Application du projet de dalle gaufrée du PN MIKTI sur un ouvrage à Livron-Loriol F. Tavakoli, S. Bouteille, F. Toutlemonde. Contexte général Les bétons fibrés à ultra-hautes performances (B.F.U.P.) constituent une véritable évolution pour la conception des structures. Les fibres peuvent permettre de se dispenser des armatures passives secondaires, et les capacités de résistance en compression exceptionnelles du matériau permettent de concentrer les efforts dans des pièces très minces. Dès lors, l allègement des structures ou de parties d ouvrage à l aide du B.F.U.P. et la durabilité accrue de ce dernier ouvrent des perspectives d emploi jusqu alors inenvisageables avec les bétons traditionnels ou même les bétons à haute performance. La première partie de cet article concerne des travaux menés dans le cadre du Projet National Mikti. Il s agit de l étude d une bi-poutre à grande portée avec un tablier à dalle en B.F.U.P. et les résultats du programme expérimental de validation réalisé sur la plate-forme d essai des structures du LCPC. Les recommandations AFGC sur l emploi des B.F.U.P. ont été appliquées avec succès pour l ensemble de la conception, en utilisant une modélisation de type grille de poutres. Cependant le fonctionnement tridimensionnel de la structure, particulièrement dans les zones d application d efforts concentrés, a nécessité une vérification spécifique. Cette validation expérimentale a été conduite sur un corps d épreuve à l échelle un, en incluant notamment la vérification de la tenue en fatigue vis-à-vis des charges issues d un trafic lourd important, l ancrage des dispositifs de retenue, et les dispositions de connexion à la charpente métallique. Les techniques alternatives autorisées par le B.F.U.P nécessitent la volonté et le soutien des maîtres d ouvrage pour leur mise en œuvre. L étude de réalisation d un ouvrage de géométrie quasi traditionnelle rendue possible par les résultats obtenus dans le cadre du Projet National de recherche Mikti peut trouver d autres applications pertinentes. La deuxième partie de cet article présente l exemple d un projet d ouvrage mixte dans un environnement contraint situé à Livron-Loriol dans le département de la Drôme (France). 1
UHPFRC 2009 November 17 th & 18 th Marseille, France Études et programme expérimental dans le cadre du PN MIKTI Projet d ouvrage L ouvrage est un bi poutre mixte à entretoise. Il comporte trois travées : 90 m 130 m 90 m. Le dévers est en pente unique de 2,5%. Figure n 1 Coupe longitudinale de l ouvrage projet La dalle est constituée d éléments préfabriqués en B.F.U.P. ayant la largeur totale de l ouvrage, soit 12m et de 2m50 de longueur. La précontrainte transversale prétendue rectiligne comporte deux torons T15S par nervure, le câble inférieur étant gainé sur appui. L étude sous l action des charges locales a conduit à proposer une dalle de 5cm d épaisseur, raidie dans les deux directions par des nervures qui conduisent à une hauteur totale constante de 38 cm. Ces nervures sont espacées d environ 60cm dans les deux directions. Le phasage de fabrication prévu dans l étude est le suivant : positionnement des éléments de dalle sur la charpente, éléments préfabriqués connectés par des joints matés, mise en précontrainte longitudinale, connexion à la charpente, dénivellation d appui. Figure n 2 Coupe transversale de l ouvrage projet 2
Résultats de l étude en flexion transversale L étude sous l action des charges locales a conduit à proposer une dalle de 5cm d épaisseur. Elle est raidie dans les deux directions par des nervures qui conduisent à une hauteur totale constante de 38 cm. Ces nervures sont espacées d environ 60cm dans les deux directions. Figure n 3 Coupe dans l axe longitudinale de l ouvrage d un élément préfabriqué en BFUP La précontrainte retenue est réalisée par un câblage prétendu rectiligne constituée de 2 T15S par nervure, le câble inférieur étant gainé sur appui. Figure n 4 Précontrainte transversale de la dalle en BFUP Résultats de l étude en flexion longitudinale Le calcul en flexion longitudinale a été conduit suivant les usages actuels d un calcul à court terme et à long terme en adaptant les hypothèses en fonction des caractéristiques du coefficient de fluage variant de 0,2 à 0,8 suivant la présence ou non d un traitement thermique engendre une traction dans la dalle qui varie de 15 à 16,5 MPa. Figure n 5 Contraintes minimale de flexion longitudinale en fonction du fluage dans la dalle BFUP 3
UHPFRC 2009 November 17 th & 18 th Marseille, France La prise en compte des pertes différées (de 5.5% pour =0,2 à 15,3% pour =0,8) conduit à un câblage longitudinal extérieur minimal de 114 torons T15S, disposé entre les nervures longitudinales, filant tout le long de l ouvrage afin de permettre des ancrages aux abouts du tablier plus aisé au niveau de l exécution. Cette précontrainte peut être répartie par exemple pour =0,5 sur les 21 intervalles de la manière suivante : 4x7T15S sur chaque encorbellement et 9x7T15S en travée centrale Figure n 6 Précontrainte longitudinale de l ouvrage projet Ancrage du dispositif de retenu Figure n 7 Ancrage de type P pour le dispositif de retenu Le problème majeur soulevé par les différentes solutions étudiées est la liaison de la longrine d ancrage de la BN4 à la dalle BFUP qui doit rester dans le cadre réglementaire français de l implantation des barrières de sécurité. La solution retenue est un ancrage précontraint de barrière métallique conformément au Guide Technique GC barrières de sécurité pour la retenue des poids lourds. Dispositions constructives retenues Après études de différentes possibilités de fonctionnement, le groupe de travail du PN MIKTI a retenu une liaison de type joint maté entre éléments préfabriqués et une connexion dalle-poutre métallique par injection d un coulis entre les nervures longitudinales situées au-dessus des poutres métalliques. Figure n 8 Principe de la connexion dalle BFUP poutre métallique 4
Programme d essais au LCPC Objectif du projet expérimental Hormis l aspect innovant des caractéristiques du matériau qui a déjà été l objet de plusieurs applications, pour pouvoir réaliser ce projet certains éléments méritaient une confirmation expérimentale afin de valider d une part la résistance locale et générale en fatigue de cette dalle orthotrope en BFUP et d autre part certaines dispositions constructives retenues par rapport au contexte réglementaire français. Fabrication des corps d épreuves et dispositifs d essai Deux éléments de dalles nervurées ont été fabriqués à l usine de préfabrication Hurks Béton située à Eindoven en Hollande. Ces éléments sont à l échelle 1 par rapport au projet de base mais ont une largeur transversale réduite de moitié. Pour cela le BSI/CERACEM et le Ductal ont été utilisés. Les corps d épreuves associés à la caractérisation des matériaux ont également été réalisés à cette occasion. Photo n 2 - Coulage d une alvéole Photo n 1 Dalle d essai Ductal en cours de bétonnage. Suite à la réception des corps d épreuve fin juin 2004 le LCPC a réalisé le dispositif de montage suivant : Assemblage des deux corps d épreuve sur le banc d essais Clavage en BFUP BSI (non fibré) Mise en tension de la précontrainte longitudinale Ferraillage puis bétonnage de la longrine de BN4 5
UHPFRC 2009 November 17 th & 18 th Marseille, France Finalement c est un corps d épreuve complexe de tablier gaufré, de dimensions en plan 6,10 x 5 m, qui a pu servir aux différents aspects de la validation recherchée : Photo n 6 Dispositif d essai et bâti de montage pour la flexion transversale flexion transversale sur une portée de 4,20 m avec un schéma d application des charges représentatif de l essieu de l Eurocode utilisé pour la vérification en fatigue (deux roues de 0,4 m x 0,4 m chargées à 100 kn espacées transversalement de 1,20 m) ou pour les charges de service caractéristiques (deux roues de 0,4 m x 0,4 m chargées à 150 kn espacées transversalement de 1,20 m), 6
flexion locale sur une alvéole seule, endommagée préalablement ou non par le chargement de fatigue, sous l effet du même type de «roues» de surface 0,4 x 0,4 m, Figure n 9 Principe du dispositif d essais sur une alvéole préalablement chargée ou nons poussée transversale sur le montant du dispositif de retenue, de façon à vérifier sous un essai statique à rupture que les éléments d ancrage normalisés plastifient et rompent sans provoquer d endommagement irréversible dans la dalle en BFUP. Par ailleurs, des essais particuliers de résistance locale ont été réalisés sur des alvéoles ainsi qu un essai de «push-out» pour valider la résistance de la connexion dalle B.F.U.P. poutre métallique. Figure n 10 Corps d épreuve essai pushout Photo n 7 Dispositif pour l essai push out Principaux résultats d essais Les résultats des essais sur les éléments de dalles nervurés concernent en particulier : Les essais de flexion sous charge représentative d un essieu qui ont permis de déterminer un facteur de sécurité sur la charge vis-à-vis des phénomènes de fatigue au minimum égal 7
UHPFRC 2009 November 17 th & 18 th Marseille, France à 1,25 si la charge peut être considérée comme répartie sur une surface assez large, et au minimum égal à 1,15 dans le cas de charges très concentrées. Essais de flexions sous charge locale ont été conduits sur la dalle et sur deux alvéoles localisées et si la rupture apparaît brutale pour une charge variante de 352 à 417 kn, le coefficient de sécurité est élevé : avec un minima de 2.35 pour une diffusion réduite de la charge et de 6 pour la dimension normalisée de la roue. Deux essais de flexion générale à la rupture ont été menés : un en section courante, l autre proche du joint. Les résultats font apparaître quantitativement un facteur de sécurité d au moins 1,8 à l ELS et 2 à l ELU, qui provient principalement de la participation des nervures longitudinales à la diffusion des charges. Deux chargements successifs ont été appliqués sur le dispositif de retenu des véhicules par ancrage précontraint. Ces essais ont conduit à la rupture des vis fusibles conformément au principe de conception et n ont pas généré d endommagement dans la dalle en BFUP. Par ailleurs, l essai de «push-out» a permis de valider la connexion dalle en BFUP poutre métallique. Le dimensionnement à l ELU est de 710kN selon le règlement français et de 900kN selon les Eurocodes. Un comportement non linéaire du chargement est apparu à partir de 1200kN et le chargement a été stoppé à 1800kN compte-tenu des limites du montage. Le mode de rupture est celui attendu : ductile, lié à la plastification des goujons. Les coefficients de sécurité qui découlent de ces essais sont de 2,7 à l ELS (règlement français), et d au moins 1,67 à l ELU (Eurocodes). Application à l ouvrage mixte de Livron-Loriol L ouvrage retenu permettra le franchissement des voies ferrées Paris-Lyon-Marseille et sera construit dans le cadre de la déviation des communes de Livron et Loriol, dans la Drôme. Il est constitué de deux tabliers d'une longueur totale de 150m comportant trois travées : deux travées de rive de 41m de portée et une travée centrale de 68m. Les tabliers, de 10,70 m de largeur, sont de type bipoutre à entretoises. Les appuis sont fondés sur pieux forés. Deux solutions sont envisagées pour la dalle de couverture : Dalle classique en béton armée (béton C40/50) de 0,35 m d' épaisseur au droit des poutres et 0,25 m aux extrémités de l encorbellement et dans la partie centrale de la dalle, Dalle gaufrée en BFUP. Dans la solution BFUP, la dalle de couverture est de même type que celle étudiée dans le cadre du Projet National MIKTI. Les caractéristiques principales qui ont fait l objet d essais, tels que les dimensions de la dalle, la précontrainte transversale, les dispositions nécessaires à l ancrage de la barrière de sécurité, le principe de connexion à la charpente, ainsi que la longueur des éléments préfabriqués (2,50m) et leur principe d assemblage, ont été conservées. En revanche, certains points ont dû être adaptés au projet. La largeur de la dalle passe de 12m à 10,70m et la quantité de précontrainte longitudinale a été adaptée au projet. En outre, l entraxe des nervures destinées à accueillir les connecteurs a été adapté à la largeur de la semelle supérieure des poutres. Chaque élément de dalle, de 10,70 m de largeur et 2,50 m de longueur, pèse 11,15 tonnes environ contre 19,40 t pour une dalle classique BA. 8
Figure n 11 Coupe transversale de l ouvrage Une dénivellation d'appui de 50 cm est prévue afin d'optimiser la précontrainte. Malgré cette dénivellation la traction en FS de la dalle atteint 10,15 MPa sur piles. Figure n 12 Contrainte normale en FS de la dalle sans précontrainte 9
UHPFRC 2009 November 17 th & 18 th Marseille, France La précontrainte longitudinale a été dimensionnée de manière à ce que les joints transversaux soient toujours comprimés : A l ELS caractéristique en prenant compte 50% des effets de la dénivellation d appui ; A l ELS fréquent en cumulant les contraintes de Flexion Générale et de Flexion Locale et en prenant compte 50% des effets de la dénivellation d appui. La précontrainte longitudinale est constituée de 8 câbles 12T15S extérieurs. Les câbles sont disposés entre les nervures. Ils sont filants tout le long de l'ouvrage et peuvent être remplacés le cas échéant. Des dispositions sont prévues pour rajouter, si nécessaire, des câbles de renfort. Figure n 13 Précontrainte longitudinale Les contraintes finales dans la dalle BFUP sont les suivantes : Contraintes minimales à l ELS caractéristique avec 50% des effets de la dénivellation d appui : c = 2,61 MPa (Fibre Supérieure sur pile) c = 3,06 MPa (Fibre Inférieure sur pile) Contraintes maximales à l ELS caractéristique avec 100% des effets de la dénivellation d appui : c = 41,80 MPa (Fibre Supérieure à la clé) Contraintes minimales à l ELS fréquent en cumulant la flexion générale et la flexion locale et en considérant 50% des effets de la dénivellation d appui : c = 0,42 MPa (Fibre Inférieure sur pile) La solution BFUP présente des avantages par rapport à la solution classique : Meilleure durabilité du matériau BFUP, Réduction du poids de la charpente et de la longueur des pieux grâce à une diminution du poids de la dalle de couverture, Absence de fissuration de la dalle BFUP par rapport à une dalle en béton armé où malgré les différentes précautions la fissuration ne peut pas être évitée au voisinage des piles. 10
De plus, l'utilisation des dalles gaufrées en BFUP permet de lancer la charpente équipée des dalles ce qui présente un avantage important pour cet ouvrage en raison du franchissement des voies ferrées. Cette technique facilite également l'exécution des travaux au-dessus des voies ferrées et permet de réduire le nombre de coupures de trafic. Références RESPLENDINO.J, BOUTEILLE.S (2005), Les derniers développements dans l utilisation des Bétons Fibrés Ultra Performants en France, congrès CG'2005, Paris octobre 2005. TOUTLEMONDE F., RESPLENDINO J., SORELLI L., BOUTEILLE S., BRISARD S. (2005) Innovative design of Ultra-high Performance Fiber reinforced Concrete ribbed slab : experimental validation and preliminary detailed analyses, 7th International Symposium on Utilization of High Strength / High Performance Concrete, Washington D.C. (USA), june 20-22, 2005, ACI SP-228, H. Russel ed., SP 228--76, pp. 1187-1206. TOUTLEMONDE F., RENAUD J.-C., LAUVIN L., SIMON A., BEHLOUL M., BOUTEILLE S., RESPLENDINO J. (2008) Experimental validation of a ribbed UHPFRC bridge deck, Ultra High Performance Concrete (UHPC), 2 nd int. symp. on Ultra High Performance Concrete, Kassel (Germany), March 05-07, Kassel University Press, Structural Materials & Engineering Series N 10, Fehling et al. eds, pp. 771-778. TOUTLEMONDE F., LAUVIN L., RENAUD J.-C., BABY F., BOUTEILLE S., RESPLENDINO J. (2008) Validation of connection details between a UHPFRC ribbed slab and steel girders for a new composite bridge deck type, 8 th Int. Symp. On Utilization of Highstrength and High-performance Concrete, 8HSC-HPC, October 27-29, Tokyo (Japan), Proc. Vol. 2, paper S3-3-1, pp. 885-892. TOUTLEMONDE F (2009), Contribution au livre de synthèse et recommandations établi sur la base des résultats des travaux du Projet National MIKTI, Rapport interne PN MIKTI. 11