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ESDEP GROUPE DE TRAVAIL 8

PLAQUES ET COQUES

Leçon 8.5.1

Conception des caissons métalliques

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OBJECTIF

Décrire les caractéristiques essentielles et les avantages des caissons. Introduire les méthodes d'analyse globale adaptées. Décrire les dispositions constructives types employées pour le raidissage, les cadres et les diaphragmes.

PREREQUIS Leçon 6.1 : Concepts d'équilibre élastique stable et instable Leçon 8.1 : Introduction au comportement et au dimensionnement des plaques Leçons 8.4.1, 8.4.2 & 8.4.3 : Comportement et dimensionnement des poutres planes

LEÇONS CONNEXES Leçon 8.5.2 : Méthodes particulières au calcul des ponts caissons métalliques

RESUME

Les avantages des caissons sont comparés à ceux des poutres en I. Le comportement de ces structures est décrit globalement et en détail. On aborde ensuite les problèmes des diaphragmes, de la conception des cadres raidisseurs, du voilement des âmes et de la torsion. On donne aussi quelques recommandations de détail concernant la fabrication.

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1. INTRODUCTION

Les caissons sont utilisés aussi bien dans les ossatures des bâtiments (figure 1) que pour les ponts (figures 2a et 2b). En général ils sont plus coûteux que les poutres en I car les caissons requièrent en effet plus d'heures de fabrication. Cependant, les caissons présentent de nombreux avantages sur les poutres en I qui rendent leur emploi intéressant :

une grande rigidité de torsion : dans les cas de franchissements très courbes l'utilisation des caissons est essentielle.

la largeur des membrures des caissons permet des élancements élevés pour franchir les gabarits imposés.

l'aspect esthétique extérieur est plus simple puisque tous les raidisseurs demeurent invisibles dans le caisson. L'aspect esthétique des caissons à âmes inclinées est en général particulièrement apprécié. Dans certains cas, le caisson métallique est la seule solution qui soit jugée préférable à une solution en béton précontraint (figures 2a).

Dans le cas des ponts, les deux principaux types de sections transversales sont :

Les caissons jumeaux appuyés sur des poteaux indépendants et reliés entre eux par des entretoises ou des pièces de pont d'une part et par une dalle de béton d'autre part. Chaque caisson est alors raidi sur la membrure comprimée (figures 3a et 3b).

un large caisson unique, pour en faciliter la fabrication, avec la membrure supérieure constituée uniquement par la dalle de béton (figure 1).

Le caisson en dalle orthotrope est fermé durant toutes les phases de construction (figure 4). En revanche, des contreventements provisoires horizontaux sont généralement boulonnés entre les âmes des caissons dont les membrures supérieures ne sont constituées uniquement que d'une dalle de béton. Ces contreventements provisoires restent en place pendant toutes les phases de construction où le hourdis n'est pas durci.

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2. PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES POUTRES CAISSONS COMPAREES AUX POUTRES EN I.

Le problème principal dans la conception d'un caisson est la stabilité de la membrure comprimée qu'il faut raidir dans les deux directions par des raidisseurs transversaux et des raidisseurs longitudinaux. Ce problème est beaucoup plus complexe que celui de l'âme d'une poutre fléchie même quand cette dernière est elle aussi raidie par des raidisseurs longitudinaux.

La théorie de la bande de traction utilisée pour la justification des âmes des poutres en I a besoin d'être corrigée pour prendre en compte la grande largeur des membrures.

Au droit des appuis, des diaphragmes spécialement proportionnés doivent être mis en place entre les âmes pour transmettre les réactions d'appui (figures 5a et 5b).

Dans le cas de caissons étroits, les raidisseurs placés au-dessus des appareils d'appui peuvent être placés en dehors du caisson pour en augmenter la stabilité (figure 6).

Dans le cas des caissons, des phénomènes particuliers doivent faire l'objet d'une attention spéciale durant la conception : la traînée des cisaillements dans les membrures très larges, les distorsions et les contraintes normales longitudinales liées au gauchissement de la section.

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3. ANALYSE GLOBALE

Selon les caractéristiques particulières de la structure, (longueur des travées, existence ou non d'une courbure en plan du tracé, etc.) différentes méthodes d'analyse peuvent être envisagées, généralement afin de rester dans le domaine élastique des matériaux :

Les théories classiques fondées sur la raideur élastique du matériau. On emploie la méthode de la grille de poutres pour l'analyse globale, la méthode de la poutre sur appuis élastiques pour l'étude par analogie du phénomène complexe de l'interaction de la torsion, de la distorsion et des contraintes normales longitudinales liées au gauchissement de la section.

Méthode des voiles plissés.

Méthode des éléments finis pour les cas les plus complexes.

Dans le cas où les membrures sont très larges, l'effet de la traînée des cisaillements qui peut être négligé pour l'analyse globale doit être pris en compte pour la vérification des contraintes, particulièrement dans le cas de petites travées. Ce dernier calcul peut être conduit en utilisant une largeur efficace dépendant du rapport entre la largeur de la membrure et la portée de la travée.

Les moments de torsion dans une poutre en caisson ont pour effet de déformer la section transversale de la poutre. Des diaphragmes intermédiaires, convenablement espacés, sont nécessaires pour éviter ces déformations.

Les contraintes normales longitudinales liées au gauchissement de la section sont en général de faible intensité. Cependant, elles ne peuvent pas être négligées.

La plupart des ponts métalliques sont calculés en utilisant la théorie linéaire du voilement (c'est par exemple le cas des méthodes fondées sur les abaques de Kloppel et Scheer). Des méthodes plus avancées sont maintenant disponibles. Elles seront utilisées dans l'avenir. Deux d'entre elles, l'approche par les diagonales tendues et l'approche orthotropique sont traitées dans des leçons particulières.

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4. CONCEPTION DU RAIDISSAGE

La conception des raidisseurs longitudinaux peut être justifiée par la théorie linéaire du voilement. Une méthode non linéaire peut également être utilisée. Les formes particulières de voilement comme le voilement local ou le voilement de torsion sont évitées en limitant le rapport b/t de la section transversale à la classe 3 ou moins. On peut aussi utiliser une théorie non linéaire du voilement.

Les raidisseurs transversaux doivent satisfaire à deux critères :

la raideur,

la section.

En plus des efforts dus aux sollicitations diverses exercées sur l'ouvrage qui transitent directement dans les raidisseurs, ces derniers doivent pouvoir reprendre une force latérale de 0,5 % à 1 % de l'effort de compression exercé sur la membrure comprimée qu'ils raidissent.

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5. VOILEMENT DES ÂMES

Dans le cas des sollicitations de flexion, le problème est le même que dans les poutres en I.

En général, l'élancement du fond de caisson est tel qu'il n'est pas possible dans le cas d'efforts de cisaillement d'ancrer une partie de la bande de traction post-critique sur la membrure. Dans de tels cas, il est possible de limiter la résistance admissible en cisaillement à celle de l'âme seule au voilement, c'est à dire Vbw.Rd (voir la leçon 8.5.2). Ceci est la valeur donnée par la théorie du champ de traction dans le cas où l'on prend :

sc = st = 0

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6. TORSION

La torsion produit un flux de cisaillements dans le périmètre de la section du caisson. Chaque panneau de l'âme ou d'une membrure, comme par exemple le fond de caisson, doit être calculé pour résister à ce flux de cisaillements. On utilise généralement dans ce but la théorie linéaire du voilement.

Comportement post-critique en torsion.

La résistance post-critique est due aux bandes diagonales de traction qui se forment aussi bien dans les panneaux d'âmes que dans les panneaux des membrures. La figure 7 montre les champs de traction 1 et 1' qui se développent dans des plans horizontaux et verticaux. En raison de la flexibilité des panneaux horizontaux, la largeur de cette bande est plus faible que dans le cas d'une poutre en I soumise à un effort tranchant. Enfin, l'équilibre d'un tronçon de caisson situé entre deux diaphragmes exige que des efforts de compression s'établissent également dans les coins de la section en caisson (voir la force 2 de la figure 7). Pour toutes ces raisons, il est conseillé de ne pas avoir recours à la réserve de résistance post-critique.

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7. DIAPHRAGMES

7.1 Fonction générale et description

Les fonctions principales des diaphragmes sont de :

préserver la forme du caisson sous l'action des efforts de distorsion.

résister à un couple extérieur appliqué en l'équilibrant par un flux de cisaillements.

limiter la longueur des raidisseurs longitudinaux des membrures soumis à la compression. Dans les cas où il n'y aurait pas de raidisseur, il s'agit de limiter les dimensions du panneau non raidi.

supporter dans certains cas directement des charges appliquées à la structure. (cas particulier des dalles orthotropes par exemple).

transmettre des efforts verticaux entre les âmes et les appareils d'appui par le moyen de flux de cisaillements et d'efforts de compression.

Les types courants de diaphragmes sont figurés aux figures 2a et 2b (diaphragme réel avec un trou d'homme) aux figures 3a et 3b (cadre simple sans contreventement) et à la figure 4 (cadre avec contreventement).

7.2 Diaphragmes intermédiaires

Pour les caissons hauts et étroits, les diaphragmes intermédiaires sont en général des cadres simples dépourvus ou non de contreventement. Une largeur efficace participante est prise en compte sur les tôles des membrures et de l'âme, pour calculer les contraintes dans le cadre. On doit apporter une attention toute particulière à la conception des angles des cadres quand ces derniers ne sont pas contreventés. Dans le plan du cadre des moments fléchissants sollicitent particulièrement les angles. Dans le cas où se trouvent des contreventements en place, des excentricités au niveau des assemblages risquent d'être inévitables et doivent être prises en compte dans les calculs. Quand le cadre intermédiaire ne supporte pas directement le trafic, il est alors le siège de contraintes beaucoup plus faibles, les effets locaux ne s'ajoutant alors pas à ceux de la distorsion.

7.3 Diaphragmes sur appuis

En plus du rôle joué par les diaphragmes intermédiaires, les diaphragmes sur appuis ont pour vocation essentielle de transformer les forces importantes appliquées par les appareils d'appui en flux de cisaillements pour l'effort tranchant ou la torsion uniforme le long des parois du caisson (figures 5a et 5b).

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Si un pont est constitué d'un simple caisson, il y a en général deux appareils d'appui sur chaque ligne d'appui. Une attention particulière doit être apportée à l'exécution sur chantier aux différences de cote entre les embases des deux appareils d'appui d'une même ligne. La grande raideur de torsion des caissons rend dans ce domaine les tolérances beaucoup plus réduites. Dans certains cas, on peut envisager si cela est nécessaire de ne disposer sur une des lignes d'appui que d'un appareil, afin de faciliter l'emplacement de la pile-poteau et tenir compte des contraintes fonctionnelles liées au trafic à maintenir sous le pont.

Pour les ouvrages importants, avec des sections de grandes dimensions et des réactions d'appui importantes, il est recommandé de compléter la justification des diaphragmes sur appuis par une analyse aux éléments finis.

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8. DETAILS

Que l'on utilise une théorie du voilement linéaire ou non linéaire pour justifier le raidissage, les dispositions constructives de détail sont pour l'essentiel les mêmes.

Recommandations d'ordre général.

Les raidisseurs longitudinaux et transversaux doivent être soudés sur les tôles à raidir. Cependant, pour des fonds de caisson qui ne seraient ni trop larges, ni sollicités transversalement par des efforts de compression, la disposition qui consiste à interrompre localement la soudure du raidisseur transversal qui est le plus haut, pour laisser passer dessous le raidisseur longitudinal est acceptable (voir la figure 11).

Pour des raisons liées à la fatigue et au retrait des soudures, il est recommandé que les raidisseurs longitudinaux soient continus. De ce fait, les raidisseurs longitudinaux doivent passer dans des ouvertures découpées dans les raidisseur transversaux qu'ils croisent. Dans ce cas, les ouvertures doivent satisfaire aux recommandations décrites à la figure 8.

Tous les changements dans les épaisseurs des tôles ou dans la section des raidisseurs longitudinaux doivent être progressifs. Une pente de 1/5 voire même de 1/6 est recommandée comme le montre la figure 9. L'extrémité d'un raidisseur longitudinal doit être effilée.

Les lunules pratiquées dans les raidisseurs, destinées à faciliter la soudure ou à permettre le contrôle sur place des soudures à pleine pénétration, doivent satisfaire aux prescriptions géométriques de la figure 10.

Lorsque deux tôles d'épaisseurs différentes sont soudées dans une zone d'effort de compression due à la flexion longitudinale d'ensemble, en alignant dans le même plan une des faces des deux tôles, un raidisseur transversal doit être soudé sur la tôle de la plus faible épaisseur comme le montre la figure 11. Sur cette figure, la longueur b désigne l'espacement des raidisseurs longitudinaux.

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9. CONCLUSION

Les caissons sont utilisés en raison de leur bonne résistance à la torsion, de leurs qualités aérodynamiques et de leur apparence esthétique séduisante.

La conception des cadres et diaphragmes transversaux, ainsi que l'analyse de la stabilité des membrures comprimées requièrent un soin très particulier.

Différents niveaux de précision peuvent être envisagés pour le calcul de l'analyse globale de la structure. Cependant le calcul qui utilise un réseau plan de poutres en grillage est suffisamment précis pour convenir dans la plus grande part des cas.

Les raidisseurs transversaux contribuent à la fois à la transmission des efforts et à la lutte contre les distorsions de la section du caisson.

Sous l'effet des charges de torsion, il n'est pas envisageable de mobiliser la réserve de résistance post-critique des âmes et des fonds ou dessus de caisson.

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10. LECTURES COMPLEMENTAIRES

1. Eurocode 3 : Règles pour les constructions en acier. ENV 1993-1-1 : Partie 1.1 Règles générales et règles pour le bâtiment (CEN ,1992).

2. P. Dubas and E. Gehri : Behaviour and Design of Steel Plated Structures. Technical Commitee 8 Group 8.3 ECCS - CECM - EKS (n°44 1986).

3. RP. Johnson and RJ. Buckby : Composite structures of steel and concrete. Volume 2 : Bridges. COLLINS (1986 London).

4. British Standard 5400 : Part 3 : Steel, concrete and composite bridges. Part 3 : Code of practice for design of steel bridges. BS Institution (1982).

5. Horne, M.R., CIRIA Guide 3, Structural action in steel box girders, Construction Industry Research and Information Association, London, 1977

6. CF. Kollbrunner et K. Basler : TORSION SPES / BORDAS (1955 Lausanne / Paris).

7. Stahlbau Handbuch : Stahlbau Handbuch für Studium und Praxis. Band 1. STAHLBAU VERLAG (1982 Köln).

8. DC. Dalton and B. Richmond : Twisting of thin walled box girders. Proceedings of the institution of civil engineers. (January 1968).

9. Iles, D.C., Design Guide for Composite Box Girder Bridges, The Steel Construction Institute, Ascot, 1994.