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PROJET DE CONSTRUCTION DUN PONT DUNE DURE DE SERVICE ANTICIPE DE
150 ANS
Sylvain Goulet, ing.
Direction des structures Service de la conception
RSUM Au cours de lt 2004, un pont innovant a t construit sur
lautoroute 20 au-dessus de la rivire Henri dans la municipalit de
Val-Alain. Lobjectif initialement tabli pour ce projet, en termes
de durabilit du pont, tait dobtenir une dure de service de 150 ans
avec possibilit de remplacement de la dalle une fois dans la vie du
pont. Pour ce faire, des concepts et des matriaux dvelopps au cours
des dernires annes et appliqus plus ou moins grande chelle au Qubec
ou ailleurs en Amrique du Nord ont t utiliss. Ce pont peut tre
considr comme le prototype des ponts qui seront construits dans un
futur rapproch par le ministre des Transports du Qubec. Les
principales caractristiques incorpores au moment de la conception
de ce pont, au niveau des matriaux et du concept structural
utiliss, sont les suivantes :
poutres en acier haute performance (ASTM A709 grade HPS
485W);
dalle et glissires en bton haute performance arm laide
darmatures en polymre renforc de fibres de
verre (matriaux composites); cules (semi-intgrales avec le
tablier) en bton haute performance renforc laide darmatures en
acier
galvanis. Cet article prsentera plus en dtails les diffrentes
hypothses de conception et les caractristiques techniques
(matriaux, dtails, cots estims, etc.) incorpores au niveau du
concept du pont qui nous le croyons pourraient permettre de rpondre
lobjectif audacieux de ce projet soit une dure de service de 150
ans. De mme, on y traitera de la construction du pont de
Val-Alain.
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INTRODUCTION En Amrique du Nord et plus particulirement au
Qubec, lutilisation de sels de dglaage pour lentretien dhiver des
routes est la principale cause de la corrosion affectant les
ouvrages dart. Le ministre des Transports du Qubec est constamment
la recherche de techniques permettant de retarder ou dliminer la
corrosion, qui attaque autant les aciers darmature prsents dans le
bton arm (ce qui conduit la fissuration et lclatement du bton) que
lacier de structure, et ce, en vue de prolonger la dure de service
des structures et de diminuer les cots de rparation et dentretien
sans cesse croissants. Pour ce faire, plusieurs techniques sont
utilises lheure actuelle (bton haute performance, acier galvanis,
membranes dtanchit, recouvrement suffisant des armatures, etc.) de
faon standard par le Ministre. Toutefois, leur efficacit semble
limite surtout dans le cas des tabliers de pont qui sont exposs un
environnement particulirement agressif. Nous devons donc trouver
des solutions encore plus efficaces, entre autres pour liminer le
problme de corrosion des aciers darmature dans les tabliers de
pont. Les caractristiques du pont dont il est question dans cet
article ont t dtermines en vue dobtenir une durabilit optimale.
Lobjectif audacieux de ce projet est de construire un pont qui
ncessitera un minimum dentretien et de rparation pour une dure de
service anticipe de 150 ans. Les principaux travaux prvus lintrieur
de cette priode sont la rparation des cules ainsi que la dmolition
et la reconstruction de la dalle aprs 75 ans dexistence.
DESCRIPTION DU PONT Le pont retenu pour ce projet par le ministre
des Transports du Qubec se situe sur lautoroute 20, au-dessus de la
rivire Henri, Val-Alain (Qubec). Il remplace un pont de type
bquille en bton arm plusieurs traves construit en 1963. La
construction du nouveau pont a eu lieu au cours de lt 2004. Il
sagit dun pont biais (20) comprenant une seule trave (voir fig. 1
et 2) qui devait tre constitue dun systme 4 poutres en acier haute
performance (acier conforme la norme ASTM A709 HPS 485W) composites
avec la dalle en bton arm de 225 mm dpaisseur. Des problmes
dapprovisionnement pour ce type dacier nous ont toutefois obligs
construire les poutres laide dacier conventionnel (350AT). Un autre
projet doit tre slectionn pour construction future avec utilisation
de lacier HPS. Les contreventements et les raidisseurs sont
fabriqus laide dacier conventionnel (350AT). Lespacement entre les
poutres est de 3145 mm et la longueur des porte--faux est de 1570
mm de chaque ct du tablier. La dalle et les glissires sont
construites laide de bton haute performance renforc entirement
darmatures en matriaux composites. Les 2 cules sont de type
semi-intgral (avec le tablier) et construites laide de bton haute
performance renforc darmatures en acier galvanis. La porte du pont
est de 47,5 mtres et sa largeur de 12,57 mtres.
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ACIER HAUTE PERFORMANCE Dveloppement Les diffrents types dacier
existant sur le march possdent tous une certaine combinaison de
proprits chimiques et mcaniques qui dtermine quel point un acier
particulier pourra bien remplir les fonctions escomptes pour une
application donne. La rsistance, la soudabilit, la rsilience, les
proprits anticorrosion et la ductilit sont toutes des
caractristiques importantes pour dterminer quel point un acier est
performant. Dans le cas qui nous intresse, un acier haute
performance peut tre dfini comme possdant un ensemble de
caractristiques lui permettant dobtenir des performances optimales,
ou tout le moins amliores par rapport aux aciers conventionnels,
tout en demeurant conomiquement rentable pour la construction de
ponts en acier. Lacier haute performance (HPS) a t dvelopp partir
du dbut des annes 19901, lintrieur dun programme de recherche
coopratif, lanc par trois organismes amricains : la Federal Highway
Administration (FHWA), la U.S. Navy et lAmerican Iron and Steel
Institute (AISI). Le but vis par ce programme de recherche tait de
dvelopper des aciers possdant des limites lastiques minimales de
345, 485 et 690 MPa (Fy) de mme quune soudabilit amliore par
rapport aux aciers conventionnels utiliss habituellement pour la
construction des ponts. Les rsultats obtenus de ce programme de
recherche ont permis, depuis 1997 et jusqu maintenant aux
tats-Unis, la construction denviron 150 ponts laide dacier haute
performance. Pour linstant, lacier haute performance nest
disponible que sur le march amricain. En plus de la rsistance et de
la soudabilit, la rsilience basse temprature (tnacit) et les
proprits anticorrosion ont t amliores de manire importante par
rapport aux aciers conventionnels. De plus, la ductilit des aciers
haute performance est comparable celle des aciers conventionnels.
Lamlioration des proprits1 2 3 des aciers haute performance (voir
tab. 1) est entre autres rendue possible par la diminution du
pourcentage de carbone et dquivalent carbone (augmentation de la
soudabilit), par la diminution du pourcentage de souffre
(augmentation de la rsilience), par la diminution de certains
autres lments dalliage ainsi que par des procds de fabrication
utilisant des traitements thermiques de lacier (augmentation de la
rsistance).
1. A. D. WILSON, Current Status of High Performance Steel
Program , ISG Plate, August 1, 2003. Disponible sur le site
Internet de lAISC ladresse suivante :
http:www.steel.org/infrastructure/bridges 2. V. C. MISTRY, High
Performance Steel for Highway Bridges , FHWA, Proceedings : 2002
FHWA Steel Bridge Conference for the Western United States. 3. High
Performance Steel Designers Guide, Second Edition, April 2002, U.S
Department of Transportation, FHWA. Disponible sur le site Internet
de lAISC ladresse suivante :
http:www.steel.org/infrastructure/bridges
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Des pratiques recommandes de soudure et des produits dapport ont
pu tre dvelopps pour utilisation avec ce nouveau type dacier. Un
guide intitul Guide Specification for Highway Bridge Fabrication
with HPS 70W (HPS 485W) Steel 2nd Edition, June 20034 a t produit
par lAASHTO ce sujet. Ce guide contient les recommandations les
plus rcentes concernant la fabrication et le soudage de structures
fabriques laide dacier ASTM A 709 HPS 485W. Par le biais de ce
projet, qui tait notre connaissance le premier au Canada dans
lequel lacier haute performance devait tre utilis, la Direction des
structures du ministre des Transports du Qubec dsirait sassurer de
la capacit des fabricants qubcois obtenir des rsultats de qualit
avec lutilisation de ce nouveau type de matriau et ainsi valider
les pratiques recommandes et les expriences vcues par nos voisins
amricains chez qui lacier haute performance a t dvelopp. Toutefois,
cet objectif devra tre poursuivi lintrieur dun autre projet.
Avantages au point de vue de la durabilit En ce qui a trait la
durabilit, les principales caractristiques qui nous intressent sont
les amliorations importantes des proprits anticorrosion, de la
rsilience basse temprature et de la soudabilit. En effet, un des
objectifs de ce projet tait de pouvoir conserver les poutres en
service pour une dure de 150 ans. De toute vidence, les proprits
anticorrosion de cet acier sont un facteur important qui nous
aidera atteindre cet objectif pour le moins audacieux. Cette
caractristique est mesure laide de la norme ASTM G101 Estimating
the Atmospheric Corrosion Resistance of Low-Alloy Steels3 . Sur une
chelle de 10, lindice minimal de rsistance la corrosion de lacier
HPS 485W est de 6,5 comparativement un indice minimal de 6 pour les
aciers 345W (350AT) ou 485W conventionnels. Des essais de corrosion
atmosphrique long terme sont prsentement en cours aux tats-Unis
pour permettre de valider cette projection3. La seconde proprit
mentionne prcdemment, soit la rsilience basse temprature, est
beaucoup plus leve3 5 dans le cas dun acier HPS (voir fig. 3), et
elle se traduit aussi par une tolrance la fissuration plus
importante. Cette proprit nous permettra de bnficier dun laps de
temps beaucoup plus long pour dtecter et rparer des fissures de
fatigue (qui pourraient se produire trs long terme) bien avant que
le pont ne prsente un danger pour les usagers.
4. Guide Specification for Highway Bridge Fabrication with HPS
70W (HPS 485W) Steel, 2nd edition, June 2003. Disponible sur le
site Internet de lAISC ladresse suivante :
http:www.steel.org/infrastructure/bridges 5. J. W. FISHER et W. J.
WRIGHT, High Toughness of HPS : Can It Help You in Fatigue Design ,
Proceedings Steel Bridge Design and Construction for the New
Millenium with Emphasis on High Performance Steel, p. 4458.
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Bien que les tudes effectues jusqu ce jour naient pas permis de
dmontrer une augmentation de la rsistance la fatigue de lacier HPS
par rapport aux aciers conventionnels5, on peut toutefois esprer
que la soudabilit amliore de celui-ci (diminution du prchauffage
[voir tab. 2], diminution de la susceptibilit la fissuration froid
du mtal de base) permettra dobtenir des soudures contenant moins de
dfauts sujets diminuer la rsistance des poutres la fatigue. Pour
linstant, on doit dimensionner les poutres fabriques laide dacier
HPS en appliquant les limites dcart de contrainte, pour les
diverses catgories de dtail de fatigue, telles que prescrites dans
les normes actuelles. Il est noter que diffrentes universits
canadiennes sont impliques dans la recherche ce propos. Ces
recherches serviront valuer la performance en termes de fatigue et
permettront ainsi lavance des connaissances ce sujet. tant donn que
les poutres nont pu tre construites laide dacier HPS, notre
objectif en termes de dure de service sera vraisemblablement
hypothqu car nous ne pourrons bnficier des amliorations au niveau
des caractristiques mentionnes prcdemment. Toutefois, comme nous le
verrons dans la suite de cet article, le pont de Val-Alain possde
beaucoup dautres caractristiques qui lui permettront dobtenir une
durabilit suprieure aux ponts tel quon les conoit actuellement au
Qubec. Dimensionnement En gnral, pour des ponts de porte plus
courte que 65 m, le critre qui gouverne le dimensionnement des
poutres est plus souvent quautrement ltat limite de fatigue. En
fait, pour des traves dans cet ordre de longueur, on ne peut
bnficier du gain de rsistance de lacier (485 MPa vs 350 MPa) et
ainsi diminuer la section transversale de la poutre pour obtenir
une conomie de matriaux. Pour lavenir, une utilisation plus
efficace de lacier haute performance passerait par une amlioration
du point de vue fatigue des dtails dassemblage soud et par une
meilleure caractrisation du phnomne de fatigue pour ce type dacier.
Cela pourrait peut-tre permettre daugmenter les carts de contrainte
permis prsentement. Les vrifications ayant trait aux tats limites
ultimes et de services ont t effectues en considrant lutilisation
dacier conforme la norme CAN/CSA-G40.21M, nuance 350AT (Fy = 350
MPa). Le ministre des Transports se mnageait ainsi la possibilit de
substituer de lacier conventionnel lacier HPS durant les travaux
pour palier des problmes dapprovisionnement possibles sur le march
amricain et ainsi ne pas gner la mise en uvre du projet. Pour plus
dinformation concernant la conception des poutres fabriques laide
dacier haute performance voir les rfrences suivantes : 3, 6 et
7.
6. ATOROD AZIZINAMINI, Ph. D., P.E., High Performance Steel :
Research Front An Historical Account of Research Activities , TRB
2002 Annual Meeting CD-Rom, Original paper submittal Not revised by
author. 7. A. J. YAKEL, P. MANS, A. AZIZINAMINI, Flexural Capacity
and Ductility of HPS 70W Bridge Girders et M. G. BARKER, A. M.
HURST, O. W. WHITE, Tension Field Action in Hydrid Steel Girders .
AISC Engineering Journal First quarter 2002 Vol. 39, No. 1
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ARMATURES EN MATRIAUX COMPOSITES Gnralits Depuis la fin des
annes 1990, la Direction des structures du ministre des Transports
du Qubec sintresse lutilisation des armatures en matriaux
composites lintrieur des tabliers de pont. Cet intrt sest traduit
depuis par lamorce de plusieurs projets de recherche, mens en
collaboration avec lUniversit de Sherbrooke, portant entre autres
sur lutilisation de ce type de matriau lintrieur des dalles8 et des
glissires de pont9 10. De plus, plusieurs applications titre
exprimental sur pont rel ont t effectues : pont Joffre dans la
municipalit de Sherbrooke, pont Wotton dans la municipalit de
Wotton, pont sur lautoroute 55 Nord Magog, pont sur la route 108
Cookshire (voir fig. 4) et pont de Val-Alain, le dernier en liste.
Les matriaux composites possdent un avantage trs intressant sur
lacier : leur grande immunit contre la corrosion. En contrepartie,
leur cot est en gnral plus important en particulier pour les
armatures en polymre renforc de fibres de carbone (PRFC). Pour
cette raison, le Ministre favorise lutilisation des armatures en
polymre renforc de fibres de verre (PRFV). Contrairement lacier,
les matriaux composites demeurent dans le domaine lastique jusqu la
rupture qui se veut soudaine (aucun plateau plastique).
Thoriquement, on ne peut compter sur une plastification du matriau
qui permettrait de trs larges dformations, et de ce fait donnerait
un avertissement avant la rupture de la pice. De plus, la durabilit
des armatures en PRFV est affecte15 par la prsence deau, par
lalcalinit du bton et par lintensit des contraintes engendres par
les charges constantes. Une mthode scuritaire de dimensionnement
applicable aux matriaux composites doit tenir compte de ces
limitations. Bien quau cours des dernires annes, des amliorations
majeures aient t apportes aux armatures en PRFV, et que toutes les
prcautions ncessaires aient t prises lors de la conception, il nen
demeure pas moins que lutilisation des matriaux composites dans les
ouvrages dart reste trs rcente. Pour le moment, la Direction des
structures prfre nutiliser ces matriaux qu lintrieur dlments
relativement peu sollicits structuralement sous charge constante,
soit la dalle et les glissires de pont.
8. G. DESGAGN et B. BENMOKRANE, Construction dun pont routier
alliant des matriaux composites avancs et un systme de
tlsurveillance distance , Innovation Transport, no 16, avril 2003,
p. 15-19. http://www.mtq.gouv.qc.ca/cqttt 9. G. DESGAGN et B.
BENMOKRANE, Conception des glissires de bton renforces avec de
larmature en matriaux composites , Innovation Transport, no 11,
octobre 2001, p. 36. 10. E. EL-SALAKAWY, B. BENMOKRANE, R.
MASMOUDI, F. BRIRE et . BEAUMIER, Concrete Bridge Barriers
Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer Composite Bars , ACI
Structural Journal, Vol. 100, No. 6, Nov. Dec. 2003, p. 815824.
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Critres de dimensionnement pour la dalle Les matriaux composites
font maintenant lobjet dun chapitre (chapitre 16) dans le Code
canadien pour le calcul des ponts routiers (CAN/CSA S6-00)11. Ce
chapitre, bien quincomplet au sujet des quations de calculs,
contient toutefois linformation minimale ncessaire la conception
dune dalle renforce laide de matriaux composites (coefficient de
tenue des matriaux, critre de ductilit, recouvrement minimal de
bton). Ces informations ont t compltes laide de diverses sources12
13 14 15 qui nous ont permis de dterminer une mthode de calcul qui,
nous le croyons, se veut scuritaire aux tats limites ultimes et qui
devrait nous permettre dobtenir de bons rsultats quant aux tats
limites de service et la durabilit long terme. Les principaux
critres de dimensionnement sont les suivants : Analyse laide dune
mthode lastique pour lobtention des efforts de flexion engendrs
dans la dalle. Rapport darmature suffisant pour sassurer quil ny
aura pas de rupture possible dans
larmature avant que la rupture ne se produise par crasement du
bton lultime. Il faut vrifier par la suite que la pice possde une
rserve de rsistance suffisante par rapport aux efforts pondrs.
Respect du critre de ductilit retrouv dans la norme S6-00.
Ouverture des fissures limite 0,5 mm (comparativement 0,3 mm pour
des armatures
dacier). Limitation des contraintes dans les armatures ltat
limite dutilisation (LUT 1 de S6-00)
et sous charges constantes.
11. Code canadien pour le calcul des ponts routiers, CAN/CSA
S6-00, Norme nationale du Canada, CSA International. 12. Guide for
the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars,
ACI 440.1R-03, American Concrete Institute. 13. Reinforcing
Concrete Structures with Fibre Reinforced Polymers, Design Manual
No. 3, Sept. 2001, ISIS Canada. www.isiscanada.com 14. J. R. YOST
et S. P. GROSS, Flexural Design Methodology for Concrete Beams
Reinforced with Fiber Reinforced Polymers , ACI Structural Journal,
Vol. 99, No. 3, May-June 2002, p. 308316. 15. R. MASMOUDI, G.
NKURUNZIZA, B. BENMOKRANE et P. COUSIN, Durability of Glass FRP
Composite Bars for Concrete Structure Reinforcement under Tensile,
Sustained Load in Wet and Alkaline Environments , Congrs annuel de
la Socit canadienne de gnie civil, juin 2003.
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Il faut toutefois mentionner quen gnral, pour le cas dune dalle
de tablier, le critre reli la fissuration gouverne le
dimensionnement. Les autres tats limites ultimes et de services
tant respects dune manire presque intrinsque. Glissires Ds 1998, la
Direction des structures amorait la rvision de la conception des
glissires de pont pour satisfaire aux exigences de la nouvelle
norme S6-00 Code canadien sur le calcul des ponts routiers .
Paralllement cette rvision, un projet de recherche portant sur
lutilisation darmatures en matriaux composites pour la construction
des nouvelles glissires9 10 a t entrepris en collaboration avec
lUniversit de Sherbrooke. Le but de cette recherche tait de
dmontrer que le comportement de glissires en bton arm laide de
matriaux composites tait au moins quivalent celui de glissires en
bton arm laide dacier darmature conventionnel conues selon les
exigences de la nouvelle norme S6-00. Cette recherche devait aussi
permettre de valider une nouvelle connexion, constitue darmature en
matriaux composites, entre la glissire et la dalle de bton dun
tablier de pont. Le projet consistait en deux points : 1) Essais de
chargement statique en laboratoire jusqu la rupture pour vrifier
diffrents
dimensionnements de glissires en matriaux composites. 2) Essais
dimpact lextrieur pour comparer le comportement des glissires
renforces de
matriaux composites celui de celles renforces dacier. De faon
gnrale, les rsultats de la comparaison du comportement des deux
types de glissires au moment de limpact ont permis de conclure que
celles-ci ont des performances trs similaires quant la fissuration,
labsorption dnergie et la rsistance ultime. Le pont de Val-Alain
constitue la premire utilisation concrte en chantier des glissires
renforces laide de matriaux composites dveloppes lintrieur de ce
projet de recherche. Instrumentation Lutilisation dinstruments de
mesure (capteurs fibre optique et autres) qui seront installs par
lUniversit de Sherbrooke au niveau des armatures et de la dalle de
bton et relis un systme dacquisition de donnes fix mme le pont nous
permettra de vrifier par tlsurveillance le comportement du pont
sous sollicitation (dformation) sans nous dplacer sur le terrain.
Ce moyen de contrle, utilis conjointement avec la possibilit de
prlever des chantillons darmatures sur la structure, nous permettra
entre autres de mieux nous assurer de ltat des armatures long terme
(durabilit) et ainsi de prendre une dcision plus claire quant
lutilisation grande chelle de ce matriau novateur.
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Proprits et configuration des armatures en matriaux composites
Pour ce projet, larmature en matriaux composites (PRFV) a t utilise
pour toutes les nappes darmatures dans la dalle et les glissires.
La figure 5 donne en dtail les diamtres, lespacement et le
recouvrement des armatures pour ce projet. De plus, le tableau 3
prsente les diverses proprits des armatures utilises. CULES
SEMI-INTGRALES Les ponts semi-intgraux16 17 18 sont des ponts trave
simple ou multiple fondation rigide pour lesquels la dalle de bton
du tablier est rendue continue avec la dalle dapproche. Les joints
de dilatation sont limins aux extrmits du tablier; toutefois,
celui-ci est pratiquement indpendant des cules, do lappellation
semi-intgral . Des appareils dappui conventionnels sont utiliss
pour permettre le mouvement horizontal relatif dans laxe du pont
entre le tablier et les cules. Pour le cas dun pont en biais, les
appuis doivent permettre la retenue transversale des poutres pour
contrler leffet de la rotation induite dans le tablier par la
pousse du sol chaque extrmit de celui-ci. Ce type de pont est de
plus en plus utilis en Amrique du Nord o plusieurs tats amricains
et la province de lOntario ont dvelopp des critres de conception et
certains dtails typiques. Le principal avantage dune cule
semi-intgrale par rapport une cule conventionnelle rside dans
llimination des joints de dilatation au niveau du tablier.
Toutefois, on doit quand mme prvoir des joints permettant les
mouvements relatifs et assurant ltanchit entre le tablier et la
cule (incluant les murs en retour), ainsi qu lextrmit des dalles
dapproche (voir fig. 5, 6 et 7). Malgr que le nombre de joints soit
plus important, ce concept rduit la vulnrabilit du pont aux bris
possibles ou au manque dentretien des joints conventionnels. Dans
lventualit o les joints dun pont cules semi-intgrales seraient
endommags, les consquences de leur mauvais fonctionnement
demeureraient beaucoup moins nfastes que celles relies au mauvais
fonctionnement dun joint conventionnel. On na qu penser aux cots
relis lendommagement des units de fondation, des appareils dappuis
et de lextrmit des poutres localises sous un joint conventionnel
dont ltanchit est dficiente. De plus, les cots dentretien relis ces
types de joints sont beaucoup moins importants que ceux relatifs un
joint conventionnel.
16. Semi-Integral Abutment Bridges, Report BO-99-03, Ministry of
Transportation, Bridge Office, Ontario. 17. DANIEL BERNARD, Ponts
cules intgrales et semi-intgrales , Recueil des communications,
Congrs annuel de lAQTR, avril 1998. 18. MARTIN P. BURKE, Jr,
Semi-Integral Bridges : Movements and Forces , Transportation
Research Record 1460.
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CARACTRISTIQUES SUPPLMENTAIRES En plus des diffrentes
caractristiques dont il a t question prcdemment, la conception de
ce pont a ncessit lemploi de divers matriaux et techniques
maintenant utiliss de manire courante par le ministre des
Transports du Qubec. Ces matriaux et techniques ont tous t inclus
lintrieur de ce projet en raison de leur efficacit qui a pu tre
exprimente et confirme au cours des ans. On pense entre autres
lutilisation de bton haute performance pour tous les lments en bton
de ce pont (autres que les semelles aux units de fondation) en
raison de sa plus grande rsistance la fissuration et de sa
permabilit infrieure celle dun bton conventionnel, lutilisation
dacier galvanis en guise darmature lintrieur des cules et des
diaphragmes dextrmit du tablier, la membrane dtanchit prfabrique
installe sur le tablier et les dalles dapproche, aux recouvrements
de bton importants des aciers darmature, etc. ANALYSE CONOMIQUE
Pour mieux valuer limpact des cots supplmentaires associs
lutilisation de ces nouvelles technologies, une tude comparant les
cots relis la construction dun pont dune dure de vie anticipe de
150 ans aux cots relis la construction dun pont de mme
configuration tel quon les conoit au Qubec actuellement (acier
350AT, bton haute performance et armature galvanise pour le
tablier, cules conventionnelles, joints garniture, etc.) nous a
permis de vrifier certains points intressants. Bien entendu, les
cots initiaux de construction du pont sont plus levs pour le pont
dcrit dans ce document que pour un pont correspondant aux normes de
conception actuelles. Toutefois, la diffrence de cot entre les deux
options samenuise trs fortement lorsquon tudie tous les autres
frais engendrs pour une priode de 150 ans. Ces frais incluent,
entre autres, lorganisation de chantier, le terrassement et lenrob
aux approches, le maintien de la circulation et la signalisation,
les chemins de dviation, la remise en tat des lieux, tous les frais
relis lentretien et la rparation selon les deux options, tous les
frais relis la reconstruction selon loption du pont conventionnel
ainsi que les cots engendrs pour les usagers loccasion de chacune
des interventions effectues par le ministre des Transports sur le
pont. Il faut toutefois noter que les frais relis linstrumentation
et la tlsurveillance nont pas t inclus dans ltude conomique. Le
tableau 4 prsente les rsultats de lanalyse conomique effectue.
Cette tude a t ralise laide du logiciel Bridge LCC 2.019. Les
valeurs des taux dinflation et dintrt qui ont t utiliss sont
respectivement de 1,9 % et 3,4 %, valeurs suggres pour des analyses
conomiques long terme. Au tableau 5, on trouve les cots relatifs la
construction initiale, ceux lis certains items particuliers pour
les deux options tudies de mme que les prix soumis en 2004 pour le
pont de Val-Alain.
19. Bridge LCC, Version 2.0, Standard Life Cycle Cost Analysis
Software, National Institute of Standard and Technology.
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On remarque que la portion la plus importante du cot total de ce
pont pour sa dure de service anticipe de 150 ans est encourue au
moment de la construction initiale et que la majeure partie de la
diffrence entre les deux options pour les cots de construction
initiaux concerne lacier de charpente, larmature en matriaux
composites et les joints de dilatation et dtanchit des cules
semi-intgrales. De plus, la diffrence entre les cots totaux des
deux options pour la priode dtude de 150 ans est trs faible (1,9 %)
bien que les matriaux utiliss soient relativement nouveaux. Dun
point de vue strictement conomique, nous croyons quune utilisation
plus grande chelle, dans un futur rapproch, de lacier haute
performance et de larmature en matriaux composites pourrait
permettre une diminution des cots unitaires de ces deux matriaux.
Par le fait mme, les cots de certains projets seraient probablement
abaisss un niveau permettant dobtenir un cot de construction
initial comptitif et un cot sur la vie utile infrieur ceux des
ponts conus selon les normes actuelles. CONSTRUCTION DU PONT DE
VAL-ALAIN La construction de ce pont sest tendue sur une priode de
4 mois, soit de juillet la fin du mois doctobre 2004. Le temps
requis ne semble pas avoir t plus long que celui requis pour la
construction dun pont conventionnel. Mise part limpossibilit
dobtenir lacier haute performance pour la fabrication des poutres
(dlai de livraison des plaques dacier de 16 semaines), les autres
matriaux prvus aux plans et devis ont pu tre obtenus sans
difficults (matriaux composites, matriaux pour joints dtanchit,
etc.). De mme, les divers dtails particuliers prvus au niveau des
plans et devis ont t construits avec succs par lentrepreneur
ralisant les travaux. Bien sr, certains ajustements ont d tre
apports en cours de chantier, mais ceux-ci sont dordre mineur et
naffectent en aucun cas la qualit de louvrage obtenu. Les diverses
exigences supplmentaires sappliquant la construction dun pont
semi-intgral nont pas caus de problmes particuliers. Ces exigences
sont comme suit : Les diaphragmes dextrmit (voir fig. 8 et 9)
doivent tre construits avant de procder la
mise en place des coffrages de la dalle. La dalle doit tre
construite et le bton de celle-ci doit avoir atteint au moins 70 %
de la
rsistance la compression exige 28 jours avant de procder la mise
en place du remblai larrire des diaphragmes dextrmit.
La mise en place du remblai larrire des diaphragmes dextrmit
doit tre effectue
simultanment chaque cule en limitant la diffrence dlvation 300
mm.
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Ce projet confirme aussi les expriences passes vcues lintrieur
dautres projets o des portions de dalle ont t armes laide
darmatures en matriaux composites. Ces armatures sont 4 fois plus
lgres que des armatures en acier, elles sont beaucoup plus
flexibles mais toutefois trs rsistantes (manipulation en chantier,
etc.) et elles ne sont pas conductrices (moins froides en priode de
temps froid). Bien que celles-ci soient plus lgres, on ne remarque
aucune augmentation de leur rapidit dinstallation dans le tablier.
Cette observation a t confirme lintrieur de deux projets raliss par
deux entrepreneurs diffrents. En fait, ces gens mentionnaient que
les armatures en PRFV (voir. fig. 10) ne changeaient rien dans leur
cas (facilit dinstallation, etc.). Il faut toutefois prciser que
les espacements entre les barres sont plus faibles pour des
armatures en PRFV que pour des armatures en acier. Il y a donc un
nombre plus important de barres en PRFV installer dans le tablier.
Certaines prcautions doivent tre prises avec ce type de matriau.
Les armatures doivent tre protges de la lumire du soleil pendant
lentreposage, elles ne doivent pas tre plies en chantier (en fait
elles ne sont pas pliables) et on doit prvoir un espacement moins
important entre leurs supports (flexibilit importante) pour la
dalle. Pour terminer ce bref expos au sujet de la construction de
ce pont, nous pouvons clairement affirmer que les divers matriaux
et concepts prvus aux plans et devis peuvent tre utiliss sans
difficults particulires au niveau de la ralisation en chantier.
CONCLUSION Les caractristiques du pont ont t dtermines en vue
dobtenir une durabilit optimale, notamment par lutilisation
darmatures en matriaux composites. Lutilisation de ces armatures
permet dliminer le problme de corrosion de larmature dacier
(normalement utilise pour renforcer la dalle et les glissires de
scurit des ponts) qui conduit lclatement, la fissuration et la
dsagrgation du bton. La construction de ce pont marquera un pas de
plus vers ladoption dune mthode de calcul adquate en termes de
comportement structural lultime et en service, de mme quen termes
de durabilit, et vers le dveloppement dun contrle de qualit fiable;
ces progrs pourront ventuellement ouvrir la porte lutilisation
grande chelle de ce matriau novateur. De mme, lemploi dacier haute
performance pour la fabrication de poutres devrait nous permettre
de profiter des amliorations notables, par rapport lacier patinable
conventionnel, quant aux proprits anticorrosion, la rsilience basse
temprature et la soudabilit de ce nouveau matriau. De plus, le
concept de tablier semi-intgral rend possible llimination des
joints de tablier aux cules. Les joints sont plutt localiss
lextrmit des dalles dapproche dans une zone o les possibles fuites
ou le mauvais fonctionnement de ceux-ci, invitables avec le temps,
ne causeront pas de dommage aux cules ni au tablier du pont. Ce
concept est utilis de faon courante dans plusieurs tats amricains
et, dans certains cas, en Ontario o des critres de conception et
des dtails types ont t dvelopps. ventuellement, selon les rsultats
obtenus avec le pont de Val-Alain, le ministre des Transports du
Qubec pourrait lui aussi utiliser ce type de pont plus
frquemment.
12
-
Enfin, il est noter que certains matriaux maintenant standardiss
tels que le bton haute performance, lacier galvanis et la membrane
dtanchit prfabrique, ainsi que les rgles de bonnes pratiques
courantes (recouvrement minimal de bton sur les armatures, cure du
bton, etc.) ont t appliqus la conception de ce pont en raison de
leur efficacit qui a pu tre exprimente et confirme au cours des
ans. En ce qui a trait lanalyse conomique effectue pour ce pont, il
nous semble que lutilisation de ces diffrents matriaux et concepts
plus grande chelle pourrait permettre une diminution des cots
totaux relis la construction et lentretien du parc de ponts
appartenant au ministre des Transports du Qubec. Finalement, mise
part limpossibilit dutiliser de lacier haute performance pour la
fabrication des poutres, la ralisation en chantier de ce projet
nous a permis de confirmer la constructibilit du pont tel que prvu
aux plans et devis.
13
-
Gomtrie du pont
Figure 1
14
-
Pont de Val-Alain Figure 2
15
-
ESSAI DE RSILIENCE CHARPY COURBE DE TRANSITION POUR LA RUPTURE
(DUCTILE FRAGILE)
HPS-70W = HPS 485W en mtrique 50W = 345W en mtrique
Tir de High Performance Steel Designers Guide
La transition ductile fragile de lacier haute performance (HPS
485W) se produit une temprature beaucoup plus basse que celle dun
acier conventionnel de nuance 345W.
Essai de rsilience Charpy Courbe de transition pour la rupture
(ductile fragile)
Figure 3
16
-
Installation darmatures en matriaux composites Pont sur la route
108 Cookshire (Qubec)
Figure 4
17
-
Dtails darmature (dalle et glissires)
Figure 5
18
-
Joints pour pont semi-intgral
Figure 6
19
-
Joints pour pont semi-intgral
Figure 7
20
-
Construction dun diaphragme dextrmit Pont de Val-Alain
Figure 8
21
-
Construction dun diaphragme dextrmit Pont de Val-Alain
Figure 9
22
-
Installation darmatures en matriaux composites Pont de
Val-Alain
Figure 10
23
-
PROPRITS MCANIQUES ET CHIMIQUES ACIER DE CHARPENTE
Type dacier ASTM A709 HPS 485W CSA-G40.21M
350AT
ASTM A709 485W
(nexiste plus)
Proprits mcaniques Fy
485 MPa
350 MPa
485 MPa Fu 585-760 MPa 480-650 MPa -- Essai de rsilience Charpy
Temprature dessai : - 23 C * - 23 C * - 20 C ** - 20 C ** -- nergie
min. moy. : 34 J * 48 J * 27 J ** 40 j ** -- Composition chimique
(%) ***
Carbone (C) 0,11 max. 0,20 max. 0,19 max. Manganse (Mn)
1,10-1,35 0,75-1,35 0,80-1,35 Phosphore (P) 0,020 max. 0,03 max.
0,035 max. Souffre (S) 0,006 max. **** 0,04 max. 0,04 max. Silicium
(Si) 0,30-0,50 0,15-0,50 0,20-0,65 Cuivre (Cu) 0,25-0,40 0,20-0,60
0,20-0,40 Nickel (Ni) 0,25-0,40 0,90 max. 0,50 max. Chrome (Cr)
0,45-0,70 0,70 max. 0,40-0,70 Vanadium (V) 0,04-0,08 0,10 max.
0,02-0,10 Molybdne (Mo) 0,02-0,08 -- -- Aluminium (Al) 0,010-0,040
-- -- Azote (N)
0,015 max. -- --
* Zones 1, 2 et 3 selon la norme ASTM A709. Pour membrures
principales tendues et membrures
rsistance critique la rupture respectivement. ** Zone de
temprature de service : - 30 C > Ts - 60 C selon la norme
CAN/CSA S6-00. Pour
membrures principales tendues et membrures rsistance critique la
rupture respectivement. *** Pour plus de dtails voir les normes
pertinentes. **** Lacier doit tre trait au calcium pour le contrle
des inclusions.
Proprits mcaniques et chimiques Acier de charpente
Tableau 1
24
-
TEMPRATURE MINIMUM DE PRCHAUFFAGE ET DE MAINTIEN ENTRE LES
PASSES DE SOUDURE LORS DU SOUDAGE DE LACIER ASTM A709 HPS 485W
Tir de Guide Specification For Highway Bridge Fabrication with
HPS 70W (HPS 485W) Steel
Temprature minimum de prchauffage et de maintien entre les
passes de soudure lors du soudage de lacier ASTM A709 HPS 485W
Tableau 2
25
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PROPRITS MCANIQUES ET GOMTRIQUES DES ARMATURES EN POLYMRE
RENFORC DE FIBRES DE VERRE
Armatures en matriaux composites de type V-Rod fabriques par la
compagnie Pultrall
Composition : 75 % Fibres de verre 25 % Matrice constitue dune
rsine vinylester modifie
Dsignation de la barre
Diamtre (mm)
Aire (mm2)
Poids linaires (kg/m)
Module dlasticit (MPa)
Rsistance spcifie en traction garantie *
(MPa)
# 5 15,9 200 0,398 46 000 min. 683 min.
# 6 19,1 285 0,602 46 000 min. 656 min.
* Valeur correspondant la valeur moyenne des rsultats des essais
effectus sur un chantillonnage
donn, de laquelle on soustrait la valeur de lcart type obtenue
multiplie par trois.
Proprits mcaniques et gomtriques des armatures en polymre
renforc de fibres de verre
Tableau 3
26
-
ANALYSE CONOMIQUE COMPARATIVE POUR UNE PRIODE DE 150 ANS
Pont de 150 ans [$ 2004] (Estimation)
Pont conventionnel 2004 [$ 2004] (Estimation)
Cots totaux 2 996 651 (+ 1,9 %)
2 941 349
Cots par intervenant
Ministre des Transports Usagers
2 446 395 (+ 3,3 %)
550 256
2 367 997
573 353
Cots par intervention
Construction initiale Entretien, rparation et reconstruction du
pont conventionnel
2 806 032
190 619
2 560 026
381 323
Cots par lment
Dalle Superstructure Units de fondation Autres (structure)
Chantier (structure) Autres *
532 679 496 522 293 053 345 958 155 000
1 173 438
444 660 450 704 370 009 316 941 160 660
1 198 376
* Inclut les approches du pont, le chemin de dviation, la remise
en tat des lieux, le revtement
de la chausse, le maintien de la circulation et la
signalisation.
Analyse conomique comparative pour une priode de 150 ans
Tableau 4
27
-
TUDE COMPARATIVE COTS DE CONSTRUCTION INITIAUX
Pont de 150 ans [$] (Estimation)
Pont conventionnel 2004[$] (Estimation)
Pont de Val-Alain [$] (Soumission)
Cots totaux 2 315 536 (+ 11,9 %)
2 069 529 2 087 112
Cots par lment Pont
Dalle Superstructure Units de fondation Autres (structure)
Chantier (structure) Total pont
Autres *
363 119 496 522 271 995 345 958 155 000 1 632 594
(+ 17,7 %)
682 942
220 319 413 592 314 417 283 260 155 000 1 386 588 682 942
382 820 433 752 233 825 283 432 266 027 1 599 856 487 256
Cots particuliers Acier de charpente Armatures pour le tablier
Joints de dilatation et dtanchit
496 522** (+ 20,1 %)
179 837
(+ 92,4 %)
69 498 (+ 548 %)
413 592*** 93 468 10 720
433 752*** 196 511 36 123
* Inclut les approches du pont, le chemin de dviation, la remise
en tat des lieux, le revtement de
la chausse, le maintien de la circulation et la signalisation.
** Acier HPS. *** Acier 350 AT.
tude comparative Cots de construction initiaux
Tableau 5
28