Bridges with jointless abutments

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2005/018
• Projekttitel Englisch: Bridges with jointless abutments

Schlüsselwörter (Deutsch)

 

Schlüsselwörter (Englisch)

Bridge abutments, jointless bridges, bridges without bearings

Schlüsselwörter (Französisch)

Culées de ponts, ponts sans joints de dilatation, ponts sans appuis mécaniques

Forschungsprogramme (Französisch)

Programme de travail :

a)       Définition des actions déterminantes :                                                                     2006/Q3+4

b)       Modélisation théorique du comportement :                                                      2006/Q3 – 2007/Q2

c)       Etude des limites d’applicabilité pour les solutions courantes :                 2007/Q3 – 2008/Q2

d)       Développement de solutions innovantes :                                                       2008/Q3 – 2009/Q1

e)       Etude des solutions où les appuis sont remplacés par des éléments
souples :                                                                                                                  2008/Q3 – 2009/Q1

Rédaction du rapport :

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project will reach the above mentioned goals by first studying the available technical literature on bridge movements: time-dependant effects of concrete and temperature variations; this will allow updating the required safety margins. On that basis, and taking into account the interaction between structure, soil and pavement, the behaviour of integral abutments will be modelled. This model will allow studying the influence of deck rotation on the pavement in jointless solutions. More generally, it will lead to a precise definition of the application limits for bridges with integral abutments, both for new and for existing bridges without time-dependent effects (old concrete bridges and steel bridges).

Innovative constructive solutions will be developed to allow extending the limits of application of integral abutments and to improve their efficiency. Finally, solutions in which bearings are replaced by flexible elements will be investigated.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet se propose d’atteindre les objectifs susmentionnés en procédant à une étude de la littérature disponible concernant les mouvements des ponts : effets différés du béton et variations de température, afin d’actualiser les marges de sécurité nécessaires. Sur cette base, et en tenant compte de l’interaction entre la structure, le sol et le revêtement, le comportement des culées intégrées sera modélisé. Ce modèle permettra d’étudier l’influence des rotations du tablier sur le revêtement dans les solutions sans joints, et plus généralement de définir précisément les limites d’application des ponts à culées intégrées, pour les ouvrages neufs et pour les ouvrages existants sans effets différés (anciens ponts en béton, ponts métalliques).

Des solutions constructives innovantes seront développées pour permettre de dépasser ces limites et pour accroître l’efficacité des solutions à culée intégrée. Finalement, des solutions dans lesquelles les appuis sont remplacés par des éléments souples seront étudiées.

Projektbeschreibung (Französisch)

Pour atteindre les objectifs définis plus haut, la démarche suivante est prévue :

a)   Etude des travaux existants sur l’effet du retrait, du fluage et de la température (déplacements et rotations du tablier en fonction du temps) ; définition des actions déterminantes et des marges de sécurité nécessaires.

b)   Modélisation théorique du comportement de la structure, du sol et du revêtement ainsi qu’étude de leur interaction. Le comportement non linéaire de la structure sera modélisé avec des outils classiques, celui du sol et du revêtement par la méthode des éléments finis. Validation avec les résultats à disposition (essais).

c)   Etude des limites d’applicabilité pour les solutions courantes dans le cas des nouveaux ponts et dans le cas des ponts sans effets différés (ponts anciens et ponts métalliques) en fonction des différents paramètres (type de sol, type de revêtement, géométrie de la culée, mouvements limites prévus). Validation avec les résultats à disposition (cas limites où le comportement a été satisfaisant, cas où le comportement a été insatisfaisant).

d)   Développement de solutions innovantes pour étendre les limites d’applicabilité et accroitre la performance sur la base de la modélisation théorique. Etude par variation des paramètres géométriques et mécaniques (longueur, profondeur et géométrie de la dalle de transition ; géométrie de la culée ; caractéristiques mécaniques du sol et du revêtement ; possibilités d’optimisation de ces caractéristiques). Travail pour les nouveaux ponts et pour les ponts existants.

Etude de solutions où les appuis sont remplacés par des éléments souples et proposition de règles de dimensionnement pour ces cas où les déplacements imposés sont déterminants.

Methoden (Französisch)

L’analyse du comportement des ponts à culées intégrées, pour les cas actuels et les solutions innovantes qui seront développés, sera effectuée de manière analytique ou numérique. Les modèles élaborés seront comparés à des résultats déjà disponibles tant d’essais en laboratoire que d’observations du comportement d’ouvrages réels.

Les travaux scientifiques suivants doivent être effectués pour servir de base au développement des modèles de comportement des ponts à culées intégrées :

-         modélisation du comportement de la structure, du sol et du revêtement ainsi qu’étude de leur interaction ;

-         étude de la localisation ou de la répartition des déformations provoquées par un déplacement imposé (dans la structure, dans le sol et dans le revêtement);

-         étude du comportement sous actions cycliques ;

-              étude de l’influence de la vitesse de déplacement en considérant le fluage et la relaxation des trois éléments (structure-sol-revêtement) ainsi que la température.

Spezielle Geräte und Installationen (Deutsch)

Nicht erforderlich

Stand der eigenen Forschung (Französisch)

Des expériences et des recherches intéressantes sur les ponts sans joints de dilatation et/ou sans appareils d’appui ont été effectuées surtout :

-          en Allemagne [3-11]

-          au Royaume Uni [12-14]

-          en Finlande [15]

-          au Canada [16, 17]

-          aux Etas Unis [18, 19]

-          en Australie [20]

L’étude de ces travaux a fait l’objet d’un travail récent commissionné par l’OFROU (Integrale Brücken, Sachstanbericht, Forschungsauftrag AGB 2003/001, [1]). Un complément à ce travail pour étudier les cas de ponts suisses d’une certaine longueur avec culées intégrées sans ou avec problèmes est prévu (voir demande AGB 2005/019).

Du fait que les solutions varient énormément selon les différents pays et que le comportement est fortement influencé par les choix constructifs, les expériences et les phénomènes observés sont généralement peu applicables pour les solutions utilisées ou susceptibles d’être utilisées en Suisse.

Projektziele (Englisch)

The project aims at studying up to what level expansion joints and / or mechanical bearings in bridge abutments can be avoided. The use of innovative solutions to facilitate the construction of jointless bridges and to remove the bearings and joints on large size existing bridges will be investigated. Bridges without expansion joints and mechanical bearings allow to :

-          reduce the amount of maintenance and repair (by avoiding elements with a limited lifetime and hard to plan repair works)

-          avoid the noise caused by traffic on roadway joints

-          increase user comfort and safety

-          decrease construction costs

improve the overall performance of the infrastructure

Projektziele (Französisch)

Le but principal est d’étudier jusqu’à quel point les joints de dilatations et / ou les appuis mécaniques dans les culées des ponts peuvent être supprimés ainsi que développer des solutions innovantes pour permettre cette suppression en cas de nouveaux ponts ou en cas d’intervention sur les ponts existants d’une longueur relativement importante. La suppression des joint de dilatation et des appuis mécaniques permet de :

-          réduire la maintenance et les travaux de réparation (suppression d’éléments avec durée de vie limitée et travaux de réparation difficiles à prévoir)

-          supprimer le bruit provoqué par le trafic sur les joints de chaussée

-          augmenter le confort et la sécurité des usagers

-          réduire les coûts de construction

augmenter la performance de l’infrastructure

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Le but de la recherche est la connaissance des limites d’application des ponts à culée intégrée. Sur cette base, la conception d’ouvrages sans joints de chaussée ni de dilatation pourra se développer. Des solutions constructives seront proposées pour étendre ces limites en tenant compte des aspects de structure, de sol et  de revêtement routier.

Berichtsnummer (Deutsch)

646

Literatur (Deutsch)

[1]      Kaufmann, W., „Integrale Brücken, Sachstandbericht“, Forschungsauftrag ASTRA, AGB 2003/001, Bericht, Vorabzug April 2005, 56 pp.

[2]      Bundesamt für Strassen (ASTRA), “Richtlinien für konstruktive Einzelheiten von Brücken”, 1990 (Revision Oktober 1996), 190 pp.

[3]      Pötzl, M., „Robuste Brücken : Vorschläge zur Erhöhung der ganzheitlichen Qualität,“ Dissertation, Universität Stuttgart, 1995, 288 pp.

[4]      Pötzl, M., Schlaich, J., und Schäfer, K., „Grundlagen für den Entwurf, die Berechnung und die konstruktive Durchbildung lager- und fugenloser Brücken,“ Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 461, Beuth Verlag, 1996, 125 pp.

[5]      Schlaich, J., Pötzl, M., Beiche, H., Ehrke, E., und Decker, U., „Die Brücke über das Nesenbachtal im Zuge der Ostumfahrung Stuttgart-Vaihingen,“ Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 95, Heft 11, 2000, pp. 678-687

[6]      Pötzl, M. und Koch, R., „Erkenntnisse aus Messungen an der fugenlosen Brücke über das Nesenbachtal in Stuttgart,“ Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 9g, Heft 10, 2001, pp. 670-678

[7]      Engelsmann, St., “Integrale Betonbrücken: Entwerfen und Bemessen von Brücken ohne Lager und Fugen,“ Dissertation, Universität Stuttgart, 1998, 188 pp.

[8]      Engelsmann, St., Schlaich, J., und Schäfer, K., „Entwerfen und Bemessen von Betonbrücken ohne Fugen und Lager, „Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 496, Beuth Verlag, 2000, 124 pp.

[9]      Schüller, M., „Konzeptionelles Entwerfen und Konstruieren von Integralen Betonbrücken,“ Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 99, Heft 10, 2004, pp. 774-789

[10]    Berger, D., Graubner, C.-A., Pelke, E. und Zink, M., „Besonderheiten bei Entwurf und Bemessung integraler Betonbrücken“, Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 99, Heft 4, 2004, pp. 295-303.

[11]    Pötzl, M., Naumann, F., „Fugenlose Betonbrücken mit flexiblen Widerlagern“, Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 100, Heft 8, 2005, pp. 675-685.

[12]    Pritchard, B. (Hrsg,), „Continuous and Integral Bridges“, Proceedings of the Henderson Colloquium „Towards Joint-Free Bridges” organized by the British Group of IABSE, Spon Press, 1993, 295 pp.

[13]    England, G.L., Tsang, N.C., and Bush, D.I., „Integral bridges: a fundamental approach to the time-temperature loading problem,” Thomas Telford, London, 2000, 152 pp.

[14]    Design Manual for Roads and Bridges, Part 12, BD 42/96 Amendment No. 1, “The Design of Integral Bridges”, UK Highways Agency, 2003, 12 pp

[15]    Koskinen, M., “Soil-structure interaction of jointless bridges on piles,” Dissertation, Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, 1997, 184 pp.

[16]    Husain, I., and Bagnariol, D., “Performance of Integral Abutment Bridges,” Report BO-99-04, Ministry of Transportation of Ontario, 1999, 20 pp.

[17]    Bridge Structure Design Criteria, Appendix C, “Guidelines for Design of Integral Abutments“, Alberta Transportation Service, 2003, 24+10 pp.

[18]    Burke, M. P., Jr., „Integral Bridges,“ Transportation Research Record, No 1275, Transportation Research Board, National Research Council, Washington, D.C., USA, 1990.

[19]    Kunin, J., and Alampalli, S., “Integral Abutment Bridges: Current Practice in the United States and Canada,” Special Report, No. 132, Transportation Research and Development Bureau, New York State Department of Transportation, 1999, 19 pp.

[20]         Connal, J., “Integral Abutment Bridges – Australian and US Practice,” Proceedings, Austroads Bridge Conference, 2004, 19 pp.