Chapitre 1 : Généralité

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Cours Pont mixtes Master II
Chapitre 1 : généralité
Université de Sétif

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Chapitre 1 : Généralité

  1. 1. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-1 1 Chapitre 1 : Généralité 1.1 Introduction Un pont est un ouvrage d’art permettant à une ou plusieurs voies de communication de franchir un accident du relief appelé brèche ou d’autres voies de communication Selon la voie portée — route, rail, voie piétonnière ou canal — le pont sera dénommé, pont-route, pont- rail, passerelle piétonnière ou pont-canal. Les ouvrages peuvent avoir des formes extérieures semblables, mais se différencient et se caractérisent surtout par la nature particulière du trafic qu'ils ont à supporter. La conception d'un pont est un long travail d'études visant à concilier diverses contraintes dont l'importance et l'ordre de prédominance varient selon les projets : données naturelles du franchissement, données fonctionnelles de la voie portée, procédés de construction, insertion dans l'environnement, coûts, délais... La conception architecturale générale d'un ouvrage de franchissement fait appel aux trois modes fondamentaux de fonctionnement mécanique des structures (flexion, compression et traction) pour donner trois types de ponts fixes : — le pont à poutre, image de la simplicité, limité à la flexion seule ; — le pont en arc, qui associe la compression à la flexion ; — les ponts à câbles, de type haubané et suspendu, combinent la traction, la compression et la flexion dans un fonctionnement plus complexe ouvrant sur un large éventail de solutions techniques et architecturales. 1.2 Quelques références bibliographiques pratiques 1. F Ciolina , Construction métallique Tome 2 Ouvrage d’art , Eyrolles, 1984 ; 2. G Grattesat, Conception des ponts, Eyrolles, 1984 3. Eurocode EN 1992-2 Ponts Mixtes 4. Eurocodes 3 et 4 Application aux ponts-routes mixtes acier-béton, Guide méthodologique, SETRA, juillet 2007 ; 5. Ponts mixtes acier-béton bipoutres, Guide de conception, SETRA, mars 1990 6. Ponts métalliques et mixtes résistance à la fatigue guide de conception et de justifications, SETRA, Mai 1996 ; 7. Ponts mixtes recommandation pour maitriser les fissurations des dalles, SETRA, septembre 1995 8. Ponts routes à tablier en poutrelles enrobées Conception et calcul, SETRA, Mai 1995
  2. 2. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-2 1.3 Différente type de pont métalliques 1.3.1 Les ponts en fonte. Les ponts en fonte sont apparus à la fin du XVIIIe siècle. Le premier de tous est le pont de Coalbrookdale (fig. 1), construit en 1779, sur la Severn en Angleterre. Constitué de cinq arcs parallèles de 30,50 rn d’ouverture, Par la suite, beaucoup d’autres ponts en fonte ont été construits, ponts- routes ou ponts de chemin de fer (Nevers, Tarascon, Avignon, etc...) Les dispositions de ces ponts en fonte sont directement inspirées de celles des ponts en maçonnerie et des ponts en bois ; leurs arcs sont constitués d'une suite de voussoirs assemblés par des boulons, qui rappellent les pierres de taille des voûtes. Les tympans et les entretoises sont formés de triangulations légères analogues aux charpentes en bois. La plupart de ces ponts ont eu une durée de vie relativement courte. En effet, la fonte est un matériau fragile, dont la résistance à la traction est faible. Sous l’effet des efforts complexes dans les assemblages, des dilatations différentielles, des chocs et des vibrations dus à la circulation, de nombreuses cassures se sont produites, non seulement dans les triangulations mais aussi dans les arcs porteurs, qui pourtant ne devaient subir théoriquement que des efforts de compression. Quelques-uns de ces ponts se sont effondrés sous le choc d'un bateau (pont Saint- Louis à Paris en 1939) Beaucoup d’autres ont dû être démolis et remplacés parce qu'ils risquaient de s'effondrer Ceux qui subsistent le doivent soit à leur légèreté soit à de meilleures dispositions constructives (les entretoises sont en acier et les assemblages mieux conçus). Aucune des tentatives de réparation de ce genre de ponts n'a donné de résultats satisfaisants. Lorsque les dispositions constructives sont mauvaises, de nouvelles cassures se produisent fatalement et le seul remède est la reconstruction du pont. 1.3.2 3.2. Les ponts en fer. Commencée au début du XIXe siècle, parallèlement à celle de la fonte, l'utilisation du fer s'est rapidement développée. Le fer était plus cher que la fonte, puisqu'il demandait plus de travail d’élaboration, mais il avait une bien meilleure résistance à la traction. Ainsi les constructeurs disposaient pour la première fois d'un matériau permettant de réaliser les trois grands types de ponts : ponts suspendus, ponts à poutres, ponts en arc. Ces trois types étaient connus depuis les temps les plus reculés, mais les portées restaient limitées à cause des caractéristiques des matériaux. Avec la fonte, qui ne résistait guère à la traction, on ne pouvait faire que des arcs, de même qu’avec la pierre on ne pouvait faire que des voûtes. Le fer allait offrir des possibilités incomparablement plus vastes. 1.3.2.1 LES PONTS SUSPENDUS. 1.3.2.2 Les premiers ponts construits Les premiers ponts construits grâce au fer ont été des ponts suspendus. Depuis plus de 2000 ans, on savait construire des passerelles suspendues à des chaînes dont les maillons étaient en fer forgé. Mais la portée de ces ouvrages était très limitée, à cause du poids propre des chaînes : le premier pont suspendu à voitures américain, construit en 1796 par James Findlay, avait une portée de 21 m. C'est l’invention des chaînes formées de barres de fer articulées, brevetée en 1817 par Brown en Angleterre, qui a permis de passer d'un seul coup à des portées beaucoup plus grandes. Le premier grand pont suspendu à des chaînes constituées de barres de fer a été celui de Berwick, construit en 1820 par Brown, dont la portée atteignait 137 m. Mais six mois après, il était emporté par le vent. Figure 1 . Pont de Coalbrookdale
  3. 3. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-3 Quelques années plus tard, en 1826, Telford construisait le pont sur le Menai, dont la portée était encore plus grande : 177 m. Le succès de ce pont, dont le tablier en bois a été plusieurs fois endommagé par le vent, mais qui est resté en service jusqu'en 1940, a été déterminant pour le développement des ponts suspendus. La technique des câbles composés de fils de fer a été utilisée en Suisse pour la construction du pont suspendu de Fribourg, en 1834, qui a longtemps détenu un record avec 271 rn de portée. C'est aussi avec des câbles à fils parallèles qu'a été construit le pont de La Roche-Bernard, en 1836, dont la portée de 198 m. dépassait largement celle de tous les ponts français de l'époque. Aux Etats-Unis, Ellett construisit plusieurs grands ponts, dont un record du monde, le pont de Wheeling, sur l'Ohio, en 1849 (portée 308 m) puis il fut chargé de construire un pont sur le Niagara. · Mais il dut passer la direction des travaux à Roebling, qui allait améliorer et développer très largement la technique des ponts suspendus. 1.3.2.3 Les premiers ponts suspendus ont subi de nombreux accidents. Beaucoup d'entre eux ont été détruits par le vent, ainsi le pont de Berwicken 1820, le pont de Nienburg en 1 825, le pont de la Basse-Chaîne à Angers en 1 850. Des tabliers ont été emportés, comme celui du pont de La Roche-Bernard en 1840. En 1831, le pont de Broughton s’est effondré sous l'effet d'une troupe marchant au pas cadencé Le pont de la Basse-Chaîne s'est rompu lui aussi au passage d’une troupe. Il y eut 226 morts. Pourtant les soldats avaient reçu l’ordre de rompre le pas, conformément à la règle établie après l'accident de Broughton. Mais le vent faisait osciller le pont, et d’après le rapport d’enquête, les soldats « ont peut-être donné involontairement à leurs pas une certaine cadence d’accord avec le va-et-vient des oscillations ». Ces accidents avaient essentiellement pour origine l'insuffisance de rigidité de ces ouvrages, et probablement aussi la diminution de résistance des câbles due à l'oxydation. En effet, dans ces premiers ponts, les pièces de pont transversales, attachées aux suspentes, n'étaient reliées entre elles dans le sens longitudinal que d'une manière très souple. Il en résultait des déformations importantes sous le passage des charges : le premier pont-rail construit en Angleterre vers 1830, sur la Tees, a dû être mis hors service quelques années plus tard à cause de sa trop grande flexibilité. On s'est efforcé de remédier à ce défaut, et vers 1840, tous les constructeurs cherchaient à augmenter la rigidité des tabliers. Mais c'est seulement à la fin du siècle, dans les ponts suspendus en acier, que sont apparues les véritables « poutres de rigidité ». 1.3.3 Les ponts a poutres. Lorsque la production industrielle du fer se développa vers 1830, pour la fabrication des chaudières, le nouveau matériau fut utilisé en Europe sous forme de poutres à âmes pleines, pour la construction de quelques ponts de chemin de fer. La réalisation la plus spectaculaire de poutres en fer a été celle du pont Britannia, construit en 1850 par Robert Stephenson (Aidé par son père, George Stephenson, l'inventeur de la locomotive), constitué de deux travées centrales de 140 m et de deux travées de rive de 70 m. Pour franchir ces grandes portées et pour éviter une trop grande flexibilité, ils avaient conçu un tablier très rigide, soutenu par des câbles. Mais comme ce tablier était suffisamment rigide par lui-même, les câbles prévus n'ont pas été mis en place. Il s’agissait d'un tube rectangulaire, à parois pleines, de hauteur constante, à l'intérieur duquel passaient les trains. Ce pont est resté en service jusqu'en 1971, date à laquelle il a été endommagé par un incendie et a dû être remplacé. En Amérique, où de très nombreux ponts étaient constitués de poutres triangulées en bois, le fer a été utilisé d'abord pour constituer les diagonales tendues de poutres mixtes bois et le fer. Puis les poutres ont été construites entièrement en fer avec des dispositions très variées pour les triangulations. C'est seulement après 1 850 que le système des poutres triangulées s'est développé en Europe et a remplacé celui des poutres à âme pleine.
  4. 4. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-4 En France, le plus grand constructeur de cette époque a été Gustave Eiffel (1832-1923) qui est l'auteur de nombreux ponts en fer, à poutres triangulées de hauteur constante. La plupart sont des ponts de chemin de fer. Eiffel .a construit aussi quelques grands ponts-routes du même type (Saint-André-de-Cubzac, 1882). Les piles de ces ponts sont quelquefois en pierre, quelquefois en fonte et souvent en forme de pylônes triangulés en fer. 1.3.4 Les ponts en arc. Le fer se prêtait bien à la construction des ponts en arc. Malgré son prix plus élevé, il s'est progressivement substitué à la fonte à cause de ses meilleures caractéristiques mécaniques. Parmi les premiers arcs en fer, figurent le pont-rail d'Asnières (1852) et le pont-route d'Arcole, à Paris (1855 - portée 80 rn) qui est encore en service et en excellent état aujourd'hui. Les grands arcs en fer ont permis d'apporter une solution relativement économique et très spectaculaire pour le franchissement à grande hauteur de vallées profondes ou de larges rivières, lorsqu'il était très difficile et coûteux de construire un cintre. Les réalisations les plus marquantes ont été les deux grands ouvrages ferroviaires d'Eiffel : le pont Maria- Pia, à Porto, sur le Douro (1878 - portée 160 m) et le viaduc de Garabit, sur la Truyère (1884 - portée 165 m. 1.3.5 Les ponts en acier. C'est après l'invention du convertisseur par Bessemer, en 1856, puis des procédés Siemens-Martin, en 1867, que la fabrication commerciale de l'acier permit de l'employer dans les ponts. Grace a ses caractéristiques et notamment à sa résistance, il devait supplanter entièrement la fonte et le fer. Pourtant cette évolution ne se fit que progressivement, à mesure que les performances de l'acier étaient mieux appréciées. Le premier grand pont où l'acier fut très largement utilisé est le pont de Saint-Louis, sur le Mississipi, construit par Eads de 1868 à 1874. Il comporte trois arcs de 153, 159 et 153 m. de portée Quelques années après, Roebling proposa d'utiliser l'acier pour la fabrication des câbles du pont de Brooklyn, commence en 1869 et terminé en 1883. Le pont de Brooklyn qui était alors de beaucoup le plus grand pont du monde avec sa portée centrale de 487 m. est aussi le premier pont suspendu en acier. En 1879, survient la catastrophe du Tay Bridge (Pont de chemin de fer sur le Firth of Tay, en Ecosse, entre Edimbourg et Dundee.), une des plus graves et des plus spectaculaires d'une période où les accidents de
  5. 5. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-5 ponts continuaient à être fréquents. Le Tay Bridge avait été construit en 1878 et comprenait 85 travées constituées de poutres en fer dont quelques-unes avaient une portée ·de 75 m. En décembre 1879, au moment du passage d'un train, treize travées furent renversées par le vent et tous les voyageurs furent tués. Une des conséquences de cet accident fut que le chantier du pont suspendu sur le Firth of Forth, qui venait de commencer, fut arrêté et que l'ouvrage prévu fu t remplacé par un pont à poutres, plus grand que le pont de Brooklyn. Ce pont, construit par Fowler et Baker de 1881 à 1890, est constitué de deux travées centrales de 521 m d'ouverture et de deux travées de rive de 207 m. Chaque grande travée est formée de deux consoles de 207 m portant à leurs extrémités une travée indépendante de 107 m. Ce système, dit « cantilever », dont le principe se trouvait déjà dans des passerelles primitives, a été employé par la suite dans un très grand nombre d'ouvrages. Compte tenu des dimensions du pont du Forth, les membrures sont constituées de tubes métalliques de grand diamètre, dont la forme était très logique mais dont les assemblages se sont avérés particulièrement difficiles ; par la suite, la forme tubulaire a été abandonnée pour les éléments des ponts. Ces trois réalisations marquantes (Brooklyn - Firth of Forth – Saint-Louis) illustrent les trois grands types de ponts en acier - ponts suspendus, ponts à poutres, ponts en arc - qui vont se généraliser. Le fer avait déjà permis de réaliser ces trois types, mais l'acier donnait aux constructeurs des possibilités beaucoup plus grandes, qui se sont traduites notamment par l'augmentation frappante des portées atteintes. 1.3.5.1 Les ponts suspendus. A la suite de la réalisation du pont de Brooklyn, les fils d'acier ont remplacé très généralement les fils de fer pour la fabrication des câbles et des suspentes des ponts suspendus, du fait de leur plus grande résistance mécanique qui permettait un allègement sensible à portée égale. De très nombreux ponts suspendus ont été construits à la fin du XIXe siècle et pendant la première moitié du XXe siècle. La plupart de ces ponts ont des portées comprises entre 60 m et 300 m. En général, ce sont des ponts à trois travées. Les poutres de rigidité sont des poutres triangulées placées en général sous la chaussée. Elles sont attachées à des « suspentes », qui sont des barres ou le plus souvent des câbles verticaux, attachées elles-mêmes aux câbles principaux au moyen de colliers. Les câbles principaux sont constitués d'un ensemble de câbles élémentaires toronnés, protégés de l'oxydation par des peintures et des produits spéciaux. Dans les ponts anciens, chaque câble principal est composé de plusieurs câbles séparés les uns des autres (cette disposition, qui avait pour but de permettre le remplacement progressif des câbles, n'a pas donné de bons résultats). Les câbles principaux passent sur les pylônes et sont fixés dans des massifs d'ancrage construits d'abord en maçonnerie et par la suite en béton ; lorsque c'est possible, les câbles sont ancrés directement dans le rocher. Le plus souvent, les trois travées sont suspendues. Dans certains cas, lorsque leur portée est faible, les travées latérales sont des travées indépendantes non suspendues. Le pont de Brooklyn a gardé longtemps son record de portée, mais à partir de 1924, plusieurs ponts nouveaux atteignaient et dépassaient 500 m, et en 1931 le record de Brooklyn était plus que doublé au pont George Washington, à New-York, œuvre de Othmar Ammann dont la portée centrale atteignait 1067 m., avec des portées latérales de 186 et 198 m. Puis en 1937 , le record mondial passe au pont de la Porte d' Or (Golden Gate) , à San Francisco, dont la portée de la travée centrale est de 1280 m et celle des travées
  6. 6. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-6 latérales suspendues de 343 m. On notera que les pylônes des ponts suspendus américains sont métalliques, alors que les pylônes des ponts suspendus français, depuis le début du siècle, sont en béton armé. A cette époque, les constructeurs pensaient que les effets du vent sur les ponts suspendus, qui avaient provoqué tant de catastrophes au XIXe siècle étaient bien connus et maîtrisés, quand un nouvel accident spectaculaire se produit : le 7 novembre 1940, aux Etats-Unis, le pont de Tacoma de 855 m de portée centrale, mis en service quatre mois plus tôt, s’effondre sous l'action d'un vent de vitesse très inférieure à celle prise en compte dans le calcul. La pression théorique correspondante n'était que de 20 kgf/m2 alors que le calcul avait été fait avec 123 kgf/m2. Ce pont, où l'on avait déjà constaté des mouvements anormaux, était sous surveillance et sa rupture a pu être suivie et filmée. Sous l'effet d'un vent relativement faible (18 m/s) et régulier, des oscillations se sont produites à la fois dans le sens longitudinal et dans le sens transversal. Elles se sont progressivement amplifiées et, au bout de deux heures, le couplage de ces deux sortes d'oscillations a provoqué la rupture des suspentes, la déchirure et l'effondrement du tablier. La cause de l'accident était donc claire : on avait bien pris en compte les efforts statiques du vent, mais on avait négligé les phénomènes dynamiques qui peuvent être bien plus dangereux. De nombreuses recherches : théoriques et en soufflerie, furent alors entreprises sur la stabilité aérodynamique des ponts suspendus, qui est depuis lors systématiquement examinée au stade du projet. Elles ont fait ressortir notamment l'influence du rapport largeur/longueur et l'importance de la rigidité de torsion du tablier. 1.3.5.2 Les ponts à poutres. Pour les portées petites et moyennes, la plupart des ponts métalliques construits depuis le début du siècle sont des ponts à poutres. Jusqu'à une date assez récente où la situation s'est renversée, les poutres triangulées ont systématiquement remplacé les premières poutres à âme pleine, à cause de leur moindre poids à résistance égale. Les triangulations peuvent avoir des dispositions très variées, et de nombreuses solutions ont été utilisées : poutres en Croix de St-André, poutres Pratt, treillis multiples, poutres Warren avec ou sans montants, etc ... Les poutres peuvent être de hauteur constante ou variable. Elles peuvent être placées sous la chaussée, ou latéralement au-dessus de la chaussée ; plus rarement la chaussée est placée à mi-hauteur des poutres latérales.
  7. 7. Chapitre 1 : Généralités Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA I-7  Pour les petites portées, on employait le plus souvent des travées indépendantes, même dans le cas d'une suite de plusieurs travées. Un cas particulier de « travée indépendante » est le pont dit « bow-string », constitué d'un arc et d'un tirant placé au niveau du platelage et soutenu par des suspentes. Dans ce système, la poussée de l'arc est équilibrée par la traction du tirant. La réaction des appuis est alors verticale, comme dans les poutres habituelles  Pour les portées moyennes et grandes, on recourait à des travées solidaires, soit continues, soit « cantilever ». Un pont cantilever est un pont à poutres solidaires discontinues rendu isostatique au moyen d’articulations. Il est constitué de consoles prolongeant une travée ou encastrées sur une pile et de travées indépendantes appuyées sur ces consoles 1.3.5.3 Les ponts en arc. Comme les arcs en fer les arcs en acier ont été utilisés essentiellement  Soit pour le franchissement à grande hauteur de larges vallées  Soit lorsque la portée et le surbaissement étaient trop grands pour une voute en pierre Dans ces deux derniers cas, le tablier est attaché à l'arc par des suspentes. Situé entre celui des poutres et celui des ponts suspendus, le domaine des arcs métalliques n'était pas très étendu au départ. Ils auraient pu s'y substituer aux voûtes en maçonnerie qui s'avéraient plus coûteuses et qui ont progressivement disparu. Mais ils se sont trouvés, dans la gamme de portées qui leur convenait, en concurrence avec les arcs en béton armé. Il en est résulté que leur emploi a été limité à des cas particuliers et qu'il est devenu de plus en plus rare.
  8. 8. Chapitre 2 : conception des ponts métalliques Cours de Ponts mixtes 2014-2015 Enseignant : A. NEHAOUA II-1

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