Ingénierie SNCF 28/11/08 1

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1 Ingénierie SNCF 28/11/08 1

2 28/11/08 2 Viaduc de la Savoureuse Études d exécution

3 28/11/08 3 Viaduc de la Savoureuse études d exécution SNCF / IGOA est intervenu pour le compte du groupement Eiffel-Eiffage : Étude d une variante de conception à la solution de base du maître d œuvre Réalisation des études d exécution (métal) de cette solution Les objectifs recherchés lors de l élaboration de la variante ont été : Une meilleure adéquation du comportement de la structure avec les spécificités des actions ferroviaires et les exigences de la voie Une optimisation des quantités de matières pour diminuer le prix de l ouvrage et en faciliter la réalisation

4 28/11/08 4 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception Le schéma statique longitudinal de l ouvrage a été revu Les contraintes : Impossibilité de réaliser un ouvrage continu, car le profil en long est incompatible avec la pose d un appareil de dilatation de la voie Nécessité de limiter les impacts des variations thermiques sur la géométrie de la voie. 21 m 45 m 21 m Succession de tétrapodes avec traverses encastrées et travées isostatiques

5 28/11/08 5 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception La structure transversale choisie Les objectifs recherchés : Limiter le poids du hourdis (zone sismique) Limiter les impacts des variations thermiques sur la géométrie de la voie. Garantir une rigidité verticale de la structure transversale suffisante pour éviter les amplifications dynamiques

6 28/11/08 6 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception Caractéristiques de la structure transversale : Poutres latérales en profilés ouverts (C) de 4,00 m de hauteur semelles 1080 * 85 max âmes épaisseur 24 mm Des pièces de pont en PRS de 1,25 m de haut semelles 700 * 30 (sup) et 50 (inf) Une dalle fine (30 cm) en poutrelles enrobées (HEA 200 au pas de 65 cm) pour faciliter la réalisation, connectée sur les pièces de pont poutrelles boulonnées sur les pièces de pont relevés (longrine) connectés aux poutres transversales

7 28/11/08 7 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception Les poutres longitudinales des travées section ouverte en C, raidie au droit de chaque pièce de pont remplissage en béton caisson sur appui Le caisson d extrémité est nécessaire au centrage de la charge sur l appareil d appui. Il est raidi et non visitable.

8 28/11/08 8 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception Le remplissage en béton a plusieurs fonctions : Recentrage progressif de l effort tranchant pour permettre son transfert entre l âme excentrée de la section en C et les deux âmes du caisson d extrémité Raidissage de la section transversale à l extrémité des travées isostatiques, pour limiter la flèche des pièces de ponts et améliorer le comportement dynamique Blocage du gauchissement de la section en C, (qui travaille en torsion gênée) de manière à limiter sa rotation sous l effet des charges verticales Il a été préféré à une solution métal (âme en sifflet, difficile à réaliser) Son fonctionnement suppose une bonne connexion (connecteurs + armatures) avec les âmes et les semelles des poutres

9 28/11/08 9 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception La conception parasismique L ouvrage est classé en zone sismique 1.b (décret 14/05/1991) : accélération nominale a n = 2,0 m/s 2 sol de type S1 Il convient de vérifier : 3 2,5 Le non-effondrement sous le séisme de référence (ELU) PS 92 Les critères spécifiques des ponts-rails sous des séismes moins violents, mais plus fréquents (ELS sismique) : 2 1,5 1 0,5 Spectre élastique applicable non-endommagement de la structure limitation des déformations à des valeurs compatibles avec la sécurité des circulation à la vitesse d exploitation 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6

10 28/11/08 10 Viaduc de la Savoureuse grands choix de conception Les périodes fondamentales sont de 0.75 s (trans.) et 0.65 s (long.) L ouvrage reste élastique même à l ELU ELS non dimensionnant Il a été choisi de transmettre les efforts sismiques intégralement par les appareils d appuis (absence de butées). Pour cela tous les appareils d appuis sont bloqués transversalement : Transmission des efforts plus harmonieuse aux chevêtres tétrapodes Autre avantage : raidissage des pièces de ponts d about Modèle de calcul au séisme (3D) Pas de problème d emprisonnement d effort car les structures portées (tablier) et portantes (traverses) ont des inerties thermiques voisines Les efforts résultants de l absorption des jeux (0.5 mm) sont pris en compte

11 28/11/08 11 Viaduc de la Savoureuse critères de dimensionnement Le comportement dynamique Le référentiel demande de vérifier le comportement de l ouvrage vis-à-vis des sollicitations dynamiques : phénomène physique : le passage des essieux, régulièrement espacés, est assimilable à une excitation périodique, entretenant un mouvement forcé la réponse dépend des fréquences propres de la structure et du pourcentage d amortissement ξ (= 0,5 % pour un ouvrage métallique) L V F(t) F F F

12 28/11/08 12 Viaduc de la Savoureuse critères de dimensionnement 10 trains sont pris en compte (modèle HSLM-A) avec des écartements de bogies variables, qui couvrent tous les trains à grandes vitesses Les vitesses sont choisies dans une gamme [ 0 ; 420 km/h ] (1.2 * vitesse d exploitation de la ligne) On doit vérifier que : l accélération du tablier reste inférieure à 3,5 m/s 2 Les sollicitations dynamiques résultantes ne sont pas dimensionnantes Exemple de résultat de calcul dynamique, train A7 191 km/h

13 28/11/08 13 Viaduc de la Savoureuse critères de dimensionnement L interaction voie-ouvrage La voie étant continue sur l ouvrage, les mouvements longitudinaux du tablier ne doivent pas comprimer excessivement les rails ( flambement) Le référentiel impose : sous freinage / accélération, déplacement long. du pont au joint δ B < 5 mm sous charges verticales, déplacement long. du pont au joint δ H < 8 mm Contrainte max dans les rails 72 MPa (compression) / 92 MPa (traction) L étude de l interaction voie-ouvrage nécessite des calculs non linéaire. f(x) Rail u(x) f(x) 60 kn/m f voie chargée v(x) 20 kn/m voie non chargée Support (tablier / plateforme) 0 2 mm

14 28/11/08 14 Viaduc de la Savoureuse critères de dimensionnement Les actions provoquant des sur-contraintes dans le rail : les actions thermiques (dilatation du tablier) le freinage-démarrage les charges verticales Charges verticales 2 UIC centrés abscisse ( m)

15 28/11/08 15 Viaduc de la Savoureuse critères de dimensionnement L ouvrage présentant une forte souplesse (de par sa conception architecturale), les critères d interaction voie-ouvrage se sont révélés limitatifs. En particulier la partie inférieure des béquilles est une zone souple (bras de levier faible), qu il convenait de rigidifier. Pour limiter les épaisseurs des tôles dans les béquilles (fabrication) : Remplissage des béquilles (h = 4,50 m) d un béton B50 Connexion du béton aux jambes de métal Ferraillage longitudinal du massif pour éviter sa fissuration excessive

16 28/11/08 16 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage L ouvrage proposé en variante répond en totalité au cahier des charges de la LGV Rhin-Rhône, tant en situation normale qu en cas de séisme, vis-à-vis des Etats Limites Ultimes et des Etats Limites de Service. Du point de vue réglementaire, le référentiel technique de la LGV Rhin-Rhône (tome IV) renvoie aux règlements français en vigueur (en particulier le fascicule 2.01) ainsi qu aux Eurocodes (EN ) pour les vérifications dynamiques. De façon complémentaire, les vérifications d interaction voieouvrage ont été réalisées selon l EN selon les principes décrits précédemment.

17 28/11/08 17 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Les critères de résistance de l acier (ELU) dimensionnent de nombreuses sections: Semelles des travées isostatiques = 311 MPa 345 MPa en rive (e = 35) = 332 MPa 335 MPa zone intermédiaire (e = 60) = 313 MPa 315 MPa à mi-travée (e = 85) Contraintes normales selon la théorie des poutres Contraintes additionnelles dues au gauchissement des sections en C (torsion gênée) Contraintes additionnelles dans un calcul au second ordre incluant la déformée en plan de la poutre

18 28/11/08 18 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Traverses encastrées 317 MPa 345 MPa en rive - hauteur réduite (traction) 166 MPa 345 MPa en travée (compression) Les contraintes Von Mises peuvent atteindre 323 MPa.

19 28/11/08 19 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Béquilles Le taux de contrainte maximal à l ELU est de (valeurs non concomitantes): σ max = 137 MPa (227 au séisme) τ max = 51 MPa (65 au séisme) σ Von Mises max = 281 MPa (234 au séisme)

20 28/11/08 20 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Béquilles - Vis-à-vis du flambement général il faut vérifier σ m σ y σ z σ m σ y σ z Le terme de gauche atteint 0.77 au maximum (0.82 au séisme) - Vis-à-vis du voilement de panneau il faut vérifier ² ² σ τ s σ τ Le terme de gauche atteint 0.67 au maximum (1.27 au séisme) Un défaut de positionnement de 15mm entre béquille et traverse a été pris en compte

21 28/11/08 21 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Les Etats Limites de Service (ELS) sont également dimensionnants dans de nombreux cas: Flèche verticale des travées isostatiques (flèche de confort) La flèche est mesurée sous le chargement d un convoi UIC 71, dans l axe de la voie chargée, vaut = 22.1mm 22.1mm soit L / 2060 au droit des poutres système pièce de pont / dalle En tenant compte du relevé en béton et du comportement mixte de la dalle

22 28/11/08 22 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Interaction voie - ouvrage - La compression maximale dans le rail vaut 72.5 MPa pour 72 MPa admissibles, elle est rencontrée une seule fois au niveau de l appui P13, en tenant compte de l action simultanée d une élévation de température de 35 C dans le tablier et de convois UIC 71 (charges verticales avec freinage et démarrage). - Les contraintes de traction maximales sont moindres, pour une limite admissible supérieure. - Le déplacement horizontal sous les seules composantes horizontales des convois atteint 4.8mm pour 5mm admissibles. Cette valeur est obtenue au niveau de la pile P3.

23 28/11/08 23 Viaduc de la Savoureuse optimisation de l ouvrage Critères dynamiques - Dans les parties courantes, la flèche maximale sous convoi dynamique atteint 18mm (train A5 à 175 km/h), correspondant à un coefficient d amplification de A l extrémité Est du viaduc, la flèche atteint 18.5mm (train A7 à 190 km/h) soit une amplification de L accélération maximale est de 3.34 m/s2 (train A7 à 191 km/h) pour les parties courantes et 3.92 (train A5 à 174 km/h) en extrémité Est. ζ = 0.5% - Le gauche et les rotations d appui sont vérifiés largement.

24 28/11/08 24 Viaduc de la Savoureuse points de conception particuliers Modélisation particulière du remplissage en béton des âmes On montre que grâce à la présence du béton connecté: La transmission de l effort tranchant entre les deux âmes se fait équitablement à 5% près, Les contraintes locales dans les panneaux d âme sont abaissées d un facteur 2 environ. Sécuritairement, le béton est ferraillé pour reprendre tout l effort tranchant et n est pas pris en compte dans la vérification de la charpente.

25 28/11/08 25 Viaduc de la Savoureuse points de conception particuliers Modélisation particulière de la jonction tétrapodes traverse une pièce de pont supplémentaire est nécessaire à chaque extrémité (tirant entre béquilles) le défaut de 15mm de positionnement longitudinal de la traverse sur les béquilles est acceptable les contraintes localisées restent admissibles (275 MPa sous les appareils d appui),

26 28/11/08 26 Viaduc de la Savoureuse points de conception particuliers Les pieds de béquille La jonction avec l embase se fait au niveau d une platine placée au contact d une contre-platine solidaire du massif en béton. Elle est réalisée par : 15 barres de précontrainte M76, dimensionnées en résistance à l ELU et permettant le non-décollement de la platine à l ELS, Une «clé de cisaillement»

27 28/11/08 27 Viaduc de la Savoureuse points de conception particuliers Cette clé ne reprend pas d effort à proprement parler, mais assure la rigidité de la tôle de fond et facilite le montage (guide).

28 28/11/08 28 Viaduc de la Savoureuse points de conception particuliers Le béton de remplissage des béquilles est connecté par l intermédiaire d un ferraillage périmétrique traversant des raidisseurs longitudinaux. En partie supérieure du remplissage, un couronnement métallique assure la mise en charge du béton. Celui-ci n est pas pris en compte dans la résistance des béquilles mais dans la vérification de la stabilité des panneaux et pour les déformations (interaction voie-ouvrage).

29 28/11/08 29 Viaduc de la Savoureuse points de conception particuliers La travée P13-C14 L étude de cette traverse particulière (biencastrée sur des béquilles d une part et sur une structure béton d autre part) a nécessité un modèle prenant en compte l ensemble de l appui y compris ses fondations. 108 goujons et 7 barres M76 sont nécessaires à l ancrage de la poutre sur C m 1.40 m 1.90 m

30 28/11/08 30 Viaduc de la Savoureuse conclusions La conception du viaduc de la Savoureuse lui permet de respecter l intégralité des critères de dimensionnement. Parmi ces derniers, les spécificités ferroviaires que sont la dynamique, le confort et l interaction voie-ouvrage se sont montrées particulièrement décisives. L optimisation est restée un objectif permanent, depuis la naissance de la variante jusqu au terme des études d exécution.