Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
GENEREUX GrégoryMARCHAND PierreGOMES FernandaTOUTLEMONDE François
Présentation du projet OrthoplusJOA 2012
SourdunSourdunMercredi 9 et Jeudi 10 maiMercredi 9 et Jeudi 10 mai
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
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Sommaire
• Présentation générale du projet• Problématique• Méthodologie• Essais réalisés à l’IFSTTAR
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Présentation générale
• ORTHOPLUS = Ingénierie avancée des dalles orthotropes et de leur revêtement
• Projet ANR, Lauréat de l’appel à projets RGCU 2006• Associé au pôle de compétitivité « Ville et Mobilité
Durable » (Ile-de-France)• Période : Avril 2007 – Avril 2011
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Présentation générale
• Le groupement : 7 partenaires
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Problématique
Domaine d’emploi des dalles orthotropes :
•Grandes et très grandes portées•Ponts mobiles
Emploi des dalles orthotropes
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Problématique
• Intérêt de la dalle orthotrope :– Réduction du poids propre du tablier
• Contrepartie :– Ouvrages sensibles à la fatigue
Dispositions constructives réputées sûres(continuité
des augets, épaisseur de platelage)
Emploi des dalles orthotropes
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Problématique
Sur pièces de pontEntre pièces de pont
EN 1993-2 : Catégorie de détail seulement pour la fissure 1
Recommandations mises en pratique (Annexe C, EN 1993-2) :
t >14 mm pour une couche d’asphalte > 70 mm
t > 16 mm pour une couche d’asphalte > 40 mm
Fatigue et dimensionnement
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ProblématiqueFatigue et dimensionnement
Questions soulevées lors de récents projets :
Utilisation de revêtements ultra-minces (épaisseur inférieure à
10 mm) ?
Estimation de la durée de vie d’un ouvrage à
dalle
orthotrope ?
Eléments de réponse dans les recherches récentes :
Participation du revêtement à
la résistance mécanique
Catégories de détails évaluées expérimentalement (Kohlstein, 2007)
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ProblématiqueObjectifs du projet
Objectifs du projet
Quantifier l’apport du revêtement en termes de résistance mécanique
Développer une conception intégrée du couple «
platelage+revêtement
»
-> outils théoriques,
méthodologiques et réglementaires
Développer une solution avec un revêtement en Béton Fibré
Ultra-Performant (BFUP)
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Méthodologie
Travaux bibliographiquescalcul en fatigue, étude des pathologies et méthodes de réparation, étude des revêtements
Sur ouvrages réels
En laboratoire : éprouvettes de flexion 5 points,
push-out, etc.
En laboratoire : éprouvettes 2400x4000
Programme expérimentalCaractérisation des
revêtements, des connecteurs
Comportement mécanique du complexe (platelage+revêtement)
Modèles numériques EF fins
Modèles numériques EF simplifiés
Application pour le dimensionnement des dalles orthotropes
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Présentation des essais IFSTTAR
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Dimensionnement des corps d’épreuve
• Au départ, modèle simplifié avec connexion parfaite 35 mm de BFUP peut se substituer à 70 mm de béton
bitumineuxChoix de 35 mm de BFUP également en raison des limites
technologiques• Expérience Néerlandaise : 60 mm de BUHP avec 3 lits
de barres, surface en époxy gravillonné• Objectifs : allègement, réduction épaisseur tôle,
meilleure durabilité
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Corps d’épreuve
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4 types de corps d’épreuve
Tôle 14 nue
Tôle 14 + Béton bitumineux
Tôle 10 + BFUP
Tôle 12 + BFUP
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Connexions choisies pour BFUP
• Goujons Nelson
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Connexions choisies pour BFUP
• Treillis soudé sur la tôle supérieure
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Corps d’épreuve avec revêtement béton bitumineux
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Mise en place BFUP
• Corps d’épreuve avec BFUP :– Choix du coulé en place– Optimisation industrielle non abordée– Protection pour éviter retrait plastique due à une dessication
précoce
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Montage expérimental
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Chargement plaque(s) ou roue(s)
• Plaque simple ou double (charges de fatigue n°2 de EN1991-2)
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Chargement plaque(s)
Charge A : 220x320 mm
45 kN(val EC1, fat)-> 150 kN *
Charge C :270x320 mm
60 kN(val EC1, fat)-> 150 kN *
Charge B :2 charges A espacées de 100 mm
95 kN(val EC1, fat)-> 300 kN *
* : Eurocode 1 charge caractéristique moins concentrée (400x400mm)
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Chargement roue(s)
• Roue simple ou double (surface de contact mesurée par l’empreinte)
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Chargement roue(s)
Roue simple : ≈280x260 mm
-> 45 kN
Roue double Espacement 100 mm
-> 90 kN
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Chargement cyclique
• 100.106 roues ou charges de fatigue à 45 kN pendant la durée de vie de l’ouvrage (100 ans)
• 2.106 roues ou charges de fatigue à 111 kN
≈
charge fréquente≈
0,7 x charge caractéristique
(150 kN) mais surface chargée plus faible
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Instrumentation
Capteurs flèche Jauges de déformation
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Instrumentation
Platelage
Auget
Détail étudiée
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Mesure des amplitudes de variation de contrainte
• Extrapolation en pied du cordon de soudure à partir des jauges situées à proximité
Méthode CECA : Jauges à 15 et 30 mm
Méthode IIS : Jauges à 0,4t et t
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Autopsie des corps d’épreuve
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Comparaison des flèches sur différents corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Flêche sous chargt Plaque A - 45 kN
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
00 500 1000 1500 2000 2500
distance sur axe transversal AA' (mm)
flêch
e (m
m)
T14 nue sans trouT14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des flèches sur différents corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Flêche sous chargt Plaque A - 45 kN
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
00 500 1000 1500 2000 2500
distance sur axe transversal AA' (mm)
flêch
e (m
m)
T14 nue sans trouT14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des flèches sur différents corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Flêche sous chargt Plaque A - 45 kN
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
00 500 1000 1500 2000 2500
distance sur axe transversal AA' (mm)
flêch
e (m
m)
T14 nue sans trouT14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des flèches sur différents corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Flêche sous chargt Plaque A - 45 kN
-1,8
-1,6
-1,4
-1,2
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
00 500 1000 1500 2000 2500
distance sur axe transversal AA' (mm)
flêch
e (m
m)
T14 nue sans trouT14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des déformations sur les corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Déformation sous chargt Plaque A - 45 kN
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
distance sur axe transversal AA' (mm)
défo
rmat
ion
( m
/m) T14 nue sans trou
T14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des déformations sur les corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Déformation sous chargt Plaque A - 45 kN
-400
-300
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0
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1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
distance sur axe transversal AA' (mm)
défo
rmat
ion
( m
/m) T14 nue sans trou
T14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des déformations sur les corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Déformation sous chargt Plaque A - 45 kN
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1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
distance sur axe transversal AA' (mm)
défo
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( m
/m) T14 nue sans trou
T14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Comparaison des déformations sur les corps d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Déformation sous chargt Plaque A - 45 kN
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1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
distance sur axe transversal AA' (mm)
défo
rmat
ion
( m
/m) T14 nue sans trou
T14 nue avec trouT14 + BBT10 + BFUP treill - débutT10 + BFUP treill - finT12 + BFUP gouj - débutT12 + BFUP gouj - fin
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Quantification rigidité apportée par le revêtement
• Utilisation résultats d’un modèle Eléments finis (développé par L. Dieng) avec tôle nue de même épaisseur (10, 12 ou 14 mm), validé avec l’essai sur tôle 14 mm nue pour quantifier l’apport des revêtements BFUP car les tôles nues de même épaisseur n’ont pas été testées
Béton bitumineux
BFUP treillis – tôle 10 mm
BFUP goujons – tôle 12 mm
Réduction flèche
8% 46% / 51% * 44% / 49% *
* Prise en compte sous-estimation du modèle EF
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Quantification rigidité apportée par le revêtement
Béton bitumineux
BFUP treillis – tôle 10 mm
BFUP goujons – tôle 12 mm
Réduction P 30 à 50% 56% / 60% * 64% / 67% *
Réduction A 8 à 30% 36% / 52% * 33% / 51% *
* Prise en compte sous-estimation du modèle EF
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Phénomènes observés tôle + BB
• Effet de diffusion de la charge apporté par le revêtement BB -> diminution des flèches et des contraintes
• Diminution de cet effet de diffusion au cours des essais car orniérage progressif (application d’une charge très forte toujours au même endroit) !
• Calage modèle tôle nue, OK en référence
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Phénomènes observés tôle + BFUP
• Comportements des revêtements BFUP– Connexion imparfaite sur les deux corps d’épreuve (goujons ou
treillis soudé). Glissement relatif BFUP tôle métallique entre connecteurs (vu sur les mesures de flèche et mesure de déformation)
– Conséquence : fissuration fibre inférieure revêtement BFUP sous charges caractéristiques concentrées
• évolution au cours des essais statiques, mais stabilité pendant les essais de fatigue
• => 2 non linéarités à prendre en compte• Calcul en inertie fissurée et glissement relatif à prendre en compte
pour être sécuritaire• Néanmoins
nettement réduit et
statique ≈
cyclique
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Evaluation des durées de vie
• Utilisation des classes de détail EN1993-1-9 classes de détail proposés par Kolstein et courbes de Wöhler
• Taux de contrainte maxi pour 2.106 cycles
p limite A limite
Classe détail EC3 1-9 100 MPa 71 MPa
Classe détail Kolstein 125 MPa 90 MPa
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Contraintes extrapolées
• Sous chargement plaque A – 45 kN (valeur moyennée entre augets 2 et 3)
P A
Tôle nue 14 mm 53 MPa 67 MPa
Tôle 14 mm + BB 37 MPa 53 MPa
Tôle 10 mm + BFUP (treillis) 43 MPa 41 MPa
Tôle 12 mm + BFUP (goujons) 22 MPa 33 MPa
Classe détail EC2 1-9 100 MPa 71 MPa
Classe détail Kolstein 125 MPa 90 MPa
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Estimation des durées de vie
• Résultat établi à partir du modèle de charge de trafic numéro 4 de l’EC3 1-9 avec trafic longues distances
• Simplification répartition transversale, la moitié des roues passent à l’axe entre deux augets
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
Estimation des durées de vie
• Tableau établi en utilisant les classes de détail de Kolstein.• Tableau établi à partir des mesures expérimentales après
extrapolation• Résultats sévères pour la tôle 14 + BB (orniérage)
Evaluation de la durée de vie sous un trafic longue distance (modèle 4 EC3 1-9)
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
Tôle nue 14 Tôle 14 + BB Tôle 12 + BFUP (goujons) Tôle 10 + BFUP (treillis)
Dur
ée d
e vi
e
sigma-Psigma-A
>120 ans >120 ans>120 ans>120 ans
1,9 3,9
45,8
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Conclusion sur le revêtement BB
• Effet de diffusion de la charge apporté par le revêtement BB (effet décroissant durant l’essai en raison d’un orniérage)– Réduction de la flèche– Réduction des contraintes de fatigue– Allongement de la durée de vie
• Toutefois :– Participation dépendante de la Température– Entretien nécessaire–
reste faiblement diminué
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Conclusion sur les revêtements BFUP
• Apport revêtement BFUP/ tôle d’épaisseur équivalent seule– Diminution de 45% des flèches– Diminution de 55% à 60% des contraintes de fatigue sur
platelage– Diminution comprise entre 30 et 50% des contraintes de
fatigue sur auget– Test fatigue 2 millions de cycles sans évolution du
comportement• Connexion partielle, modélisation à poursuivre pour
– Calibrer et justifier le gain sur – Justifier la non évolutivité sous charge cyclique– Contrôler la micro-fissuration sous ELS caractéristique– Proposer une méthode de dimensionnement simplifié pour
les cas pratiques
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Remerciements
• Tous les partenaires du projet• Coordinateurs du projet :
– Emilie Luankhot (Sétra puis Arcadis)– Christian Tessier (IFSTTAR)
• L’équipe technique de la dalle d’essais, en particulier :– Céline Bazin– Joël Billo– Marc Estivin– Romain Lapeyrere– Ludovic Lauvin– Cyril Massotte– Jean-Claude Renaud
• Calcul aux éléments finis– Lamine Dieng (IFSTTAR)
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Merci pour votre attentionMerci pour votre attention