Pont à poutres en béton

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Contexte

Près de 590 000 ponts routiers enjambent des voies navigables, des dépressions de terres arides, d'autres routes et des voies ferrées à travers les États-Unis. Les ponts les plus spectaculaires utilisent des systèmes complexes comme des arches, des câbles ou des fermes triangulaires pour transporter la chaussée entre des colonnes ou des tours majestueuses. Cependant, le cheval de bataille du système de ponts routiers est le pont à poutres en béton relativement simple et peu coûteux.

Également connu sous le nom de pont à poutres, un pont à poutres se compose d'une dalle horizontale supportée à chaque extrémité. Parce que tout le poids de la dalle (et de tous les objets sur la dalle) est transféré verticalement aux colonnes de support, les colonnes peuvent être moins massives que les supports des ponts en arc ou suspendus, qui transfèrent une partie du poids horizontalement.

Un pont à poutres simples est généralement utilisé pour couvrir une distance de 250 pi (76,2 m) ou moins. Des distances plus longues peuvent être parcourues en connectant une série de ponts à poutres simples dans ce qu'on appelle une travée continue. En fait, le pont le plus long du monde, le Lake Pontchartrain Causeway en Louisiane, est une paire de ponts parallèles à travée continue à deux voies de près de 38,4 km de long. Le premier des deux ponts a été achevé en 1956 et se compose de plus de 2 000 travées individuelles. Le pont jumeau (transportant maintenant le trafic vers le nord) a été achevé 13 ans plus tard; bien qu'il mesure 228 pieds de plus que le premier pont, il ne contient que 1 500 travées.

Un pont a trois éléments principaux. Premièrement, la sous-structure (fondation) transfère le poids chargé du pont au sol ; il se compose de composants tels que des colonnes (également appelées piles) et des culées. Une culée est la connexion entre l'extrémité du pont et la terre; il fournit un support pour les sections d'extrémité du pont. Deuxièmement, la superstructure du pont est la plate-forme horizontale qui enjambe l'espace entre les colonnes. Enfin, le tablier du pont est la surface de circulation ajoutée à la superstructure.

Historique

L'homme préhistorique a commencé à construire des ponts en imitant la nature. Trouvant utile de marcher sur un arbre tombé en travers d'un ruisseau, il a commencé à placer des troncs d'arbres ou des dalles de pierre là où il voulait traverser les ruisseaux. Lorsqu'il a voulu ponter un ruisseau plus large, il a trouvé comment empiler des pierres dans l'eau et poser des poutres de bois ou de pierre entre ces colonnes et la berge.

Le premier pont documenté a été décrit par Hérodote en 484 BC. Il se composait de bois soutenus par des colonnes de pierre et avait été construit de l'autre côté de l'Euphrate quelque 300 ans plus tôt.

Plus célèbres pour leurs ponts en arc en pierre et en béton, les Romains construisaient également des ponts à poutres. En fait, le plus ancien pont romain connu, construit sur le Tibre en 620 av. , s'appelait le Pons Sublicius car il était fait de poutres en bois (sublicae). Les techniques de construction de ponts romains comprenaient l'utilisation de batardeaux lors de la construction de colonnes. Ils l'ont fait en enfonçant un arrangement circulaire de poteaux en bois dans le sol autour de l'emplacement prévu de la colonne. Après avoir recouvert l'anneau de bois d'argile pour le rendre étanche, ils ont pompé l'eau hors de l'enceinte. Cette leur a permis de couler le béton pour la base de la colonne.

La construction de ponts a commencé la transition de l'art à la science en 1717 lorsque l'ingénieur français Hubert Gautier a écrit un traité sur la construction de ponts. En 1847, un Américain du nom de Squire Whipple a écrit A Work on Bridge Building, qui contenait les premières méthodes analytiques de calcul des contraintes et déformations dans un pont. Le « conseil en génie des ponts » a été établi comme une spécialité du génie civil dans les années 1880.

D'autres avancées dans la construction de ponts à poutres proviendraient principalement d'améliorations apportées aux matériaux de construction.

Les matériaux de construction
et leur développement

La plupart des ponts routiers à poutres sont construits en béton et en acier. Les Romains utilisaient du béton à base de chaux et de pouzzalane (une poudre volcanique rouge) dans leurs ponts. Ce matériau durcissait rapidement, même sous l'eau, et il était solide et imperméable. Au Moyen Âge en Europe, le mortier de chaux était utilisé à la place, mais il était soluble dans l'eau. Le ciment Portland populaire d'aujourd'hui, un mélange particulier de calcaire et d'argile, a été inventé en 1824 par un maçon anglais nommé Joseph Aspdin, mais il n'a pas été largement utilisé comme matériau de fondation jusqu'au début des années 1900.

Le béton a une bonne résistance à la compression (force de pression), mais n'est pas aussi résistant à la traction (force de traction). Il y a eu plusieurs tentatives en Europe et aux États-Unis au cours du XIXe siècle pour renforcer le béton en y incorporant du fer résistant à la tension. Une version supérieure a été développée en France dans les années 1880 par François Hennebique, qui utilisait des barres d'armature en acier. La première utilisation significative de béton armé dans un pont aux États-Unis était dans le pont du lac Alvord dans le Golden Gate Park de San Francisco; achevé en 1889 et toujours utilisé aujourd'hui, il a été construit avec des barres d'armature en acier torsadé conçues par le designer Ernest L. Ransome.

La prochaine avancée significative dans la construction en béton a été le développement de la précontrainte. Une poutre en béton est précontrainte en tirant sur des tiges d'acier traversant la poutre, puis en ancrant les extrémités des tiges aux extrémités de la poutre. Cela exerce une force de compression sur le béton, compensant les forces de traction qui s'exercent sur la poutre lorsqu'une charge est placée dessus. (Un poids qui appuie sur une poutre horizontale a tendance à plier la poutre vers le bas au milieu, créant des forces de compression le long du haut de la poutre et des forces de traction le long du bas de la poutre.)

La précontrainte peut être appliquée à une poutre en béton qui est préfabriquée en usine, amenée sur le chantier et levée en place par une grue ; ou il peut être appliqué sur du béton coulé sur place qui est coulé à l'emplacement final de la poutre. Une tension peut être appliquée aux fils ou tiges d'acier avant la coulée du béton (précontrainte), ou le béton peut être coulé autour de tubes contenant de l'acier non tendu auquel une tension est appliquée après le durcissement du béton (posttension).

Conception

Chaque pont doit être conçu individuellement avant d'être construit. Le concepteur doit prendre en compte un certain nombre de facteurs, notamment la topographie locale, les courants d'eau, les possibilités de formation de glace sur les rivières, la configuration des vents, le potentiel sismique, les conditions du sol, les volumes de trafic projetés, l'esthétique et les limites des coûts.

De plus, le pont doit être conçu pour être structurellement sain. Il s'agit d'analyser Vue en coupe d'un pont à poutres en béton typique. les forces qui agiront sur chaque composant du pont terminé. Trois types de charges contribuent à ces forces. La charge permanente fait référence au poids du pont lui-même. La charge vive fait référence au poids du trafic que le pont supportera. La charge environnementale fait référence à d'autres forces externes telles que le vent, l'action sismique possible et les collisions potentielles de la circulation avec les supports de pont. L'analyse est effectuée pour les forces statiques (stationnaires) de la charge permanente et les forces dynamiques (en mouvement) des charges vives et environnementales.

Depuis la fin des années 1960, la valeur de la redondance dans la conception a été largement acceptée. Cela signifie qu'un pont est conçu de manière à ce que la défaillance d'un membre ne provoque pas un effondrement immédiat de l'ensemble de la structure. Ceci est accompli en rendant les autres membres suffisamment solides pour compenser un membre endommagé.

Le processus de fabrication

Parce que chaque pont est conçu de manière unique pour un site et une fonction spécifiques, le processus de construction varie également d'un pont à l'autre. Le processus décrit ci-dessous représente les principales étapes de la construction d'un pont en béton armé assez typique enjambant une rivière peu profonde, avec des supports de colonnes intermédiaires en béton situés dans la rivière.

Des exemples de tailles pour de nombreux composants du pont sont inclus dans la description suivante comme aide à la visualisation. Certains ont été extraits des brochures des fournisseurs ou des spécifications standard de l'industrie. D'autres sont des détails d'un pont autoroutier qui a été construit sur le Rio Grande à Albuquerque, Nouveau-Mexique, en 1993. Le pont de 1 245 pieds de long et 10 voies de large est soutenu par 88 colonnes. Il contient 11 456 mètres cubes de béton dans la structure et 8 000 mètres cubes supplémentaires dans la chaussée. Il contient également 6,2 millions de livres d'acier d'armature.

Sous-structure

• 1 Un batardeau est construit autour de chaque emplacement de colonne dans le lit de la rivière, et l'eau est pompée depuis l'intérieur de l'enceinte. Une méthode de pose des fondations consiste à forer des puits à travers le lit de la rivière, jusqu'au substratum rocheux. Lorsqu'une tarière fait remonter le sol du puits, une boue d'argile est pompée dans le trou pour remplacer le sol et empêcher le puits de s'effondrer. Lorsque la profondeur appropriée est atteinte (par exemple, environ 80 pi ou 24,4 m), une cage cylindrique en acier d'armature (barres d'armature) est abaissée dans le puits rempli de boue (par exemple, 72 po ou 2 m de diamètre). Le béton est pompé jusqu'au fond du puits. Au fur et à mesure que le puits se remplit de béton, la boue est expulsée du haut du puits, où elle est collectée et nettoyée afin de pouvoir être réutilisée. La partie aérienne de chaque colonne peut être soit formée et coulée en place, soit préfabriquée et soulevée en place et fixée à la fondation.
• 2 culées de pont sont préparées sur la berge où l'extrémité du pont reposera. Un mur de fond en béton est formé et coulé entre le haut de la berge et le lit de la rivière ; il s'agit d'un mur de soutènement pour le sol au-delà de l'extrémité du pont. Un rebord (siège) sur lequel l'extrémité du pont repose est formé dans le haut de la paroi arrière. Des murs en aile peuvent également être nécessaires, s'étendant vers l'extérieur à partir du mur arrière le long de la berge pour retenir la terre de remplissage pour les approches du pont.
• 3 Dans cet exemple, le pont reposera sur une paire de colonnes à chaque point d'appui. La sous-structure est complétée en plaçant un chapeau (une poutre en béton armé) perpendiculairement à la direction du pont, allant du sommet d'une colonne au sommet de son partenaire. Dans d'autres conceptions, le pont peut reposer sur différentes configurations de support, telles qu'une jetée rectangulaire à l'échelle du pont ou une seule colonne en forme de T.

Superstructure

• 4 Une grue est utilisée pour placer des poutres en acier ou en béton précontraint entre des ensembles consécutifs de colonnes sur toute la longueur du pont. Les poutres sont boulonnées aux chapeaux de colonne. Pour le pont autoroutier d'Albuquerque, chaque poutre mesure 1,8 m de haut et 40 m de long, pesant jusqu'à 54 tonnes.
• 5 Des panneaux en acier ou des dalles en béton préfabriqué sont posés sur les poutres pour former une plate-forme solide, complétant la superstructure du pont. Un fabricant propose par exemple un panneau ondulé de 4,5 pouces (11,43 cm) de profondeur en acier lourd (calibre 7 ou 9.). Une autre alternative est un coffrage en acier qui reste en place pour le tablier en béton qui sera coulé plus tard.

Pont

• 6 Une barrière contre l'humidité est placée au sommet de la plate-forme de la superstructure. Un asphalte modifié aux polymères appliqué à chaud peut être utilisé, par exemple.
• 7 Une grille de barres d'armature en acier est construite au-dessus de la barrière contre l'humidité ; cette grille sera par la suite encastrée dans une dalle de béton. La grille est tridimensionnelle, avec une couche de barres d'armature près du bas de la dalle et une autre près du sommet.
• 8 La chaussée en béton est coulée. Une épaisseur de 8 à 12 pouces (20,32 à 30,5 cm) de revêtement en béton est appropriée pour une autoroute. Si des coffrages fixes étaient utilisés comme plate-forme de superstructure, du béton y est coulé. Si des coffrages n'ont pas été utilisés, le béton peut être appliqué avec une machine à coffrage glissant qui étale, consolide et lisse le béton en une seule opération continue. Dans les deux cas, une texture antidérapante est placée sur la dalle de béton frais en marquant manuellement ou mécaniquement la surface avec une brosse ou un matériau rugueux comme de la toile de jute. Des joints latéraux sont prévus environ tous les 15 pi (5 m) pour décourager la fissuration de la chaussée; ceux-ci sont soit ajoutés aux coffrages avant le coulage du béton, soit coupés après le durcissement d'une dalle glissante. Un scellant flexible est utilisé pour sceller le joint.

Contrôle qualité

La conception et la construction d'un pont doivent respecter les normes élaborées par plusieurs agences, notamment l'American Association of State Highway and Transportation Officials, l'American Society for Testing and Materials et l'American Concrete Institute. Divers matériaux (par exemple, les lots de béton) et composants structurels (par exemple, les poutres et les connexions) sont testés au fur et à mesure que la construction avance. À titre d'exemple supplémentaire, sur le projet de pont d'Albuquerque, des tests de résistance statique et dynamique ont été effectués sur un échantillon de fondation de colonne qui a été construit sur le site et sur deux des puits de production.

Le futur

De nombreuses agences gouvernementales et associations industrielles parrainent et mènent des recherches pour améliorer les matériaux et les techniques de construction. Un objectif majeur est le développement de matériaux plus légers, plus résistants et plus durables tels que le béton reformulé à haute performance ; des matériaux composites polymères renforcés de fibres pour remplacer le béton pour certains composants ; revêtements époxy et systèmes de protection électrochimiques pour empêcher la corrosion des barres d'armature en acier ; fibres de renforcement synthétiques alternatives; et des techniques de test plus rapides et plus précises.