Présentation du projet orthoplus

Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012

Présentation du projet Orthoplus
JOA 2012

Sourdun
Mercredi 9 et Jeudi 10 mai

GENEREUX Grégory
MARCHAND Pierre
GOMES Fernanda
TOUTLEMONDE François


Sommaire
2

• Présentation générale du projet
• Problématique
• Méthodologie
• Essais réalisés à l’IFSTTAR


Présentation générale
3

• 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


Présentation générale
4

• Le groupement : 7 partenaires


Problématique
5 Emploi des dalles orthotropes

Domaine d’emploi des
dalles orthotropes :

•Grandes et très
grandes portées
•Ponts mobiles


Problématique
6 Emploi des dalles orthotropes

• 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)


Problématique
7 Fatigue et dimensionnement

Entre pièces de pont
Sur 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


Problématique
8 Fatigue 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)


Problématique
9 Objectifs 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)


Méthodologie
10

Travaux bibliographiques
calcul en fatigue, étude des pathologies et méthodes de réparation, étude des revêtements

Programme expérimental
Caractérisation des Comportement
revêtements, des mécanique du complexe Modèles numériques EF
connecteurs (platelage+revêtement) fins

En laboratoire :
En laboratoire :
éprouvettes de Sur ouvrages
éprouvettes
flexion 5 points, réels
2400x4000
push-out, etc. Modèles numériques EF
simplifiés

Application pour le dimensionnement des dalles orthotropes


Présentation des essais IFSTTAR


Dimensionnement des corps d’épreuve

• Au départ, modèle simplifié avec connexion parfaite
 35 mm de BFUP peut se substituer à 70 mm de béton
bitumineux
 Choix 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


Corps d’épreuve


4 types de corps d’épreuve

Tôle 14 nue

Tôle 14 +
Béton bitumineux

Tôle 10 + BFUP

Tôle 12 + BFUP


Connexions choisies pour BFUP

• Goujons Nelson


Connexions choisies pour BFUP

• Treillis soudé sur la tôle supérieure


Corps d’épreuve avec revêtement
béton bitumineux


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


Montage expérimental


Chargement plaque(s) ou roue(s)

• Plaque simple ou double
(charges de fatigue n°2 de EN1991-2)


Chargement plaque(s)
Charge A : 45 kN
220x320 mm (val EC1, fat)
-> 150 kN *

Charge C : 60 kN
270x320 mm (val EC1, fat)
-> 150 kN *

Charge B : 95 kN
2 charges A espacées de (val EC1, fat)
100 mm -> 300 kN *

* : Eurocode 1 charge caractéristique moins concentrée (400x400mm)


Chargement roue(s)

• Roue simple ou double (surface de contact mesurée par
l’empreinte)


Chargement roue(s)
Roue simple : -> 45 kN
≈280x260 mm

Roue double -> 90 kN
Espacement 100 mm


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


Instrumentation

Capteurs flèche Jauges de déformation


Instrumentation

Platelage

Auget

Détail étudiée


Mesure des amplitudes de variation de
contrainte
• Extrapolation en pied du cordon de soudure à partir des
jauges situées à proximité

Méthode IIS :
Jauges à 0,4t et t

Méthode CECA :
Jauges à 15 et 30 mm


Autopsie des corps d’épreuve


Comparaison des flèches sur différents corps
d’épreuve (chgt statique à 20°C)
Flêche sous chargt Plaque A - 45 kN

0
0 500 1000 1500 2000 2500

-0,2

-0,4

-0,6 T14 nue sans trou
T14 nue avec trou
flêche (mm)

-0,8 T14 + BB
T10 + BFUP treill - début
-1 T10 + BFUP treill - fin
T12 + BFUP gouj - début
-1,2
T12 + BFUP gouj - fin

-1,4

-1,6

-1,8

distance sur axe transversal AA' (mm)


Comparaison des déformations sur les corps
d’épreuve (chgt statique à 20°C)

Déformation sous chargt Plaque A - 45 kN

600

500

400

300
T14 nue sans trou
déformation (m/m)

200 T14 nue avec trou
T14 + BB
100 T10 + BFUP treill - début
T10 + BFUP treill - fin
0
1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400
T12 + BFUP gouj - début
-100 T12 + BFUP gouj - fin

-200

-300

-400

distance sur axe transversal AA' (mm)


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 BFUP treillis – BFUP goujons –
bitumineux tôle 10 mm tôle 12 mm

Réduction 8% 46% / 51% * 44% / 49% *
flèche

* Prise en compte sous-estimation du modèle EF


Quantification rigidité apportée par le
revêtement

Béton BFUP treillis – BFUP goujons –
bitumineux tôle 10 mm 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


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


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


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


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


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


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)

140,00

120,00
>120 ans >120 ans >120 ans >120 ans
100,00
Durée de vie

80,00
sigma-P
sigma-A
60,00
45,8
40,00

20,00
1,9 3,9
0,00
Tôle nue 14 Tôle 14 + BB Tôle 12 + BFUP (goujons) Tôle 10 + BFUP (treillis)


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


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


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)


Merci pour votre attention

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