Vérification expérimentale des culées de ponts semi-intégrées

• Unité de recherche: OFROU RPT
• Numéro de projet: AGB2009/015_OBF
• Titre du projet anglais: Experimental verification of semi-integral bridges abutment

Mots-clé (Anglais)

Bridge design, semi-integral bridges, jointless bridges, low maintenance bridges, approach slab, transition between the bridge and the road, road surface deformation, soil-structure interaction, experimental research

Mots-clé (Français)

Conception des ponts, pont semi-intégré, pont sans joint de dilatation, pont à faible coût de maintenance, dalle de transition, transition entre le pont et la route, déformation de la surface de roulement, interaction sol-structure, recherche expérimentale

Description succincte (Anglais)

The semi-integral bridges, without dilatation joints, require less maintenance than conventional bridges. According to the current FEDRO guidelines, the maximum length for such bridges is limited to 60 m, which agrees with normal practice abroad.

There are a large number of semi-integral bridges with a span above 60m limit, which have a satisfactory behaviour. Research project AGB 2005/018 suggest that longer bridges than 60m could be built without expansion joints without causing problems with the road surface in the approach slab zone.

The goal of the proposed research project is to carry out tests in the laboratory to study the deformation of the road pavement at the end of the bridges subjected to large horizontal displacements of the transition slab which is connected to the bridge deck of integral and semi-integral bridges. The tests will be performed in the pit hall facility at EPFL. The results of the project will allow the validation of the results from the theoretical study AGB 2005/018 [4]. This study will provide a better understanding of the length limits applied to integral and semi-integral bridges in Switzerland.

Three specimens of transition slab with different geometries, one of which will designed following the current FEDRO standard, will be tested, evaluated and compared.

Description succincte (Français)

Les ponts semi-intégrés, sans joint de dilatation, nécessitent moins d’entretien que les ponts conventionnels. Les directives actuelles de l’OFROU limitent la longueur maximale pour de tels ouvrages à 60 m, ce qui correspond à une limite généralement admise ailleurs dans le monde.

L’existence de nombreux ouvrages d’art, sans joints de dilatation, plus longs montrent un comportement tout à fait satisfaisant, ainsi que les résultats de la recherche en cours AGB 2005/018 laissent penser que des ouvrages de plus grande longueur peuvent être réalisés sans joints de dilatation, et sans que cela ne cause de problèmes pour la surface de roulement dans la zone de la dalle de transition.

Le but de la recherche proposée est d’effectuer des essais en laboratoire pour étudier la déformation de la surface de roulement à l’extrémité des ponts lors de déplacements horizontaux de la dalle de transition liée au tablier de pont intégrés et semi-intégrés. Les essais seront effectués dans la halle fosse de l’EPFL. Ils permettront de valider les résultats de l’étude théorique effectuée dans le cadre de la recherche AGB 2005/018 [4] et d’étendre les limites d’application des ponts intégrés et semi-intégrés en Suisse. Trois géométries de dalle de transition, dont le détail standard actuellement recommandé par l’OFROU, seront testées, évaluées et comparées.

Description du projet (Français)

Les ponts semi-intégrés et intégrés, sans joints de dilatation, permettent de tendre vers l’objectif de minimisation de l’entretien, avec des avantages à la fois pour le maître de l’ouvrage, qui n’a pas à intervenir, et pour les usagers, qui ne sont pas confrontés à des ralentissements du trafic induits par des travaux sur les ouvrages d’art.

Depuis de nombreuses années, les ponts de petite et moyenne longueur, jusqu’à 60 m au maximum, sont communément exécutés sans joints de dilatation [9]. Pour des longueurs supérieures, cela n’a pas été admis jusqu’à présent, les déformations du pont, provenant d’une part des effets différés et des différences de température saisonnières du tablier, conduisant à des déplacements trop grands du tablier au niveau des culées mobiles. Ces déplacements peuvent conduire à des déformations du sol accompagnées de déformations et de dégradations de la chaussée au voisinage immédiat des extrémités du pont, dans la zone de la dalle de transition (figure 1).

Les modèles sur lesquels se basent les règles actuellement en vigueur procèdent à partir de modèles simplifiés du comportement du pont, du sol et du revêtement. En réalité, l’interaction entre ces trois éléments est assez complexe, et fait l’objet de la recherche "AGB 2005/018 Ponts à culée intégrée" [4]. Les premiers résultats montrent que les déformations dans le sol peuvent être acceptables, sous certaines conditions, même pour des ponts de longueur supérieure à 60 m.

Les essais proposés ont pour but de valider les acquis concernant l’interaction sol-structure au niveau des dalles de transition. En particulier, la recherche AGB 2005/018 a mis en évidence l’influence primordiale de la longueur et de l’angle d’inclinaison de la dalle de transition sur l’état limite de service de la surface de roulement (figure 2). Les effets induits par les déplacements cycliques relatifs au changement saisonnier de température du tablier du pont doivent également être mieux évalués.

Le premier spécimen de dalle de transition sera construit avec un détail correspondant aux pratiques usuelles de l’OFROU en la matière [9] (figure 4a). Un second spécimen sera construit avec une géométrie plus favorable vis-à-vis de cette problématique, c’est-à-dire avec un enfouissement de l’extrémité de la dalle de transition plus important (figure 4b). Un dernier spécimen sera construit selon les résultats obtenus lors des deux premiers essais (figure 4c). Un paramètre géométrique conditionnant les déformations de l’enrobé étant varié.

Les résultats des simulations numériques donnent des indications sur l’ordre de grandeur des déformations attendues et sur les zones les plus sollicitées. Ces informations seront utilisées pour disposer efficacement l’instrumentation dans la dalle et dans le sol.

Les résultats de la recherche permettront d’une part de qualifier le fonctionnement des géométries étudiés (détail OFROU, géométrie du second spécimen et variante innovante), de valider les prédictions du modèle numérique, et, le cas échéant, d’étendre le domaine d’application des ponts semi-intégrés à des longueurs supérieures.

Connaissances attendues / utilisation / bénéficiaire (Français)

Evaluation des déformations de la surface de roulement à l’extrémité d’un pont intégré ou semi-intégré, muni d’une dalle de transition, soumis aux effets différés du béton et aux différences de température saisonnières. Validation d’un modèle de calcul développé dans le projet de recherche AGB 2005/018. Possible extension des limites des règles OFROU concernant la longueur maximale possible pour des ponts sans joints de dilatation

Méthodes (Français)

Mesures des déplacements verticaux de la surface de roulement conséquent au déplacement longitudinal imposé de la dalle de transition. Mesures de la force et des déformations de la dalle de transition

Etat de la recherche (Français)

Depuis quelques décennies, le nombre de ponts intégrés et semi-intégrés construits n’a cessé d’augmenter. Cet intérêt croissant pour ce type de construction se justifie par la demande de maintenance fortement réduite, les joints de dilatation, sensibles aux sollicitations mécaniques et environnementales, étant supprimés [5, 6, 8, 10]. Toutefois, dans les ponts semi-intégrés comme dans les ponts intégrés, la dalle de transition est directement connectée au tablier du pont et est par conséquent est soumise aux déplacements imposés par le fluage, le retrait et les changements saisonniers de température. Par conséquent, lors de l’étude de l’extrémité des ponts semi-intégrés, l’interaction sol-structure doit être considérée. Cette interaction complexe n’a pas été encore suffisamment étudiée.

Quelques recherche spécifiques sur les pont semi-intégrés ont été effectuées ces dernières années [1, 12]. La référence [1] parle de manière générale des ponts semi-intégrés aux USA alors que la référence [12] fait de même pour l’Allemagne.

Toutefois, la majorité des recherches se sont portées sur les ponts intégrés et en particulier sur les problèmes liés au déplacement des murs de culées et ceci de manière théorique, expérimentale voire in situ. Les mesures in situ ont été effectuées afin de déterminer les changements journaliers et saisonniers de température sur les ouvrages concernés ainsi que le développement de la contrainte horizontale contre les culées et pieux de ponts intégrées. Les informations déduites de ces mesures concernent donc uniquement les sollicitations extérieures que l’on peut rencontrer sur les éléments structuraux d’extrémité des ponts intégrés. Les études par éléments finis mentionnées ci-dessus portent sur le même domaine d’investigation.

Quelques recherches ont également été effectuées sur les dalles de transition [2, 11, 13]. Ces recherches on porté sur l’interaction entre le sol de remblayage et les dalles de transition. La référence [13] traite de l’influence de la pente longitudinale des dalles de transition sur les déformations de la surface de roulement lors du passage d’essieux. Les références [2, 11] traitent du comportement structurel des dalles de transition supportées partiellement ou totalement par le remblai situé à l’extrémité des ponts

Lors de ces dernières années, un travail important a également été effectué en Suisse. Une première recherche "AGB 2003/001 et AGB 2005/019 Integrale Brücken – Sachstandsbericht" [6, 7] a mis en évidence les connaissances actuelles sur les ponts intégrés et semi-intégrés.

Une seconde recherche, actuellement en cours, "AGB 2005/018 Ponts à culée intégrée" doit permettre d’identifier les zones critiques, concernant l’interaction sol-structure, des solutions classiques et de proposer des variantes innovantes qui conduiront à un entretien minimal de l’infrastructure [4].

Jusqu’à présent, aucune mesure en laboratoire ni in situ des déformations du sol à proximité des dalles de transition des ponts semi-intégrés ou intégré n’a été effectuée. Les connaissances actuelles dans ce domaine sont donc très faibles et se limitent à l’évaluation des déformations à l’aide de la modélisation numérique [3]. Les essais expérimentaux envisagés permettront une comparaison aux résultats de la modélisation effectuée dans le cadre de la recherche "AGB 2005/018 Ponts à culée intégrée". Cette comparaison des mesures expérimentales et des résultats numériques testera les hypothèses et résultats préalablement obtenus. En particulier, cette série expérimentale doit permettre de valider les critères concernant le choix la géométrie des dalles de transition et des détails de connexion avec le tablier du pont Cette validation a pour objectif de permettre par la suite le développement de variantes innovantes efficaces et cohérentes considérant correctement l’interaction sol-structure.

Objectifs du projet (Anglais)

Evaluation of the behaviour of the backfill and the road surface in the approach slab zone of integral and semi integral bridges.

Validation by laboratory measurements of the theoretical and numerical results of the research project "AGB 2005/018 Integral Bridges".

Evaluation and comparison of the behaviour of a novel approach slab conceived within the above-mentioned research project

Objectifs du projet (Français)

Evaluation du comportement du sol de remblayage et de la surface de roulement à proximité des dalles de transitions des ponts semi-intégrés et intégrés.

Validation par des mesures en laboratoire des résultats théoriques et numériques de la recherche en cours "AGB 2005/018 Ponts à culée intégrée".

Evaluation et comparaison du comportement d’une dalle de transition innovante conçue lors du projet mentionné ci-dessus

Plan de recherche (Français)

mois

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Conception des systèmes de mesures et mise en soumission

X

Fabrication des dalles de transition et préparation de la halle fosse

X

X

X

X

X

X

Série d’essais

X

X

X

X

X

X

Evaluation des résultats et comparaison avec les résultats obtenus dans le cadre de la recherche “AGB 2005/018 Ponts à culée intégrée“

X

X

X

Rédaction du rapport

X

X

X

X

Mise en oeuvre et application (Français)

Adaptation des directives OFROU en matière de ponts intégrés et semi-intégrés. Application par les auteurs de projets et les ingénieurs de contrôle

No du rapport (Allemand)

656

No du rapport (Anglais)

656

No du rapport (Français)

656

Littérature (Français)

1 ] BURKE M. P., Semi-integral bridges: a concept whose time has come?, Continuous and Integral Bridges, pp. 213-224, 1994.

[ 2 ] CAI C. S., SHI X. M., VOYIADJIS G. Z., ZHANG Z. J., Structural Performance of Bridge Approach Slabs under Given Embankment Settlement, ASCE Journal of Bridge Engineering, 10, pp. 482-489, 2005.

[ 3 ] DREIER D., Interaction sol-structure : Ponts intégrés, Thèse EPFL, Lausanne, Suisse, 2010, en préparation.

[ 4 ] DREIER D., MUTTONI A., Ponts à culée intégrée, Rapport OFROU, Suisse, 2010, en préparation.

[ 5 ] HAMBLY E. C., Integral bridges, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Transport, 123, 30-38, 1997.

[ 6 ] KAUFMANN W., , Integrale Brücken - Sachstandsbericht, Rapport OFROU, Suisse, 2005.

[ 7 ] KAUFMANN W., Integral Bridges: State of Practice in Switzerland, The 11th Annual International fib Symposium, Concrete: 21st century superhero, London, Grande Bretagne, 2009.

[ 8 ] MARURI R. F., PETRO S. H., Integral Abutments and Jointless Bridges (IAJB) 2004 Survey Summary, The 2005 - FHWA Conference, pp. 12-26, Baltimore, USA, 2005.

[ 9 ] OFROU, Détails de construction de ponts : directives, Département fédéral des transports, des communications et de l'énergie, 190 p., Suisse, 1990.

[ 10 ] PÖTZL M., Robuste Brücken, Vieweg, 288 p., Braunschweig, Allemagne, 1996.

[ 11 ] ROY S., THIAGARAJAN G., Nonlinear Finite-Element Analysis of Reinforced Concrete Bridge Approach Slab, Journal of Bridge Engineering, 12, pp. 801-806, 2007.

[ 12 ] SCHIEFER S., FUCHS M., BRANDT B., MAGGAUER G., EGERER A., Besonderheiten beim Entwurf semi-integraler Spannbetonbrücken, Beton - und Stahlbetonbau, 10, 790-802, Allemagne, 2006.

[ 13 ] WONG H. K. W., SMALL J. C., Effect of orientation of approach slabs on pavement deformation, ASCE Journal of Transportation Engineering, 120, pp. 590-602, 1994.