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  PROJET DE CONSTRUCTION D’UN PONT D’UNE DURÉE DE SERVICE ANTICIPÉE DE 150 ANS Sylvain Goulet, ing. Direction des structures Service de la conception RÉSUMÉ Au cours de l’été 2004, un pont innovant a été construit sur l’autoroute 20 au-dessus de la rivière Henri dans la municipalité de Val-Alain. L’objectif initialement établi pour ce projet, en termes de durabilité du pont, était d’obtenir une durée de service de 150 ans avec possibilité de remplacement de la dalle une fois dans la vie du pont. Pour ce faire, des concepts et des matériaux développés au cours des dernières années et appliqués à plus ou moins grande échelle au Québec ou ailleurs en Amérique du Nord ont été utilisés. Ce pont peut être considéré comme le prototype des ponts qui seront construits dans un futur rapproché par le ministère des Transports du Québec. Les principales caractéristiques incorporées au moment de la conception de ce pont, au niveau des matériaux et du concept structural utilisés, sont les suivantes :   poutres en acier à haute performanc e (ASTM A709 grade HPS 485W);  dalle et glissières en béton haute performance armé à l’aide d’armatures en polymère renforcé de fibres de verre (matériaux composites);  culées (semi-intégrales avec le tablier) en béton haute performance renforcé à l’aide d’armatures en acier galvanisé. Cet article présentera plus en détails les différentes hypothèses de conception et les caractéristiques techniques (matériaux, détails, coûts estimés, etc.) incorporées au niveau du concept du pont qui nous le croyons pourraient  permettre de répondre à l’objectif audacieux de ce projet soit une durée de service de 150 ans. De même, on y traitera de la construction du pont de Val-Alain.

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  • PROJET DE CONSTRUCTION DUN PONT DUNE DURE DE SERVICE ANTICIPE DE 150 ANS

    Sylvain Goulet, ing.

    Direction des structures Service de la conception

    RSUM Au cours de lt 2004, un pont innovant a t construit sur lautoroute 20 au-dessus de la rivire Henri dans la municipalit de Val-Alain. Lobjectif initialement tabli pour ce projet, en termes de durabilit du pont, tait dobtenir une dure de service de 150 ans avec possibilit de remplacement de la dalle une fois dans la vie du pont. Pour ce faire, des concepts et des matriaux dvelopps au cours des dernires annes et appliqus plus ou moins grande chelle au Qubec ou ailleurs en Amrique du Nord ont t utiliss. Ce pont peut tre considr comme le prototype des ponts qui seront construits dans un futur rapproch par le ministre des Transports du Qubec. Les principales caractristiques incorpores au moment de la conception de ce pont, au niveau des matriaux et du concept structural utiliss, sont les suivantes :

    poutres en acier haute performance (ASTM A709 grade HPS 485W);

    dalle et glissires en bton haute performance arm laide darmatures en polymre renforc de fibres de

    verre (matriaux composites); cules (semi-intgrales avec le tablier) en bton haute performance renforc laide darmatures en acier

    galvanis. Cet article prsentera plus en dtails les diffrentes hypothses de conception et les caractristiques techniques (matriaux, dtails, cots estims, etc.) incorpores au niveau du concept du pont qui nous le croyons pourraient permettre de rpondre lobjectif audacieux de ce projet soit une dure de service de 150 ans. De mme, on y traitera de la construction du pont de Val-Alain.

  • INTRODUCTION En Amrique du Nord et plus particulirement au Qubec, lutilisation de sels de dglaage pour lentretien dhiver des routes est la principale cause de la corrosion affectant les ouvrages dart. Le ministre des Transports du Qubec est constamment la recherche de techniques permettant de retarder ou dliminer la corrosion, qui attaque autant les aciers darmature prsents dans le bton arm (ce qui conduit la fissuration et lclatement du bton) que lacier de structure, et ce, en vue de prolonger la dure de service des structures et de diminuer les cots de rparation et dentretien sans cesse croissants. Pour ce faire, plusieurs techniques sont utilises lheure actuelle (bton haute performance, acier galvanis, membranes dtanchit, recouvrement suffisant des armatures, etc.) de faon standard par le Ministre. Toutefois, leur efficacit semble limite surtout dans le cas des tabliers de pont qui sont exposs un environnement particulirement agressif. Nous devons donc trouver des solutions encore plus efficaces, entre autres pour liminer le problme de corrosion des aciers darmature dans les tabliers de pont. Les caractristiques du pont dont il est question dans cet article ont t dtermines en vue dobtenir une durabilit optimale. Lobjectif audacieux de ce projet est de construire un pont qui ncessitera un minimum dentretien et de rparation pour une dure de service anticipe de 150 ans. Les principaux travaux prvus lintrieur de cette priode sont la rparation des cules ainsi que la dmolition et la reconstruction de la dalle aprs 75 ans dexistence. DESCRIPTION DU PONT Le pont retenu pour ce projet par le ministre des Transports du Qubec se situe sur lautoroute 20, au-dessus de la rivire Henri, Val-Alain (Qubec). Il remplace un pont de type bquille en bton arm plusieurs traves construit en 1963. La construction du nouveau pont a eu lieu au cours de lt 2004. Il sagit dun pont biais (20) comprenant une seule trave (voir fig. 1 et 2) qui devait tre constitue dun systme 4 poutres en acier haute performance (acier conforme la norme ASTM A709 HPS 485W) composites avec la dalle en bton arm de 225 mm dpaisseur. Des problmes dapprovisionnement pour ce type dacier nous ont toutefois obligs construire les poutres laide dacier conventionnel (350AT). Un autre projet doit tre slectionn pour construction future avec utilisation de lacier HPS. Les contreventements et les raidisseurs sont fabriqus laide dacier conventionnel (350AT). Lespacement entre les poutres est de 3145 mm et la longueur des porte--faux est de 1570 mm de chaque ct du tablier. La dalle et les glissires sont construites laide de bton haute performance renforc entirement darmatures en matriaux composites. Les 2 cules sont de type semi-intgral (avec le tablier) et construites laide de bton haute performance renforc darmatures en acier galvanis. La porte du pont est de 47,5 mtres et sa largeur de 12,57 mtres.

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  • ACIER HAUTE PERFORMANCE Dveloppement Les diffrents types dacier existant sur le march possdent tous une certaine combinaison de proprits chimiques et mcaniques qui dtermine quel point un acier particulier pourra bien remplir les fonctions escomptes pour une application donne. La rsistance, la soudabilit, la rsilience, les proprits anticorrosion et la ductilit sont toutes des caractristiques importantes pour dterminer quel point un acier est performant. Dans le cas qui nous intresse, un acier haute performance peut tre dfini comme possdant un ensemble de caractristiques lui permettant dobtenir des performances optimales, ou tout le moins amliores par rapport aux aciers conventionnels, tout en demeurant conomiquement rentable pour la construction de ponts en acier. Lacier haute performance (HPS) a t dvelopp partir du dbut des annes 19901, lintrieur dun programme de recherche coopratif, lanc par trois organismes amricains : la Federal Highway Administration (FHWA), la U.S. Navy et lAmerican Iron and Steel Institute (AISI). Le but vis par ce programme de recherche tait de dvelopper des aciers possdant des limites lastiques minimales de 345, 485 et 690 MPa (Fy) de mme quune soudabilit amliore par rapport aux aciers conventionnels utiliss habituellement pour la construction des ponts. Les rsultats obtenus de ce programme de recherche ont permis, depuis 1997 et jusqu maintenant aux tats-Unis, la construction denviron 150 ponts laide dacier haute performance. Pour linstant, lacier haute performance nest disponible que sur le march amricain. En plus de la rsistance et de la soudabilit, la rsilience basse temprature (tnacit) et les proprits anticorrosion ont t amliores de manire importante par rapport aux aciers conventionnels. De plus, la ductilit des aciers haute performance est comparable celle des aciers conventionnels. Lamlioration des proprits1 2 3 des aciers haute performance (voir tab. 1) est entre autres rendue possible par la diminution du pourcentage de carbone et dquivalent carbone (augmentation de la soudabilit), par la diminution du pourcentage de souffre (augmentation de la rsilience), par la diminution de certains autres lments dalliage ainsi que par des procds de fabrication utilisant des traitements thermiques de lacier (augmentation de la rsistance).

    1. A. D. WILSON, Current Status of High Performance Steel Program , ISG Plate, August 1, 2003. Disponible sur le site Internet de lAISC ladresse suivante : http:www.steel.org/infrastructure/bridges 2. V. C. MISTRY, High Performance Steel for Highway Bridges , FHWA, Proceedings : 2002 FHWA Steel Bridge Conference for the Western United States. 3. High Performance Steel Designers Guide, Second Edition, April 2002, U.S Department of Transportation, FHWA. Disponible sur le site Internet de lAISC ladresse suivante : http:www.steel.org/infrastructure/bridges

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  • Des pratiques recommandes de soudure et des produits dapport ont pu tre dvelopps pour utilisation avec ce nouveau type dacier. Un guide intitul Guide Specification for Highway Bridge Fabrication with HPS 70W (HPS 485W) Steel 2nd Edition, June 20034 a t produit par lAASHTO ce sujet. Ce guide contient les recommandations les plus rcentes concernant la fabrication et le soudage de structures fabriques laide dacier ASTM A 709 HPS 485W. Par le biais de ce projet, qui tait notre connaissance le premier au Canada dans lequel lacier haute performance devait tre utilis, la Direction des structures du ministre des Transports du Qubec dsirait sassurer de la capacit des fabricants qubcois obtenir des rsultats de qualit avec lutilisation de ce nouveau type de matriau et ainsi valider les pratiques recommandes et les expriences vcues par nos voisins amricains chez qui lacier haute performance a t dvelopp. Toutefois, cet objectif devra tre poursuivi lintrieur dun autre projet. Avantages au point de vue de la durabilit En ce qui a trait la durabilit, les principales caractristiques qui nous intressent sont les amliorations importantes des proprits anticorrosion, de la rsilience basse temprature et de la soudabilit. En effet, un des objectifs de ce projet tait de pouvoir conserver les poutres en service pour une dure de 150 ans. De toute vidence, les proprits anticorrosion de cet acier sont un facteur important qui nous aidera atteindre cet objectif pour le moins audacieux. Cette caractristique est mesure laide de la norme ASTM G101 Estimating the Atmospheric Corrosion Resistance of Low-Alloy Steels3 . Sur une chelle de 10, lindice minimal de rsistance la corrosion de lacier HPS 485W est de 6,5 comparativement un indice minimal de 6 pour les aciers 345W (350AT) ou 485W conventionnels. Des essais de corrosion atmosphrique long terme sont prsentement en cours aux tats-Unis pour permettre de valider cette projection3. La seconde proprit mentionne prcdemment, soit la rsilience basse temprature, est beaucoup plus leve3 5 dans le cas dun acier HPS (voir fig. 3), et elle se traduit aussi par une tolrance la fissuration plus importante. Cette proprit nous permettra de bnficier dun laps de temps beaucoup plus long pour dtecter et rparer des fissures de fatigue (qui pourraient se produire trs long terme) bien avant que le pont ne prsente un danger pour les usagers.

    4. Guide Specification for Highway Bridge Fabrication with HPS 70W (HPS 485W) Steel, 2nd edition, June 2003. Disponible sur le site Internet de lAISC ladresse suivante : http:www.steel.org/infrastructure/bridges 5. J. W. FISHER et W. J. WRIGHT, High Toughness of HPS : Can It Help You in Fatigue Design , Proceedings Steel Bridge Design and Construction for the New Millenium with Emphasis on High Performance Steel, p. 4458.

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  • Bien que les tudes effectues jusqu ce jour naient pas permis de dmontrer une augmentation de la rsistance la fatigue de lacier HPS par rapport aux aciers conventionnels5, on peut toutefois esprer que la soudabilit amliore de celui-ci (diminution du prchauffage [voir tab. 2], diminution de la susceptibilit la fissuration froid du mtal de base) permettra dobtenir des soudures contenant moins de dfauts sujets diminuer la rsistance des poutres la fatigue. Pour linstant, on doit dimensionner les poutres fabriques laide dacier HPS en appliquant les limites dcart de contrainte, pour les diverses catgories de dtail de fatigue, telles que prescrites dans les normes actuelles. Il est noter que diffrentes universits canadiennes sont impliques dans la recherche ce propos. Ces recherches serviront valuer la performance en termes de fatigue et permettront ainsi lavance des connaissances ce sujet. tant donn que les poutres nont pu tre construites laide dacier HPS, notre objectif en termes de dure de service sera vraisemblablement hypothqu car nous ne pourrons bnficier des amliorations au niveau des caractristiques mentionnes prcdemment. Toutefois, comme nous le verrons dans la suite de cet article, le pont de Val-Alain possde beaucoup dautres caractristiques qui lui permettront dobtenir une durabilit suprieure aux ponts tel quon les conoit actuellement au Qubec. Dimensionnement En gnral, pour des ponts de porte plus courte que 65 m, le critre qui gouverne le dimensionnement des poutres est plus souvent quautrement ltat limite de fatigue. En fait, pour des traves dans cet ordre de longueur, on ne peut bnficier du gain de rsistance de lacier (485 MPa vs 350 MPa) et ainsi diminuer la section transversale de la poutre pour obtenir une conomie de matriaux. Pour lavenir, une utilisation plus efficace de lacier haute performance passerait par une amlioration du point de vue fatigue des dtails dassemblage soud et par une meilleure caractrisation du phnomne de fatigue pour ce type dacier. Cela pourrait peut-tre permettre daugmenter les carts de contrainte permis prsentement. Les vrifications ayant trait aux tats limites ultimes et de services ont t effectues en considrant lutilisation dacier conforme la norme CAN/CSA-G40.21M, nuance 350AT (Fy = 350 MPa). Le ministre des Transports se mnageait ainsi la possibilit de substituer de lacier conventionnel lacier HPS durant les travaux pour palier des problmes dapprovisionnement possibles sur le march amricain et ainsi ne pas gner la mise en uvre du projet. Pour plus dinformation concernant la conception des poutres fabriques laide dacier haute performance voir les rfrences suivantes : 3, 6 et 7.

    6. ATOROD AZIZINAMINI, Ph. D., P.E., High Performance Steel : Research Front An Historical Account of Research Activities , TRB 2002 Annual Meeting CD-Rom, Original paper submittal Not revised by author. 7. A. J. YAKEL, P. MANS, A. AZIZINAMINI, Flexural Capacity and Ductility of HPS 70W Bridge Girders et M. G. BARKER, A. M. HURST, O. W. WHITE, Tension Field Action in Hydrid Steel Girders . AISC Engineering Journal First quarter 2002 Vol. 39, No. 1

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  • ARMATURES EN MATRIAUX COMPOSITES Gnralits Depuis la fin des annes 1990, la Direction des structures du ministre des Transports du Qubec sintresse lutilisation des armatures en matriaux composites lintrieur des tabliers de pont. Cet intrt sest traduit depuis par lamorce de plusieurs projets de recherche, mens en collaboration avec lUniversit de Sherbrooke, portant entre autres sur lutilisation de ce type de matriau lintrieur des dalles8 et des glissires de pont9 10. De plus, plusieurs applications titre exprimental sur pont rel ont t effectues : pont Joffre dans la municipalit de Sherbrooke, pont Wotton dans la municipalit de Wotton, pont sur lautoroute 55 Nord Magog, pont sur la route 108 Cookshire (voir fig. 4) et pont de Val-Alain, le dernier en liste. Les matriaux composites possdent un avantage trs intressant sur lacier : leur grande immunit contre la corrosion. En contrepartie, leur cot est en gnral plus important en particulier pour les armatures en polymre renforc de fibres de carbone (PRFC). Pour cette raison, le Ministre favorise lutilisation des armatures en polymre renforc de fibres de verre (PRFV). Contrairement lacier, les matriaux composites demeurent dans le domaine lastique jusqu la rupture qui se veut soudaine (aucun plateau plastique). Thoriquement, on ne peut compter sur une plastification du matriau qui permettrait de trs larges dformations, et de ce fait donnerait un avertissement avant la rupture de la pice. De plus, la durabilit des armatures en PRFV est affecte15 par la prsence deau, par lalcalinit du bton et par lintensit des contraintes engendres par les charges constantes. Une mthode scuritaire de dimensionnement applicable aux matriaux composites doit tenir compte de ces limitations. Bien quau cours des dernires annes, des amliorations majeures aient t apportes aux armatures en PRFV, et que toutes les prcautions ncessaires aient t prises lors de la conception, il nen demeure pas moins que lutilisation des matriaux composites dans les ouvrages dart reste trs rcente. Pour le moment, la Direction des structures prfre nutiliser ces matriaux qu lintrieur dlments relativement peu sollicits structuralement sous charge constante, soit la dalle et les glissires de pont.

    8. G. DESGAGN et B. BENMOKRANE, Construction dun pont routier alliant des matriaux composites avancs et un systme de tlsurveillance distance , Innovation Transport, no 16, avril 2003, p. 15-19. http://www.mtq.gouv.qc.ca/cqttt 9. G. DESGAGN et B. BENMOKRANE, Conception des glissires de bton renforces avec de larmature en matriaux composites , Innovation Transport, no 11, octobre 2001, p. 36. 10. E. EL-SALAKAWY, B. BENMOKRANE, R. MASMOUDI, F. BRIRE et . BEAUMIER, Concrete Bridge Barriers Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer Composite Bars , ACI Structural Journal, Vol. 100, No. 6, Nov. Dec. 2003, p. 815824.

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  • Critres de dimensionnement pour la dalle Les matriaux composites font maintenant lobjet dun chapitre (chapitre 16) dans le Code canadien pour le calcul des ponts routiers (CAN/CSA S6-00)11. Ce chapitre, bien quincomplet au sujet des quations de calculs, contient toutefois linformation minimale ncessaire la conception dune dalle renforce laide de matriaux composites (coefficient de tenue des matriaux, critre de ductilit, recouvrement minimal de bton). Ces informations ont t compltes laide de diverses sources12 13 14 15 qui nous ont permis de dterminer une mthode de calcul qui, nous le croyons, se veut scuritaire aux tats limites ultimes et qui devrait nous permettre dobtenir de bons rsultats quant aux tats limites de service et la durabilit long terme. Les principaux critres de dimensionnement sont les suivants : Analyse laide dune mthode lastique pour lobtention des efforts de flexion engendrs

    dans la dalle. Rapport darmature suffisant pour sassurer quil ny aura pas de rupture possible dans

    larmature avant que la rupture ne se produise par crasement du bton lultime. Il faut vrifier par la suite que la pice possde une rserve de rsistance suffisante par rapport aux efforts pondrs.

    Respect du critre de ductilit retrouv dans la norme S6-00. Ouverture des fissures limite 0,5 mm (comparativement 0,3 mm pour des armatures

    dacier). Limitation des contraintes dans les armatures ltat limite dutilisation (LUT 1 de S6-00)

    et sous charges constantes.

    11. Code canadien pour le calcul des ponts routiers, CAN/CSA S6-00, Norme nationale du Canada, CSA International. 12. Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars, ACI 440.1R-03, American Concrete Institute. 13. Reinforcing Concrete Structures with Fibre Reinforced Polymers, Design Manual No. 3, Sept. 2001, ISIS Canada. www.isiscanada.com 14. J. R. YOST et S. P. GROSS, Flexural Design Methodology for Concrete Beams Reinforced with Fiber Reinforced Polymers , ACI Structural Journal, Vol. 99, No. 3, May-June 2002, p. 308316. 15. R. MASMOUDI, G. NKURUNZIZA, B. BENMOKRANE et P. COUSIN, Durability of Glass FRP Composite Bars for Concrete Structure Reinforcement under Tensile, Sustained Load in Wet and Alkaline Environments , Congrs annuel de la Socit canadienne de gnie civil, juin 2003.

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  • Il faut toutefois mentionner quen gnral, pour le cas dune dalle de tablier, le critre reli la fissuration gouverne le dimensionnement. Les autres tats limites ultimes et de services tant respects dune manire presque intrinsque. Glissires Ds 1998, la Direction des structures amorait la rvision de la conception des glissires de pont pour satisfaire aux exigences de la nouvelle norme S6-00 Code canadien sur le calcul des ponts routiers . Paralllement cette rvision, un projet de recherche portant sur lutilisation darmatures en matriaux composites pour la construction des nouvelles glissires9 10 a t entrepris en collaboration avec lUniversit de Sherbrooke. Le but de cette recherche tait de dmontrer que le comportement de glissires en bton arm laide de matriaux composites tait au moins quivalent celui de glissires en bton arm laide dacier darmature conventionnel conues selon les exigences de la nouvelle norme S6-00. Cette recherche devait aussi permettre de valider une nouvelle connexion, constitue darmature en matriaux composites, entre la glissire et la dalle de bton dun tablier de pont. Le projet consistait en deux points : 1) Essais de chargement statique en laboratoire jusqu la rupture pour vrifier diffrents

    dimensionnements de glissires en matriaux composites. 2) Essais dimpact lextrieur pour comparer le comportement des glissires renforces de

    matriaux composites celui de celles renforces dacier. De faon gnrale, les rsultats de la comparaison du comportement des deux types de glissires au moment de limpact ont permis de conclure que celles-ci ont des performances trs similaires quant la fissuration, labsorption dnergie et la rsistance ultime. Le pont de Val-Alain constitue la premire utilisation concrte en chantier des glissires renforces laide de matriaux composites dveloppes lintrieur de ce projet de recherche. Instrumentation Lutilisation dinstruments de mesure (capteurs fibre optique et autres) qui seront installs par lUniversit de Sherbrooke au niveau des armatures et de la dalle de bton et relis un systme dacquisition de donnes fix mme le pont nous permettra de vrifier par tlsurveillance le comportement du pont sous sollicitation (dformation) sans nous dplacer sur le terrain. Ce moyen de contrle, utilis conjointement avec la possibilit de prlever des chantillons darmatures sur la structure, nous permettra entre autres de mieux nous assurer de ltat des armatures long terme (durabilit) et ainsi de prendre une dcision plus claire quant lutilisation grande chelle de ce matriau novateur.

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  • Proprits et configuration des armatures en matriaux composites Pour ce projet, larmature en matriaux composites (PRFV) a t utilise pour toutes les nappes darmatures dans la dalle et les glissires. La figure 5 donne en dtail les diamtres, lespacement et le recouvrement des armatures pour ce projet. De plus, le tableau 3 prsente les diverses proprits des armatures utilises. CULES SEMI-INTGRALES Les ponts semi-intgraux16 17 18 sont des ponts trave simple ou multiple fondation rigide pour lesquels la dalle de bton du tablier est rendue continue avec la dalle dapproche. Les joints de dilatation sont limins aux extrmits du tablier; toutefois, celui-ci est pratiquement indpendant des cules, do lappellation semi-intgral . Des appareils dappui conventionnels sont utiliss pour permettre le mouvement horizontal relatif dans laxe du pont entre le tablier et les cules. Pour le cas dun pont en biais, les appuis doivent permettre la retenue transversale des poutres pour contrler leffet de la rotation induite dans le tablier par la pousse du sol chaque extrmit de celui-ci. Ce type de pont est de plus en plus utilis en Amrique du Nord o plusieurs tats amricains et la province de lOntario ont dvelopp des critres de conception et certains dtails typiques. Le principal avantage dune cule semi-intgrale par rapport une cule conventionnelle rside dans llimination des joints de dilatation au niveau du tablier. Toutefois, on doit quand mme prvoir des joints permettant les mouvements relatifs et assurant ltanchit entre le tablier et la cule (incluant les murs en retour), ainsi qu lextrmit des dalles dapproche (voir fig. 5, 6 et 7). Malgr que le nombre de joints soit plus important, ce concept rduit la vulnrabilit du pont aux bris possibles ou au manque dentretien des joints conventionnels. Dans lventualit o les joints dun pont cules semi-intgrales seraient endommags, les consquences de leur mauvais fonctionnement demeureraient beaucoup moins nfastes que celles relies au mauvais fonctionnement dun joint conventionnel. On na qu penser aux cots relis lendommagement des units de fondation, des appareils dappuis et de lextrmit des poutres localises sous un joint conventionnel dont ltanchit est dficiente. De plus, les cots dentretien relis ces types de joints sont beaucoup moins importants que ceux relatifs un joint conventionnel.

    16. Semi-Integral Abutment Bridges, Report BO-99-03, Ministry of Transportation, Bridge Office, Ontario. 17. DANIEL BERNARD, Ponts cules intgrales et semi-intgrales , Recueil des communications, Congrs annuel de lAQTR, avril 1998. 18. MARTIN P. BURKE, Jr, Semi-Integral Bridges : Movements and Forces , Transportation Research Record 1460.

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  • CARACTRISTIQUES SUPPLMENTAIRES En plus des diffrentes caractristiques dont il a t question prcdemment, la conception de ce pont a ncessit lemploi de divers matriaux et techniques maintenant utiliss de manire courante par le ministre des Transports du Qubec. Ces matriaux et techniques ont tous t inclus lintrieur de ce projet en raison de leur efficacit qui a pu tre exprimente et confirme au cours des ans. On pense entre autres lutilisation de bton haute performance pour tous les lments en bton de ce pont (autres que les semelles aux units de fondation) en raison de sa plus grande rsistance la fissuration et de sa permabilit infrieure celle dun bton conventionnel, lutilisation dacier galvanis en guise darmature lintrieur des cules et des diaphragmes dextrmit du tablier, la membrane dtanchit prfabrique installe sur le tablier et les dalles dapproche, aux recouvrements de bton importants des aciers darmature, etc. ANALYSE CONOMIQUE Pour mieux valuer limpact des cots supplmentaires associs lutilisation de ces nouvelles technologies, une tude comparant les cots relis la construction dun pont dune dure de vie anticipe de 150 ans aux cots relis la construction dun pont de mme configuration tel quon les conoit au Qubec actuellement (acier 350AT, bton haute performance et armature galvanise pour le tablier, cules conventionnelles, joints garniture, etc.) nous a permis de vrifier certains points intressants. Bien entendu, les cots initiaux de construction du pont sont plus levs pour le pont dcrit dans ce document que pour un pont correspondant aux normes de conception actuelles. Toutefois, la diffrence de cot entre les deux options samenuise trs fortement lorsquon tudie tous les autres frais engendrs pour une priode de 150 ans. Ces frais incluent, entre autres, lorganisation de chantier, le terrassement et lenrob aux approches, le maintien de la circulation et la signalisation, les chemins de dviation, la remise en tat des lieux, tous les frais relis lentretien et la rparation selon les deux options, tous les frais relis la reconstruction selon loption du pont conventionnel ainsi que les cots engendrs pour les usagers loccasion de chacune des interventions effectues par le ministre des Transports sur le pont. Il faut toutefois noter que les frais relis linstrumentation et la tlsurveillance nont pas t inclus dans ltude conomique. Le tableau 4 prsente les rsultats de lanalyse conomique effectue. Cette tude a t ralise laide du logiciel Bridge LCC 2.019. Les valeurs des taux dinflation et dintrt qui ont t utiliss sont respectivement de 1,9 % et 3,4 %, valeurs suggres pour des analyses conomiques long terme. Au tableau 5, on trouve les cots relatifs la construction initiale, ceux lis certains items particuliers pour les deux options tudies de mme que les prix soumis en 2004 pour le pont de Val-Alain.

    19. Bridge LCC, Version 2.0, Standard Life Cycle Cost Analysis Software, National Institute of Standard and Technology.

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  • On remarque que la portion la plus importante du cot total de ce pont pour sa dure de service anticipe de 150 ans est encourue au moment de la construction initiale et que la majeure partie de la diffrence entre les deux options pour les cots de construction initiaux concerne lacier de charpente, larmature en matriaux composites et les joints de dilatation et dtanchit des cules semi-intgrales. De plus, la diffrence entre les cots totaux des deux options pour la priode dtude de 150 ans est trs faible (1,9 %) bien que les matriaux utiliss soient relativement nouveaux. Dun point de vue strictement conomique, nous croyons quune utilisation plus grande chelle, dans un futur rapproch, de lacier haute performance et de larmature en matriaux composites pourrait permettre une diminution des cots unitaires de ces deux matriaux. Par le fait mme, les cots de certains projets seraient probablement abaisss un niveau permettant dobtenir un cot de construction initial comptitif et un cot sur la vie utile infrieur ceux des ponts conus selon les normes actuelles. CONSTRUCTION DU PONT DE VAL-ALAIN La construction de ce pont sest tendue sur une priode de 4 mois, soit de juillet la fin du mois doctobre 2004. Le temps requis ne semble pas avoir t plus long que celui requis pour la construction dun pont conventionnel. Mise part limpossibilit dobtenir lacier haute performance pour la fabrication des poutres (dlai de livraison des plaques dacier de 16 semaines), les autres matriaux prvus aux plans et devis ont pu tre obtenus sans difficults (matriaux composites, matriaux pour joints dtanchit, etc.). De mme, les divers dtails particuliers prvus au niveau des plans et devis ont t construits avec succs par lentrepreneur ralisant les travaux. Bien sr, certains ajustements ont d tre apports en cours de chantier, mais ceux-ci sont dordre mineur et naffectent en aucun cas la qualit de louvrage obtenu. Les diverses exigences supplmentaires sappliquant la construction dun pont semi-intgral nont pas caus de problmes particuliers. Ces exigences sont comme suit : Les diaphragmes dextrmit (voir fig. 8 et 9) doivent tre construits avant de procder la

    mise en place des coffrages de la dalle. La dalle doit tre construite et le bton de celle-ci doit avoir atteint au moins 70 % de la

    rsistance la compression exige 28 jours avant de procder la mise en place du remblai larrire des diaphragmes dextrmit.

    La mise en place du remblai larrire des diaphragmes dextrmit doit tre effectue

    simultanment chaque cule en limitant la diffrence dlvation 300 mm.

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  • Ce projet confirme aussi les expriences passes vcues lintrieur dautres projets o des portions de dalle ont t armes laide darmatures en matriaux composites. Ces armatures sont 4 fois plus lgres que des armatures en acier, elles sont beaucoup plus flexibles mais toutefois trs rsistantes (manipulation en chantier, etc.) et elles ne sont pas conductrices (moins froides en priode de temps froid). Bien que celles-ci soient plus lgres, on ne remarque aucune augmentation de leur rapidit dinstallation dans le tablier. Cette observation a t confirme lintrieur de deux projets raliss par deux entrepreneurs diffrents. En fait, ces gens mentionnaient que les armatures en PRFV (voir. fig. 10) ne changeaient rien dans leur cas (facilit dinstallation, etc.). Il faut toutefois prciser que les espacements entre les barres sont plus faibles pour des armatures en PRFV que pour des armatures en acier. Il y a donc un nombre plus important de barres en PRFV installer dans le tablier. Certaines prcautions doivent tre prises avec ce type de matriau. Les armatures doivent tre protges de la lumire du soleil pendant lentreposage, elles ne doivent pas tre plies en chantier (en fait elles ne sont pas pliables) et on doit prvoir un espacement moins important entre leurs supports (flexibilit importante) pour la dalle. Pour terminer ce bref expos au sujet de la construction de ce pont, nous pouvons clairement affirmer que les divers matriaux et concepts prvus aux plans et devis peuvent tre utiliss sans difficults particulires au niveau de la ralisation en chantier. CONCLUSION Les caractristiques du pont ont t dtermines en vue dobtenir une durabilit optimale, notamment par lutilisation darmatures en matriaux composites. Lutilisation de ces armatures permet dliminer le problme de corrosion de larmature dacier (normalement utilise pour renforcer la dalle et les glissires de scurit des ponts) qui conduit lclatement, la fissuration et la dsagrgation du bton. La construction de ce pont marquera un pas de plus vers ladoption dune mthode de calcul adquate en termes de comportement structural lultime et en service, de mme quen termes de durabilit, et vers le dveloppement dun contrle de qualit fiable; ces progrs pourront ventuellement ouvrir la porte lutilisation grande chelle de ce matriau novateur. De mme, lemploi dacier haute performance pour la fabrication de poutres devrait nous permettre de profiter des amliorations notables, par rapport lacier patinable conventionnel, quant aux proprits anticorrosion, la rsilience basse temprature et la soudabilit de ce nouveau matriau. De plus, le concept de tablier semi-intgral rend possible llimination des joints de tablier aux cules. Les joints sont plutt localiss lextrmit des dalles dapproche dans une zone o les possibles fuites ou le mauvais fonctionnement de ceux-ci, invitables avec le temps, ne causeront pas de dommage aux cules ni au tablier du pont. Ce concept est utilis de faon courante dans plusieurs tats amricains et, dans certains cas, en Ontario o des critres de conception et des dtails types ont t dvelopps. ventuellement, selon les rsultats obtenus avec le pont de Val-Alain, le ministre des Transports du Qubec pourrait lui aussi utiliser ce type de pont plus frquemment.

    12

  • Enfin, il est noter que certains matriaux maintenant standardiss tels que le bton haute performance, lacier galvanis et la membrane dtanchit prfabrique, ainsi que les rgles de bonnes pratiques courantes (recouvrement minimal de bton sur les armatures, cure du bton, etc.) ont t appliqus la conception de ce pont en raison de leur efficacit qui a pu tre exprimente et confirme au cours des ans. En ce qui a trait lanalyse conomique effectue pour ce pont, il nous semble que lutilisation de ces diffrents matriaux et concepts plus grande chelle pourrait permettre une diminution des cots totaux relis la construction et lentretien du parc de ponts appartenant au ministre des Transports du Qubec. Finalement, mise part limpossibilit dutiliser de lacier haute performance pour la fabrication des poutres, la ralisation en chantier de ce projet nous a permis de confirmer la constructibilit du pont tel que prvu aux plans et devis.

    13

  • Gomtrie du pont

    Figure 1

    14

  • Pont de Val-Alain Figure 2

    15

  • ESSAI DE RSILIENCE CHARPY COURBE DE TRANSITION POUR LA RUPTURE (DUCTILE FRAGILE)

    HPS-70W = HPS 485W en mtrique 50W = 345W en mtrique

    Tir de High Performance Steel Designers Guide

    La transition ductile fragile de lacier haute performance (HPS 485W) se produit une temprature beaucoup plus basse que celle dun acier conventionnel de nuance 345W.

    Essai de rsilience Charpy Courbe de transition pour la rupture (ductile fragile)

    Figure 3

    16

  • Installation darmatures en matriaux composites Pont sur la route 108 Cookshire (Qubec)

    Figure 4

    17

  • Dtails darmature (dalle et glissires)

    Figure 5

    18

  • Joints pour pont semi-intgral

    Figure 6

    19

  • Joints pour pont semi-intgral

    Figure 7

    20

  • Construction dun diaphragme dextrmit Pont de Val-Alain

    Figure 8

    21

  • Construction dun diaphragme dextrmit Pont de Val-Alain

    Figure 9

    22

  • Installation darmatures en matriaux composites Pont de Val-Alain

    Figure 10

    23

  • PROPRITS MCANIQUES ET CHIMIQUES ACIER DE CHARPENTE

    Type dacier ASTM A709 HPS 485W CSA-G40.21M

    350AT

    ASTM A709 485W

    (nexiste plus)

    Proprits mcaniques Fy

    485 MPa

    350 MPa

    485 MPa Fu 585-760 MPa 480-650 MPa -- Essai de rsilience Charpy Temprature dessai : - 23 C * - 23 C * - 20 C ** - 20 C ** -- nergie min. moy. : 34 J * 48 J * 27 J ** 40 j ** -- Composition chimique (%) ***

    Carbone (C) 0,11 max. 0,20 max. 0,19 max. Manganse (Mn) 1,10-1,35 0,75-1,35 0,80-1,35 Phosphore (P) 0,020 max. 0,03 max. 0,035 max. Souffre (S) 0,006 max. **** 0,04 max. 0,04 max. Silicium (Si) 0,30-0,50 0,15-0,50 0,20-0,65 Cuivre (Cu) 0,25-0,40 0,20-0,60 0,20-0,40 Nickel (Ni) 0,25-0,40 0,90 max. 0,50 max. Chrome (Cr) 0,45-0,70 0,70 max. 0,40-0,70 Vanadium (V) 0,04-0,08 0,10 max. 0,02-0,10 Molybdne (Mo) 0,02-0,08 -- -- Aluminium (Al) 0,010-0,040 -- -- Azote (N)

    0,015 max. -- --

    * Zones 1, 2 et 3 selon la norme ASTM A709. Pour membrures principales tendues et membrures

    rsistance critique la rupture respectivement. ** Zone de temprature de service : - 30 C > Ts - 60 C selon la norme CAN/CSA S6-00. Pour

    membrures principales tendues et membrures rsistance critique la rupture respectivement. *** Pour plus de dtails voir les normes pertinentes. **** Lacier doit tre trait au calcium pour le contrle des inclusions.

    Proprits mcaniques et chimiques Acier de charpente

    Tableau 1

    24

  • TEMPRATURE MINIMUM DE PRCHAUFFAGE ET DE MAINTIEN ENTRE LES PASSES DE SOUDURE LORS DU SOUDAGE DE LACIER ASTM A709 HPS 485W

    Tir de Guide Specification For Highway Bridge Fabrication with HPS 70W (HPS 485W) Steel

    Temprature minimum de prchauffage et de maintien entre les passes de soudure lors du soudage de lacier ASTM A709 HPS 485W

    Tableau 2

    25

  • PROPRITS MCANIQUES ET GOMTRIQUES DES ARMATURES EN POLYMRE RENFORC DE FIBRES DE VERRE

    Armatures en matriaux composites de type V-Rod fabriques par la compagnie Pultrall

    Composition : 75 % Fibres de verre 25 % Matrice constitue dune rsine vinylester modifie

    Dsignation de la barre

    Diamtre (mm)

    Aire (mm2)

    Poids linaires (kg/m)

    Module dlasticit (MPa)

    Rsistance spcifie en traction garantie *

    (MPa)

    # 5 15,9 200 0,398 46 000 min. 683 min.

    # 6 19,1 285 0,602 46 000 min. 656 min.

    * Valeur correspondant la valeur moyenne des rsultats des essais effectus sur un chantillonnage

    donn, de laquelle on soustrait la valeur de lcart type obtenue multiplie par trois.

    Proprits mcaniques et gomtriques des armatures en polymre renforc de fibres de verre

    Tableau 3

    26

  • ANALYSE CONOMIQUE COMPARATIVE POUR UNE PRIODE DE 150 ANS

    Pont de 150 ans [$ 2004] (Estimation)

    Pont conventionnel 2004 [$ 2004] (Estimation)

    Cots totaux 2 996 651 (+ 1,9 %)

    2 941 349

    Cots par intervenant

    Ministre des Transports Usagers

    2 446 395 (+ 3,3 %)

    550 256

    2 367 997

    573 353

    Cots par intervention

    Construction initiale Entretien, rparation et reconstruction du pont conventionnel

    2 806 032

    190 619

    2 560 026

    381 323

    Cots par lment

    Dalle Superstructure Units de fondation Autres (structure) Chantier (structure) Autres *

    532 679 496 522 293 053 345 958 155 000

    1 173 438

    444 660 450 704 370 009 316 941 160 660

    1 198 376

    * Inclut les approches du pont, le chemin de dviation, la remise en tat des lieux, le revtement

    de la chausse, le maintien de la circulation et la signalisation.

    Analyse conomique comparative pour une priode de 150 ans

    Tableau 4

    27

  • TUDE COMPARATIVE COTS DE CONSTRUCTION INITIAUX

    Pont de 150 ans [$] (Estimation)

    Pont conventionnel 2004[$] (Estimation)

    Pont de Val-Alain [$] (Soumission)

    Cots totaux 2 315 536 (+ 11,9 %)

    2 069 529 2 087 112

    Cots par lment Pont

    Dalle Superstructure Units de fondation Autres (structure) Chantier (structure) Total pont

    Autres *

    363 119 496 522 271 995 345 958 155 000 1 632 594

    (+ 17,7 %)

    682 942

    220 319 413 592 314 417 283 260 155 000 1 386 588 682 942

    382 820 433 752 233 825 283 432 266 027 1 599 856 487 256

    Cots particuliers Acier de charpente Armatures pour le tablier Joints de dilatation et dtanchit

    496 522** (+ 20,1 %)

    179 837

    (+ 92,4 %)

    69 498 (+ 548 %)

    413 592*** 93 468 10 720

    433 752*** 196 511 36 123

    * Inclut les approches du pont, le chemin de dviation, la remise en tat des lieux, le revtement de

    la chausse, le maintien de la circulation et la signalisation. ** Acier HPS. *** Acier 350 AT.

    tude comparative Cots de construction initiaux

    Tableau 5

    28