Pont à poutres en béton

Pont à poutres en béton

Contexte

Près de 590 000 ponts routiers enjambent des voies d’eau, des dépressions sèches, d’autres routes et des voies ferrées à travers les États-Unis. Les ponts les plus spectaculaires utilisent des systèmes complexes tels que des arches, des câbles ou des fermes en forme de triangle 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.

Aussi connu sous le nom de pont à poutres, un pont à poutres est constitué d’une dalle horizontale soutenue à chaque extrémité. Comme tout le poids de la dalle (et de tout objet posé sur la dalle) est transféré verticalement aux colonnes d’appui, celles-ci peuvent être moins massives que les appuis des ponts en arc ou suspendus, qui transfèrent une partie du poids horizontalement.

Un pont à poutres simple est généralement utilisé pour franchir une distance de 250 pieds (76,2 m) ou moins. Des distances plus longues peuvent être franchies en reliant une série de ponts à poutres simples en ce que l’on appelle une travée continue. En fait, le pont le plus long du monde, le Lake Pontchartrain Causeway en Louisiane, est constitué de deux ponts parallèles à deux voies et à travée continue, d’une longueur de 38,4 km. Le premier des deux ponts a été achevé en 1956 et se compose de plus de 2 000 travées individuelles. Le pont jumeau (qui supporte maintenant le trafic en direction du nord) a été achevé 13 ans plus tard ; bien qu’il soit plus long de 228 pieds que le premier pont, il ne contient que 1 500 travées.

Un pont comporte trois éléments principaux. Tout d’abord, la sous-structure (fondation) transfère le poids chargé du pont au sol ; elle se compose d’éléments tels que des colonnes (également appelées piliers) et des culées. Une culée est la connexion entre l’extrémité du pont et le sol ; elle fournit un support aux sections d’extrémité du pont. Ensuite, la superstructure du pont est la plate-forme horizontale qui enjambe l’espace entre les colonnes. Enfin, le tablier du pont est la surface porteuse de la circulation ajoutée à la superstructure.

Histoire

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 cours d’eau, il a commencé à placer des troncs d’arbres ou des dalles de pierre là où il voulait traverser des cours d’eau. Lorsqu’il voulait enjamber un cours d’eau plus large, il a trouvé le moyen d’empiler des pierres dans l’eau et de 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 av. J.-C. Il était constitué de poutres soutenues par des colonnes de pierre et avait été construit sur l’Euphrate quelque 300 ans plus tôt.

Plus célèbres pour leurs ponts à arches en pierre et en béton, les Romains ont également construit des ponts à poutres. En fait, le plus ancien pont romain connu, construit sur le Tibre en 620 av. J.-C., était appelé le Pons Sublicius parce qu’il était fait de poutres en bois (sublicae). Les techniques romaines de construction de ponts comprenaient l’utilisation de batardeaux pour la construction de colonnes. Pour ce faire, ils enfonçaient dans le sol une disposition circulaire de poteaux en bois autour de l’emplacement prévu pour la colonne. Après avoir recouvert l’anneau de bois d’argile pour le rendre étanche, ils pompaient l’eau hors de l’enceinte. Cela leur a permis de couler le béton pour la base de la colonne.

La construction de ponts a commencé à passer 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 nommé Squire Whipple a écrit A Work on Bridge Building, qui contenait les premières méthodes analytiques pour calculer les contraintes et les déformations dans un pont. « L’ingénierie des ponts-conseils » a été établie comme une spécialité au sein du génie civil dans les années 1880.

Les autres progrès dans la construction des ponts à poutres proviendraient principalement des améliorations apportées aux matériaux de construction.

Matériaux de construction et leur développement

La plupart des ponts à poutres des autoroutes sont construits en béton et en acier. Les Romains utilisaient du béton fait de chaux et de pouzzalane (une poudre rouge, volcanique) dans leurs ponts. Ce matériau prenait rapidement, même sous l’eau, et il était solide et imperméable. Au Moyen Âge, en Europe, on utilisait plutôt du mortier de chaux, mais il était soluble dans l’eau. Le populaire ciment Portland 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 avant le début des années 1900.

Le béton a une bonne résistance pour supporter la compression (force de pression), mais il n’est pas aussi solide sous tension (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 intégrant du fer résistant à la tension. Une version supérieure a été développée en France dans les années 1880 par François Hennebique, qui a utilisé des barres d’armature en acier. La première utilisation significative du béton armé dans un pont aux États-Unis a été 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 tordu conçues par le concepteur Ernest L. Ransome.

L’avancée significative suivante 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 qui traversent 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 de la partie supérieure de la poutre et des forces de traction le long de la partie inférieure de la poutre.)

La précontrainte peut être appliquée à une poutre en béton qui est préfabriquée dans une usine, apportée sur le chantier de construction et soulevée en place par une grue ; ou elle peut être appliquée au béton coulé sur place qui est coulé à l’emplacement final de la poutre. La tension peut être appliquée aux fils ou aux tiges d’acier avant que le béton ne soit coulé (précontrainte), ou le béton peut être coulé autour de tubes contenant de l’acier non tendu auquel la tension est appliquée après que le béton a durci (postcontrainte).

Conception

Chaque pont doit être conçu individuellement avant d’être construit. Le concepteur doit tenir compte d’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 prévus, l’esthétique et les limites de coûts.

En outre, le pont doit être conçu pour être structurellement solide. Cela implique l’analyse des forces qui agiront sur chaque composant du pont terminé. Trois types de charges contribuent à ces forces. La charge morte correspond au poids du pont lui-même. La charge vive correspond au poids du trafic que le pont supportera. La charge environnementale fait référence à d’autres forces externes telles que le vent, l’action possible des tremblements de terre et les collisions potentielles du trafic avec les supports du pont. L’analyse est effectuée pour les forces statiques (stationnaires) de la charge morte et les forces dynamiques (mobiles) 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 élément n’entraîne pas l’effondrement immédiat de l’ensemble de la structure. Ceci est accompli en rendant les autres membres suffisamment forts 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 appuis intermédiaires de colonne en béton situés dans la rivière.

Des exemples de tailles pour de nombreux composants du pont sont inclus dans la description suivante pour faciliter la visualisation. Certains ont été tirés 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, au Nouveau-Mexique, en 1993. Ce pont de 1 245 pieds de long et de 10 voies de circulation est soutenu par 88 colonnes. Il contient 11 456 verges cubes de béton dans la structure et 8 000 verges 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 à l’intérieur de l’enceinte. Une méthode de mise en place des fondations consiste à forer des puits dans le lit de la rivière, jusqu’à la roche-mère. Lorsqu’une tarière fait remonter la terre du puits, une boue argileuse est pompée dans le trou pour remplacer la terre et empêcher le puits de s’effondrer. Lorsque la profondeur appropriée est atteinte (par exemple, environ 80 pieds ou 24,4 m), une cage cylindrique d’acier d’armature (rebar) est descendue dans le puits rempli de boue (par exemple, 72 pouces 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 par le haut du puits, où elle est collectée et nettoyée afin d’être réutilisée. La partie hors sol de chaque colonne peut soit être formée et coulée en place, soit être préfabriquée et soulevée en place et fixée à la fondation.
• 2 Les culées du pont sont préparées sur la rive 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 ; c’est un mur de retenue pour le sol au-delà de l’extrémité du pont. Un rebord (siège) sur lequel reposera l’extrémité du pont est formé dans le haut du mur arrière. Des murs en aile peuvent également être nécessaires, s’étendant vers l’extérieur du mur arrière le long de la rive 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 par la mise en place d’un chapeau (une poutre en béton armé) perpendiculaire à la direction du pont, allant du sommet d’une colonne au sommet de sa partenaire. Dans d’autres conceptions, le pont pourrait reposer sur différentes configurations d’appui, comme une pile rectangulaire de la largeur du pont ou une seule colonne en forme de T.

Superstructure

• 4 Une grue est utilisée pour mettre en place 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 des colonnes. Pour le pont de l’autoroute d’Albuquerque, chaque poutre mesure 1,8 m (6 pi) de haut et jusqu’à 40 m (130 pi) de long, et pèse jusqu’à 54 tonnes.
• 5 Des panneaux d’acier ou des dalles de béton préfabriqué sont posés sur les poutres pour former une plate-forme solide, complétant ainsi la superstructure du pont. Un fabricant propose par exemple un panneau ondulé de 11,43 cm (4,5 po) de profondeur en acier lourd (calibre 7 ou 9). Une autre alternative est un coffrage en acier à demeure pour le tablier en béton qui sera coulé plus tard.

Tablier

• 6 Une barrière contre l’humidité est placée sur le dessus de la plate-forme de la superstructure. De l’asphalte modifié par des polymères appliqué à chaud pourrait être utilisé, par exemple.
• 7 Une grille de barres d’acier d’armature est construite au sommet de la barrière contre l’humidité ; cette grille sera ensuite 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 haut.
• 8 Une chaussée en béton est coulée. Une épaisseur de 8 à 12 po (20,32 à 30,5 cm) de chaussée en béton est appropriée pour une autoroute. Si des coffrages de type  » stay-in-place  » ont été utilisés comme plate-forme de superstructure, le béton est coulé dans ces coffrages. Si aucun coffrage n’a été utilisé, le béton peut être appliqué à l’aide d’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 fraîche en marquant manuellement ou mécaniquement la surface avec une brosse ou un matériau rugueux comme la toile de jute. Des joints latéraux sont prévus tous les 5 m (15 pi) environ pour décourager la fissuration de la chaussée ; ils sont soit ajoutés aux coffrages avant de couler le béton, soit coupés après le durcissement d’une dalle coffrée. Un produit d’étanchéité souple est utilisé pour sceller le joint.

Contrôle de la qualité

La conception et la construction d’un pont doivent respecter les normes élaborées par plusieurs organismes, 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 de la construction. Autre exemple, sur le projet de pont d’Albuquerque, des essais 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 arbres de production.

L’avenir

De nombreuses agences gouvernementales et associations industrielles parrainent et mènent des recherches pour améliorer les matériaux et les techniques de construction. L’un des principaux objectifs est le développement de matériaux plus légers, plus résistants et plus durables, tels que le béton reformulé à haute performance, les matériaux composites polymères renforcés de fibres pour remplacer le béton pour certains composants, les revêtements époxy et les systèmes de protection électrochimique pour empêcher la corrosion des barres d’armature en acier, les fibres d’armature synthétiques alternatives et les techniques d’essai plus rapides et plus précises.

Où en savoir plus

Livres

Brown, David J. Bridges. New York : Macmillan, 1993.

Hardesty, E. R., H. W. Fischer, R. W. Christie, et B. Haber. « Bridge. » Dans l’encyclopédie McGraw-Hill de la science & technologie. New York : McGraw-Hill Book Company, 1987, pp. 49-58.

Troitsky, M.S. Planning and Design of Bridges. New York : John Wiley & Sons, Inc, 1994.

Autres

« Informations générales sur les chaussées en béton ». Association américaine des chaussées en béton. http://www.pavement.com/general/conc-info.html (24 fév. 1998).

« Pont à poutres ». Nova Online « Super Bridge ». Novembre 1997. http://www.pbs.org/wghb/nova/bridge/meetbeam.html (24 fév. 1998).

-Loretta Hall

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