L’évaluation de la résistance résiduelle d’une structure existante Ouvrages métalliques , état des pratiques RATP

J-F Douroux

2

Sommaire

• Présentation du patrimoine

• L’évaluation structurale : 6 questions

• Exemples de structures métalliques et enjeux :

– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7

– pont RER B de Reillle 1868

– Viaduc d’Austerlitz ligne 5

Présentation du patrimoine

3

Histoire du patrimoine RATP

Premières lignes de banlieue (Sceaux, St Germain, Bastille, Les Moulineaux)

Réseau Métro

Construction du RER et poursuite du développement du métro en banlieue

Métro automatique et tramway

1837 – 1890

1900 – 1940

1960 – 1980

1995 – maintenant

History of materials

Pont de Reille 1868

Viaduc Austerlitz 1904

Renforcement Viaduc Aust. 1936 -1938

Matériaux

Assemblages

5

Sur document P. Persy

6

Sommaire

• Présentation du patrimoine

• L’évaluation structurale : 6 questions

• Exemples de structures métalliques et enjeux :

– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7

– pont RER B de Reillle 1868

– Viaduc d’Austerlitz ligne 5

7

Evaluation de la résistance d’un ouvrage existant

Les motifs :

1 – Modification des charges ou changement de destination

2 – Pathologie importante sur l’ouvrage ou projet de réparation ou grosse opération d’entretien

3 – Modification de l’ouvrage

8

Evaluation des ouvrages existants

1 – Recherche approfondie de tous les documents existants, analyse

et contrôle des dimensions et pertes de section

Décision ou non d’évaluation de la résistance

2 – Calcul avec le règlement de l’époque et la circulaire de 1930 (pour prise en compte du coefficient dynamique notamment)

3 – Calcul avec un règlement moderne (Fascicule 61 t V, Eurocode) pour comparaison

Première analyse et décision de poursuite ou non des investigations

4 – Parfois prélèvement d’échantillons (soudabilité, résistance)

5 - Instrumentation éventuelle

Deuxième analyse et décision

9

Evaluation des ouvrages existants

Ouvrage réel

modèle

Règles / règlements

Evaluation des ouvrages existants La question des règles/règlements

Evolution des contraintes admissibles

11

Réévaluation des ouvrages existants La question des règles/règlements

La circulaire du 7 aout

1930 définit des règles

pour l’évaluation des

structures existantes, en

tenant compte du

coefficient dynamique

introduit dans le

règlement de 1927

Pour les ouvrages ferroviaires

12

Évolution des

charges de

routières sur les

ouvrages

Moments en tonne

mètre pour une

poutre de 10 m et une

poutre de 50 m (une

voie chargée)

10 m

50 m

Evaluation des ouvrages existants La question des charges

13

Evolution des charges

Evolution des charges

ferroviaires sur les

ouvrages

Moments en tonne.mètre

pour une poutre de 10 m

et de 50 m (une voie

chargée)

10 m

50 m

14

Charges – Trains type du métro

Evolution des

convois types

pour le métro

entre 1900 et

1932

15

Réévaluation des ouvrages existants La question du modèle de calcul

16

Evaluation des ouvrages existants La question du modèle de calcul

1927

Le calcul des treillis

17

Evaluation des ouvrages existants La question du modèle de calcul

Bertrand de Fonviolant démontre

qu’en fonction de l’élancement

de l’élément (compris comme le

ratio de sa largeur à sa longueur)

les « fatigues » dites secondaires

peuvent être très importantes et

devenir du même ordre de

grandeur que les fatigues dites

primaires

Note de calcul de

2015 où le choix a

été fait de garder

une articulation des

diagonales et des

montants des

poutres treillis

19

Evaluation des ouvrages existants La question des matériaux

Caractéristiques

spécifiées pour les

ponts rails dans le

règlement de 1891

20

Evaluation des ouvrages existants La question des matériaux

Evaluation des ouvrages existants La question des matériaux

Les matériaux utilisés pour la construction du métro (Biette – 1928)

22

Evaluation des ouvrages existants La question de la ductilité

23

Evaluation des ouvrages existants La question de la ductilité

Les expériences menées

mirent en évidence une

large capacité de

déformation plastique

pour la section à

assemblage mixte

rivetée-soudé

24

Réévaluation des ouvrages existants La question de la fatigue

700 trains par jour

20 essieux par train

110 ans d’exploitation à 365 j/a

> 5 108 cycles Quand on veut tuer son chien on

dit qu’il a la rage

Quand on veut remplacer son pont on dit qu’il est fatigué ? !

Avis personnel :

Nous considérons le calcul à la fatigue comme un indicateur utile, notamment pour orienter la surveillance

25

Sommaire

• Présentation du patrimoine

• L’évaluation structurale : 6 questions

• Exemples de structures métalliques et enjeux :

– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7

– pont RER B de Reillle 1868

– Viaduc d’Austerlitz ligne 5

Les ouvrages métalliques de la RATP

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Ouvrage aérien RER B Passage Inférieur de la rue de l’abbaye

♦ Ponts métalliques

PI de l’Abbaye

RER B

Inter La Hacquiniere - Gif

1889 Ouverture 7.50 m Poutres âme pleine

sous rail Pose directe Hauteur sous poutre

4,30 m

27

État de l’ouvrage

• Ouvrage vieillissant, corrosion de la métallerie.

• Blocage et battement d’appareils d’appui

• Absence de dispositifs d’évacuation des EP

•Ouvrage non vérifié avec les convois de référence

du livret 2.01

• Flèche importante lors du passage des trains

Sensible au CHOC CAMION

•Semelle inférieure abîmée, Têtes de rivets

arrachées

•Appui poutre de rive cassé

•Déplacement des voies en pose directe (Arrêt

trafic)

28

Remplacement du PI de l’Abbaye

29

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• L’évaluation structurale : 6 questions

• Exemples de structures métalliques et enjeux :

– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7

– pont RER B de Reillle 1868

– Viaduc d’Austerlitz ligne 5

? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? ! ? !

L07 – Franchissement du Collecteur de Clichy Plan de situation

Ligne 7

Collecteur de Clichy

30

Vue en plan de l’ouvrage - 1910

31

Ligne 7 du métro

Collecteur de

Clichy

Longueur des poutres : ~ 11,5 m

Coupe transversale de l’ouvrage ouvrage métallique à poutres jumelles

32

Vue depuis le collecteur

33

Recalcul de l’ouvrage

Type de convoi

envisagé

Charge à

l’essieu (T)

Espaceme

nt entre

bogies (m)

Contrainte

avec section

d’origine

(kg/mm2)

Contrainte avec

section

amoindrie

(kg/mm2)

Limite

élastique

Convoi type 1932 (convoi règlementaire utilisé

pour les vérifications des

ouvrages du métro)

15 2,25 24,13 sans objet 24

Rame MF77 avec coefficient

dynamique En exploitation sur la L7

11,3 2,20 20,23 24,10 24

Train travaux avec coefficient

dynamique

15 1,80 28,96 35,38 24

Train travaux sans coefficient

dynamique

15 1,80 25,11 29,11 24

Premier calcul à chaud en isostatique (poutre isolée) :

34

Calcul de l’ouvrage en tenant compte du biais

35

Vue en plan du modèle de calcul

Remplacement de l’ouvrage ?

Le calcul avec une perte de section de 4 mm pour chaque poutre ne prend pas en compte un certain nombre d’éléments :

ouvrage biais (donc hyperstatique)

portée réduite du fait du béton dans la zone d’appui

Nouveau modèle

Instrumentation de l’ouvrage

36

5,7 MPa

Instrumentation de l’ouvrage

Mesure des déformations sous passage des trains de travaux

37

Analyse historique

Procès verbal des épreuves Flèches mesurées et calculées

1910

38

L07/collecteur de Clichy - Etude de l’ouvrage

Conclusion : - Le remplacement de l’ouvrage nécessite la fermeture de la

ligne 7 pendant 3 ou 4 semaines - Les conditions de remplacement de l’ouvrage sont

complexes vis-à-vis de l’exploitation du collecteur - Les déformations mesurées sont très nettement inférieures

à celles calculées, et le niveau de contrainte très faible

Il a été décidé de procéder à une remise en l’état de l’ouvrage

39

40

Sommaire

• Présentation du patrimoine

• L’évaluation structurale : 6 questions

• Exemples de structures métalliques et enjeux :

– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7

– pont RER B de Reillle 1868

– Viaduc d’Austerlitz ligne 5

Pont sur l’avenue de Reille - 1868

Ligne de Sceau - Actuellement

RER B

Pont sur l’avenue de Reille - 1868

Ligne de Sceau - Actuellement RER B

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Sommaire

• Présentation du patrimoine

• L’évaluation structurale : 6 questions

• Exemples de structures métalliques et enjeux :

– PI de l’abbaye RER B – Gif Sur Yvette – passage du collecteur de Clichy par la ligne 7

– pont RER B de Reillle 1868

– Viaduc d’Austerlitz ligne 5

52

Inter station Gare d’Austerlitz – Quai de la Rapée

Travée de 140 m d’ouverture (Acier doux)

Pose directe

Pont en arc parabolique avec triple articulation

Renforcement de l’ouvrage en 1936-38

Viaduc d’Austerlitz – Ligne 5 (1904)

53

Viaduc d’Austerlitz : construction

Renforcement du viaduc par soudure (~ 1936)

Renforcement du viaduc par soudure (~ 1936)

Rajout de 275 t de métal (plus du tiers de la masse d’origine)

Viaduc d’Austerlitz : désordres

Fissures de 1916 dans le gousset

Tôle de gousset (bleue)

57

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

8

ROBOT – Eléments finis Modèles Barres, 3D

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

10

Plans de 1932 Modélisation ROBOT, 3D, plaques Calculs statiques

BLACHET Diane

MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

9

-5E-05

-4E-05

-3E-05

-2E-05

-0,00001

-1E-20

0,00001

0,00002

3E-05

4E-05

5E-05

Dé

form

atio

n

Position du convoi

-0,00004

-0,00003

-0,00002

-0,00001

0

0,00001

0,00002

0,00003

0,00004

0,00005

Dé

form

atio

n

Position du convoi

INSTRUMENTATION OSMOS ROBOT

(MF67 50% voyageurs voie 2 puis voie 1)

Déformations dans la suspente 9' amont, au passage d'un MF67

voie 2 puis voie 1

VOIE 2 VOIE 1

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67

Voie 1 (opposée à la suspente)

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67

460 MPa 830 MPa

Traction Compression

Plastification rivet

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

SUPPRESSION RIVET DEFECTUEUX : report des efforts

850 MPa

MODELISATION LOCALE - RESULTATS – CONVOI MF67

Renforcements

65

RENFORCEMENTS ET FISSURES

Renforcements supérieurs réalisés en 1936-1938

Suspentes avec fissure

66

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

MODELISATION LOCALE : SOLUTION RENFORCEMENT

2011 – Modélisation des éléments pathogènes du viaduc d’Austerlitz

Métro ligne 5 à la traversée de la Seine entre Gare d’Austerlitz et Quai de la Rapée BLACHET Diane

MODELISATION LOCALE : RESULTATS – SOLUTION

RENFORCEMENT

20 Mpa < s < 30 MPa

18 Mpa < s < 23 MPa

Suspente sans renforcement Suspente avec renforcement

50 Mpa < s < 150 MPa

30 Mpa < s < 65 MPa

Viaduc d’Austerlitz : réparation

Conclusion : • Rester modeste face aux structures existantes • Importance du dossier d’ouvrages et des données sur l’ouvrage • Regarder les conditions réelles de fonctionnement (charges, conditions

d’appuis, • Ne pas se brider sur les possibilités de justification (y compris

l’instrumentation) • La réévaluation d’une structure doit être globale, or la superstructure est

souvent la partie la plus simple à justifier, surtout en comparaison des fondations et culées notamment

• La surveillance est un élément primordial pour la pérennité des structures et leur sécurité

Point de vu personnel : • Le calcul règlementaire est pas nature un calcul conventionnel :

le fonctionnement des structures ne l’est pas

70

L’évaluation de la résistance résiduelle d’une structure existante

Pour méditer :

H. Clément - Les ouvrages du Métropolitain - 1945