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Conception et calcul d'un pont suspendu.par Merlin OTEMAKUMI LOTENGO Institut national du bàtiment et des travaux publics - Licence 2017 |
2.4.3 LES ELEMENTS D'UN PONT SUSPENDU
Figure 3 : Eléments d'un Pont suspendu
A. LA SUPERSTRUCTUREA.1 LE TABLIER? Le tablier est une plate-forme horizontale qui supporte la chaussée ou la voie de circulation. ? Le ta lier d'un pont est une structure porteuse qui supporte les charges du trafic routier et les transmet aux appuis ou aux éléments de suspension (suspentes ou arcs) 20 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 21 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE ? Le présent chapitre traite d'un élément que l'on retrouve dans tous les ponts, mais on relèvera une différence fondamentale entre un tablier d'ouvrage classique, à poutres sous chaussée ou latérales par exemple, et un tablier d'ouvrage suspendu. Dans le premier cas, en effet, le tablier assure à la fois une fonction de continuité de la voie portée et une fonction porteuse : il doit supporter son poids propre, les charges permanentes diverses et les charges roulantes. Dans le second cas, la fonction porteuse est assurée par la suspension et le tablier remplit alors seulement les fonctions de continuité de la voie, de répartition et de transmission des charges. Dans le cadre de notre travail nous avons un tablier métallique7.
Figure 4 : Tablier du pont suspendu L = 1210 m (121 travées de 10 mètres) ; l = 24 m et e = 2 m A.2 LES CABLES Un pont suspendu est un pont dont le tablier est maintenu en suspension par des câbles verticaux qui à leur tour, transmettent les efforts à des câ les porteuses flexi les d'allure parabolique, passant par les sommets des pylônes et dont les extrémités, appelés câbles d'ancrages, sont solidement ancrés aux massifs d'ancrages des deux rives.8 On distingue : - Les câ les d'ancrages - Les câ les d'équili re - Les câbles porteurs ou câbles de retenues. Ici nous considérons les câbles porteurs ou câbles de retenues qui sont des câbles principaux, d'allure para olique, qui reprennent les efforts transmis par les suspentes en rejoignant deux pylônes. Le câble porteur est étendu sur tout le long du pont, et passe par les sommets de deux piliers. Il maintient le pont et en particulier les multiples suspentes. Les câbles sont utilisés notamment pour les ponts suspendus ou haubanés, les 7 LCPC, les ponts suspendus en France 21 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 22 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE Pylônes haubanés, les couvertures suspendues ou les contreventements. Les torons sont des assemblages de fils métalliques enroulés hélicoïdalement autour d'un fil central et constitués d'acier à très haute limite d'élasticité atteignant plusieurs fois celle de l'acier traditionnel de charpente. Ils peuvent contenir des centaines de fils et atteindre des limites de rupture de plusieurs centaines de tonnes. Leur module d'élasticité intrinsèque Ec est plus petit que celui du matériau acier à cause de l'enroulement des fils en hélice : une valeur de 170.000 [MPa] n'est pas rare. Les câbles sont constitués d'un ensemble de torons alignés (on parle de câbles à torons parallèles) ou enroulés autour d'une âme centrale métallique ou textile (on parle alors de cordages). Les cordages possèdent un module d'élasticité intrinsèque encore plus faible, qui peut être inférieur à 140.000 [MPa]. Le calcul exact d'une structure composée de câbles est souvent laborieux pour une raison évidente : contrairement aux structures à éléments rigides, la géométrie déformée d'un câble après chargement est très différente de sa géométrie initiale. Cette particularité a une double conséquence : d'une part, le principe de superposition n'est plus applicable et, d'autre part, le calculateur ne peut plus se baser sur la géométrie de la structure non chargée pour écrire les équations d'équilibre.9 Les ponts à câbles regroupent essentiellement les ponts suspendus et les ponts à haubans. Les principaux types de câbles porteurs des ponts suspendus sont : -- les câ les à fils parallèles, qui se présenter sous forme d'un faisceau de fils maintenus jointifs par des frettes (fils métalliques enroulés sous tension) disposées à intervalles réguliers ; chaque fil est protégé individuellement à l'aide de rai de houille ; -- les câbles torsadés, dont les fils constitutifs sont assemblés entre eux en torons de 7 à 19 fils, puis ces torons sont câ lés en hélice autour d'un toron central métallique ou textile; -- les câbles toronnés, clos ou non : ce sont les plus fréquemment rencontrés sur les ponts suspendus ; ils sont constitués de fils enroulés en hélice autour d'un fil d'âme, en couches successives à pas inversés. Les câbles clos sont dotés de fils profilés en Z dans leurs couches périphériques.10 9 Cours de pont à câble 10 Jean-Armand CALGARO et Roger LACROIX ; Pathologie et évaluation des ponts existants 22 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 23 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE
Figure 5 : Les différents câbles On a les câbles a fils parallèles, les câbles torsadé et Câble toronné non clos A.3 LES SUSPENTES Dans un pont suspendu, les suspentes désignent les tiges verticales qui relient le tablier du pont aux câbles porteur.11 Les suspentes, organes de liaison entre les câbles et le tablier, peuvent être constituées soit de torons, soit de barres en acier ou en fer forgé. ? Les suspentes en fer forgé12 Les suspentes en fer forgé sont les plus anciennes. Elles sont en une seule pièce et comportent, d'une façon générale, des boucles à chaque extrémité dans lesquelles viennent s'accrocher des étriers. Du fait même de la nature du matériau et des systèmes d'attache, elles sont peu sensibles à la corrosion ? Les suspentes toronnées13 Les suspentes toronnées sont, comme les câbles, composées de fils tréfilés, mais le diamètre de ces derniers est plus faible. De même que les câbles, elles peuvent être 11 www.google.com Wikipédia 12 , 13 et 14 LCPC, les ponts suspendus en France 23 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 24 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE soumises aux effets de la corrosion due à la circulation d'eau à l'intérieur des torons. Les suspentes peuvent se présenter sous deux formes : ? suspentes à brin unique, munies d'un culot à chaque extrémité ; l'eau peut s'infiltrer, soit par le culot supérieur, soit le long de la suspente et stagner au niveau du culot inférieur qui constitue alors un foyer préférentiel de corrosion ; ? suspentes à deux brins, il s'agit en général d'un toron unique passant au-dessus d'un collier fixé sur les câbles de suspension ; l'ancrage est assuré en partie basse, à l'aide de deux culots. Dans ce cas, le faible rayon de courbure, au passage au-dessus des câbles, donne lieu à un écrasement de la suspente et à un écartement des fils des couches périphériques, favorisant les entrées d'eau. Comme précédemment, l'eau circule à l'intérieur de la suspente et stagne en partie basse, au niveau des culots, entraînant des risques de corrosion. ? Les suspentes en barre d'acier14 Les suspentes en barre d'acier sont réalisées le plus généralement en acier mi-dur du type XC-38, par exemple. Elles sont utilisées à l'état brut de laminage ou, de préférence, après un traitement de normalisation ; elles comportent, à chaque extrémité, un filetage permettant l'accrochage sur les organes d'attache, disposition préférable à une liaison par soudage qui ne permet pas de réglage et requiert des techniques d'exécution particulières. A la différence des suspentes toronnées, ce sont des suspentes rigides qui ne peuvent encaisser, principalement pour les suspentes courtes, les moments de flexion dus aux mouvements relatifs du tablier et de la suspension. Il convient donc que les organes d'attache, en parties haute et basse, soient convenablement articulés, faute de quoi on assiste à des concentrations de contraintes en fond de filetage, dues aux efforts parasites et pouvant entraîner des fissurations, voire même des ruptures. Des applications ont, par ailleurs, été effectuées avec des barres en acier E 36 .3 comportant des extrémités refoulées et filetées. Cette solution présente deux avantages : - D'une part, la partie filetée ayant un diamètre plus important que la partie courante de la barre, le poids d'acier mis en oeuvre est inférieur - d'autre part, l'acier E 36 .3 présente des caractéristiques de résilience meilleures que l'acier XC-38, ce qui réduit les risques de fissuration à fond de filet. Sous réserve que les conditions d'articulation des attaches citées plus haut soient respectées, il apparait que ce type de suspente présente les meilleures garanties. 24 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 25 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE ? ANCRAGES ET ORGANES D'ATTACHE DES CÂBLES ET SUSPENTES15 ? Les culots Les câbles élémentaires sont fixés à leurs points d'attache par des pièces appelées "culots". Ceux-ci sont des pièces massives en fonte pour les anciens culots ou en acier moulé pour les culots plus récents. Ils comportent deux, trois ou quatre trous (selon le diamètre du câble élémentaire) pour le passage des tirants de fixation, et un trou central pour le passage du câble. a) Culottage des câbles Le culottage des câbles se fait en plusieurs opérations : - pose des ligatures dont une se trouvera en un point situé sous le bas du culot ; - préparation du câble en "chignon" (ou perruque). Cette opération consiste à détrôner la partie du câble située au-dessus de la dernière ligature, à mettre les fils en gerbe régulière et à retourner l'extrémité de chaque fil vers l'intérieur du chignon; - enfoncement du chignon dans son logement par traction au vérin ; - chauffage du culot pour éviter le refroidissement trop rapide du métal fusible, et remplissage de la cavité par le métal fusible. Ce métal fusible était : - soit un alliage binaire composé de 90 % de zinc de haute teneur, et de 10 % d'antimoine, coulé à une température de 500-550 °C (point de fusion 450 °C) ; - soit un alliage ternaire composé de 84 % de plomb, 7 % d'étain et 9 % d'antimoine. Cet alliage se coule à une température de 340-350 °C (point de fusion 240 °C). Actuellement, on utilise Cu zinc pur à haute teneur (> 99,5 %) porté à une température de 500 °C recommandé pour son efficacité contre la corrosion (point de fusion 420 °C). Cette température doit être respectée : plus élevée, le zinc recuirait les fils élémentaires, particulièrement ceux des petits câbles ; plus basse, le zinc se solidifierait avant d'avoir atteint la base du culot. Dans le cas où le remplissage du culot s'effectue avec du zinc pur, on peut vérifier la température de celui-ci avec une baguette de sapin. Celle-ci, plongée dans le zinc et retirée vivement, ne devra comporter aucune trace de zinc et n'être que légèrement décolorée par la chaleur. Si le zinc adhère à la baguette, c'est qu'il est trop froid, si la baguette carbonise, c'est qu'il est trop chaud. Toutes ces opérations se déroulent avec le câble en position verticale pour permettre au métal fusible de descendre à l'extrémité inférieure du culot. Il est nécessaire, pour garantir un bon remplissage, que le métal fusible ressorte à l'extrémité inférieure du culot. b) Forme des culots Le logement dans lequel s'engage le "chignon" peut avoir plusieurs formes. Dans les premiers culots en fonte. La trop grande longueur de la partie cylindrique ne permettait 15 LCPC, les ponts suspendus en France 25 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 26 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE pas au métal fusible d'arriver jusqu'à l'extrémité, ce qui permettait l'entrée de l'eau dans le vide subsistant entre câble et culot. Dans les derniers culots en fonte, puis les culots en acier moulé, cette longueur de la partie cylindrique a été réduite. La solution adoptée maintenant pour les nouveaux culots en acier moulé est la forme dite "en tulipe", de façon à avoir un gradient de pression uniforme de l'extrémité du culot à l'orifice de sortie du câble, et un meilleur remplissage du culot par l'alliage fusible. c) Défauts au niveau des culots Avant culottage, un câble coupé droit. Pour recevoir l'alliage fusible, le culot doit se présenter verticalement, avec son ouverture en haut et lors de la mise en position, il risque d'y avoir un glissement relatif des couches de fils entre elles (de 30 à 60 mm). Après culottage lors de la mise en position "câbles en service" le phénomène inverse se produit et les fils extérieurs sont plus tendus. C'est la raison pour laquelle, dans la plupart des cas, les ruptures de fils se produisent souvent sur les couches périphériques qui subissent des contraintes plus élevées. Ces fils des couches périphériques représentent une part importante de la section des câbles d'où diminution Importante du coefficient de sécurité (pour un câble courant de 169 fils, la dernière couche, 42 fils, représente le quart de la section). Le problème le plus important est la corrosion des fils due au séjour de l'eau au voisinage des culots. Dans le cas d'un mauvais remplissage, l'eau s'arrête à l'intérieur du culot au contact du métal fusible et entraîne la rupture des fils par corrosion fissurant. Cette rupture d'un certain nombre de fils entraîne un report de contrainte sur les autres fils élémentaires et une rupture du câble à brève échéance.
Figure 6 : Les suspentes 26 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 27 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE
Figure 7 : Les suspentes La suspension classique à dou le nappe continue à s'imposer, même si des tentatives sont faites pour introduire le monocâble porteur. Pour améliorer la sta ilité d'ensem le des ponts de très grandes portées, les suspentes verticales sont remplacées par des suspentes inclinées formant un réseau triangulé procurant une bonne rigidité longitudinale. Les suspentes sont faites d'une paire de câ les et relient le ta lier aux câ les porteurs tous les 10 à 20 m. Côté câble porteur, les suspentes sont soit attachées à un collier par une articulation de type axe sur chape, soit formées en boucle pour ceinturer le collier dans des gorges rainurées. Les colliers, constitués de deux demi-coquilles cylindriques, sont serrés par des boulons à haute résistance pour produire la résistance de friction nécessaire et s'opposer à tout glissement sur le câble. Côté ta lier, la liaison est réalisée par un étrier s'articulant sur une pièce spéciale fixée au tablier, ou par ancrage sur un appendice extérieur à la poutre et prolongeant la pièce de pont.16
Figure 8 : Collier de suspension et suspentes 16 Jean-Pierre DUCOUT ; Ponts métalliques Applications spécifiques 27 Par l'Ingénieur technicien : OTEMAKUMI LOTENGO MERLIN 28 TRAVAIL DE FIN D'ETUDE |
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