Updated traffic load model for concrete bridge deck slabs

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: AGB2009/005

Key words (English)

Road-bridges, assessment, structural safety, concrete bridge deck slabs, traffic model, traffic load model

Key words (French)

Ponts-routes, évaluation, sécurité structurale, dalles de roulement en béton, modèle de trafic, charge de trafic

Short description (English)

Reinforced or prestressed concrete bridge deck slabs are very important and strongly stressed elements of road bridges. In recent years, their behaviour has been studied in various researches. If the resistance side and failure mode was reasonably well explored, the loading side is still poorly known. The current Swiss and European standards consider a double axle in their traffic load model. Is this double axle truly representative of the load really introduced by vehicles on the bridge deck slabs? This research project aims to provide some answers to this question.

This research project will study in particular concrete bridge deck slabs of box or twin-beam bridge. The general principle of the study is to compare the effect of a realistic traffic load model and the effect of traffic load models of current standards. The project will first determine the traffic loads to be taken into account for the bridge deck slabs assessment, and then model a number of representative slabs. Finally, based on the results obtained, an updated traffic load model will be developed and proposed.

Short description (French)

Les dalles de roulement en béton armé ou précontraint sont des éléments très importants et très sollicités des ponts routiers. Elles ont fait l’objet ces dernières années de diverses recherches visant à étudier leur comportement. Si le côté de la résistance et du mode de rupture a été passablement exploré, le côté des sollicitations reste encore mal connu. Les normes suisses ou européennes en vigueur considèrent un double essieu dans leur modèle de charge de trafic. Ce double essieu est-il vraiment représentatif du chargement introduit en réalité par les véhicules sur les dalles de roulement ? Le présent projet de recherche vise à apporter certaines réponses à cette question.

Ce projet de recherche traitera en particulier des dalles de roulement en béton des ponts caisson ou bipoutres. Le principe général de l’étude consiste à comparer l’effet d’un modèle de charge de trafic réaliste et l’effet des modèles de charge de trafic des normes en vigueur. Il s’agira tout d’abord de déterminer les charges de trafic à prendre en compte pour l’évaluation des dalles de roulement, puis de modéliser un certain nombre de dalles représentatives. Un modèle de charge de trafic actualisé sera finalement développé et proposé sur la base des résultats obtenus.

Project description (French)

La première phase du projet consiste à rassembler des informations concernant les charges de trafic actuelles en Suisse, après la libéralisation des véhicules de 40 tonnes. La recherche s’orientera plus spécifiquement vers certains types de véhicules ou de groupes d’essieux jugés prépondérants pour les dalles de roulement. Certaines analyses statistiques ciblées seront également faites sur les données brutes des stations de pesage en marche les plus récentes.

La seconde phase du projet propose l’étude de dalles de roulement en béton des ponts caisson ou bipoutres et le développement d’un modèle de charge de trafic actualisé pour la vérification de leur sécurité structurale. Le principe général de l’analyse consiste à comparer l’effet de modèles de charge de trafic réalistes et l’effet des modèles de charge de trafic des normes en vigueur.

Trois volets principaux sont prévus pour l’établissement du modèle de charge actualisé pour l’évaluation des dalles de roulement en béton :

1. Déterminer les charges de trafic réalistes à prendre en compte

Sur la base des informations recueillies sur les charges de trafic actuelles, des modèles de charge de trafic déterministes réalistes seront mis au point. Ces modèles prendront en compte des facteurs d’amplification dynamique basés sur les résultats des recherches existantes et notamment les résultats fournis par [OFROU 2004].

2. Modéliser un certain nombre de dalles de roulement en béton représentatives

Plusieurs dalles de roulement en béton seront modélisées par éléments finis. Elles seront sollicitées d’une part par les charges de trafic réalistes mises au point et d’autre part par le modèle de charge de trafic de la norme.

3. Développer un modèle de charge de trafic actualisé

L’effet de chargements réalistes sera comparé avec l’effet des modèles de charge de trafic des normes en vigueur. Il est prévu de comparer les sollicitations élastiques obtenues et d’en déduire des coefficients a actualisés applicables pour l’évaluation de la sécurité structurale des dalles de roulement existantes en béton des ponts caisson ou bipoutres.

Notons que contrairement à ce qui a été fait dans [OFROU 2006], la présente étude ne sera pas de type probabiliste avec des simulations de trafic de type Monte Carlo, mais plutôt de type déterministe avec des grandeurs et des positionnements réalistes de charges d’essieux. Le logiciel de simulation développé dans [OFROU 2006] ne devrait donc pas être utilisé dans cette étude.

Précisions encore que le présent projet de recherche sera orienté vers les questions de sécurité structurale et ne traitera pas de la sécurité à la fatigue. Les connaissances acquises dans le domaine des poids de véhicules pourront néanmoins être utiles à d’autres études dans le domaine de la fatigue.

Expected findings/ usefulness, beneficiaries (French)

Cette recherche est d’abord dirigée vers la pratique et l’évaluation des ouvrages existants à la sécurité structurale. Elle s’oriente vers la problématique des charges de trafic sur la dalle de roulement et traitera en particulier des dalles des ponts caisson ou bipoutres.

Aujourd’hui, lorsqu’une vérification d’une dalle de roulement d’ouvrage nécessite une actualisation des charges de trafic, les ingénieurs doivent modéliser divers camions ou séquences d’essieux. A l’exception des quelques indications données dans [OFROU 2004], il n’existe pas de documentation à ce sujet pour un trafic de 40 tonnes et les ingénieurs ne savent souvent pas quelles charges prendre en compte. La présente recherche devrait fournir d’une part une documentation sur les charges de trafic en Suisse et d’autre part un modèle de charge actualisé simple pour l’évaluation des dalles de roulement en béton des ponts caisson ou bipoutres. Pour ce deuxième point, comme pour [OFROU 2006], l’idée première est de fournir des coefficients a actualisés à appliquer sur les modèles de charge de la norme SIA 261, bien connus des ingénieurs.

Methods (French)

Le principe général de l’étude consiste à comparer l’effet d’un modèle de charge de trafic réaliste et l’effet des modèles de charge de trafic des normes en vigueur

Special tools and infrastructure (French)

Ces dernières années, l’OFROU a installé des stations de pesage en marche sur les routes nationales suisses. Ces stations sont installées aux quatre coins du pays et fournissent des données en continu. Ces mesures sont analysées par le bureau Bächtold & Moor AG à Berne et font l’objet de rapports annuels. Ces rapports, tout comme les données brutes des stations de pesage, constitueront la base pour l’étude des charges de trafic réalisée dans le cadre de cette recherche.

Overview of research activities (French)

La législation suisse en matière de poids légal a passablement évolué ces dernières années, et depuis 2005 les véhicules de 40 tonnes circulent librement. Ces changements ont de l’influence sur le parc de véhicules et de nouveaux types de véhicules ont fait leur apparition. Notons par exemple l’arrivée des camions simples de 5 essieux d’un poids légal de 40 tonnes réparti sur quelques mètres. Des connaissances actualisées sur ce sujet n’existant pas, le présent projet propose d’en établir en orientant la recherche sur les véhicules sollicitant fortement les dalles de roulement.

Dans ce contexte d’évolution des charges de trafic, une part croissante des travaux sur les infrastructures routières concerne l’entretien, la maintenance et l’évaluation d’ouvrages existants. L’OFROU étant directement concernée par ces questions, elle a déjà financé des projets de recherche afin d’améliorer les méthodes d’évaluation d’ouvrages existants :

- le projet [OFROU 2006] propose un modèle de charges de trafic actualisé pour l’évaluation des ponts existants à deux voies. Ce modèle est applicable pour la vérification de la sécurité structurale des poutres principales de différents types de ponts, mais ne concerne pas les sections transversales ou les éléments structuraux de faibles longueurs ou surfaces d’influence.

- le projet [OFROU 2004] traite de la question du facteur d’amplification dynamique et propose des valeurs actualisées à prendre en compte pour l’évaluation des ponts existants. Il donne également des indications sur différentes charges actualisées applicables aux dalles de roulement.

Le présent projet propose de compléter ces précédentes études en s’orientant spécifiquement vers la problématique des dalles de roulement en béton et en traitant le cas particulier des dalles de ponts caisson ou bipoutres. Notons qu’étant donné le côté spécifiquement national des charges de trafic considérées, les références internationales sont peu concernées par cette étude.

Project aims (English)

The project has the following objectives:

- improve knowledge of the actual traffic loads and in particular the local loads of axles of vehicles,

- propose an updated load model for the assessment of transverse structural safety of concrete bridge deck slabs,

- supplement the updated traffic load model of projects AGB-1998-104 [OFROU 2004] and AGB-2002-005 [OFROU 2006] regarding the structural elements of small lengths or areas of influence.

Project aims (French)

Le projet a les objectifs suivants :

- améliorer les connaissances concernant les charges de trafic réelles et en particulier les sollicitations locales des essieux de véhicules,

- proposer un modèle de charge actualisé pour l’évaluation de la sécurité structurale des dalles de roulement en béton des ponts caisson ou bipoutres,

- apporter un complément au modèle de charge de trafic actualisé des projets AGB-1998-104 [OFROU 2004] et AGB-2002-005 [OFROU 2006] pour les éléments structuraux de faibles longueurs ou surfaces d’influence.

Research agenda (French)

Le travail comporte en détail les étapes suivantes :

L’analyse des charges de trafic par

- l’étude des derniers rapports de dépouillement des mesures des stations de pesage en marche des routes nationales,

- l’analyse statistique spécifique de certains types de véhicules ou de groupes d’essieux jugés prépondérants.

La mise au point de modèles de charge de trafic déterministes réalistes basés sur

- les résultats de l’analyse spécifique des charges de trafic effectuée,

- une réflexion sur la question des effets dynamiques à prendre en compte.

Le choix de dalles de roulement en béton représentatives avec des variations sur

- la portée transversale de la dalle,

- l’épaisseur de la dalle,

- la dimension de la bordure ou du new jersey,

- les conditions d’appui.

Le calcul des effets sur les dalles de roulement en béton choisis en considérant

- une modélisation biidimensionnelle par éléments finis et une solution élastique,

- les modèles de charge de trafic réalistes développés d’une part, et les modèles de charge de trafic des normes en vigueur (SIA 260 et SIA 261 de 2003) d’autre part.

Le développement d’un modèle de charge de trafic actualisé pour l’évaluation des dalles de roulement en béton des ponts caisson ou bipoutres

- basé sur la comparaison des effets entre une sollicitation spécifique et une sollicitation selon les normes en vigueur,

- simple et facile à appliquer pour la pratique.

La rédaction du rapport final du projet comprenant notamment

- les résultats et conclusions des études sur les charges de trafic et des analyses statistiques effectuées,

- le modèle de charge de trafic actualisé développé pour l’évaluation des dalles de roulement en béton et ses conditions d’application.

Le planning prévisionnel est le suivant :

10.2009 – 04.2010 : Analyse des charges de trafic

03.2010 – 06.2010 : Mise au point des modèles de charge

03.2010 – 06.2010 : Choix de dalles représentatives

06.2010 – 09.2010 : Modélisation et calcul des dalles

09.2010 – 12.2010 : Développement du modèle actualisé

12.2010 – 03.2011 : Rédaction du rapport final

Transfer and application (French)

Outre l’application pratique du modèle de charge de trafic actualisé pour l’évaluation des dalles de roulement en béton des ponts caisson ou bipoutres, des indications intéressantes pourront ressortir en vue de la conception des normes de construction futures, apportant ainsi aussi un potentiel d’économie pour la réalisation des futurs nouveaux ouvrages. Notons à ce titre que le Dr A. Fürst, président de la commission de suivi BK-C de cette recherche, est membre de la commission de norme SIA 261.

Berichtsnummer (German)

664

Berichtsnummer (English)

664

Literature (French)

OFROU 2004] LUDESCHER, H., BRÜHWILER, E., Vergrösserungsfaktoren für die Wirkung von Strassenverkehr auf bestehende Brücken, Office fédéral des routes, OFROU, AGB 1998/104, Publication VSS 571, Berne, Mars 2004.

[OFROU 2006] MEYSTRE, Th., HIRT, M. A., Evaluation de ponts routiers existants avec un modèle de charge de trafic actualisé, Office fédéral des routes, OFROU, AGB 2002/005, Publication VSS 594, Berne, Mars 2006.

[EPFL 2007] VAZ RODRIGUES, Rui, Shear strength of reinforced concrete bridge deck slabs, École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL, Thèse N°3739, 2007.