Lateral buckling of bridge steel girders

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2008/004
• Projekttitel Englisch: Lateral buckling of bridge steel girders

Schlüsselwörter (Englisch)

Steel bridges, steel-concrete composite bridges, plate girders, lateral torsional buckling, stability, modelisation, code

Schlüsselwörter (Französisch)

Ponts métalliques, ponts mixtes acier-béton, poutres composées-soudées, déversement, stabilité, modélisation, normalisation

Kurzbeschreibung (Englisch)

Lateral torsional buckling (LTB) was and is always largely the object of important research in particular for the steel rolled beams used in building. The models for the LTB verifications of structural safety of these beams are based on these studies. For the slender I girders, made up of plates, used in the construction of steel and composite bridges, the same verification models are used, however with a very large conservatism, because no intensive theoretical and experimental study exists to validate these models in the case plate girders used in steel bridges construction.

In the field of the steel bridges, the parameters which play a role in LTB are very numerous and their influence cannot be evaluated with simple investigation methods. Indeed, plate girders of bridges belong to a structure of the space whose behaviour is influenced by their connections with the other elements of the structure and nature of the actions acting on the bridge. In addition plate girders have manufacturing defects, initial deformations and are the seat of residual stresses, completely different from the one of the rolled beams.

The suggested research wants to analyze in an exhaustive and thorough way the resistance to LTB of the plate girders and to propose models to evaluate their resistance to LTB which correspond better to the reality of the behaviour of steel bridges. These models could advantageously be used for better dimensioning steel bridges but also to evaluate in a more realistic way resistance to LTB of existing bridges.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le déversement a été et est toujours largement l’objet de recherches importantes en particulier pour les poutres métalliques laminées utilisées pour le bâtiment. Les modèles pour la vérification de la sécurité structurale au déversement de ces poutres sont basés sur ces études. Pour les poutres en I élancées, composées-soudées, utilisées dans la construction des ponts métalliques et mixtes, les mêmes modèles de vérification sont employés mais avec un conservatisme très grand car aucune étude théorique et expérimentale intensive n’existe pour valider ces modèles dans le cas des poutres composées-soudées constituant la charpente métallique des ponts.

Dans le domaine des ponts métalliques, les paramètres qui jouent un rôle dans le déversement sont très nombreux et leur influence ne peut pas être évaluée avec des méthodes d’investigation simple. En effet, les poutres composées-soudées des ponts font partie d’une structure de l’espace dont le comportement est influencé par leurs liaisons avec les autres éléments de la structure et la nature des actions agissant sur l’ouvrage. Elles ont d’autre part des défauts de fabrication, des déformations initiales et sont le siège de contraintes résiduelles totalement différentes de celles des poutres laminées.

La recherche proposée veut analyser de manière exhaustive et approfondie la résistance au déversement des poutres composées-soudées et proposer des modèles pour évaluer leur résistance au déversement qui correspondent mieux à la réalité du comportement des ponts. Ces modèles pourront avantageusement être utilisés pour mieux dimensionner les ouvrages en métal mais aussi pour évaluer de manière plus réaliste la résistance au déversement des ouvrages existants

Projektbeschreibung (Französisch)

La vérification au déversement des poutres métalliques en forme de I composées-soudées utilisées dans la construction des ponts se base sur un modèle très conservateur issu de la recherche sur les poutres laminées. Une étude générale du déversement des poutres métalliques composées-soudées est particulièrement nécessaire pour améliorer les connaissances dans ce domaine et pour chiffrer les influences des paramètres particulier aux ponts. Les courbes de réduction pour le déversement, actuellement utilisées, sont calibrées par rapport à des données expérimentales forcément limitées ce qui restreint de facto leur domaine de validité. En particulier, ces courbes ne couvrent pas du tout les cas de figure rencontrés dans les structures de pont et qui sont beaucoup plus complexes, tant au niveau des conditions d’appui de la poutre, que des sollicitations de flexion variables avec le corollaire d’une inertie tout aussi variable. Par défaut, elles sont tout de même utilisées pour conserver une approche raisonnablement simple des justifications au déversement des poutres de pont.

Compte tenu de la déformabilité de la section, le déversement d’une poutre de pont relève plutôt d’un phénomène de flambement de sa semelle comprimée. Les courbes de réduction pour le flambement ont généralement la même forme analytique que celles pour le déversement, mais là encore leur calibration utilisant les résultats d’essai exclue les poutres de pont de leur domaine de validité.

Par conséquent, la recherche proposée veut tenir compte des paramètres qui jouent un rôle spécifiques dans le comportement au déversement des poutres de ponts. Du fait que la méthode actuelle de vérification du déversement applicable aux poutres de pont montre un conservatisme avéré, elle nécessite des adaptations pour tenir compte de :

§ la non-uniformité des sections (semelles d’épaisseur variable le long de l’ouvrage),

§ la mono-symétrie des poutres (semelle supérieure plus petite que la semelle inférieure),

§ l’hyperstaticité du pont et les variations du moment sollicitant,

§ la répartition transversale du trafic routier sur le tablier, et donc l’effet stabilisateur des poutres moins chargées,

§ la présence d’entretoises, qui créent des maintiens latéraux élastiques discrets,

§ le fait que l’âme est en général élancée (voir très élancée, si raidie) et donc que la section n’est pas indéformable,

§ la présence d’appuis latéraux (entretoises) qui constituent des appuis élastiques à comportement antimétrique ou symétrique,

§ des contraintes résiduelles dues à l’oxycoupage des tôles constituant la section de la poutre composée-soudée, lesquelles sont totalement différentes de celles présentes dans une poutre laminée.

(voir annexe à la demande)

Erwartete Erkenntnisse/ Nutzen, Nutzniesser (Französisch)

Amélioration des connaissances sur le déversement des poutres composées-soudées de ponts. Economie dans le dimensionnement des ponts. Evaluation plus réaliste du comportement au déversement des ouvrages existants.

Methoden (Französisch)

Recherche bibliographique récente. Simulations numériques du comportement 3D des ponts avec poutres composées soudées et études paramétriques. Validation si possible avec résultats expérimentaux. Proposition d’un modèle de calcul au déversement plus réaliste.

Spezielle Geräte und Installationen (Französisch)

Néant, l’EPFL et le laboratoire disposent des moyens informatiques et logiciels nécessaires à cette recherche.

Allgemeiner Stand der Forschung (Französisch)

L’ICOM travaille depuis de nombreuses années dans le domaine du comportement des structures métalliques et des ponts mixtes acier-béton. Sa longue expérience tant dans les domaines des simulations numériques et de la modélisation que dans le domaine expérimental lui confère les bases nécessaires pour aborder cette recherche.

Des recherches similaires portant sur la stabilité et le comportement des poutres mixtes ont déjà été menées à leur terme [1]. Des collaborations internationales avec notamment le SETRA (Service d’études sur les transports, les routes et leurs aménagements [2]) et des chercheurs japonais ont déjà eu lieu et se poursuivront pour discuter de plusieurs aspects concernant cette recherche.

Projektziele (Englisch)

Lateral torsional buckling (LTB) is a complex phenomenon of instability of the beams under bending moments. The current LTB verifications of bridge beams are based on research works relating to only rolled beams used in building for which the characteristics and the behaviour are very different from the plate girders used in bridges. The objective of this research is to define a method of verification for steel bridge girders, less conservative, by taking into account the specificities of the bridges. Principal works will consiste in numerical simulations by means of calculation models taking into account the particular characteristics of steel and composite bridges girders.

Projektziele (Französisch)

Le déversement est un phénomène complexe d’instabilité des poutres fléchies. Les vérifications actuelles des poutres de ponts au déversement se basent sur des travaux de recherche ne concernant que des poutres laminées utilisées dans le bâtiment dont les caractéristiques et le comportement sont très différents des poutres composées-soudées utilisées pour les ponts. L’objectif de cette recherche est de définir une méthode de vérification pour les poutres métalliques de pont, moins conservatrice, en tenant compte des particularités des ponts. Les principaux travaux seront constitués par des simulations numériques au moyen de modèles de calcul représentatifs de la conception actuelles des ponts métalliques et mixtes.

Forschungsplan (Französisch)

L’idée à la base de cette recherche est de définir une méthode de vérification pour les poutres métalliques composées-soudées de pont en se basant sur les méthodes connues actuellement et en les adaptant aux contextes des poutres de ponts. Les principaux travaux seront constitués par des simulations numériques au moyen de modèles de calcul représentatifs de la conception actuelles des ponts métalliques et mixtes. Une confrontation des résultats numériques avec des résultats expérimentaux est envisagée sur la base de résultats récents, à trouver dans la littérature sur le sujet, et sur des résultats provenant d’essais sur une poutre composée-soudées effectués dans nos laboratoires. Les grandes étapes de la recherche sont :

1) Approfondissement de l’étude de la littérature portant sur les travaux récents effectués dans le domaine.

2) Détermination des modèles numériques (2D, 3D, filaires, coques, volumiques) adéquats pour effectuer des simulations représentatives des poutres composées-soudées de ponts.

3) Simulations numériques de poutres de ponts basées sur les données de ponts mixtes provenant de notre base de données en tenant comptes des facteurs suivants caractéristiques des ponts :

a. des imperfections géométriques des poutres basées sur les tolérances de fabrication des poutres,

b. des contraintes résiduelles existantes dans les poutres composées-soudées, lesquelles sont très différentes de celle utilisées (poutres laminées) pour calibrer les courbes de déversement actuelles (voir fig. 7),

c. de la variation effective des efforts intérieurs, compte tenu de l’influence de la dalle (effet sur la répartition transversale des charges) et de la position des charges sur l’ouvrage,

d. de la géométrie variable des sections caractéristiques des poutres de pont,

e. des appuis latéraux des semelles comprimées fournis pour l’entretoisement des poutres (répartition, élasticité de ces appuis) (voir fig. 6).

4) Etudes paramétriques pour déterminer l’influence de la nuance d’acier et de la position ainsi que de la rigidité de l’entretoisement dans son plan.

5) Evaluations et analyse des résultats, et formulation d’un modèle de vérification au déversement des poutres de ponts.

6) Applications numériques.

Cette étude évaluera la question du déversement :

- dans les stades transitoires de montage, en particulier pour les semelles supérieures comprimées en travée,

au stade final pour les semelles inférieures comprimées dans la zone des appuis intermédiaires.

Umsetzung und Anwendungen (Französisch)

Modification de la normalisation dans ce domaine.

Berichtsnummer (Deutsch)

667

Berichtsnummer (Englisch)

667

Berichtsnummer (Französisch)

667

Literatur (Französisch)

[1] LÄÄNE, A., LEBET, J.-P., Design of slender composite bridges using suppoprt region limited ductility .In : Proceedings of the Conference Eurosteel 2005, 4th European Conference on Steel and Composite Structures, Maastricht, June 8-10, 2005, ed. by B. Hoffmeister and O. Hechler, Volume B, paper 169, p. 4.6-37 - 4.6-44.

[2] DAVAINE, L., LEBET, J.-P., Lateral torsional buckling of steel-concrete composite bridge I-girders, In : Proceedings of the IABSE Symposium "Improving Infrastructure Worldwide", Weimar, Germany, 19-21 September 2007, published by IABSE, Zürich, p. 136-137 + CD ROM, Paper A-0221.

[CECM (Convention Européenne de la Construction Métallique), Second international colloquium on stability, Introductory report, Manual on the stability of steel structures, Chapter 2, p. 19-53, 1977.

CEN (Comité Européen de Normalisation), Eurocode 3 : Calcul des structures métalliques, Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments, Bruxelles, Décembre 2004.

CEN (Comité Européen de Normalisation), Eurocode 3 : Calcul des structures métalliques, Partie 2 : Ponts métalliques, Bruxelles, Octobre 2006.

GALEA, Y., Déversement élastique d’une poutre à section bi-symétrique soumise à des moments d’extrémité et une charge répartie ou concentrée. Revue Construction Métallique n°2, Saint Rémy les Chevreuse, 2002.

[ROCHE, J. & FOUCRIAT, J., Conception et calcul des éléments transversaux dans les ponts routes mixtes, OTUA, Bulletin Ponts Métalliques n°11, 1986.

Sétra (Service d’Etudes Techniques des Route set Autoroutes), Calcul des ponts mixtes routiers selon les Eurocodes, Guide méthodologique, Collections « Les outils », Bagneux, 2007.

TIMOSHENKO, S.P., Théorie de la stabilité élastique, Edition Dunod, Paris, 1966.

VILLETTE, M., Propositions pour de nouvelles courbes de déversement, Revue Construction Métallique n°2, Saint Rémy les Chevreuse, 2002.