Ponts en acier
Conception et dimensionnement des ponts métalliques et mixtes acier-béton
Jean-Paul Lebet/Manfred A. Hirt
Presses polytechniques et universitaires romandes
Avant-propos
V
Table des matières
VII
Introduction aux ponts
1. Introduction
1
1.1 Objectifs de l'ouvrage3
1.2 Structure et contenu3
1.3 Documents de référence5
1.3.1 Normes et recommandations5
1.3.2 Autres références6
1.4 Conventions7
1.4.1 Terminologie et typographie7
1.4.2 Axes8
1.4.3 Notations et signes9
1.4.4 Unités9
2. Description des ponts
11
2.1 Introduction13
2.2 Critères de classification des ponts13
2.2.1 Utilisation13
2.2.2 Géométrie14
2.2.3 Système porteur15
2.2.4 Type de dalle17
2.2.5 Section transversale18
2.2.6 Position de la dalle19
2.2.7 Montage de la structure métallique20
2.2.8 Mise en place de la dalle21
2.3 Eléments structuraux22
2.3.1 Superstructure22
2.3.2 Infrastructure25
2.4 Equipements25
2.4.1 Appareils d'appuis25
2.4.2 Joints de chaussée26
2.4.3 Evacuation de l'eau28
3. Historique des ponts métalliques et mixtes
29
3.1 Introduction31
3.2 Histoire de la construction des ponts31
3.3 Records de portée42
Conception des ponts
4. Bases pour la conception
45
4.1 Introduction47
4.2 Elaboration d'un projet48
4.2.1 Etudes préliminaires48
4.2.2 Avant-projets50
4.2.3 Projet définitif51
4.2.4 Appel d'offres51
4.2.5 Projet d'exécution51
4.3 Données pour un projet de pont52
4.3.1 Exigences d'utilisation53
4.3.2 Données relatives à l'ouvrage53
4.3.3 Données relatives au site54
4.4 Qualités requises pour un pont56
4.4.1 Fiabilité56
4.4.2 Robustesse56
4.4.3 Durabilité58
4.4.4 Esthétique58
4.4.5 Economie61
4.5 Propriétés et choix des matériaux63
4.5.1 Nuances et qualités d'acier63
4.5.2 Soudabilité66
4.5.3 Aciers thermomécaniques67
4.5.4 Aciers utilisés pour la construction des ponts68
4.5.5 Protection contre la corrosion des aciers69
5. Systèmes porteurs des ponts
75
5.1 Introduction77
5.2 Transmission des charges78
5.3 Structure porteuse longitudinale80
5.3.1 Influence de la portée81
5.3.2 Pont poutre à âme pleine ou en caisson83
5.3.3 Pont poutre à treillis86
5.3.4 Système statique longitudinal des ponts poutres86
5.3.5 Courbure en plan90
5.4 Structure porteuse transversale91
5.4.1 Contreventement91
5.4.2 Système statique transversal des ponts poutres92
5.5 Sections transversales94
5.5.1 Sections ouvertes94
5.5.2 Sections fermées96
5.6 Entretoises97
5.6.1 Fonctions des entretoises97
5.6.2 Types d'entretoise98
5.7 Contreventements100
5.7.1 Fonctions des contreventements100
5.7.2 Formes de contreventement101
6. Détails de construction
105
6.1 Introduction107
6.2 Détails de conception générale des ponts108
6.3 Poutres à âme pleine111
6.3.1 Soudures111
6.3.2 Raidisseurs114
6.4 Entretoises119
6.4.1 Entretoises cadre119
6.4.2 Entretoises en treillis122
6.4.3 Diaphragmes124
6.5 Contreventements124
6.6 Poutres à treillis125
6.7 Dalle orthotrope127
6.8 Equipements129
7. Fabrication et montage de la structure métallique
131
7.1 Introduction133
7.2 Fabrication en atelier133
7.2.1 Réception et préparation des tôles133
7.2.2 Réalisation des éléments porteurs134
7.2.3 Soudures134
7.2.4 Protection contre la corrosion134
7.3 Transport135
7.4 Assemblage sur le chantier136
7.5 Montage de la structure métallique138
7.5.1 Particularités du montage de la charpente métallique138
7.5.2 Montage à la grue depuis le sol139
7.5.3 Montage par encorbellement141
7.5.4 Montage par lancement144
7.5.5 Mise en place du pont complet ou de très grands éléments de pont151
7.6 Tolérances153
8. Dalle des ponts mixtes
155
8.1 Introduction157
8.2 Conception des dalles157
8.2.1 Fonctions de la dalle158
8.2.2 Dimensions générales158
8.3 Détails de construction160
8.3.1 Etanchéité et revêtement160
8.3.2 Bordures et parapets161
8.3.3 Liaison de la dalle aux poutres métalliques162
8.4 Mise en place de la dalle en béton164
8.4.1 Dalle coulée sur place164
8.4.2 Dalle ripée168
8.4.3 Dalle préfabriquée170
8.4.4 Incidences de la mise en place de la dalle sur le dimensionnement173
8.4.5 Influence de la méthode de montage de la dalle sur les sollicitations des piles175
8.5 Fissuration de la dalle176
8.5.1 Origines de la fissuration176
8.5.2 Effets d'hydratation de la dalle en béton177
8.5.3 Effets des étapes de bétonnage180
8.6 Précontrainte longitudinale183
8.6.1 Choix du système de précontrainte longitudinale184
8.6.2 Approche simplifiée du calcul de la perte de précontrainte187
Analyse et dimensionnement
9. Principes de dimensionnement
189
9.1 Introduction191
9.2 Etapes de la vie d'un ouvrage et documents d'organisation191
9.3 Elaboration du projet193
9.3.1 Convention d'utilisation193
9.3.2 Base du projet194
9.3.3 Conception196
9.3.4 Analyse structurale197
9.3.5 Dimensionnement198
9.4 Actions199
9.5 Vérification de l'aptitude au service201
9.5.1 Principe de la vérification201
9.5.2 Cas de charges201
9.5.3 Limites de service202
9.6 Vérification de la sécurité structurale204
9.6.1 Principe de la vérification204
9.6.2 Cas de charges205
9.6.3 Résistance ultime206
10. Charges et actions
209
10.1 Introduction211
10.2 Charges permanentes et effets de longue durée211
10.2.1 Poids propre de la structure porteuse211
10.2.2 Poids propre des éléments non porteurs213
10.2.3 Retrait, fluage, précontrainte213
10.2.4 Tassement d'appui213
10.2.5 Action des terres et de l'eau214
10.3 Charges de trafic214
10.3.1 Ponts-route214
10.3.2 Autres types de ponts217
10.4 Actions climatiques218
10.4.1 Vent218
10.4.2 Température219
10.4.3 Neige222
10.5 Charges pendant la construction222
10.6 Actions accidentelles223
10.6.1 Séisme223
10.6.2 Choc227
10.7 Forces de frottement et de rappel des appuis231
10.7.1 Appuis glissants ou à rouleaux231
10.7.2 Appuis déformables231
11. Efforts intérieurs des ponts poutres
233
11.1 Introduction235
11.2 Modélisation d'un pont poutre236
11.2.1 Modèle de la structure236
11.2.2 Moment de flexion239
11.2.3 Effort tranchant240
11.2.4 Moment de torsion241
11.3 Torsion244
11.3.1 Rappels245
11.3.2 Torsion uniforme245
11.3.3 Torsion non uniforme249
11.3.4 Torsion mixte254
11.4 Ponts droits à section fermée256
11.4.1 Comportement à la torsion256
11.4.2 Calcul des efforts intérieurs257
11.5 Ponts droits à section ouverte259
11.5.1 Comportement à la torsion259
11.5.2 Ligne de répartition transversale260
11.5.3 Effets d'un contreventement269
11.5.4 Calcul des efforts intérieurs270
11.6 Ponts biais272
11.6.1 Effet du biais272
11.6.2 Section fermée273
11.6.3 Section ouverte277
11.7 Ponts courbes281
11.7.1 Effet de la courbure281
11.7.2 Equations différentielles282
11.7.3 Section fermée284
11.7.4 Section fermée - Méthode de calcul simplifiée288
11.7.5 Section ouverte292
12. Poutres métalliques
295
12.1 Introduction297
12.2 Résistance à un moment de flexion298
12.2.1 Introduction298
12.2.2 Flambage vertical de la semelle comprimée dans l'âme299
12.2.3 Flambage par rotation de la semelle comprimée301
12.2.4 Déversement de la poutre302
12.2.5 Voilement de l'âme308
12.2.6 Vérification de la sécurité structurale312
12.2.7 Exemple numérique : résistance à un moment de flexion313
12.3 Résistance à un effort tranchant317
12.3.1 Introduction317
12.3.2 Contribution pré-critique avant voilement élastique318
12.3.3 Contribution post-critique après voilement élastique319
12.3.4 Vérification de la sécurité structurale326
12.3.5 Exemple numérique : Résistance à un effort tranchant326
12.4 Résistance sous interaction d'efforts327
12.4.1 Condition d'interaction327
12.4.2 Vérification de la sécurité structurale329
12.4.3 Exemple numérique : Résistance d'une poutre sous interaction d'efforts329
12.5 Résistance aux charges concentrées330
12.5.1 Résistance aux charges concentrées mobiles331
12.5.2 Vérification de la sécurité structurale333
12.6 Raidisseurs333
12.6.1 Raidisseurs transversaux intermédiaires334
12.6.2 Raidisseurs d'appuis intermédiaires335
12.6.3 Raidisseurs d'appuis d'extrémité336
12.6.4 Raidisseurs longitudinaux338
12.7 Fatigue340
12.7.1 Résistance à la fatigue340
12.7.2 Vérification341
12.7.3 Respiration de l'âme344
12.8 Poutres en caisson345
12.8.1 Différences entre poutres en caisson et poutres à âme pleine composées-soudées345
12.8.2 Caisson sans raidisseur longitudinal347
12.8.3 Caisson avec raidisseurs longitudinaux347
12.8.4 Raidisseurs transversaux349
13. Poutres mixtes
351
13.1 Introduction353
13.2 Effets des actions particulières dans les ponts mixtes354
13.2.1 Introduction354
13.2.2 Retrait354
13.2.3 Température360
13.3 Calcul des efforts intérieurs362
13.3.1 Principe362
13.3.2 Sections résistantes363
13.3.3 Influence de la fissuration363
13.3.4 Largeur participante de la dalle366
13.4 Résistance en section et vérification de la sécurité structurale367
13.4.1 Classes de section et modèles de résistance367
13.4.2 Résistance élastique368
13.4.3 Résistance plastique370
13.4.4 Vérification de la sécurité structurale à la flexion374
13.4.5 Vérification de la sécurité structurale à l'effort tranchant et sous interaction
d'efforts376
13.5 Connexion acier-béton376
13.5.1 Cisaillement longitudinal376
13.5.2 Résistance des goujons382
13.5.3 Nombre et disposition des goujons383
13.5.4 Introduction d'un effort rasant concentré386
13.6 Cisaillement longitudinal de la dalle390
13.6.1 Cisaillement longitudinal dans l'épaisseur de la dalle390
13.6.2 Cisaillement longitudinal autour des goujons393
13.6.3 Interaction cisaillement longitudinal - flexion transversale393
13.7 Vérification de l'aptitude au service393
13.7.1 Contrainte de traction dans la poutre métallique394
13.7.2 Déformations394
13.7.3 Fissuration395
13.7.4 Vibrations396
14. Entretoises et contreventements
399
14.1 Introduction401
14.2 Charges et actions401
14.2.1 Rappel des fonctions des entretoises et des contreventements401
14.2.2 Vent402
14.2.3 Stabilisation au déversement403
14.2.4 Effet de la courbure404
14.2.5 Appuis temporaires pour les vérins406
14.3 Sollicitations des entretoises407
14.3.1 Pont à section transversale ouverte407
14.3.2 Pont à section transversale fermée411
14.4 Sollicitations des contreventements417
14.4.1 Forces horizontales417
14.4.2 Effet de la forme du contreventement417
14.4.3 Contreventement d'un caisson ouvert419
14.5 Dimensionnement420
14.5.1 Sécurité structurale420
14.5.2 Dimensions minimales422
15. Stabilité d'ensemble
425
15.1 Introduction427
15.2 Actions à considérer428
15.2.1 Actions permanentes429
15.2.2 Charges utiles429
15.2.3 Vent429
15.2.4 Séisme430
15.3 Stabilité au renversement430
15.3.1 Phénomène430
15.3.2 Vérification de la sécurité430
15.3.3 Mesures431
15.4 Soulèvement au droit des appuis432
15.4.1 Phénomène432
15.4.2 Vérification de la sécurité433
15.4.3 Mesures433
15.5 Stabilité longitudinale des ponts flottants433
15.5.1 Phénomène433
15.5.2 Vérification de la sécurité435
15.5.3 Mesures439
Autres types de ponts
16. Ponts-rails
441
16.1 Introduction443
16.2 Conception444
16.2.1 Système porteur longitudinal444
16.2.2 Section transversale447
16.2.3 Fatigue et assemblages451
16.2.4 Détails de construction particuliers452
16.2.5 Esthétique453
16.3 Charges454
16.3.1 Poids propre454
16.3.2 Charges de trafic455
16.3.3 Coefficient dynamique456
16.3.4 Coefficient pour la classification des modèles de charge normalisés456
16.3.5 Déraillement et choc457
16.3.6 Effets aérodynamiques sur les parois antibruit457
16.3.7 Température458
16.4 Vérifications458
16.4.1 Vérification de la sécurité structurale458
16.4.2 Vérification de l'aptitude au service459
17. Ponts pour piétons et cyclistes
465
17.1 Introduction467
17.2 Conception467
17.2.1 Système porteur467
17.2.2 Platelage469
17.3 Charges et actions471
17.3.1 Poids propre471
17.3.2 Charge utile471
17.4 Comportement dynamique472
17.4.1 Introduction472
17.4.2 Conception et mesures correctives473
17.4.3 Analyse dynamique474
17.4.4 Dimensionnement d'un amortisseur massique482
17.4.5 Vérifications et valeurs limites485
17.4.6 Application numérique489
18. Ponts arcs
493
18.1 Introduction495
18.2 Forme et fonctionnement496
18.2.1 Position du tablier496
18.2.2 Système statique496
18.2.3 Nombre d'arcs497
18.2.4 Elancement497
18.3 Conception et éléments de construction498
18.3.1 Cheminement des charges498
18.3.2 Arcs498
18.3.3 Tablier499
18.3.4 Suspentes502
18.3.5 Contreventement506
18.4 Montage506
18.4.1 Haubanage507
18.4.2 Demi-arc levé ou abaissé507
18.4.3 Pont entier508
18.4.4 Construction des arcs en prenant appui sur le tablier509
18.5 Analyse structurale510
18.5.1 Efforts intérieurs510
18.5.2 Charge asymétrique et concentrée511
18.5.3 Stabilité des arcs514
18.6 Vérifications518
18.6.1 Position des charges de trafic518
18.6.2 Vérification de l'arc520
Application numérique
19. Exemple d'un pont mixte
523
19.1 Introduction525
19.2 Description de l'ouvrage525
19.2.1 Utilisation525
19.2.2 Profil en long et tracé en plan526
19.2.3 Section transversale type et dalle en béton526
19.2.4 Poutres maîtresses526
19.2.5 Entretoises et raidisseurs528
19.2.6 Contreventements528
19.2.7 Connexion acier-béton528
19.2.8 Fabrication et montage528
19.2.9 Matériaux529
19.3 Prédimensionnement529
19.3.1 Hauteur de la poutre métallique530
19.3.2 Actions530
19.3.3 Dimensions des sections transversales531
19.4 Situations de risque et actions534
19.4.1 Situations de risque et états-limites535
19.4.2 Actions536
19.5 Analyse structurale538
19.5.1 Positionnement transversal des charges de trafic538
19.5.2 Positionnement longitudinal des charges de trafic539
19.5.3 Efforts intérieurs539
19.5.4 Fissuration et méthode de bétonnage543
19.6 Vérification de la sécurité structurale544
19.6.1 Définition des sections545
19.6.2 Section en travée au montage546
19.6.3 Section au milieu de la travée centrale au stade définitif549
19.6.4 Section sur appui intermédiaire au stade définitif550
19.6.5 Vérification des raidisseurs556
19.7 Dimensionnement de la connexion acier-béton558
19.7.1 Résistance élastique sur appui intermédiaire558
19.7.2 Résistance plastique en travée560
19.8 Sécurité à la fatigue563
19.8.1 Semelle inférieure en travée563
19.8.2 Semelle supérieure sur appui P2565
19.8.3 Connexion acier-béton566
19.8.4 Respiration de l'âme567
19.9 Vérification de l'aptitude au service568
19.9.1 Confort568
19.9.2 Aspect568
19.9.3 Aptitude au fonctionnement570
Index
571
Notations
577
Biographie des auteurs
582