Airport Link thanks to the use of precast pier cap instead of cast-in-situ construction. Generally pier caps are cast-in-place on formworks supported by trestles on ground. On the Airport Link viaducts the Pier caps are precast in the same casting yard as U-girders.

The pier caps are transported to site and connected to the top of pier by reinforced concrete connection on site, after geometrical adjustment on site. The casting cycle of the Pier Cap at casting yard is about one day per casting cell.

At site, the anticipated erection cycle is about half day per pier cap.


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Vue d’un chevêtre préfabriqué View of precast Pier Cap

7. CONCLUSION

L’exécution des travées entières et des chevêtres de pile sur des aires de préfabrication spécifiques conduit a une optimisation de la durée d’exécution du projet et du coût de la structure, elle contribue aussi a augmenter la fiabilité et la sécurité du projet car la construction est réalisée dans un environnement contrôlé et loin du chantier.

Bien que les solutions soient innovantes, les méthodes de construction restent très simples et accessibles de nos jours à un grand nombre d’entreprises. La construction des poutres en U par travée entière est, pour de nombreuses raisons, plus simple que la construction standard par voussoirs préfabriqués.

Les solutions développées et mises en œuvre sur les viaducs de la Liaison Aéroport: travées entières préfabriquées et chevêtres de pile préfabriqués sont une nouvelle étape vers l’industrialisation des procédés de construction des viaducs pour les infrastructures ferroviaires ou routières, et elles méritent d’autres applications pour des projets futurs

View of traditional Pier Cap cast-in-place Vue d’un chevêtre coulé en place

7. CONCLUSION

The construction of full spans and pier caps in specific casting yards leads not only to an optimization of the project time and cost of the structures, it also brings more reliability and safety to the projects since the construction is performed in a controlled environment and away from the site.

Although the solutions are innovative, the methods of construction remain very simple and construction-friendly and easily accessible to a large range of Contractors nowadays. In many aspects, the construction of full span U-girders is virtually simpler than the standard segmental construction.

The solutions developed and implemented on the Airport Link viaduct: use of precast full spans for the deck and precasting of the pier caps, are a further step towards the industrialization of construction of long elevated viaducts for rail or road infrastructures, and they deserve to be chosen for the next projects to come.

Vue générale du viaduc / General view of the viaduct

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