Fatigue des dalles de roulement sollicitées à l'effort tranchant

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: AGB2009/008

Key words (English)

Reinforced concrete bridges, bridge deck slabs, fatigue, checking of existing structures, increase of design loads, analytical methods

Key words (French)

Ponts en béton armé, dalles de roulement, fatigue, vérification de structures existantes, augmentation des charges, méthodes d’analyse

Short description (English)

The fatigue shear strength of reinforced concrete bridge decks subjected to repeated traffic loading remains largely unknown. Indeed, current knowledge is essentially based on test results that oversimplify reality (slab strips, without spreading of the internal forces in the longitudinal direction of the bridge or decks slabs with geometries and reinforcement ratios uncharacteristic of reinforced and prestressed bridges). Besides, the results have been compared to shear strength models that do not correspond any more to the current state of knowledge.

It must also be considered that checking of the shear strength under repeated loading (fatigue) is often controlling the design, as the fatigue action (concentrated loading) accounts for a very large part of the total internal forces, and causes intense concentrations of internal forces in the support zones of decks slabs.

For theses reasons, we intend to:

- compile and analyze the fatigue test results available in the scientific literature and compare them to the critical shear crack theory (basis of the current SIA 262 code for shear);

- adapt the critical shear crack theory to include the effect of fatigue;

- perform fatigue tests on slabs to consider and investigate the redistribution of internal forces in the longitudinal direction of the bridge;

- develop a simplified model to account for the redistribution of internal forces;

- propose a calculation model for a FEDRO documentation and contribute to the development of the design codes.

Short description (French)

Pratiquement toutes les dalles de roulement des ponts routiers sont fortement sollicitées à l’effort tranchant à cause de l’importance des charges ponctuelles exercées surtout par les poids lourds. Ces actions sont par leur nature répétées. La vérification de l’effort tranchant sous charge répétée (fatigue) est souvent déterminante pour le dimensionnement ou l’évaluation des dalles de roulement, puisque l’action de fatigue (charges ponctuelles) est responsable pour une partie très importante de l’effort total et produit des concentrations d’efforts intenses dans les zones d’appui.

Cependant, la résistance à l’effort tranchant des dalles de roulement en béton armé des ponts est encore peu connue en cas de fatigue due aux charges répétées de trafic. En effet, les connaissances se basent essentiellement sur les résultats d’essais qui représentent une simplification trop importante de la réalité (bandes de dalles, sans diffusion des efforts dans le sens longitudinal du pont) ou ne sont pas représentatifs pour les ponts en béton armé précontraints (dalles de roulement avec géométries différentes et taux d’armature trop faibles). En outre, les résultats des essais de fatigue ont été comparés à des modèles pour la résistance à l’effort tranchant qui ne sont plus actuels.

Pour ces raisons, nous prévoyons de :

- dépouiller et analyser les essais de fatigue disponibles dans la littérature scientifique et les comparer à la théorie de la fissure critique (base de la norme SIA 262 pour ce qui concerne l’effort tranchant et le poinçonnement) ;

- adapter la théorie de la fissure critique pour considérer la fatigue ;

- effectuer des essais de fatigue sur des éléments de dalle afin de considérer et étudier la redistribution des efforts dans le sens longitudinal du pont ;

- établir un modèle simplifié pour déterminer la redistribution des efforts ;

- proposer un modèle de calcul pour une éventuelle documentation OFROU et contribuer au développement des normes.

Project description (French)

Importance de la vérification à l’effort tranchant et à la fatigue des dalles de roulement

Sur la base des connaissance actuelles ainsi que des normes en vigueur en Suisse (SIA 261, SIA 262) et en Europe (EC1, EC2), dans le dimensionnement des dalles de roulement, l’effort tranchant et la fatigue sont souvent déterminants. En outre, les nouveaux modèles sont devenus plus prudents par rapport aux anciennes normes. Pour ces raisons, la problématique de l’effort tranchant rend nécessaire d’augmenter l’épaisseur de la dalle de roulement par rapport à la pratique des années ’90 ou de disposer une armature d’effort tranchant dans la dalle [9: « Bei Neubauten von Stahlbetonfahrbahnplatten ist daher, im Gegensatz zur langjährigen Praxis, oftmals eine Bügelbewehrung der Platte im stegnahen Bereich bzw. Auflagerbereich erforderlich. »].

Le problème est encore plus important pour les structures existantes puisqu’un renforcement à l’effort tranchant peut devenir très onéreux ou même très compliqué (dalles des ponts construits en encorbellement par exemple).

Ces problèmes ne sont pas seulement suisses. En effet, selon les normes européennes, la problématique est identique et des recherches concernant la résistance à l’effort tranchant des dalles de roulement sont en cours en Allemagne [8,9], Pays Bas [10] et Italie [12].

Il faut en outre considérer que les charges, et surtout celles ponctuelles, sont devenues plus agressives (intensité, surface de contact et fréquence) dans les dernières années et cette tendance va probablement se poursuivre, de sorte que ce problème va devenir encore plus sérieux dans le futur [10 : « Reinforced concrete bridges constructed in the past were designed to resist lower load and traffic demands than those currently needed. Especially the shear capacity at supports under the combination of uniformly distributed loads and concentrated loads is sometimes found to be insufficient when using the governing design rules”].

Comportement statique des dalles de roulement

Lors de la vérification des dalles de roulement des ponts existants ainsi que lors de leur dimensionnement, le mode de rupture déterminant est souvent l’effort tranchant. En effet, les essais effectués à l’EPFL sur des échantillons de dalle de roulement à l’échelle 2/3 et avec des charges concentrées représentatives pour les ponts routiers suisses (AGB2002/028 « Comportement et calcul des dalles de roulement en béton armé », [1,2,3]) ont montré qu’une rupture par effort tranchant ou poinçonnement a toujours eu lieu avant la formation d’un mécanisme de flexion ou même en régime élastique des armatures. Des résultats comparables ont été obtenus par les chercheurs de Hambourg [8,9] qui ont réalisé des essais similaires ainsi que par les collègues de Delft et Londres qui ont réalisé des essais sur des dalles avec appuis linéaires sollicitées par des forces ponctuelles [10,11].

Ces recherches effectuées à Lausanne [1-3] et Hambourg [8-9] ont permis d’améliorer considérablement la compréhension du comportement réel des dalles de roulement. Cependant, certains points nécessitent encore d’être étudiés. Le premier concerne la répartition effective de l’effort tranchant et surtout l’influence de la fissuration de la dalle (fissures de flexion et amorces de fissures d’effort tranchant) sur la répartition de l’effort et leur capacité de redistribution. Un calcul avec rigidité constante à l’état non-fissuré produit des concentrations d’effort en proximité des charges. Des analyses non-linéaires et des essais de poinçonnement [8] ont permis de montrer que la redistribution des efforts peut être importante et une analyse à l’état non fissuré peut être trop conservative. Puisque les essais effectués sur les dalles de roulement [1-5] n’ont pas permis de mesurer la répartition effective de l’effort tranchant ni d’évaluer la capacité de redistribution des efforts, nous conseillons pour le moment de calculer dans la pratique l’effort tranchant prudemment sur la base d’un calcul élastique avec rigidités à l’état non-fissuré [1].

Un autre point qui mérite d’être étudié est lié à l’influence de la distance charge-appui sur la résistance (pour des distances petites, des bielles directes peuvent se former, de sorte que la résistance augmente [1]). Dans certains cas, la résistance mesurée est donc probablement surévaluée (voir les essais allemands [8,9]) et dans la réalité il faudrait déterminer la distance déterminante pour la vérification.

Résistance à la fatigue des dalles de roulement

Un certain nombre d’essais de fatigue a été effectué sur des dalles ou des poutres en béton armé [13-30]. Ces essais ont souvent démontré que la fatigue produit une diminution sensible de la résistance. Un autre effet qui a été observé concerne les essais avec charges mobiles. Dans ces cas la diminution de la résistance, due à une détérioration progressive de la dalle, est encore plus importante.

Il faut néanmoins observer que pour ce qui concerne les essais sur dalles, la géométrie des échantillons a généralement été choisie pour simuler les dalles des ponts mixtes avec des solutions constructives inspirées par l’expérience nord-américaine [13-22]. Dans ces cas, les portées sont petites et l’armature à la flexion est souvent très faible (souvent r ?≈ 0.2%). Il en résulte que ces essais ne sont pas très représentatifs pour les ponts suisses et européens. En outre, la rupture déterminante est liée à un mécanisme de flexion (rupture par fatigue des barres d’armature).

Uniquement dans [21-23], la rupture a été par fatigue-poinçonnement, et dans ces cas l’influence de la fatigue sur la résistance au poinçonnement est claire et même inquiétante. Il faut néanmoins souligner que dans ces essais les géométries ne sont pas du tout représentatives pour nos ponts ou les dimensions sont trop petites.

Afin d’améliorer les connaissances, il est donc important de réaliser des essais de fatigue sur des dalles avec un taux d’armature représentatif pour les ponts suisses et une épaisseur ainsi qu’une distance charge-appui suffisantes.

Un certain nombre d’essais de fatigue a été effectué sur poutres en béton armé sans étriers afin d’étudier la résistance à l’effort tranchant des dalles sous l’effet de la fatigue [24-30]. Dans ces cas, le taux d’armature est généralement représentatif pour nos ponts, mais l’effet de redistribution des efforts dans le sens longitudinal du pont n’est évidemment pas considéré.

Méthodologie

Le dépouillement des essais effectués sur les poutres montre généralement une grande dispersion puisque la résistance mesurée a été comparée à d’anciens modèles trop rudimentaires. Des travaux préliminaires ont permis de montrer que la théorie de la fissure critique [5,6], appuyée sur un modèle physique et base de la norme SIA 262 pour ce qui concerne l’effort tranchant, pourrait être adaptée facilement à l’étude de la fatigue des dalles soumises à une charge répétée. Cette théorie permet en effet de calculer avec une bonne précision la résistance à l’effort tranchant en fonction de la déformation dans la zone critique de la poutre.

Il s’agit donc, dans une première phase, d’adapter la théorie de la fissure critique au cas de charge répétée et de valider ce modèle par le biais des essais de fatigue à disposition dans la littérature scientifique.

Dans une deuxième phase, il s’agit d’étudier théoriquement et expérimentalement la redistribution des efforts dans une dalle de roulement suite à la fissuration de flexion et la formation des fissures d’effort tranchant. Les essais effectués à l’EPFL sur des dalles de roulement (projet AGB2002/028) on montré une fissuration importante et même des déformations plastiques dans l’armature avant la formation de ruptures par effort tranchant. Cependant, dans le cadre de ce travail il n’avait pas été possible de considérer ces déformations dans le calcul du champ de cisaillement puisque les analyses non linéaires étaient trop divergentes et une analyse élastique - linéaire (à l’état non fissurée) avait donc été prise en compte. Il en résulte donc une distribution des efforts tranchants qui est probablement trop prudente.

Dans le cadre de cette future recherche il s’agirait de mesurer les réactions d’appui dans une dalle projetée pour simuler le comportement d’un porte-à-faux encastré dans l’âme d’un pont en caisson. Pour ce but nous prévoyons d’appuyer la dalle sur un élément en aluminium (faible module d’élasticité) sur lequel une série de jauges de déformation serait collée avec un espacement de 100 mm. Les mesures des déformations verticales devraient permettre de calculer la répartition des forces de réaction et calculer ainsi la distribution de l’effort tranchant.

Ces mesures devraient permettre de valider des calculs non linéaires et de développer une méthode simple et fiable pour considérer la redistribution des efforts.

Les paramètres à varier sont :

- le niveau de sollicitation, et indirectement le nombre de cycles à la rupture (4 niveaux de sollicitation afin d’obtenir 4 points dans le diagramme de Wöhler pour chaque paramètre sont prévus) et

- la position des charges (distance a de l’appui, 3 positions prévues)

pour un total de 12 essais.

La charge sera transmise à la dalle par le biais d’une plaque en néoprène de dimensions similaires à celles prévues par la SIA 261 pour le modèle de charge des ponts routiers. La fréquence des charges sera choisie entre 0.6 et 1 Hz et les mesures seront effectuées en continu afin de suivre la redistribution des efforts lors de l’évolution des fissures de flexion et le développement des fissures d’effort tranchant pendant les cycles qui précèdent la rupture. Dans ce cadre nous pourrons profiter des expériences que nous avons faites dans une recherche effectuée sur la rupture du béton par fluage et fatigue.

Methods (French)

La méthodologie est décrite dans le chapitre « Description détaillée du projet ».

Special tools and infrastructure (French)

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Overview of research activities (French)

L’état de la recherche ainsi que les résultats plus importants des recherches nationales et internationales sont décrits dans le chapitre « Description détaillée du projet ». Il faut souligner que nous sommes en contact avec les centres de recherche qui s’occupent actuellement de la problématique (Delft aux Pays-Bas, Rome en Italie et Séoul en Corée du Sud).

Project aims (English)

To develop a methodology to check the fatigue strength of reinforced concrete deck slabs subjected to concentrated loading for the case of a shear – punching shear failure mode.

Improve the calculation model for shear in the critical zone of deck slabs and consider the influence of redistributions of internal forces induced by flexural and shear cracking.

Limit the number of cases where a strengthening of existing bridges is required. Reduce the thickness of deck slabs in new bridges and avoid that shear reinforcement be required in deck slabs.

Provide the bases to evaluate the consequences of a possible increase of road traffic loads.

Project aims (French)

Développer une méthode de vérification à la fatigue des dalles de roulement en béton armé soumises aux charges ponctuelles en cas de rupture par effort tranchant - poinçonnement déterminant.

Améliorer le modèle de calcul de l’effort tranchant dans la zone critique des dalles de roulement et considérer l’effet de la redistribution des efforts due à la fissuration de flexion et d’effort tranchant.

Limiter le nombre de cas où une intervention de renforcement sur les ponts existants sera nécessaire, réduire l’épaisseur des dalles des nouveaux ponts et éviter qu’une armature d’effort tranchant soit nécessaire.

Fournir les bases pour évaluer l’impact d’une éventuelle future augmentation des charges du trafic routier.

Research agenda (French)

1ère année

2ème année

3ème année

4ème année

Extension de la théorie de la fissure critique au cas de la fatigue

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Exécution des essais de fatigue sur dalles 3x3 m

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Etude de la répartition de l’effort tranchant sous charges statiques et cycliques

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Dérivation d’un modèle simplifié pour déterminer la redistribution des efforts sous charges statiques et cycliques

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Dérivation d’un modèle simplifié pour calculer la résistance à la fatigue des dalles de roulement

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Rédaction du rapport OFROU

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X

 

La longueur relativement importante du projet dérive non seulement du fait que les essais de fatigue sont assez lents (plusieurs millions de cycles de chargement sont prévus pour certains essais), mais aussi de la nécessité de dépouiller et interpréter partiellement les essais avant que les séries suivantes soient effectuées.

Transfer and application (French)

L’application concerne le dimensionnement et la vérification des dalles de roulement des ponts routiers. L’enjeu est important, car à l’état actuel les normes sont beaucoup plus prudentes que dans le passé de sorte que les nouvelles dalles sont plus épaisses ou renforcées par une armature d’effort tranchant. En outre, lors de la vérification des structures existantes des renforcements sont souvent nécessaires.

Par le biais de cette recherche nous espérons limiter les cas de renforcement nécessaires.

Une autre application concerne l’évaluation de l’effet d’une éventuelle augmentation des charges de trafic (intensité, fréquence et diminution de la surface de contact) sur le comportement et la résistance des ouvrages existants.

Pour ce qui concerne la mise en œuvre, les résultats de la recherche pourraient être intégrés dans une éventuelle documentation OFROU sur le dimensionnement et la vérification des dalles de roulement ainsi que contribuer au développement des normes techniques. Il faut souligner, à ce regard, que nos travaux effectués jusqu’à présent ont étés largement intégrés dans la norme SIA 262 et dans le récent Code Modèle de la Fédération Internationale du Béton [31].

Berichtsnummer (German)

671

Berichtsnummer (English)

671

Literature (French)

[1] Fernández Ruiz M., Vaz Rodrigues R., Muttoni A., (2009), « Dimensionnement et vérification des dalles de roulement des ponts routiers, Rapport OFROU, N° 636, 53 p., Bern, Suisse.

[2] Vaz Rodrigues R., Muttoni A., Burdet O., (2006), “Large Scale Tests on Bridge Slabs Cantilevers Subjected to Traffic Loads”, Proceedings of the 2nd fib Congress, vol.1, 232 p., Naples, Italie.

[3] Vaz Rodrigues R., Fernández Ruiz M., Muttoni A. (2008), Punching shear strength of R/C bridge cantilever slabs, Engineering structures, Vol. 30, pp. 3024-3033, Netherlands.

[4] Sagaseta J., Fernández Ruiz M., Muttoni A., (2009), “Non-symmetrical punching of flat slabs and slab bridges without transverse reinforcement”, fib Symposium London 2009, 8 p., London, UK.

[5] Muttoni A. (2003), Schubfestigkeit und Durchstanzen von Platten ohne Querkarftbewehrung, Beton- und Stahlbetonbau, Vol. 98, No 2, pp. 74-84, Berlin, Germany.

[6] Muttoni A., Fernández Ruiz M. (2008), Shear strength of members without transverse reinforcement as function of critical shear crack width, ACI Structural Journal, V. 105, No 2, pp. 163-172, Farmington Hills, USA.

[7] Fernández Ruiz M., Muttoni A., Gambarova P. (2007), Relationship between nonlinear creep and cracking of concrete under uniaxial compression, Journal of Advanced Concrete Technology, Vol. 5, No 3, pp. 383-393, Japon

[8] Rombach G. A., Latte S., (2008), „Shear resistance of bridge decks without shear reinforcement”, Proceedings of the fib-Symposium, Rotterdam, Walraven and Stoelhorst (eds), Taylor & Francis Group, ISBN 978-0-415-47535-8, pp. 519-525, London, UK.

[9] Rombach G. A., Latte S., (2008), „Querkrafttragfähigkeit von Fahrbahnplatten ohne Querkraftbewehrung“, Beton- und Stahlbetonbau, Volume 104 Issue 10, pp. 642 – 656, Berlin, Allemagne.

[10] Lantsoght E., van der Veen C., Walraven J., (2010), “Experimental Study of Reinforced Concrete Bridge Decks Under Concentrated Loads Near Supports”, Proceeding of the 8th fib-PhD Symposium, Copenhagen, pp. 81-86, Copenhagen, Denmark.

[11] Regan, P.E (1982), “Shear Resistance of Concrete Slabs at Concentrated Loads close to Supports”, Engineering Structures Research Group, Polytechnic of Central London, 24 p., London, UK.

[12] Grimaldi A., Meda A., Rinaldi Z.. (2008) “Punching shear response in fiber reinforced bridge decks”, BEFIB 2008 7th Rilem symposium on fibre reinforced concrete (FRC). Chennai (India).

[13] Sawko F. and G.P. Saha (1971), “Effect of Fatigue on Ultimate Load Behavior of Concrete Bridge Decks”, ACI Journal Proceedings, SP26-36, pp. 942-961, Farmington Hills, USA.

[14] Hawkins N. M., (1976), “Fatigue Design Considerations for Reinforcement in Concrete Bridge Decks”, ACI Journal Proceedings, V. 73, No. 2, pp. 104-115, Farmington Hills, USA.

[15] Batchelor, B., Hewitt, B E., Csagoly, P. (1978), “An Investigation of the Fatigue Strength of Deck Slabs of Composite Steel-Concrete Bridges”, Transportation Research Record, Transportation Research Board, pp. 153-161, Washington DC, USA.

[16] Okada, K., Okamura, H., Sonoda, K., (1978), “Fatigue Failure Mechanism of Reinforced Concrete Bridge Deck Slabs”, Transportation Research Record No. 664, Bridge Engineering, Volume 1. Proceedings of a conference conducted by the Transportation Research Board, pp. 136-144, Washington DC, USA.

[17] Sonoda, K., Horikawa, T., (1982), “Fatigue Strength of Reinforced Concrete Slabs Under Moving Loads”, Fatigue of Steel and Concrete Structures; 1982. pp. 455-462, Lausanne.

[18] Pedikaris P. C., Beim S. R. and Bousias S. N. (1989), “Slab Continuity Effect on Ultimate and Fatigue Strength of Reinforced Concrete bridge deck models”, ACI Journal Proceedings, V. 86, No. 4, pp. 483-491, Farmington Hills, USA.

[19] Matsui S., Moon T., Fukumoto Y., (1992), “Relation between fatigue strength and plate thickness of highway bridge composite decks”, Technology reports of the Osaka University, vol. 42, no207600, pp. 181-188, Osaka, Japon.

[20] Toutlemonde F., Ranc G., (2001), Fatigue tests of cracked reinforced concrete slabs for estimating the service life of composite bridge decks”, Revue française de génie civil, vol. 5, no4, pp. 483-494, Paris.

[21] Graddy J. C., Kim J., Whitt J. H., Burns N. H., and Klingner R. E. (2002) “Punching-Shear Behavior of Bridge Decks under Fatigue Loading”, ACI Structural Journal, V. 99, No 3, pp. 257-266, Farmington Hills, USA.

[22] Youn S.-G., Chang S.-P. (1998), « Behavior of Composite Bridge Decks Subjected to Static and Fatigue Loading “,ACI Structural Journal, V. 95, No 3, pp. 249-258, Farmington Hills, USA.

[23] Hwang H, et al. (2010), “Punching and fatigue behavior of long-span prestressed concrete deck slabs”, Engineering Structures; doi:10.1016/j.engstruct.2010.05.005 (article in press)

[24] Schläfli M. (1999), Ermüdung von Brückenfahrbahnplatten aus Stahlbeton, Thèse EPFL, no 1998.

[25] Schläfli M., Brühwiler E., (1998), “Fatigue of existing reinforced concrete bridge deck slabs”, Engineering Structures, Volume 20, Issue 11, November 1998, pp. 991-998.

[26] Ueda T., Okamura H. (1983), “Behavior in Shear of concrete Beams under Fatigue Loading”, The University of Tokio, Journal of the Faculty of Engineering, Vol. 37, pp. 17-48, Tokio, Japon.

[27] Markworth E., Mildner K., Streiber A., (1984), „Versuche zur Quertragfähigkeit von Stahlbetonbalken unter dynamischer Belastung“, Die Strasse, Jahrgang 24, No. 6, pp. 175-180,

[28] Johansson U., (2004), “Fatigue tests and analysis of reinforced concrete bridge deck models”, Trita-BKN. Bulletin 2004, vol. 76, pp. 1-197 Royal Institute of Technology, Stockholm, Suède.

[29] Chang T. S., Kesler C. E. (1958), “Static and Fatigue Strength in Shear of Beams with Tensile Reinforcement”, ACI Journal Proceedings, Volume 54, No 6, pp. 1033-1057, Farmington Hills, USA.

[30] Chang T. S., Kesler C. E. (1958), “Fatigue Behavior of Reinforced Concrete Beams”, ACI Journal Proceedings, Volume 55, No 8, pp. 245-254, Farmington Hills, USA.

[31] fib (2010), “Model Code 2010 - First complete draft”, Volume 2, 312 p., Lausanne.