Université du Québec à Chicoutimi MODULE D INGÉNIERIE GÉNIE CIVIL PROJET SYNTHÈSE 6GIN555 # Projet : 2011-245 Rapport Final Aménagement d un échafaud sous le pont P-13920 pour des travaux de réfection Préparé par : Nicolas Guy André Brassard Jean-Denis Allaire Pour Jean-Denis Allaire Inter-Projet Le vendredi 2 décembre 2011 CONSEILLER : COORDONNATEUR : Marc Savard, ing. Jacques Paradis, ing.
Nom du conseiller Date Signature Approbation du rapport d étape pour diffusion
Remerciements Nous tenons à exprimer nos sincères remerciements à l ensemble du module d ingénierie pour leur appui inconditionnel tout au long du processus de ce projet. Nous remercions particulièrement le conseiller de projet, monsieur Marc Savard, qui, par ses connaissances et son expérience dans le domaine, a su nous diriger dans nos démarches, répondre à nos nombreuses questions. Un remerciement spécial à monsieur Danny Ouellet qui nous a permis d avoir les ajouts adéquats au logiciel SolidWorks. Ce qui nous a permis d effectuer nos études avec le bois. Également, un grand merci à Inter-Projet qui nous a permis de trouver le sujet de notre projet et d avoir un plein accès aux documents concernant le projet. Finalement, un remerciement à tous ceux que nous avons omis de nommer et qui ont participé à notre cheminement dans ce projet et dans notre future profession d ingénieur.
Résumé Résumé de la problématique et des objectifs Les travaux de réfection du viaduc situé sur la route 283 au-dessus de l autoroute 20 dans la municipalité de Montmagny sont prévus pour le début du mois de mars 2012. Pendant ces travaux, l autoroute 20 ainsi que la route 283 demeureront ouvertes en permanence. Les travaux seront donc réalisés en alternance sur les deux voies de la route 283, ce qui implique qu il y aura plusieurs phases de travaux afin de permettre la circulation routière. Lors de la démolition de la dalle existante, une passerelle devra donc être mise en place afin d amasser les rebuts de béton provenant de la dalle lors de la démolition.. La conception d un échafaud sous le tablier du viaduc ayant pour but de résister au poids des travailleurs, de l outillage et des débris pouvant tomber de la dalle lors des travaux. La passerelle de démolition doit résister à un impact généré par la chute d un morceau de dalle qui se serait décroché par inadvertance. Elle doit également respecter le dégagement requis au-dessus de l autoroute 20. Des passerelles d accès devront être aménagées aux culées afin de permettre aux travailleurs d accéder aux zones à réparer. Ces passerelles devront supporter le poids des rebuts de béton, des travailleurs ainsi que des équipements de démolition. Lors du bétonnage de la nouvelle dalle aux différentes phases de démolition reconstruction, un système d étaiement devra être dimensionné afin de supporter les coffrages lors de la coulée de la nouvelle dalle et tout au long de la cure du béton. Ils doivent résister à la charge maximale fournit par le ministère et doit prendre en compte que cette charge ne s applique qu à demi largeur du viaduc. Résumé du travail effectué En premier lieu, afin de se familiariser avec le projet et ses contraintes, une étude approfondie des plans et devis a été effectuée. Suite à cette étude, plusieurs discussions ont eu lieu afin d énumérer des idées pour la conception de chacune des étapes du projet. Après avoir décidé de la faisabilité de chaque cas, les calculs à la main ont débuté. Le dimensionnement et les matériaux ont été choisis et le tout a été suivi d une conception et d une analyse sur Solidworks. Une analyse sur SAP2000 à également été apportée pour appuyer nos calculs des efforts dans les structures. Résumé des Conclusions Les calculs et les analyses des structures ont permis d émettre des conclusions positives pour chaque élément de conception. La passerelle principale est en mesure de supporter l impact d un bloc de béton qui se détacherait par accident. Les passerelles d accès résistent aux charges d utilisation et les étaiements sont en mesure de soutenir les poutres lors du bétonnage de la nouvelle dalle.
Table des matières Remerciements... 3 Résumé... 4 Table des Illustrations... 7 1.Introduction... 9 2. Présentation du projet... 12 2.1. Description de l entreprise... 12 2.2. Description de l équipe de travail... 12 2.3 Problématique et état de l art reliés au projet... 13 2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet... 14 3. Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet... 15 3.1 Conception de la passerelle principale... 15 3.1.1 Présentation... 15 3.1.2 Force d impacte du bloc de béton... 16 3.1.2.1 Masse du bloc... 17 3.1.2.2 Calcul de la flèche induite par l impact du bloc... 18 3.1.2.3 Calcul de la charge répartie équivalente à l impact... 21 3.1.2.4 Détermination des réaction d appuis et du moment maximum... 22 3.1.3 Dimensionnement des supports... 24 3.1.3.1 Aire tributaire... 24 3.1.3.2 Charge de travail... 24 3.1.3.3 Dimensionnement des supports... 25 3.1.3.4 Vérification du nombre de boulons en cisaillement... 29 3.1.3.5 Vérification de la soudure d angle et de la surface de fusion... 30 3.2 Conception de la passerelle de démolition pour accéder aux culées... 31 3.2.1 Détermination des charges sur la passerelle... 31 3.2.2 Calcul des solives de plancher... 32
3.2.2.1 Données :... 32 3.2.2.2 Aire de charge... 33 3.2.2.3 Combinaisons de charges aux fins de calcul aux états limites ultimes... 33 3.2.2.4 Résistance en flexion... 35 3.2.2.5 Vérification... 35 3.2.3 Calcul des poteaux de bois comprimés... 37 3.2.3.1 Généralité... 37 3.2.3.2 Calcul de la colonne de bois... 38 3.3 Conception et dimensionnement des Étaiements pour le bétonnage... 40 3.3.1 Mise en situation... 40 3.3.2 Dimensionnement des poteaux... 41 3.3.2.1 Détermination de la charge à chaque poutre :... 41 3.3.2.2 Détermination de la longueur effective... 41 3.3.2.3 Sélection du poteau :... 42 3.3.3 Sélection de la poutre principale... 44 3.3.3.1Vérification de la résistance de l âme à l extrémité (poutre du viaduc):... 44 3.3.3.2 Sélection d un nouveau profilé :... 45 3.3.3.3 Vérification de la résistance de l âme à l intérieur (poutre du viaduc):... 45 3.3.4 Contreventement des étaiements... 46 3.3.4.1 Résistance de la cornière en compression... 46 3.3.4.2 Vérification des assemblages... 47 3.3.4.3 Résistance des boulons... 52 4. Bilan des activités... 53 4.1 Arrimage formation pratique/universitaire... 53 4.2 Travail d équipe... 53 4.3 Échéancier... 54 4.4 Analyse et discussion... 55
5. Conclusion... 56 6. Bibliographie... 57 ANNEXES A Conception et Analyse Solidwork Passerelle de démolition... 58 ANNEXE B Conception et Analyse Solidworks Passerelle de démolition principale... 64 ANNEXE C Analyse SAP2000 Passerelle de démolition principale... 70 ANNEXE D Conception et Analyse SAP2000 Étaiements... 74 Table des Illustrations Figure 1: Colonne délaminée... 9 Figure 2: Appareil d'appui... 10 Figure 3: Vue du dessous de la dalle - diaphagme et assises... 11 Figure 4: Vue de dessus de la passerelle principale... 15 Figure 5: Vue en élévation des supports de la passerelle principale... 15 Figure 6: Coupe de la passerelle et du viaduc... 16 Figure 7: Coupe transversale du viaduc completé... 17 Figure 8: Modèle SAP2000 pour calculer de la rigidité... 19 Figure 9: Géométrie du support... 25 Figure 10: Ligne de rupture des supports... 27 Figure 11:coupe solive de la passerelle de démolition... 33 Figure 12: Coupe de la passerelle de démolition près des culées... 37 Figure 13: Disposition des étaiements sous le viaduc... 40 Figure 14:Vue en plan du biais qu'a le viaduc avec l'autoroute 20... 41 Figure 15: Géométrie de l'étaiement C... 42 Figure 16: Représentation de la poutre du viaduc sur l'étaiement pour le calcul de la résistance de l'âme... 44 Figure 17: représentation du contreventement... 46 Figure 18: Plan de cisaillement de l'assemblage sur le poteau de l'étaiement... 48
Figure 19: Plan de cisaillement de l'assemblage et de la cornière du contreventement... 49 Figure 20: Échéancier... 54
1.Introduction Suite à une inspection et à une évaluation de la fonctionnalité du viaduc P-13920 qui permet aux usagers de la route 283 de croiser l autoroute 20 à Montmagny, un appel d offres a été déposé par le ministère des Transports en vue de sa réfection. Plusieurs entrepreneurs, incluant Inter-Projet ont soumis une proposition pour la réalisation de ces travaux. Après l étude des soumissions, le contrat fut accordé à Inter-Projet, car il était le plus bas soumissionnaire. Les travaux à effectuer sur le viaduc sont : le remplacement de la dalle du pont, et la réparation des assises ainsi que des piliers. La tâche qui a été confiée à notre équipe est de concevoir une passerelle de démolition, une passerelle d accès aux piliers ainsi que le dimensionnement des étaiements nécessaires lors de la coulée de la nouvelle dalle. Les figures ci-dessous démontrent bien l état du viaduc, ce qui a forcé le ministère des Transports à agir. Figure 1: Colonne délaminée Figure 1 Cette photo est représentative de l état des colonnes des piliers. Le béton est délaminé en partie tel que mentionné si haut, des travaux de démolition partielle du béton pour réparation avec surépaisseur sont prévus pour toutes les colonnes des piliers 2-3-4 et 5
Figure 2: Appareil d'appui Figure 2 : Cette figure représente un des appareils d appuis à pendule existants. Les travaux consistent, pour les culées et les piliers 2 et 5, à démanteler les appareils d appuis existants et les remplacer par des appareils de type élastomère fretté.
Figure 3: Vue du dessous de la dalle - diaphragme et assises Figure 3 : La dalle existante est délaminée par la corrosion des armatures. Les travaux consistent à démolir et à reconstruire la dalle du pont en totalité ainsi que les diaphragmes intermédiaires entre les poutres 3 et 4. La reconstruction de la dalle doit respecter les phases de travaux prévues aux plans et devis de même que la séquence de bétonnage indiquée aux plans à l intérieur de chaque phase.
2. Présentation du projet 2.1. Description de l entreprise L entrepreneur général qui a confié ce projet de conception à notre équipe est Inter-Projet, une compagnie qui œuvre dans le domaine du génie civil depuis plusieurs années. Une entreprise familiale qui compte à son actif plusieurs projets d envergures comme des ponts, des routes, des infrastructures de rue et depuis peu, elle se lance dans le domaine de la construction de bâtiment. Appuyée par une solide flotte de machineries et d une équipe persévérante, la compagnie se fait un devoir de répondre à toutes les exigences de ses clients et de remettre un travail de qualité. 2.2. Description de l équipe de travail Membres de l équipe : Jean-Denis Allaire Nicolas Guy André Brassard. Superviseur : Marc Savard ing. Contact Inter-Projet : Jean-Denis Allaire Jean-Pierre Gagné ing. Jr
2.3 Problématique et état de l art reliés au projet Les travaux de réfection du viaduc situé sur la route 283 au-dessus de l autoroute 20 dans la municipalité de Montmagny sont prévus pour le début du mois de mars 2012. Pendant ces travaux, l autoroute 20 ainsi que la route 283 demeureront ouvertes en permanence. Les travaux seront donc réalisés en alternance sur les deux voies de la route 283, ce qui implique qu il y aura plusieurs phases de travaux afin de permettre la circulation routière. Lors de la démolition de la dalle existante, une passerelle devra donc être mise en place afin d amasser les rebuts de béton provenant de la dalle lors de la démolition. Aucun débris ne doit tomber sur l autoroute 20 sous-jacente. Cette passerelle restera en place pour permettre aux travailleurs d effectuer leurs divers travaux de réfection et de coffrage pour la coulée de la nouvelle dalle. Des passerelles d accès devront être aménagées aux culées afin de permettre aux travailleurs d accéder aux zones à réparer. Ces passerelles devront supporter le poids des rebuts de béton, des travailleurs ainsi que des équipements de démolition. Lors du bétonnage de la nouvelle dalle aux différentes phases de démolition reconstruction, un système d étaiement devra être dimensionné afin de supporter les coffrages lors de la coulée de la nouvelle dalle et tout au long de la cure du béton.
2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet Les objectifs de ce projet sont d effectuer la conception de trois éléments indispensable au bon déroulement du projet de réfection du viaduc P-13920 à Montmagny. La conception d un échafaud sous le tablier du viaduc ayant pour but de résister au poids des travailleurs, de l outillage et des débris pouvant tomber de la dalle lors des travaux. La passerelle de démolition doit résister à un impact généré par la chute d un morceau de dalle qui se serait décroché par inadvertance. Elle doit également respecter le dégagement requis au-dessus de l autoroute 20. La conception devait tenir compte des matériaux en possession d Inter-Projet, mais aucun n était adéquat pour satisfaire aux restrictions de ce projet et de celles soumises par le ministère. Un deuxième élément de conception est la plateforme de travail qui permettra les travaux de réfection aux culées. Cette plateforme résiste au poids des équipements de démolition et est totalement sécuritaire. Les étaiements sont le dernier élément de conception du projet. Ils doivent résister à la charge maximale fournit par le ministère et doit prendre en compte que cette charge ne s applique qu à demi largeur du viaduc. Les fondations de ces étaiements doivent tenir compte de l état du sol en place afin de minimiser le tassement.
3. Aspects techniques et éléments de conception relatifs au projet 3.1 Conception de la passerelle principale 3.1.1 Présentation Figure 4: Vue de dessus de la passerelle principale Figure 5: Vue en élévation des supports de la passerelle principale
Figure 6: Coupe de la passerelle et du viaduc 3.1.2 Force d impact du bloc de béton Puisque la passerelle principale devra être en mesure de résister à la chute d un bloc de béton venant de la démolition de la dalle, voici le calcul des dimensions d un bloc de béton. Tel que démontré aux figures précédentes, l espacement entre deux poutres est de 2200 mm. Les poutres ont une largeur de 380mm. Donc l espacement libre entre deux poutres est de 1820mm. Dû au règlement du CCDG, article 15.1.1.1 qui spécifie que l entrepreneur doit utiliser une scie à béton jusqu à 100 mm des poutres, les dimensions du bloc seront de 1600 mm de longueur et une largeur de 500mm également. L épaisseur de la dalle est de 178 mm et nous devons considérer l épaisseur de pavage également estimé à 60 mm.
Figure 7: Coupe transversale du viaduc complété 3.1.2.1 Masse du bloc Une masse volumique pour le béton armé de 2800 Kg/m 3 et une masse volume de 2400Kg/m 3 pour le béton bitumineux a été considérée. Les plans et devis mentionnent que le pavage a une épaisseur de 30 mm mais en pratique, le pavage est toujours supérieur aux spécifications du devis, donc un pavage de 60 mm d épaisseur est considéré afin de sécuriser nos calculs, mais sera vérifié avant le début des travaux de démolition en mars 2012. Les calculs suivants seront faits avec la valeur arrondie de 515 kg.
3.1.2.2 Calcul de la flèche induite par l impact du bloc Données : Poutre sur appuis simple W200x100 Ip : 113 x 10 6 mm 4 Lu : 1800 mm E : 200 000 N/mm 2 Masse : 515 Kg Hauteur de chute : 1580 mm (hauteur de la poutre +300 mm) Le principe utilisé pour calculer la flèche induite par l impact est la méthode énergétique. Donc, puisque la flèche maximum apparait lorsque l énergie totale est totalement absorbée dans le système, elle sera déterminée avec l aide de ces deux formules biens connues : Énergie du bloc au moment de toucher le profilé Puisque le système est présumé conservatif, L énergie de la poutre est : Pour déterminer la vitesse, la force du bloc est déterminée en considérant l application de la force comme étant instantanée. On a donc un échelon à toutes fins pratiques parfait.
Calcul du temps de chute pour estimer la vitesse initiale du bloc de béton avant l impact avec la passerelle de démolition : Avec K la rigidité du ressort équivalent : La rigidité du profilé peux se calculer avec l aide de la formule suivante : Elle peut aussi ce calculer avec l aide de SAP2000 en utilisant la flèche obtenue en appliquant une charge sur la section. Dans ce cas la charge est de 100kN/m : Voici donc le modèle utiliser avec l aide de SAP2000 pour calculer la rigidité : Donc Figure 8: Modèle SAP2000 pour calculer de la rigidité
Les deux formules suivantes ne sont pas utiles aux calculs, mais représentent bien l allure de la courbe d impact. La fréquence angulaire w est calculé comme la racine du ratio suivant : La période de vibration libre est égale à : L énergie totale est l énergie cinétique de la masse à t=0 un instant avant le contact avec la poutre La flèche maximale apparait lorsque l énergie totale est entièrement absorbée (énergie potentielle) Donc
En plus de la flèche maximale due à l énergie totale, il faut ajouter la contribution de la vibration forcée 3.1.2.3 Calcul de la charge répartie équivalente à l impact Afin de déterminer les réactions dans le profilé, une charge répartie équivalente sera déterminée. Elle sera également utilisée pour l analyse sur SAP2000 et SolidWorks. Selon le HandBook of steel Construction, la flèche maximum pour une section sur trois appuis, et dont les deux sections ont une longueur équivalente, se calcul avec la formule suivante :
3.1.2.4 Détermination des réactions d appuis et du moment maximum Dans le but de dimensionner les supports des poutres d acier et de déterminer si le profilé est adéquat, on estime les réactions d appui et le moment maximum: Poids du tablier de démolition Le tablier est composé de poutres en acier W200 100, de 4x4x8 et de panneau de coffrage doublé. Le platelage de bois en 4x4 de 8 pieds de longueur (longueur supportée de 1.8m) est espacé à tous les 90mm pour permettre le chevauchement de la section adjacente de la passerelle, tel que démontré à la figure 4. Le platelage sera ensuite recouvert de contreplaqué afin de retenir toute forme de débris au dessus de l autoroute. Voici le calcul de la charge morte : Donc, les réactions aux appuis (toujours selon le Handbook)
Moment maximum: Le Moment max (Mrx) de notre poutre, selon le Handbook, est de 357 kn*m, mais ce scénario ne tient pas compte du platelage et du support qui agiront pour absorber le moment. L analyse SolidWork confirme que la contrainte maximum dans le profilé n est que d environ 70 MPa (limite de 345Mpa dans l acier)
3.1.3 Dimensionnement des supports Afin de déterminer les charges que devront supporter les supports, un calcul de la charge d utilisation sera donc effectué. 3.1.3.1 Aire tributaire L espace libre entre deux poutres longitudinales du pont est de 1820 mm. Le devis spécifie que l espacement maximal entre deux poutres de la passerelle de démolition ne doit pas excéder plus de 1800 mm. Donc l aire tributaire de ces poutres est facile à calculer. La charge de service sera supportée par deux supports, mais certains supports devront soutenir deux aires de chargement. Donc, pour une question de sécurité et de simplicités, tous les supports seront dimensionnés pour pouvoir supporter ces deux aires. 3.1.3.2 Charge de travail La charge que devra supporter une poutre est constituée de la masse de béton démoli, des travailleurs et de leurs équipements de travail. Selon la méthode de travail choisie, la plupart de la masse de béton sera retirée sans tomber sur la passerelle de démolition. Le béton et le pavage qui s y retrouvera seront ceux situés au-dessus des poutres. Nous avons considéré une charge permanente de 100 lbs par pied carré : Puisque la charge de travail est peu élevée, seule la force d impact sera considérée pour la conception des supports des poutres d acier de la passerelle. Le poids propre de la structure de la passerelle sera également négligé.
3.1.3.3 Dimensionnement des supports À la lumière des résultats des sections précédentes, les supports devront être dimensionnés pour prendre un effort axial Tf de 1583 KN. Alors, voici la géométrie du support qui à été considérée : Figure 9: Géométrie du support Ajustement des trous d ancrages aux poutres Les trous seront poinçonnés pour accélérer la production des pièces en usine. Les ancrages ont un diamètre de 0.75 pouce (19 mm). Pour un poinçonnement, il faut prévoir un 4 mm supplémentaire au diamètre des boulons d ancrages. Notre sélection :
Aire brute : L aire brute est l aire de la section sans percement Aire nette : L aire nette d un segment droit sollicité en traction, c'est-à-dire dont le plan est perpendiculaire à l effort de traction, est calculée avec l équation suivante : Aire nette effective : Pour tous les profilés sauf les cornières, ne comportant que deux rangées de boulons transversales de boulons, on a : États limites ultimes :
Étant donné que Tr pour les deux côtés du support est supérieur à Tf, cet état limite est satisfait. Résistance à la déchirure en traction: Pour les goussets, les extrémités de profilés sollicités en traction et les autres éléments de connexion susceptibles de se déchirer en traction et en cisaillement, il faut considérer la plus petite des valeurs suivantes : Figure 10: Ligne de rupture des supports
Ligne potentielle de rupture 1 : Plastification Ligne potentielle de rupture 2 : Plastification
Vérification de la résistance à la pression diamétrale : Cette vérification est nécessaire afin de s assurer que notre pièce est suffisamment épaisse. Dans les assemblages où les boulons sont cisaillés, les tiges des boulons exercent une pression contre les parois des trous et exerce une pression diamétrale contre les pièces assemblées. Cette pression peut produire une rupture par ovalisation. Afin de s assurer que l équation est valable, le pas des boulons est au moins égal à 3d : L état limite ultime de pression diamétrale excessive dans la plaque de 12.5 mm d épaisseur n est donc pas critique. On pourrait donc réduire la largeur de l assemblage, mais pour la sécurité des usagés, nous allons conserver cette conception. 3.1.3.4 Vérification du nombre de boulons en cisaillement L ancrage sélectionné est un ancrage de la compagnie Hilti (HAS-R 304 3/4 x 9-5/8 : Article 00385469). Le matériau de l ancrage est de l acier inoxydable A4-70. La résistance d un boulon au cisaillement dépend du nombre de plans de cisaillement et de la position des filets par rapport au plan de cisaillement. Tel que montré sur notre figure d ancrage, les filets seront inclus et un seul plan de cisaillement sera considéré (m=1).
Le nombre de boulons requis (n), considérant l état limite ultime de cisaillement des boulons, est égal à : Notre design sera constitué de 4 boulons afin de prévenir les surcharges. En sachant que les colonnes de béton sont endommagées à certains endroits, nous serons certains que notre conception sera satisfaisante pour les différentes situations potentielles durant la réalisation des travaux. 3.1.3.5 Vérification de la soudure d angle et de la surface de fusion Quelle que soit l orientation de la charge par rapport à l axe d un cordon de soudure d angle, il y a une surface de fusion qui est cisaillée. La résistance au cisaillement du métal de base sur la surface de fusion critique est :
3.2 Conception de la passerelle de démolition pour accéder aux culées 3.2.1 Détermination des charges sur la passerelle Nous avons considéré la masse de l équipement et du poids des travailleurs. Donc, une charge de 3000 lbs sera appliquée pour le mini chargeur Thomas (DT-35) et 450 lbs pour le poids des travailleurs avec leurs équipements (voir annexe XX pour les fiches techniques). Pour faciliter les calculs, nous avons défini les charges en kn. Afin d assurer une sécurité maximale des travailleurs durant les opérations de planage des surfaces de béton, la présence des travailleurs ne sera pas tolérée, car cet équipement projette des particules de béton. Donc la charge considérée sera celle des chargeurs seulement. Cet équipement est muni de chenille, la charge sera donc mieux répartie.
3.2.2 Calcul des solives de plancher 3.2.2.1 Données : Espacement des solives : 300mm Portée des solives : 620 mm Surcharge spécifiée : 4,8kN/m 2 (béton) Charge permanente :0.5kN/m 2 (outillage) Chargeur DT-35 : 14 kn/m 2 Durée normale utilisation Milieux humides Bois non traité Appuis latéraux continus (assurés par un panneau de forme) Bois de sciage É-P-S(2*38 mm * 89mm)
3.2.2.2 Aire de charge Tel que montré sur la figure suivante, l aire de charges est égale à 300 mm x 620 mm pour deux bois de sciage (38*89) en É-P-S. Figure 11:coupe solive de la passerelle de démolition 3.2.2.3 Combinaisons de charges aux fins de calcul aux états limites ultimes Calcul de la charge pondérée : Charge totale spécifiée
Pour la limite de flèche L/180 sous la charge totale Pour la limite de flèche L/360 sous la charge totale
3.2.2.4 Résistance en flexion D après les tables de sélection de poutres en bois de sciage, une section carrée de 38mm développe les résistances suivantes Acceptable Acceptable Acceptable 3.2.2.5 Vérification Notre vérification sera effectuée selon la norme CAN/CSA-086-01 Moment résistant : Selon le tableau 5.3.1A, la résistance prévue et le module d élasticité du bois de catégorie pour les charpentes légères. Pour un groupe d essence en É-P-S, de classe n 0 1 /n 0 2, la flexion à la fibre extrême est de 11.8 Mpa. Le coefficient de durée d application de la charge est égal à 1, car les conditions d application des charges sont supérieures à 7 jours. (Réf; tableau 4.3.2.2, Norme CAN/CSA- 086-01) Le coefficient de partage des charges est égal à 1.1, car la résistance prévue pour les éléments en bois de sciage d un système constitué d au moins trois éléments essentiellement parallèle fait partit intégrale du cas nu 1.(Réf; tableau 5.4.4, Norme CAN/CSA-086-01)
Le coefficient de condition d utilisation Ksb, dans un milieu humide et donc la face étroite du bois de sciage est de 89 mm est moins est égale a 0.84 (Réf; tableau 5.4.2, Norme CAN/CSA- 086-01) Le coefficient de traitement est égal à 1, car le bois utilisé pour les passerelles sera du bois non traité (Réf; tableau 5.4.3, Norme CAN/CSA-086-01) Résistance au cisaillement : Selon le tableau 5.3.1A, la résistance prévue et le module d élasticité du bois de catégorie pour les charpentes légères. Pour un groupe d essence en É-P-S, de classe n 0 1 /n 0 2, le cisaillement longitudinal est égale a 1.5Mpa.
3.2.3 Calcul des poteaux de bois comprimés Figure 12: Coupe de la passerelle de démolition près des culées 3.2.3.1 Généralité Afin de prévenir tout risque d effondrement de cette structure, il sera préférable que chaque poteau puisse soutenir la masse de notre équipement, soit de 3000 lbs. La longueur du plus grand poteau est de 479mm. Notre sélection s est arrêtée sur un madrier de 4x4 couramment utilisé dans le domaine du génie civil. Pour s assurer que les résistances spécifiées seront satisfaites au chantier, les calculs n ont pas été pris directement dans les tables de sélection, car plusieurs facteurs sont à considérer. Les conditions d utilisation en milieu humide influencent les résistances à long terme. Également, la vibration de nos équipements de démolition sera à considérer.
3.2.3.2 Calcul de la colonne de bois Certaines conditions d utilisation ne satisfont pas aux exigences de la liste de contrôle présentée dans la norme, donc la valeur de la résistance en compression donnée dans les tables de sélection n est pas valable. C'est pourquoi il faut déterminer la valeur à partir de l équation suivante : Selon le tableau 3.6, pour la résistance pondérée à la compression, dans un milieu humide, pour une durée d application normale, et un É-P-S de sélection N 1 ; la résistance est de 6.33 MPa. L aire de cette section transversale est de 89 mm x 89 mm ; soit de 7921 mm carrés. Concernant le coefficient de dimensions, pour un bois massif, le calcul se fait comme suit; Le coefficient d élancement est calculé à partir de la formule suivante : Le rapport F c /E est déterminer à partir du tableau 3.7 pour le bois d œuvre, ce qui donne : 45.2 * 10-6 Le coefficient C c est déterminé par les deux formules suivantes, il suffit de considéré la valeur la plus élevée :
3.3 Conception et dimensionnement des Étaiements pour le bétonnage 3.3.1 Mise en situation Tout d abord, les étaiements sont des renforts qui serviront lors de la démolition de la dalle existante et lors de la coulée de la nouvelle. Ils agiront en soutien aux poutres le temps de la démolition et que le béton de la nouvelle coulée ait atteint sa résistance maximale puisque, lors de la coulé de la dalle, le béton ne se tient tout simplement pas toute seule et ne vient donc pas participé au travail de la poutre mixte en plus d avoir un niveau d eau très élevé. Les étaiements devront être installés selon la disposition aux plans et en suivant les exigences du devis. Un nombre de 5 devra être installé entre les piles 2 à 5. La conception de chaque étaiement est faite en fonction de la charge qu ils devront être en mesure de supporter, soit une charge ultime de 1400 KN répartie sur trois poutres. Donc, puisque la démolition de la dalle s effectuera en plusieurs étapes, le devis spécifie que chaque étaiement doit supporter la charge de 1400 KN qui s applique sous trois poutres consécutives, soit à mi-largeur du pont et cela en tenant compte de l angle qu il y a entre l autoroute 20 et le viaduc. Chaque poutre applique donc un tiers de la charge ultime spécifiée. La fondation de chaque unité devra être soigneusement préparée puisqu un tassement total de 3mm devra être respecté. Figure 13: Disposition des étaiements sous le viaduc
Figure 14:Vue en plan du biais qu'a le viaduc avec l'autoroute 20 3.3.2 Dimensionnement des poteaux Afin d optimiser les matériaux et les coûts de fabrication, les étaiements sont conçus de façon à n être sollicités qu en compression pure, et ce, pour la majorité du temps. Voici donc les étapes de calcul pour la sélection d un profilé en I sollicité en compression pure. 3.3.2.1 Détermination de la charge à chaque poutre : 3.3.2.2 Détermination de la longueur effective **** pour un poteau en compression pure, on a un au alentour de 1.75 et K = 1
Figure 15: Géométrie de l'étaiement C 3.3.2.3 Sélection du poteau : La sélection du profilé en I s effectue avec la table de sélection de l handbook. Le profilé en I w200x52 a donc été choisi puis que pour 6 m de longueur, il peut supporter 716 KN en compression. Vérification de la section Donc le rapport d élancement est plus élevé en x, alors il contrôle. Vérification des ailes et de l âme
Vérification de la résistance en compression Pour un = 0.867 on obtient un n=1.34 Donc.
3.3.3 Sélection de la poutre principale Calcul de la poutre principale en considérant qu elle sera constituée du même profilé en I que les poteaux. Donc, il s agit d un W200x52. 3.3.3.1Vérification de la résistance de l âme à l extrémité (poutre du viaduc): Figure 16: Représentation de la poutre du viaduc sur l'étaiement pour le calcul de la résistance de l'âme Vérification de la plastification : Vérification du flambement : Puisque la valeur de Br en flambement est inférieure à la valeur de la charge appliquée, soit 653 KN, un raidisseur devrait être calculé. Mais, la sélection d un nouveau profilé revient moins couteuse que les raidisseurs (installation). La Sélection sera effectuée en identifiant une épaisseur d âme qui permettra de résister à la charge appliquée en flambement.
3.3.3.2 Sélection d un nouveau profilé : Avec l aide du handbook et en demeurant avec un W200, un W200x100 est un profilé avec un w > 13.21. Donc : Vérification de la plastification : Vérification du flambement : 3.3.3.3 Vérification de la résistance de l âme à l intérieur (poutre du viaduc): Puisque la valeur de la résistance de l âme sera toujours la plus critique en flambement, la plastification aux endroits ou les charges de retrouvent appliquées à l intérieur du profilé ne l emporterons jamais.
3.3.4 Contreventement des étaiements Le contreventement de nos étaiements est présent afin d ajouter une sécurité à la stabilité de sa structure. Lorsque les poutres devront être supportées lors de la coulée, ils agiront en compression. Donc le contreventement sera peu sollicité et sera toutefois en mesure de supporter une charge latérale de 0.005 au besoin comme le veut la norme S16-01. L analyse avec SAP2000 est présentée en Annexe. Figure 17: représentation du contreventement 3.3.4.1 Résistance de la cornière en compression Nous devons vérifier selon quel axe la cornière sera la plus apte à flamber. Il doit donc y avoir vérification de la section : Rapport d élancement en flexion : Donc nous allons attacher les cornières à leur intersection pour que la longueur équivalente soit réduite de moitié Rapport d élancement en torsion :
On retient donc que le de flexion est beaucoup plus critique qu en torsion. Alors dans la table du Handbook, on retrouve un de 119 MPa, donc : On vérifie ensuite que 3.3.4.2 Vérification des assemblages Ajustement des trous Les trous seront poinçonnés pour accélérer la production des pièces en usine. Les boulons ont un diamètre de 12.7 mm, donc, il faut ajouter 4 mm pour le poinçonnement. Résistance de la cornière en traction Puisque la connexion n est constituée que de 2 boulons, l aire nette effective de la cornière se calcul par rapport à sont centre de gravité et la distance entre les deux boulons
États limites ultimes Résistance à la déchirure en traction : Pour les éléments de connexion susceptibles de se déchirer en traction et en cisaillement, il faut considérer la plus petite des valeurs suivantes : Calcul pour le côté le plus court des cornières fixées au profilé en I : Figure 18: Plan de cisaillement de l'assemblage sur le poteau de l'étaiement
Calcul de l aire effective en traction et en cisaillement Plastification Calcul pour le coté le plus long des cornières fixées au profilé en I : Figure 19: Plan de cisaillement de l'assemblage et de la cornière du contreventement
Calcul de l aire effective en traction et en cisaillement Plastification
Calcul pour la cornière qui servira de contreventement : Calcul de l aire effective en traction et en cisaillement Plastification La résistance au déchirement de l attache est donc suffisante puisque les contreventements pour nos étaiements ne sont présents que pour ajouter une sécurité à la stabilité de la structure. Les charges de compression et de traction présentes lors du soutien des poutres sont minimes (de l ordre d environ 10 KN).
3.3.4.3 Résistance des boulons Chaque boulon A325M de classe B de 12.7mm peut recevoir une pression de 25KN par boulons. Ce qui veut donc dire que chaque contreventement peut recevoir une charge en compression ou en traction de 50 KN puisque nos attaches comportent 2 boulons. Résistance à la pression diamétrale : Cette vérification est nécessaire afin de s assurer que notre pièce est suffisamment épaisse. Dans les assemblages où les boulons sont cisaillés, les tiges des boulons exercent une pression contre les parois des trous et exerce une pression diamétrale contre les pièces assemblées. Cette pression peut produire une rupture par ovalisation. Cornière connectée à l âme du profilé en I Connexion entre les trois cornières
4. Bilan des activités 4.1 Arrimage formation pratique/universitaire Tout au long de ce projet, plusieurs connaissances acquises lors de notre formation universitaire ont été mises à contribution. Les notions des cours comme résistance des matériaux, mécanique des solides, méthode d analyse des structures I et II, conception des charpentes en acier1 et 2, et calcul des charpentes de bois ont été utilisées lors de ce projet synthèse. Le cours de conception assistée par ordinateur (CAO) nous a donné une base pour pouvoir concevoir le modèle numérique et les notions de SAP2000 apprises lors du cours d analyse des structures ont été très utiles. Le lien qui existe entre la pratique dans le domaine de la construction et les notions universitaires est très bien ressenti. Nous sommes en mesure d'appliquer les connaissances acquises lors de notre formation, mais en prenant compte des difficultés que pourraient rencontrer sur le terrain par une équipe de travail composé de simples ouvriers. Il faut optimiser la sécurité tout en minimisant les couts. Nous considérons que ce projet a fait évoluer nos connaissances au niveau académique ce qui va grandement nous aider sur le marché du travail. 4.2 Travail d équipe Pour ce qui est de la partie travail d équipe cette partie ces quand même bien déroulent malgré nos horaires de travaille et universitaire chargée. L équipe s est rencontrée toutes les semaines, deux fois par semaine pour faire progresser le projet pour atteindre les objectifs, et ce, en une session pour un projet de cette ampleur.
4.3 Échéancier Tableau 1: Description et répartition des tâches sur la session # Nom de la tache Début Fin Nombre heures Avancement 1 Familiarisation avec les plans et devis et les différentes normes en vigueur 2011-09-05 2011-09-16 80 h 100% Recherche de différent matériaux pour la 2 construction achat/en main 2011-09-19 2011-09-23 40 h 100% Calcul des efforts avec les matériaux choisis 3 et déterminer les charges 2011-09-26 2011-10-06 45h 100% 4 Conception solidwork et calcul de conception 2011-10-12 2011-11-01 120 h 100% Simulation solidwork et interprétation des 5 résultats 2011-11-02 2011-11-15 80 h 100% Méthodes installation optimale des 6 structures 2011-11-16 2011-11-22 60 h 100% 7 Analyse des couts de fabrication 2011-11-23 2011-11-29 60 h 100% 8 Rédaction du rapport final et présentation 2011-11-30 2011-12-06 40 h 100% Figure 20: Échéancier
4.4 Analyse et discussion En début de projet, nous avons élaboré plusieurs solutions concernant la passerelle principale puisque nous avions plusieurs contraintes qui nous étaient soumises par le devis du MTQ. Ces contraintes sont le fait que la passerelle devait résisté a une force d impact d un bloc de béton, garder la circulation en tout temps sur l autoroute 20 et la 283 et toujours gardé une hauteur libre sous le viaduc 4.60 mètre ce qui nous laissais 230 mm de libre pour installer la passerelle. Une dès nos premières étapes a été de trouver une poutre qui allait respecter le 230 mm incluant la hauteur de la poutre et la flèche maximum avec la force d impact du bloc de béton. Une fois cette poutre trouver nous avons calculé la réaction que nous allions avoir dans les supports pour pouvoir les dimensionnés tout en respectant la hauteur libre de 230 mm et qui pouvait accueillir la poutre sélectionner. Avec la réaction maximum trouvée, un calcul de résistance de boulons et de soudure a été fait pour valider les épaisseurs des plaques à utiliser et la grosseur des boulons. Une fois le dimensionnement de ces éléments choisi nous avons fait les dessins sur SolidWorks pour vérifier les calculs qui ont été fait a la main de plus cette modélisation va permettre au lecteur et a l auditoire d avoir une meilleure compréhension des éléments conçue. Une fois les analyses faites, cette partie fut terminée, mais cette passerelle était seulement une partie tue, travaillent. Car ce projet nous demandait aussi de concevoir une passerelle qui sera installée aux culées du pont pour permettre des travaux de démolition et de bétonnage. Pour cette partie du travaille les seules contraintes qui nous étaient induites sont celle de résisté a un poids de la mini chargeuse sur chenille qui va servir aux opérations de démolition à la culée. Cette passerelle sera faite tout en bois, car nous voulons la fabriqué en atelier et la monté déjà tout fait sur le chantier ce qui va réduire les couts au chantier. Le chargement qui a été considère pour ce calcul est une charge de 3.3 kilos newton cette charge prend en compte seulement le poids de la chargeuse, car il n y aura personne aux alentours lors de cette opération. Pour la conception les calculs qui fut considérés sont ceux de charpente de bois suite a ces calculs encore une fois une modélisation sur le logiciel SolidWorks a été fait pour validé les calculs a la main. Pour cette partie un problème de conception nous a fait revoir le concept au moins plusieurs fois, car les calculs ne passaient pas avec certain concept donc la modélisation a été faite plusieurs fois, mais nous somme arrive a un concept qui ne donne presque aucun déplacement et une contrainte minime a la structure.
Pour terminer, nous avons fait la conception des étaiements qui serviront pour le bétonnage. Pour cette partie le MTQ nous a donné les charges qui allaient être induites à la structure. Donc avec cette charge nous avons conçu les étaiements à laide de poutre de type W en acier. Encore une fois les calculs à la main ont été validés avec un logiciel, mais cette fois SAP 2000 a été utilisé. 5. Conclusion Pour conclure, toutes les tâches ont été effectuées selon l échéancier modifié qui nous a permis d atteindre les objectifs initiaux. La partie de conception sur le logiciel SolidWorks a pris un peu plus de temps que prévu, mais nous avons été toutefois en mesure d acquérir les résultats souhaités et concevoir les éléments du projet pour ensuite les faire approuvé par un ingénieur et par la suite les faires fabrique pour réalisé le projet au mois de mars 2012 a Montmagny. Par contre lors du projet qui sera effectué au mois de mars des recommandations concernant les éléments conçues seront à suivre comme; Pour la passerelle principale : Aucun matériau ne devrait être entreposé sur la plateforme. Tous les débris devraient être retirés immédiatement afin de diminuer la charge. Une inspection des attaches devra être réalisée régulièrement et indiquée dans un registre. Lors d un impact, une inspection complète sera nécessaire. Pour la passerelle sous les culées : Aucun matériau ne devrait être entreposé sur la plateforme. Une inspection de la structure devra être réalisée régulièrement. Le serrage des tiges filetées devra être réalisé tous les jours. Étaiement : Une inspection des fondations devra être réalisée toutes les semaines avant de réaliser la coulée de la dalle, un ajustement devra être accepté par le client
6. Bibliographie Handbook of steel construction nine edition 2007 Calcul des charpentes d acier Tome 1 Andre Picard et Andre Beaulieu Calcul des charpentes d acier Tome 2 Andre Picard et Andre Beaulieu Manuel de calcul de charpente de bois 2007 Canadien Wood concil
ANNEXES A Conception et Analyse Solidwork Passerelle de démolition Conception Solidworks Passerelle de démolition des garde-grève Passerelle vue de côté
Assemblage de la passerelle et du système d attaches Analyse de la passerelle avec Solidworks Visualisation des retenues sur la patte du bas de la passerelle
Vue de dessous des retenues sur les pattes et les coil rod Chargement à l extrémité de la passerelle
Contrainte de chargement qui agit sur les poutres de la passerelle Contrainte de chargement sur la plaque et la coil rod
Contrainte sur la coil rod Déformation de la passerelle avec la charge à l extrémité
ANNEXE B Conception et Analyse Solidworks Passerelle de démolition principale Passerelle de démolition principale Contrainte chargement première section
Contrainte sur support en acier chargement au centre Contrainte dans le support avec charge première section
Déformation même cas de chargement
Contrainte cas de chargement section en porte-à-faux
Déformée de la section en porte-à-faux
ANNEXE C Analyse SAP2000 Passerelle de démolition principale Force d impacte entre A et C
Force d impacte entre C et E
Force d impacte entre E et G
Force d impacte entre G et I
ANNEXE D Conception et Analyse SAP2000 Étaiements Géométrie des Étaiements