VIADUC DE LA SAVOUREUSE Journée AFGC 27/11/2008. Conception technique Gilles FRANTZ / Christophe CEZARD Egis JMI

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1 VIADUC DE LA SAVOUREUSE Journée AFGC 27/11/2008 Conception technique Gilles FRANTZ / Christophe CEZARD Egis JMI

2 Conséquences des contraintes sur la conception de l ouvrage Contraintes d implantation des appuis et choix de la travure Les voies et rivières franchies / la position des appuis d extrémité La culée Ouest La Savoureuse L Autoroute A36 La culée Est Le canal de la Haute Saône La RN437 Le Hangar Conforama Le ruisseau des contours 2

3 Conséquences des contraintes sur la conception de l ouvrage Un site fragmenté, des circulations de chantier adaptées 3

4 Conséquences des contraintes sur la conception de l ouvrage Contraintes géotechniques et hydrauliques Fondations profondes Batardeaux provisoires Consolidation du remblai Est Recherche et traitement des Karsts 4

5 Conception proposée Schéma fonctionnel : une succession de portiques 5

6 Conception proposée Un précédent illustre : le pont ferroviaire de La Voulte sur le Rhône Entreprise Boussiron (1952) Concepteur : N. Esquillan 5 travées de 56 m en béton précontraint portiques articulés à la base des béquilles, reliés par de courtes travées indépendantes 6

7 Conception proposée Un schéma analogue : viaducs de la LGV Liège-Cologne (2005) 2500 m de viaducs préfabriqués en béton précontraint (4 ouvrages) Alternance de portiques encastrés sur les béquilles et les contre-béquilles, et de travées indépendantes Vitesse maximale de ligne : 300 km/h 7

8 Conception proposée Un schéma analogue : accès du pont de Strelasund (2005) Liaison autoroutière Stralsund-Rügen (Allemagne) : travée de 113 m Le caisson mixte du tablier est soudé sur des béquilles en acier remplies de béton Tronçons de 210 tonnes mis en place à la grue 8

9 Conception proposée Structure transversale du tablier : un RAPL à poutres caissons 9

10 Conception proposée Pour les 11 appuis courants : Tous les efforts doivent passer par la «taille de guêpe» de 4,4 m de diamètre. Le «tétrapode» en acier est cloué par précontrainte sur le socle en béton. Une bêche d ancrage assure la transmission de l effort tranchant. 10

11 Etudes du projet initial Simplifications de la géométrie des appuis 11

12 Etudes du projet initial Définition géométrique des tétrapodes et des socles 12

13 Justifications spécifiques aux ponts rails Base règlementaire Référentiel technique de la LGV Rhin-Rhône Livre 1 Tome IV «Ouvrages d art» (2002) Fascicule 2.01 de la SNCF Spécification technique d interopérabilité du système ferroviaire transeuropéen à grande vitesse (2002) Cahier-programme de la LGV Rhin-Rhône «étude dynamique des ponts-rails» (2005) EN Eurocode 1 partie 2 «actions sur les ponts dues au trafic» (2004) Vitesse de référence de la ligne : 350 km/h 13

14 Justifications spécifiques aux ponts rails Limitation de la longueur dilatable des tronçons d ouvrage Pour faire passer une voie continue sur un ouvrage, la longueur de dilatation L T ne doit pas dépasser : 60 m pour les ouvrages entièrement métalliques, 90 m pour les ouvrages mixtes et les ouvrages en béton. Le schéma fonctionnel proposé permet de se passer d appareils de dilatation : L totale = 80,2 m pour le portique central, et 66 m pour les portiques courants. On a pu ainsi abaisser le profil en long de la ligne, et diminuer le volume du remblai Est. 14

15 Justifications spécifiques aux ponts rails Stabilité du ballast Accélération verticale limitée à 3,5 m/s² à l axe de la voie sous le passage des dix trains du convoi universel A Accélération verticale limité à 7 m/s² sous sollicitations sismiques de service Limitation de la déformation des rails Gauche total limité à 7,5 mm sur 3 m Gauche sous chargement UIC71 x Ф < 1,5 mm sur 3 m pour V > 220 km/h Gauche sous chargement réel x Ф réel < 1,5 mm sur 3 m pour V > 220 km/h 15

16 Justifications spécifiques aux ponts rails Limitation de la déformation des rails Rotation d extrémité du tablier pour les ponts à deux voies où V > 220 km/h : Sous chargement UIC71 x Ф Θ < 3, radians entre remblai et tablier Θ 1 + Θ 2 < radians entre deux tabliers consécutifs Sous chargement réel x Ф réel Θ < /h* radians entre remblai et tablier Θ 1 + Θ 2 < /h* radians entre deux tabliers consécutifs *h en mètres = distance entre le rail et l axe d appui du pont 16

17 Justifications spécifiques aux ponts rails Limitation de la déformation des rails Flèches horizontales du tablier sous séisme transversal de service : Déplacement relatif transversal entre le remblai et le tablier d rt < 20 mm Rayon de courbure horizontal > 9500 m Déviation angulaire < 0,003 radian 17

18 Justifications spécifiques aux ponts rails Contraintes dans les rails L objectif est de limiter les contraintes dans les rails en service En l absence d appareils de dilatation, le déplacement du tablier sous l action simultanée du démarrage et du freinage des trains ne doit pas dépasser 5 mm, Dans le fascicule 2.01, la contribution des rails à la rigidité de l ensemble voieouvrage est prise en compte forfaitairement en minorant les efforts (chapitre 1, tableau I.6). Mais il est loisible d étudier directement l interaction voie-ouvrage, en modélisant le comportement non linéaire du ballast. Il faut alors calculer de surcroît les contraintes extrêmes des rails, en combinant les effets des charges verticales concomitantes des efforts de freinage/démarrage, des variations uniformes de la température (± 35 C) et du gradient thermique. sous séisme longitudinal de service le déplacement relatif longitudinal entre le remblai et le tablier est limité : d rl < 20 mm. 18

19 Justifications spécifiques aux ponts rails Confort des voyageurs L objectif est de limiter l accélération verticale à 1 m/s² Pour un tablier continu sur appuis simples, ou pour une succession de travées isostatiques de portée L, on se borne à limiter le rapport δ / L, oùδest la flèche verticale au droit d une voie supportant obtenue soit sous la charge UIC71 x Ф, soit sous convoi réel. Dans les autres cas, on doit faire une étude dynamique du confort, en modélisant la suspension des voitures et l ouvrage. 19

20 Méthodes de calcul Etude dynamique sous circulation ferroviaire Calcul des modes propres de l ouvrage jusqu à la fréquence de 20 Hz Identification des modes associant une déformation dans le plan vertical et une masse modale conséquente Les paramètres suivants ont une forte influence : Pas de temps du calcul : < 0,002 seconde Rigidité des appuis et des fondations Pourcentage d amortissement critique ξ :. Tabliers métalliques et mixtes : 0,5 %. Tabliers à poutrelles enrobées : 1,5 % Sous le TGV double rame à 420 km/h, l accélération verticale maximale passe de 2,2 à 3,7 m/s² quand ξ passe de 1,5 à 0,5 %. 20

21 Méthodes de calcul Calcul de l accélération verticale sous circulation ferroviaire Calcul pour V =350 km/h, 1,2.V = 420 km/h, et pour trois vitesses critiques. Calcul de la vitesse critique pour chacun des trois modes identifiés et chacun des dix convois du train universel : Vitesse (m/s) = λ (m) x F (Hz) Fréquence (Hz) Mode Mode Mode Espacement des boggies λ (m) Vit critique 1 (km/h) Vit critique 2 (km/h) Vit critique 3 (km/h) Convois universels A1 A2 A3 A4 A8 A9 A

22 Méthodes de calcul Calcul de l accélération verticale sous circulation ferroviaire Analyse temporelle pas à pas pour le calcul de l accélération verticale Le cas échéant identification d une mise en résonance caractéristique 22

23 Etudes du projet initial Modes propres Premier mode : f = 1,08 Hz balancement transversal 23

24 Etudes du projet initial Accélérations verticales maximales du tablier dans l axe de la voie chargée : JMI : 1,6 m/s² dans l axe du tétrapode P2 (TGV DR à 350 km/h ξ = 0,5 %) 2,2 m/s² dans l axe du tétrapode P7 (TGV DR à 420 km/h ξ = 1,5 %) 2,6 m/s² près de l appui d extrémité C14 (TGV DR à 420 km/h ξ = 1,5 %) 3,4 m/s² dans l axe du tétrapode P4 (convoi A4 à 420 km/h ξ = 1,5 %) 3,8 m/s² près de l appui d extrémité C14 (convoi A3 à 420 km/h ξ = 1,5 %) DOA-SNCF : 1,6 m/s² dans l axe du tétrapode P4 (TGV DR à 350 km/h ξ = 1,5 %) 1,5 m/s² au milieu de la travée P4P5 (TGV DR à 350 km/h ξ = 1,5 %) 4,6 m/s² sur l appui d extrémité C14 (TGV DR à 350 km/h ξ = 1,5 %) La limite de 3,5 m/s² n est dépassée qu aux extrémités du tablier, où le calcul est défavorable (les charges des trains sont appliquées directement sur le hourdis du tablier, sans tenir compte de l effet répartiteur des rails et du ballast). 24

25 Etudes du projet initial Etude du confort des voyageurs (SNCF IGOA juillet 2006) TGV double rame à 350 km/h. Pourcentage d amortissement critique 1,5 % Critères de confort de l art. A de l annexe A2 de l EN : acceptable : γ v < 2,0 m/s² bon : γ v < 1,3 m/s² très bon : γ v < 1,0 m/s² Accélération verticale maximale des voitures, en l absence de déformations du tablier dues à la température : 0,7 m/s² dans les voitures contigües aux motrices, 0,2 m/s² dans les autres. Accélération verticale maximale des voitures, quand le tablier est déformé par une variation de sa température de 35 C : 1,9 m/s² dans les voitures contigües aux motrices, 0,8 m/s² dans les autres. et si la vitesse est réduite à 300 km/h : 1,1 m/s² dans les voitures contigües aux motrices, 0,6 m/s² dans les autres. 25

26 Etudes du projet initial Etude statique Contraintes normales extrêmes à l état limite ultime :. poutres du tablier en travée (S 355) : 305 MPa < 335 Mpa. poutres du tablier à l encastrement sur les béquilles (S 460) : 320 MPa < 400 MPa. têtes des béquilles des tétrapodes (S 460) : 385 MPa < 400 MPa Résistance à la fatigue sous charges UIC :. variation des contraintes en fibre supérieure du tablier : 34 MPa < 60 MPa. variation des contraintes en fibre inférieure du tablier : 37 MPa < 56 MPa. variation des contraintes au sommet des béquilles : 41 MPa < 56 MPa Limitation du gauche des voies : t = 0,1 mm < 1,5 mm sur 3 m Limitation des rotations d extrémités des tronçons du tablier :. sur culées : q = 0,6 à 0, radian < 3, radian. entre deux tronçons successifs : q1 + q2 = 1, radian < radian Limitation à 5 mm du déplacement longitudinal du tablier sous freinage-démarrage 26

27 Etudes du projet initial Répartition de matière du tablier Semelle supérieure des poutres caissons (largeur 1,3 m) : 50 à 70 mm Semelle inférieure des poutres caissons (largeur 1,6 m) : 35 à 85 mm Ames des poutres caissons (hauteur 3,5 m) : 16 à 20 mm Poutrelles HEA 500 tous les 75 cm. Attache renforcée sur les diaphragmes tous les 3 m. 27

28 Etudes du projet initial Etude aux éléments finis des tétrapodes 28

29 Etudes du projet initial Etude aux éléments finis des tétrapodes => Rigidification de l embase, au prix d une complexité croissante 29

30 Etudes du projet initial Etude aux éléments finis de la jonction tétrapode / tablier La section oblique des têtes de béquilles n a que 2,67 x 1,10 m 30

31 Etudes du projet initial Etude aux éléments finis de la jonction tétrapode / tablier => Entretoisement transversal des béquilles => Epaississement des tôles (100 mm), et passage en S 460 en tête des béquilles 31

32 Etudes du projet initial Connexion tablier / tétrapode Acier S460 pour les âmes du caisson (e 20 mm) et les diaphragmes obliques (e 40 mm) 32

33 Etudes du projet initial Ancrage des tétrapodes en acier sur leur socle en béton armé Clouage par 20 barres Ø 50 mm tendues à 144 tonnes. Sous l embase on intercale un «anneau de positionnement» muni d ergots de centrage. La position de l anneau est ajustée au moyen de vis de réglage, puis l interstice entre le béton du socle et l anneau est injecté. 33

34 Etudes du projet initial Variante : Remplacement de l embase en acier des tétrapodes par une embase en béton armé Embase en acier : Variante en béton armé : 36 tôles internes de 30 à 60 mm 4 x 18 barres Ø 75 mm 34

35 Méthodes de construction envisagées Mise en place des tétrapodes métalliques sur leur socle en béton Embase : 180 tonnes béquilles : 55 tonnes 35

36 Méthodes de construction envisagées Lancement de la charpente sur des palées provisoires Les tronçons successifs sont soudés temporairement les uns aux autres 36

37 Méthodes de construction envisagées Assemblage de la charpente sur le remblai de préchargement 37