Pont en poutres en béton : conception, construction et tendances futures

---

Historique

Aux États-Unis, près de 590 000 ponts routiers enjambent rivières, dépressions terrestres et même d'autres routes et voies ferrées. Si les ponts en arche, à haubans et en treillis captent l'œil, la colonne vertébrale du réseau routier est le pont en poutres en béton pratique et économique, aussi appelé pont en poutres.

Un pont en poutres est une dalle horizontale simple reposant sur des appuis à chaque extrémité. Comme la charge de la dalle se transfère verticalement aux colonnes, ces supports peuvent être moins massifs que ceux nécessaires pour les arches ou les ponts suspendus, qui redistribuent une partie du poids horizontalement.

Les ponts en poutres sont généralement utilisés pour des portées de 250 pi (76,2 m) ou moins. Les distances plus longues sont réalisées en reliant plusieurs poutres simples en une portée continue. Le plus long pont du monde, le Lake Pontchartrain Causeway en Louisiane, comprend deux portées continues parallèles à deux voies de près de 24 mi (38,4 km) de long. Le premier pont, achevé en 1956, contient plus de 2 000 portées individuelles ; son pont jumeau, terminé 13 ans plus tard, est 228 pi plus long mais n'utilise que 1 500 portées.

Un pont se compose de trois éléments clés : la sous-structure (fondation) qui transfère le poids du pont au sol ; la superstructure, la plateforme horizontale entre les colonnes ; et le tablier, la surface de roulement ajoutée à la superstructure.

Histoire

Les premiers humains imitaient la nature, marchant sur des arbres tombés à travers les ruisseaux, puis plaçant des troncs d'arbres ou des dalles de pierre pour créer des passages. Pour les eaux plus larges, ils empilaient des pierres et posaient des poutres de bois ou de pierre entre les colonnes et la rive.

Hérodote a décrit le premier pont documenté en 484 av. J.-C., une structure en bois soutenue par des colonnes en pierre construite à travers l'Euphrate environ 300 ans plus tôt.

Les Romains, célèbres pour leurs ponts en arche en pierre et béton, ont aussi construit des ponts en poutres. Le premier pont en poutres romain, le Pons Sublicius à travers le Tibre en 620 av. J.-C., était fait de poutres en bois (sublicae). La construction romaine utilisait des batardeaux : une disposition circulaire de poteaux en bois enfoncés dans le sol, scellés avec de l'argile, et pompés à sec pour permettre au béton de prendre en place.

La transition de l'art à la science a commencé en 1717 quand l'ingénieur français Hubert Gautier a publié un traité sur la construction de ponts. En 1847, l'ingénieur américain Squire Whipple a publié A Work on Bridge Building, introduisant les premières méthodes analytiques pour les contraintes et déformations dans les ponts. Le conseil en ingénierie de ponts est devenu une spécialité du génie civil dans les années 1880.

Les avancées dans la construction de ponts en poutres ont largement suivi les améliorations des matériaux de construction.

Matériaux de construction et leur développement

Les ponts en poutres routiers modernes sont principalement construits en béton et acier. Les Romains utilisaient un mélange chaux-pouzzolane qui prenait rapidement, même sous l'eau, et était solide et imperméable. Au Moyen Âge, le mortier de chaux a remplacé ceci mais était hydrosoluble. Le ciment Portland d'aujourd'hui, inventé en 1824 par Joseph Aspdin, est devenu répandu pour les fondations au début des années 1900.

Le béton excelle sous compression mais est plus faible sous tension. Les tentatives du 19e siècle pour le renforcer impliquaient d'y incorporer du fer. L'ingénieur français François Hennebique a perfectionné le béton armé dans les années 1880 en utilisant des armatures en acier. Le premier pont américain significatif à utiliser du béton armé était le pont Alvord Lake dans le Golden Gate Park de San Francisco, achevé en 1889 et encore en service aujourd'hui.

La percée suivante a été la précontrainte : la mise en tension de tiges d'acier dans une poutre en béton avant ou après le coulage. Cela pré-comprime le béton, compensant les forces de traction qui surgissent quand des charges sont appliquées. La précontrainte peut être appliquée aux poutres préfabriquées transportées sur site ou au béton coulé en place. La pré-tension applique la tension avant le coulage ; la post-tension l'applique après que le béton a durci autour de l'acier.

Conception

Chaque pont nécessite une conception sur mesure qui prend en compte la topographie, les courants d'eau, la formation de glace, le vent, l'activité sismique, les conditions du sol, le trafic prévu, l'esthétique et les contraintes de coûts. La solidité structurelle exige l'analyse de la charge morte (le poids propre du pont), de la charge vivante (trafic) et de la charge environnementale (vent, forces sismiques, collisions). Depuis la fin des années 1960, la redondance — assurant que la défaillance d'un élément n'entraîne pas l'effondrement de l'ensemble de la structure — est devenue un principe de conception standard.

Le processus de fabrication

La construction varie selon le site et le but, mais les étapes suivantes illustrent un pont typique en béton armé au-dessus d'une rivière peu profonde avec des appuis intermédiaires.

Voici des dimensions d'exemple d'un pont d'autoroute de 1993 à travers le Rio Grande à Albuquerque, Nouveau-Mexique : 1 245 pi de long, 10 voies de large, 88 colonnes, 11 456 verges cubes de béton structural, 8 000 verges cubes de béton de chaussée, et 6,2 millions de livres d'acier d'armature.

Sous-structure

• Construire un batardeau autour de chaque emplacement de colonne et pomper l'eau. Forer des puits jusqu'au roc (≈80 pi/24,4 m de profondeur). Pendant l'extraction du sol, une boue d'argile empêche l'effondrement du puits. Abaisser une cage d'armature de 72 po (2 m) de diamètre dans le puits rempli de boue et pomper le béton jusqu'au fond. La boue est expulsée en haut, collectée et réutilisée.
• Préparer les culées de pont sur la rive. Couler un mur de soutènement en béton entre le haut de la rive et le lit de la rivière pour retenir le sol au-delà de l'extrémité du pont. Former un rebord (siège) sur le haut du mur de soutènement ; des murs d'aile peuvent s'étendre vers l'extérieur pour retenir le remblai d'approche.
• Pour cet exemple, chaque point d'appui utilise une paire de colonnes. Installer une poutre de chapeau en béton armé perpendiculaire à la direction du pont, reliant les sommets des deux colonnes. D'autres conceptions peuvent utiliser un pilier rectangulaire ou une seule colonne en T.

Superstructure

• Utiliser une grue pour positionner des poutres en acier ou en béton précontraint entre les ensembles de colonnes. Boulonner les poutres aux chapiteaux de colonnes. À Albuquerque, chaque poutre mesurait 6 pi (1,8 m) de haut, jusqu'à 130 pi (40 m) de long, et pesait jusqu'à 54 tonnes.
• Poser des panneaux en acier ou des dalles en béton préfabriqué à travers les poutres pour former une plateforme solide. Un fabricant offre un panneau en acier ondulé de 4,5 po (11,43 cm) de profondeur ; une alternative est un coffrage en acier restant en place pour le tablier en béton.

Tablier

• Placer une barrière d'étanchéité sur la plateforme de superstructure ; un asphalte modifié polymère à chaud est courant.
• Construire une grille d'armature en acier tridimensionnelle au-dessus de la barrière, avec des couches près du bas et du haut de la future dalle de béton.
• Couler le béton de chaussée. Pour une autoroute, 8-12 po (20,32-30,5 cm) de béton est typique. Si des coffrages restant en place étaient utilisés, couler directement dedans ; sinon, utiliser une machine à glissement pour le coulage continu, la consolidation et le lissage. Appliquer une texture antidérapante en rayant la dalle fraîche avec une brosse ou de la toile de jute. Fournir des joints latéraux tous les 15 pi (5 m) pour prévenir les fissures ; sceller avec un scellant flexible.

Contrôle qualité

La conception et la construction des ponts doivent répondre aux normes d'agences telles que l'American Association of State Highway and Transportation Officials, l'American Society for Testing and Materials, et l'American Concrete Institute. Les matériaux et composants structurels sont testés tout au long de la construction. Pour le projet d'Albuquerque, des tests de résistance statique et dynamique ont été effectués sur un échantillon de fondation de colonne et sur deux puits de production.

L'avenir

La recherche par les agences gouvernementales et associations industrielles se concentre sur des matériaux plus légers, plus résistants et plus durables. Les innovations futures incluent des formulations de béton haute performance, des composites polymères renforcés de fibres pour remplacer le béton dans certains composants, des revêtements époxy et systèmes de protection électrochimique pour armatures, des fibres de renforcement synthétiques alternatives, et des techniques de test plus rapides et plus précises.