CONVENTION D’UTILISATION

Construction en acier et mixte Travail de Bachelor

Valenza Federico Damiano

Professeur : A. Flückiger, HEIG-VD

Expert : S. Walt, ing. EPFL-SIA

27/07/2018 1

27/07/2018 2

Table des matières Convention d’utilisation .................................................................................................................. 3

Préambule .................................................................................................................................... 3

Description du projet ................................................................................................................... 3

Durée d’utilisation de l’ouvrage .................................................................................................. 3

Objectifs de protection et les risques particuliers ........................................................................ 3

a) Corrosion ................................................................................................................................. 3

b) Assemblage ............................................................................................................................. 3

c) Choc de véhicule ..................................................................................................................... 3

Modèles de charge ....................................................................................................................... 3

Dispositions ................................................................................................................................. 3

27/07/2018 Convention d’utilisation 3

Convention d’utilisation Préambule

Cette convention facilite la communication entre le maître d’ouvrage et les auteurs du projet. Le projet consiste en une passerelle pour piéton et cycliste. Cette dernière se trouve dans le canton de Bâle-Campagne plus précisément au centre de la ville de Laufon.

Description du projet Le projet consiste à élaborer une passerelle pour la commune, qui sert à relier la ville qui est séparée en deux par la Birse. Le concept et les dimensions sont libres, les seules contraintes sont : accès aux handicapés, gabarit de la rivière respecté et gabarit de passage respecté.

Durée d’utilisation de l’ouvrage • Structure porteuse 50 ans • Élément secondaire entre 20 et 30 ans

Maintenance et risques particuliers a) Corrosion

L’ouvrage devrait être inspecté périodiquement afin de trouver d’éventuelles défaillances dans la protection de surface des éléments.

b) Assemblage L’ouvrage devrait être inspecté périodiquement afin de trouver d’éventuelles défaillances dans la précontrainte des boulons.

c) Choc de véhicule L’ouvrage ne doit pas être utilisé par des véhicules sauf ceux qui sont destinés à la manutention de la structure et/ou déneigement.

d) Incendie

L’ensemble des éléments porteurs doivent résister à un incendie d’au moins de 30 minutes. Ce qui vaut à dire :résistance au feu R30

Modèles de charge Les calculs des charges qui vont servir pour le dimensionnement de la structure seront traité dans la note de calcul.

Dispositions Toutes charges et tous calculs pour le dimensionnement de la structure porteuse suivent les règles données par les normes SIA et/ou EuroCode en cas de besoin.

BASE DU PROJET Construction en acier et mixte

Travail de Bachelor

Valenza Federico Damiano

Professeur : A. Flückiger, HEIG-VD Expert : S. Walt, ing. EPFL-SIA

27.07.2018 1

27.07.2018 2

Table des matières Base de projet .................................................................................................................................. 3

Préambule .................................................................................................................................... 3

Bases ............................................................................................................................................ 3

a) Géométrie générale .................................................................................................................. 3

b) Emplacement ........................................................................................................................... 3

Normes et tables .......................................................................................................................... 3

27.07.2018 Base de projet 3

Base de projet Préambule

Ce document contient la description de l’ouvrage et donne des indications sur comment le projet a été amené.

Bases a) Géométrie générale

• Longueur 38.75 m (entre culée) • Largeur utile 3.00 m • Largeur de la structure porteuse : environ 5 m • Hauteur utile :2.8 m • Hauteur totale de la structure porteuse : environ 6.3 m

Ainsi les sections des éléments porteurs de l’ouvrage et leurs nuances d’acier :

• Arc : ROR 355.6/16 S355 • Tirant : ROR 355.6/10 0S355 • Suspente : RND 20 S235 • Entretoise : HEA 200 S235 • Diagonale CV : LNP 75/50/7 S235 • Poutrelle : HEA 140 S235 • Entretoise sup. : ROR 219.1/4.5 S355 • Plancher bois en mélèze : b =140 mm, h=40 mm, C24

b) Emplacement

L’ouvrage se situé à Laufen dans le canton de Bâle-Campagne

Normes et tables Les normes suivantes ont été appliquées lors de l’élaboration de ce projet :

• N260 : Bases pour l’élaboration des projets de structures porteuses • N261 : Actions sur les structures porteuses • N263 : Construction en acier • N265 : Construction en bois • EuroCode 3-8 • Table SZS C5/05 Tables de construction • Table SZS C04/06 Tables de dimensionnement

27.07.2018 0

RAPPORT TECHNIQUE Construction en acier et mixte

Travail de Bachelor

Valenza Federico Damiano

Professeur : A. Flückiger, HEIG-VD Expert : S. Walt, ing. EPFL-SIA

27.07.2018 1

27.07.2018 2

Table des matières Introduction ..................................................................................................................................... 3

Etude des variantes .......................................................................................................................... 3

2.1. Passerelle en Arc (Bow String) ............................................................................................... 3

2.2. Passerelle en treillis en tube .................................................................................................... 4

2.3. Passerelle Haubanée ................................................................................................................ 5

Variante retenue .............................................................................................................................. 5

Dimensionnement ............................................................................................................................ 5

4.1. Flambage de l’arc .................................................................................................................... 5

4.2. Vibration .................................................................................................................................. 6

4.2.1. Définition et exigence ......................................................................................................... 6

4.2.2. Analyse des résultats ........................................................................................................... 7

4.2.3. Solutions .............................................................................................................................. 7

Joint de dilatation ............................................................................................................................ 8

Appui ............................................................................................................................................... 8

Protection de la structure porteuse .................................................................................................. 9

Montage ........................................................................................................................................... 9

Conclusion ..................................................................................................................................... 10

27.07.2018 Introduction 3

Introduction Le projet en question se trouve dans la ville de Laufen, canton de Bâle-Campagne. L’objectif est l’élaboration d’un ouvrage pour remplacer l’existant, ce projet est inclus dans un programme global de sécurisation et réaménagent de la rivière Birse. Le but est de garantir les gabarits minimaux entre les lit de la rivière et le tablier du pont, pour sécuriser les habitants. Lors de ce projet différentes variantes doivent être proposées pour ensuite en développer une plus en détail.

Etude des variantes Comme déjà dit auparavant dans le cadre de ce travail de Bachelor, une des premières étapes a été de trouver différents concepts de structure porteuse pour la nouvelle passerelle piétonne. Voici une brève explication des trois concepts qui ont été retenu pour ensuite les redimensionner

2.1. Passerelle en Arc (Bow String) Ce concept consiste en deux arc inclinés avec un tirant pour ne pas charger les culées existantes car nous ne connaissons pas exactement leurs résistantes. Un choix esthétique a été fait au début de cette idée et c’est celui d’utiliser des sections en tubes pour les éléments principaux, qui sont visibles, dont, l’arc et le tirant. Ensuite, les autres éléments, sont des profilés laminés en H et le revêtement est prévu en planche de mélèze. Les avantages de cette variante sont : sa légèreté dans le paysage grâce à sa structure porteuse très mince et ouverte, la faible épaisseur du tablier, environ 40 cm et la visibilité des utilisateurs qui ont une vue sur le paysage et enfin de rejoindre un aspect architectural de la région car une bonne partie de ces ouvrages ont été fait en arc. Un autre point, est celui de la coloration de la passerelle car le garde-corps et l’arc pouvant être faits de différentes couleurs, créant ainsi jeux de couleur.

Ci-dessous une représentation 3D du modèle numérique :

27.07.2018 Etude des variantes 4

2.2. Passerelle en treillis en tube Cette deuxième variante, consiste en deux poutres simples en treillis de chaque côté, reliés par des contreventements : un dans le tablier et un au niveau des membrures supérieures. Les éléments principaux sont des sections en tube creux pour donner un côté harmonieux à l’ouvrage. Comme pour la première variante, le revêtement est formé par des planches en bois de mélèze qui reposent sur une sous-structure faite par des profilés laminés en H. Les dimensions compactes sont un des points positifs de cette variante car pour une largeur utile de 3.00 m et une hauteur libre de 2.8 m ses dimensions sont :3.625 x 3.625 mètres. Avec le tablier qui a une épaisseur de moins de 40 cm. De plus, la visibilité des utilisateurs n’est pas entamée car les poutres en treillis porteuses restent ouvertes et les diagonales sont le seul obstacle, mais elles sont très fines, seulement 35 mm de diamètre.

Ici dessous une représentation 3D du modèle numérique :

27.07.2018 Variante retenue 5

2.3. Passerelle Haubanée Le concept consiste en un tablier mixte acier-béton retenu par des haubans fixés au mâts, qui lui se trouve du côté de la gare de Laufen. Cette variante diffère des autres grâce à la dalle béton qui elle a plusieurs fonctions, comme : le contreventement de la structure, poutre principale et de revêtement de la passerelle. La pile est en acier comme les entretoises et poutrelles. Ce concept est pensé pour laisser une grande visibilité aux utilisateurs et aussi pour donner un ouvrage imposant et remarquable à la commune.

Variante retenue La variante qu’a été retenue est la première c’est-à-dire celle de la passerelle en Arc (Bow String). Ce choix a été amené par différents facteurs, comme l’aspect esthétique grâce à sa forme équilibrée, symétrique et agréable. Cette variante, contrairement à d’autres, est confinée à elle-même du point de vu statique car elle est autostable. Un autre aspect à considérer, a été l’aspect économique de l’ouvrage et de sa construction. En étant une structure assez légère avec moins d’une tonne par mètre linéaire de structure, son prix reste raisonnable pour un tel ouvrage.

Dimensionnement 4.1. Flambage de l’arc

La longueur de flambage de l’arc est difficile à estimer car elle dépend de plusieurs facteurs, comme par exemple la rigidité de l’encastrement aux extrémités, ou s’il y a des entretoises qui relient les deux arcs et aussi de leur rigidité, ainsi que de l’inclinaison des arcs. Dans ce concept de structure, il a été choisi de faire une hypothèse lors du pré-dimensionnement qui a été de 0.6*L de la longueur de l’arc. De ce fait, le choix de la section a été prédominé par l’instabilité au flambage car avec une si grande longueur de flambage : 24 m environ, la résistance se réduit considérablement. Ensuite, après avoir retenu cette variante, un modèle 3D de la structure a été fait, donc un calcul numérique a été possible pour déterminer la longueur de flambage propre à la structure. Pour plus d’information sur la procédure et les résultats numériques, ainsi que les calculs voire le chapitre 5.3 de la note de calcul (dossier complémentaire à celui-ci). Ensuite, avec la nouvelle valeur de la longueur de flambage qui vaut 12.60 m la vérification a été faite et la section choisie auparavant résulte sur-dimensionnée, pour donner une idée avec lk=24 m la section est un ROR 355.6/16 et avec lk=12.60 devient un ROR 323.9/10. Ce résultat peut être expliqué par le fait que les arcs sont reliés au centre par 4 entretoises misent de façon symétriques et qui donnent une certaine rigidité au flambage hors plan car quand un arc veut flamber, il est empêché par l’autre arc et aussi par le fait qu’ils soient inclinés vers l’intérieur ce qui donne une stabilité majeure aux arcs.

Cependant, un choix a été fait et c’est celui de pas considérer le résultat du modèle numérique car si pour une raison quelconque, une erreur de modélisation serait survenue, la sécurité structurale serait mise en grave danger. Dans le cas d’un projet définitif des études supplémentaires seront été nécessaire.

27.07.2018 Dimensionnement 6

4.2. Vibration 4.2.1. Définition et exigence

Lors d’un dimensionnement d’une passerelle piétonne, la vérification à l’état limite de service doit être respecté. Une étude très importante pour garantir les conforts des utilisateurs, est l’analyse des fréquences propres de la structure. De plus, avec une structure légère comme les passerelles en arc suspendu, la problématique des vibrations est très probablement accentuée et donc peut ne pas satisfaire ces exigences. Selon la norme suisse SIA260, ANNEXE C, les valeurs indicatives des fréquences propres des passerelles pour piétons et cyclistes sont les suivant :

Afin de valider la structure à l’ELS, un modèle numérique de la structure a été créé avec le logiciel statik-7.

Ensuite pour avoir un résultat le plus fiable possible, toutes les masses (en tonnes) permanentes doivent être introduite dans le modèle.

27.07.2018 Dimensionnement 7

Ensuite la résolution dynamique : calcul des valeurs propres est lancé. Les résultats obtenus sont 5 formes propres selon fréquences, voir annexe note de calcul chapitre 8 : Vibrations

4.2.2. Analyse des résultats D’après les résultats obtenus, le mode oscillatoire 1 et 4 ont des fréquences trop basses par rapport aux exigences imposées par la norme. Voici un tableau récapitulatif :

4.2.3. Solutions D’après cette analyse la passerelle n’est pas conforme au norme et donc des risques d’interaction structure-piéton sont possibles. C’est pour cela, que des modifications au projet doivent être apportées. Les améliorations sont les mêmes pour les deux modes car tous les deux sont des vibrations verticales. Vues les fréquences propres trop basses, une augmentation des rigidités de l’ensemble de la structure est envisageable, il faut prévoir dans la structure un emplacement pour un système d’amortisseur dans le tablier entre des entretoises afin de réduire l’amplitude des vibrations par dissipation d’énergie. Cit. : « Les amortisseurs dynamiques accordés (TMD) sont composés de masses concentrées reliées à une structure par l'intermédiaire de certains éléments, ressorts et amortisseurs. Ces dispositifs sont conçus de sorte à séparer la fréquence critique en deux nouvelles fréquences (une inférieure et une supérieure à la fréquence initiale), et le mouvement relatif entre la structure et le TMD permet la dissipation d'énergie. Etant donné que la masse structurale est beaucoup plus élevée que celle du TMD, le mouvement du TMD présente en général des déplacements importants par rapport au mouvement de la structure. » (Contrôle vibratoire des passerelles piétonnes. Guide de dimensionnement. Hivoss. Chapitre 6.4.3.2, page 30)

L’autre solution serait de changer la section des éléments principaux de sorte à augmenter l’inertie et la rigidité d’ensemble. Des essais numériques ont été faits et la solution plus efficace est de changer le diamètre des tubes car en changent l’épaisseur, l’inertie n’évolue pas assez rapidement pour compenser

n° forme fréq. [Hz] mode vibratoire Fréq. [Hz] adm.1 1.88 Verticale >4.5 K.O.2 2 Transversale >1.3 OK3 2.68 Transversale >1.3 OK4 3.83 Verticale >4.5 K.O.5 5.16 Transversale >1.3 OK

27.07.2018 Joint de dilatation 8

l’augmentation du poids propres des éléments. Voici un tableau avec différents essais qui ont été effectués :

Comme on peut observer même, avec des grandes sections les fréquences de la structure ne sont pas assez élevées pour satisfaire les règles imposées par la norme. De plus, une telle augmentation du prix de l’ouvrage ne serait pas envisageable et donc les dispositifs d’amortissements comme expliqué auparavant seraient bien plus rentables pour une telle situation.

Joint de dilatation Selon le modèle statik 7 les déplacements à reprendre sont que des mouvements longitudinaux d’environ 8 mm, donc un joint de type Migutec1 FN 50/20. Avec comme déplacement ± 8 mm.

Appui Les appuis sont des éléments fondamentaux pour une structure car ce sont les sièges de l’ouvrage même et permettent le bon fonctionnement de la structure, tel que cela a été prévu lors du dimensionnement. Dans le concept de base : voici la liste d’appui nécessaire :

Appui fixe, une pièce Appuis avec glissement guidé selon un axe, deux pièces Appui avec glissement libre, une pièce

La charge à reprendre verticalement au l’ELU vaut environ 280 kN donc par rapport à cette grandeur de charge, les appuis à POT2 ont été choisis. Pour les appuis libres des plaques plus grandes doivent être prévues pour permettre le mouvement. Pour les appuis guidés selon un axe, la plaque de tête serait de 25 x 30 cm avec la longueur la plus grande dans le sens du déplacement libre. Pour l’appui libre, une plaque de 30 x 30 cm serait installé et 25x 25 cm pour celui fixe. Ce dernier, devrait résister aussi aux forces horizontale qui sont de 25 kN selon x et 36 kN selon y.

1 https://www.emseal.com/product/fn-5020/ 2 http://www.mageba.ch/data/docs/fr_CH/4396/Brochure-RESTON%C2%AEPOT.pdf?v=1.0

augmentationavant après avant après %

Arc ROR 355.6/16 ROR 508/16 1.88 2.5 33%Tirant ROR 355.6/10 ROR 508/10 1.88 2.4 28%Arc+Tirant ROR 355.6/(16 et 10) ROR 508/(16 et 10) 1.88 2.9 54%

97%

Section Fréquencesélément

Arc + Tirant

ROR 355.6/16 ROR 355.6/10

ROR 600/25 ROR 600/20

1.88 3.7

27.07.2018 Protection de la structure porteuse 9

Protection de la structure porteuse Selon la table SZS C5/05 page 121 la catégorie de corrosivité atmosphérique où se situe l’ouvrage est la « C4 élevée » car selon la description qui est : « Atmosphère avec de forts risques de pollution : pont soumis aux sels de déverglaçage, ponts sur les cours d’eau, etc. ». C’est pour cela que cette classe a été choisi. Pour la suite il faudrait un traitement tel qu’est prévu par la table SZS C5/05 page 121-1.

Montage Pour la phase de montage, il a été prévu de ramener la structure par élément simple car sa largeur et son hauteur sont impossibles à transporter sur place en un seul morceau ou même en deux. Cette difficulté est due au fait que l’emplacement de la passerelle se trouve au centre-ville et donc les routes ne sont suffisamment larges pour un convoi exceptionnel.

Ainsi, in situ, une zone de montage doit être prévue pour faire en sorte que la passerelle soit assemblée par moitié et ensuite mise en place par une grue mobile. Evidemment, vu que l’arc serait seulement par moitié une tour d’étayage centrale devrait être envisagée pour le soutenir, et ensuite posée provisoirement sur l’ancienne pile centrale de la vieille passerelle. Par la suite, la deuxième partie de l’ouvrage, qui est plus courte que la première, afin de réduire le poids, serait mise en place et connecté à la première, et après tous les systèmes provisoires d’étayages pourront être enlevés pour laisse place à la nouvelle construction.

Lors du montages la passerelle en arc devrait être constitué par :

1) Arcs 2) Tirants 3) Entretoises 4) Contreventement 5) Entretoises supérieures

Tous les autres éléments seront mis en place après la finalisation du montage principal.

Donc, comme dit auparavant les deux morceaux ont une longueur différente :

1) L ≈ 21m environ, Poids ≈ 13t, porté max ≈ 21m

2) L ≈ 17 m environ, Poids ≈ 11t, porté max ≈ 41m

Pour satisfaire ces nécessités, une grue mobile dans l’entreprise Liebherr3 a été cherchée.

LTM 1250-5.1

Voir plan en annexe pour l’emplacement des éléments.

3 http://heig.ch/dajobe

27.07.2018 Conclusion 10

Conclusion Pendant le déroulement de ce projet, il a fallu prendre énormément de décisions et parfois cela n’a pas été simple à cause du manque d’expérience. Par exemple, l’étude vibratoire de la passerelle aurait été un point à traiter au début du projet. Malheureusement, à cause des faibles connaissances dans le domaine, le choix de tout dimensionner avant l’étude de vibration propre a été fait et au final, le concept de la passerelle et/ou plusieurs détails ont été à revoir pour résoudre cette problématique. Ce travail de Bachelor m’a permis d’approfondir considérablement mes connaissances dans le domaine du Génie Civil. La réalisation de ce travail final avec le professeur A. Flückiger, a été enrichissant pour moi. D'ailleurs, je remercie énormément le professeur et toutes les autres personnes qui m’ont soutenu durant ce travail.