Key words
(English)
|
Bridges, composite construction, slender beams, design, ductility, rotation capacity
|
Key words
(French)
|
Ponts, construction mixte, poutres élancées, vérifications, ductilité, capacité de rotation
|
Short description
(English)
|
In general, the design of existing composite bridges is based on an elastic model of the section resistance. Within the span, under the effects of positive bending moments, the use of plastic resistance in design is authorized under certain conditions. Over the intermediate supports, because of local instabilities of the compressed metal elements, only the elastic design is permitted. Experimental work has shown, however, that composite sections nevertheless have a certain ductility under negative bending moments. The idea of taking into account this restricted ductility when verifying the structural capacities of beams was recently studied. It was highlighted that the ductility depends on several parameters related to the shape of the cross section and the material properties, and that a simple model makes it possible to estimate the rotation capacity of these composite sections easily and in a conservative way. An analysis method, based on the rotation capacity required to enable a certain redistribution of the bending moments, was developed to take into account the available but limited rotation capacity near the supports. The purpose of the current research work
will be to widen the application of this method to cover all composite bridges, regardless of span
length or section configuration. This implies a certain number of finite element calculations, and
the presentation of the results in a manner that will be usable in practice. The benefits of the
method are simplicity and elimination the complications associated with elastic design, as well as
a more realistic evaluation of the true bridge capacity. This method, applied to existing bridges
designed elastically, will enable better exploitation of their plastic reserve and will allow a more
objective judgement of their structural adequacy in the context of durable bridge use.
|
Short description
(French)
|
Le dimensionnement des ponts mixtes existants se base en général sur un modèle élastique de la résistance des sections. En travée, sous l'effet de moments de flexion positifs, le calcul plastique de la résistance est autorisé sous certaines conditions. Sur appuis intermédiaires, du fait d'instabilités locales des éléments métalliques comprimés, seul le calcul élastique est applicable. Cependant, des travaux expérimentaux ont démontré que les sections mixtes possèdent quand même une certaine ductilité sous moments négatifs. Le principe de la prise en compte de cette ductilité restreinte dans la vérification de la sécurité structurale de poutres a été étudié récemment. Il a été mis en évidence que la ductilité dépend de plusieurs paramètres liés à la forme de la section transversale et au matériau et qu'un modèle simple permet d'estimer facilement et de manière conservatrice la capacité de rotation de ces sections mixtes. Une méthode de calcul basée sur la capacité de rotation requise pour développer une certaine redistribution des moments de flexion a été développée pour la prise en compte de la capacité de rotation disponible mais limitée sur appui.
Le présent travail de recherche a pour but d'élargir l'application de cette méthode à l'ensemble
des ponts mixtes en fonction des différents portées et des différentes configurations des
sections. Ceci implique un certain nombre de calculs par éléments finis et la mise à disposition
des résultats de manière à pouvoir être utilisable en pratique. Les gains de la méthode sont une
vérification simple, éliminant les complications du calcul élastique ainsi qu'une évaluation plus
réaliste de la capacité portante des ponts. Cette méthode appliquée aux ouvrages existants,
calculés élastiquement, permet une meilleure exploitation de leur réserve plastique et permettra
un jugement plus objectif de leur sécurité dans le contexte d'une utilisation durable des ponts.
|
Project description
(French)
|
Dans le cadre d’un travail de thèse effectué récemment à l’ICOM, une nouvelle méthode de vérification des poutres mixtes élancées a été développée. Elle offre la possibilité de s’affranchir du calcul élastique habituel utilisé pour effectuer une vérification de la sécurité structurale des poutres mixtes élancées employées dans les ponts. L’origine de cette thèse était la constatation de l’existence d’une certaine ductilité des sections mixtes élancées faite suite à l’analyse des résultats d’essais effectuées dans nos laboratoires et ailleurs. Naturellement, le contenu de la thèse n’est pas utilisable tel quel pour la pratique. Les principes de la nouvelle méthode doivent être présentés de manière à être assimilables par les praticiens. D’autre part, un certain nombre de calculs et de simulations numériques doivent encore être effectués pour compléter les résultats déjà obtenus et rendre la méthode utilisable et fiable pour la majorité des cas d’ouvrages concernant la pratique.
La nouvelle méthode de vérification des poutres mixtes élancées se fonde sur une analyse élasto-plastique du comportement des sections mixtes. Elle intègre la plastification quasi-totale des sections soumises à un moment positif ainsi que la ductilité restreinte du comportement des sections en zones de moments négatifs. La vérification se base sur la comparaison entre la rotation disponible (rot,av) de la poutre dans le domaine élasto-plastique et la rotation requise (rot,req) pour atteindre un état limite de ruine de la poutre. Pour rendre la méthode utilisable en pratique, les travaux suivants sont nécessaires:
- Calculer les rotations disponibles pour plusieurs sollicitations à l'effort tranchant,
- Calculer des rotations disponibles avec la présence de renforcements,
- Calculer les rotations requises pour plusieurs redistributions de moments d'appuis vers les travées,
- Calculer les rotations requises en intégrant des relations moment-courbure en travée représentatives des ponts,
- Calculer des rotations requises pour les effets du retrait et de la température,
- Calcul des rotations requises détaillées pour plusieurs valeurs de portées des ponts,
- Calculer plusieurs exemples numériques pour démontrer l'application de la nouvelle méthode.
La motivation et la description détaillée du projet sont contenues dans l'annexe 1.
|
Methods
(French)
|
Explication, illustration et présentation en termes utilisables par la pratique du principe de la méthode de vérification développée dans la recherche théorique sur le sujet qui a déjà abouti à une thèse. Développement des éléments nécessaires à l'utilisation pratique de la méthode (prises en compte des différentes formes de section de poutres mixtes et de portée des ponts au moyen de calcul par éléments finis) et mise à disposition de ces éléments sous une forme utilisable en pratique (graphiques et/ou équations). Illustrations de l'application de la méthode au moyens d'exemples sur des ouvrages existants. Elargissement de la méthode sur les moyens pratiques pour augmenter la capacité portante des ponts.
|
Special tools and infrastructure
(French)
|
Néant
|
Overview of own research activities
(French)
|
Le requérant possède une longue expérience aussi bien pratique que théorique dans l'étude du comportement des ouvrages mixtes acier-béton. De nombreux travaux récents de thèse effectués à l'ICOM sont à porter au crédit de cette expérience. Le requérent possède également une grande expérience dans l'évaluation des ouvrages existants, évaluation à laquelle la présente recherche peut contribuer valablement.
|
Project aims
(English)
|
The goal of the research is to place at the disposal of practitioners a new method of checking slender composite bridges. This method makes it possible to calculate the effective capacity of the bridge by taking into account the limited ductility of the slender composite sections in the intermediate support regions. The innovation of the method stems from the inclusion of the negative moment region’s previously ignored limited rotation capacity in modelling the bridge behaviour and verifying its structural capacity. In particular, this new method will enable the realistic estimation of possible reserve capacities for existing bridges. The method will also make it possible to envisage and quantify the effectiveness of simple reinforcements of the metal structure close to the intermediate supports to increase the capacity of a given bridge.
|
Project aims
(French)
|
Le but de la recherche est de mettre à disposition des praticiens une nouvelle méthode de vérification des ponts mixtes élancés. Cette méthode permet d'estimer la capacité portante effective des ouvrages en tenant compte de la ductilité limitée des sections mixtes élancées dans la zone des appuis intermédiaires. La nouveauté de la méthode est d'inclure dans le comportement de l'ouvrage et dans la vérification la capacité de rotation restreinte, jusqu'ici ignorée, des zones de moments négatifs. Cette nouvelle méthode permet en particulier d'estimer de manière réaliste les réserves possibles de résistance des ouvrages existants. La méthode permet également de prévoir et de chiffrer l'efficacité de renforcements simples de la structure métallique près des appuis intermédiaires pour augmenter la capacité portante des ouvrages.
|
Research agenda
(French)
|
Le programme de travail est prévu selon le plan suivant:
- description des détails de la nouvelle méthode de vérification de manière simple et accessible pour la pratique, (18%)
- calcul et rédaction des fonctions rotation disponible - efforts tranchants (13%)
- calcul, contrôle du modèle et rédaction des fonctions rotation disponible - raidisseurs (type, position,rigidité) (12%)
- calcul et rédaction des fonctions rotation requises - redistribution des moments (7%)
- calcul et rédaction des fonctions rotation requises - courbures en travée (13%)
- calcul et rédaction des fonctions rotation requises - retrait et température (12%)
- calcul et rédaction des fonctions rotation requises - portées (12%)
- choix des exemples et applications numériques et rédaction finale du rapport (13%)
D'autres détails sont donnés dans l'annexe 2.
|
Transfer and application
(French)
|
Cette recherche en elle-même est un élargissement pour la pratique d'un nouveau principe de vérification des ponts mixtes et une mise en valeur des résultats d'une recherche théorique. Dans son essence, elle aboutira sans aucun doute à la mise à disposition d'outils utilisables en pratique appuyé d'exemple de calcul. A priori, un crédit pour la suite des travaux ne sera pas nécessaire, cependant si d'autres cas de charge que ceux de la norme sont envisagés, des simulations numériques supplémentaires seront nécessaires pour l'application de la méthode (points 8 selon annexe 1).
|
Berichtsnummer
(German)
|
640
|
Literature
(French)
|
[1] ENV 1994-2 : 1997, Eurocode 4 : Design of composite steel and concrete structures – Part 2 : Rules for bridges, European Committee for Standardization, Bruxelles, 1997.
[2] Ducret, J.-M., Étude du comportement réel des ponts mixtes et modélisation pour le dimensionnement, Thèse N° 1738, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1997.
[3] Monney, C., Ducret, J.-M., Essais de poutres mixtes à âme mince, ICOM - Construction métallique, Rapport d’essai N° 357, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1999.
[4] Blanc, A., Gómez Navarro, M., Poutres mixtes à âme mince avec béton de fibres métalliques, ICOM - Construction métallique, Rapport d’essai N° 394, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 1999.
[5] Gómez Navarro, M., Experimental study of the behaviour of composite beams under negative bending moments, ICOM - Construction métallique, Rapport d’essai N° 395, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2001.
[6] Axhag, F., Plastic design of slender steel bridge girders, Doctoral thesis, Lulea University of technology, Sweden, 1998.
[7] Wargsjö, A., Plastik rotationskapacitet hos svetsade stalbalkar, Licentiatuppsats, Tekniska Högskolan i Lulea, 1991.
[8] Lääne, A., Post-critical behaviour of composite bridges under negative moment and shear, Thèse N° 2889, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2003.
|
