Projet Viaduc de la Vallée
1. Contexte de la Mission
🌉 Présentation de l'Ouvrage : Le Viaduc VIPP
Dans le cadre du projet de contournement routier de la vallée, la construction d'un viaduc de franchissement a été confiée au groupement d'entreprises. La solution technique retenue est un VIPP (Viaduc à Travées Indépendantes à Poutres Précontraintes). Ce choix structurel est motivé par la nécessité de franchir des portées moyennes (30 à 45 mètres) de manière économique et rapide, en limitant les étaiements au sol grâce à la préfabrication.
Le tablier est constitué de poutres longitudinales en béton précontraint par post-tension, disposées côte à côte et solidarisées par un hourdis coulée en place. Chaque travée fonctionne de manière isostatique, reposant simplement sur ses appuis néoprènes, ce qui rend la structure peu sensible aux tassements différentiels des piles.
⚠️ L'Enjeu de la Précontrainte
Contrairement au béton armé classique qui est conçu pour fissurer en zone tendue, le béton précontraint vise à empêcher ou limiter la fissuration. Les câbles d'acier haute résistance (T15) sont très sensibles à la corrosion sous tension.
Le principe : On comprime artificiellement le béton (force P) avant qu'il ne subisse les charges de trafic. Cette compression initiale doit être suffisante pour que, même sous la charge maximale, la fibre inférieure de la poutre ne soit jamais en traction. C'est le critère de "non-décompression".
🏗️ La Poutre Étudiée (Travée T2)
- Type : Poutre préfabriquée en I (talon élargi pour loger les ancrages).
- Portée : 30.00 m entre axes d'appuis.
- Précontrainte : Par post-tension (gaines injectées au coulis de ciment après mise en tension).
- Câblage Proposé : 3 câbles de 12 torons T15S (15.7mm).
- Tracé : Parabolique (optimisation du moment résistant).
En tant que responsable des calculs d'exécution, vous avez la responsabilité de valider le dimensionnement de la précontrainte longitudinale.
Le bureau d'études a pré-dimensionné la section avec 3 câbles. Vous devez vérifier rigoureusement si ce nombre est suffisant pour respecter les critères de l'État Limite de Service (ELS) définis par l'Eurocode 2.
Objectif précis : Démontrer par le calcul que la contrainte normale dans la fibre inférieure du béton à mi-travée reste positive (compression) sous la combinaison quasi-permanente des charges, en tenant compte des pertes de précontrainte à long terme.
🗺️ ÉLÉVATION LONGITUDINALE DU VIADUC
ÉCHELLE : 1/200"Attention, nous sommes en classe d'exposition sévère. Aucune traction n'est tolérée dans le béton en service (Décompression). Vérifiez bien les pertes différées !"
🎥 PRINCIPE DE LA PRÉCONTRAINTE (Mise en tension)
ANIMATIONVisualisation du phénomène : Lorsque les vérins appliquent la force P sur les câbles, la poutre se comprime et se soulève en son centre. C'est la contre-flèche f, qui s'oppose à la déformation future due aux charges.
2. Données Techniques de Référence
Extrait du Dossier de Consultation des Entreprises (DCE) & Hypothèses de Calcul
Pour garantir la sécurité et la pérennité de l'ouvrage sur sa durée de vie (100 ans pour un pont), l'étude s'appuie strictement sur les Eurocodes. Contrairement aux anciens règlements (BPEL), l'Eurocode 2 unifie le calcul du béton armé et du béton précontraint.
Le dimensionnement doit satisfaire aux États Limites (EL) :
- ELU (Ultime) : Résistance à la rupture (Sécurité des personnes).
- ELS (Service) : Maîtrise de la fissuration et des déformations (Durabilité & Confort). C'est l'objet de notre mission ici.
📚 Référentiel Normatif Applicable
[ART. 3.2] BÉTON DE STRUCTURE
Le béton des poutres VIPP sera de classe de résistance C40/50. Cette haute performance est requise pour reprendre les fortes compressions induites par la précontrainte aux ancrages.
[ART. 3.4] ARM. DE PRÉCONTRAINTE
Utilisation de torons T15S (super) de classe 1860 MPa à Très Basse Relaxation (TBR).
Objectif : Minimiser les pertes différées par relaxation de l'acier.
[ART. 4.1] CRITÈRES ELS
Classe d'exposition : XD1 (Corrosion par chlorures).
Exigence : Décompression stricte (Classe II). Aucune traction n'est admise dans le béton sous combinaison fréquente des charges.
📐 Géométrie : Pourquoi une section en I ?
La section en I est optimale pour la flexion.
• Table supérieure : Large pour reprendre la compression due à la flexion.
• Ame fine : Allège la poutre (le poids propre est l'ennemi des grandes portées).
• Talon (Bulbe) : Élargi pour loger les gaines de précontrainte et résister à la compression initiale lors de la mise en tension.
- Portée de calcul (L)30.00 m
- Hauteur section (h)1.20 m
- Largeur tables (b)0.70 m
⚖️ Analyse des Charges (ELS)
Les charges sont exprimées en valeur linéique (kN par mètre de poutre).
• Permanentes (g) : Poids propre de la poutre + poids du hourdis + équipements (glissières, chaussée).
• Exploitation (q) : Charges routières (Système AL ou Bc du fascicule 61 / Eurocode 1) réparties sur les poutres.
Le câble suit le diagramme des moments fléchissants (inversé). Il est haut aux appuis (moment nul) et bas en travée pour maximiser le bras de levier et contrer la flexion.
📐 SCHÉMA MÉCANIQUE ELS (Modèle de Calcul)
Ce modèle illustre le principe du balancement des charges : la précontrainte exerce une poussée vers le haut qui compense une partie des charges de gravité.
- Comportement élastique linéaire (Section non fissurée).
- Principe de Navier-Bernoulli (Sections planes restent planes).
- Pertes de précontrainte estimées à 15% (\(P_{m,\infty} = 0.85 P_0\)).
🧠 LOGIGRAMME DE VÉRIFICATION (Méthode des Contraintes)
Séquence logique à suivre pour valider une section en béton précontraint selon l'Eurocode 2.
E. Protocole de Résolution
Méthodologie standardisée de bureau d'études.
👨🏫 Note Pédagogique : Pour mener à bien cette étude structurelle, nous allons suivre une démarche rigoureuse en quatre phases. Ce protocole garantit la traçabilité des calculs et la conformité aux Eurocodes, depuis l'analyse des charges jusqu'aux plans d'exécution.
(Cliquez sur les numéros pour accéder directement à la correction correspondante).
- Calculer la force maximale Pmax des câbles.
- Estimer les pertes instantanées et différées (env. 15-20%).
- Déduire la force de service Pm,∞.
- Calculer l'aire B, l'inertie I, et les fibres v, v'.
- Calculer l'excentricité des câbles e0.
- Calculer les moments fléchissants Mg et Mq.
- Calculer σ = P/B + (P·e0·y)/I + (M·y)/I.
- Vérifier la fibre supérieure (compression).
- Vérifier la fibre inférieure (traction/décompression).
- Vérifier si σtraction > 0 (Pas de traction autorisée).
- Vérifier si σcompression < 0.6 fck.
- Conclure sur la validité du ferraillage proposé.
NOTE DE CALCULS
Calcul de la Force de Précontrainte
🎯 Objectif Détaillé
L'objectif est de déterminer la force de compression "utile" qui restera dans la poutre tout au long de sa vie.
Pour cela, nous devons procéder en deux temps :
- Calculer la force maximale initiale (\(P_0\)) que l'on a le droit d'appliquer lors de la mise en tension (vérinage), sans risquer de rompre les aciers.
- Estimer la force finale probable (\(P_{m,\infty}\)) après que tous les phénomènes physiques de pertes (fluage, relaxation, frottements) aient fait leur effet. C'est cette valeur qui servira aux vérifications ELS.
📚 Référentiel Normatif
La force installée par les vérins (\(P_0\)) n'est pas stable. Elle diminue inévitablement avec le temps.
Ordre de grandeur total : 15% à 20% de perte.
Étape 1 : Inventaire des Données
| Désignation | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Limite de Rupture (T15S) | \(f_{pk}\) | 1860 | MPa |
| Limite Élastique (T15S) | \(f_{p0.1k}\) | 1640 | MPa |
| Section d'un toron | \(A_{sp}\) | 150 | mm² |
| Composition du câblage | - | 3 câbles de 12 torons | - |
💡 Le saviez-vous ? Les torons T15S ("Super") ont une section de 150 mm², contre 139 mm² pour les T15 standards. C'est le standard actuel.
Configuration des Unitées de Précontrainte
Étape 2 : Calculs Détaillés
1. Calcul de la contrainte admissible :
On compare les deux critères de sécurité imposés par l'Eurocode :
- • Critère Rupture : \(0.8 \times 1860 = 1488 \text{ MPa}\)
- • Critère Élastique : \(0.9 \times 1640 = 1476 \text{ MPa}\)
👉 C'est le critère de limite élastique qui est dimensionnant ici.
2. Calcul de la section d'acier totale (\(A_p\)) :
Soit \(54 \text{ cm}^2\) d'acier haute résistance.
3. Calcul de la Force Initiale Totale (\(P_0\)) :
4. Calcul de la Force Finale (\(P_{m,\infty}\)) :
On applique un taux de perte forfaitaire de 15% (hypothèse usuelle pour une section médiane en pré-étude).
🤔 Analyse de grandeur physique
6.78 MégaNewtons, cela représente une force d'environ 690 tonnes !
Pour visualiser : c'est comme si l'on empilait environ 500 voitures compactes sur la section de béton de 0.6 m² pour la comprimer.
- Confusion P0 / P_infini : Ne jamais utiliser \(P_0\) pour vérifier les contraintes ELS ! Cela conduirait à surestimer la compression et donc à masquer un risque de traction.
- Unités : L'erreur classique est de mélanger des N et des kN. Travaillez systématiquement en MN (Force) et m (Géométrie).
Caractéristiques de Section & Moments
🎯 Objectif Détaillé
Avant de vérifier les contraintes (calcul de \(\sigma\)), nous devons définir précisément :
- La Géométrie : La capacité de la poutre à résister à la flexion (Inertie \(I\)) et la position exacte de la force de précontrainte (Excentricité \(e_0\)).
- Les Sollicitations : Les efforts de flexion maximums (\(M_{max}\)) générés par le poids du pont et les véhicules.
En précontrainte, la position du câble est aussi importante que la force de traction.
Le moment de précontrainte est défini par : \( M_p = P \times e_0 \).
Pour une même force \(P\), plus on éloigne le câble du centre de gravité (plus \(e_0\) est grand), plus le câble "soulève" la poutre. C'est pourquoi les câbles sont placés tout en bas dans les zones de moment positif (travée) pour maximiser le bras de levier.
Étape 1 : Propriétés de la Section (Poutre I-120)
Nous travaillons sur la section brute de béton seul (Béton non fissuré, aciers négligés en première approche).
🧮 Calcul Détaillé de l'Excentricité :
L'excentricité est la distance entre le centre de gravité de la section (situé à \(v = 0.60\) m du bas) et le centre de gravité des câbles (situé à \(d' = 0.15\) m du bas).
Étape 2 : Calcul des Moments de Flexion (ELS)
La travée est une poutre isostatique sur deux appuis simples.
Pour une charge uniformément répartie \(p\) (en kN/m) sur une portée \(L\), le moment fléchissant maximal (à mi-travée) est donné par la formule de la RDM :
\[ M_{\max} = \frac{p \cdot L^2}{8} \]
Note : Comme la portée \(L\) est au carré, une petite erreur sur la longueur a un impact énorme sur le moment !
Poids propre + Superstructures
Trafic routier (Modèle de charge)
Moment Total de Service (ELS)
Combinaison Caractéristique (Rare) : \(G + Q\)
🤔 Analyse de l'ordre de grandeur
3.375 MégaNewtons.mètre est une valeur considérable. Pour visualiser : imaginez une barre de 1 mètre de long au bout de laquelle on suspendrait une masse de 340 tonnes (soit un Airbus A350 au décollage !).
C'est ce moment de flexion énorme que la précontrainte doit combattre pour empêcher la poutre de casser ou de fissurer par le bas.
On observe aussi que le poids propre (G) représente 60% de l'effort total. C'est typique des ponts en béton : la structure passe plus de temps à se porter elle-même qu'à porter les véhicules.
- Confusion d'unités (Le piège #1) : Les charges sont souvent données en kN/m et les résultats de contraintes attendus en MPa (MN/m²). Il est impératif de convertir les moments en MN.m avant de les injecter dans la formule des contraintes. (Rappel : 1 MNm = 1000 kNm).
- Section Nette vs Brute : Dans cet exercice, nous utilisons la section brute de béton. Dans un calcul d'exécution très fin, on retirerait la surface des trous des gaines (section nette) ou on ajouterait l'acier équivalent (section homogène). Pour un pré-dimensionnement, la section brute est une approximation suffisante et sécuritaire.
Vérification des Contraintes (ELS)
🎯 Objectif
Vérifier les contraintes dans le béton aux fibres extrêmes (inférieure et supérieure) en appliquant le principe de superposition. L'objectif est de s'assurer qu'il n'y a pas de traction.
📚 Référentiel
\[ \sigma(y) = \frac{P}{B} + \frac{P \cdot e_0 \cdot y}{I} + \frac{M_{ext} \cdot y}{I} \] Convention : Compression positive (+).
Étape 1 : Inventaire des Données & Convention
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Force Précontrainte | \(P_{m,\infty}\) | 6.775 | MN |
| Moment Charges | \(M_{ser}\) | 3.375 | MNm |
| Excentricité | \(e_0\) | 0.45 | m |
| Inertie | \(I\) | 0.085 | m⁴ |
| Section | \(B\) | 0.60 | m² |
| Fibres (v, v') | \(v=v'\) | 0.60 | m |
En fibre inférieure, la précontrainte s'oppose au poids.
Étape 2 : Calculs Détaillés
1. Fibre Inférieure (Zone critique en traction) :
On superpose : Compression P/B + Compression Flexion P - Traction Flexion M.
2. Fibre Supérieure (Zone critique en compression) :
On superpose : Compression P/B - Traction Flexion P + Compression Flexion M.
🤔 Interprétation Physique
La contrainte minimale est de +8.98 MPa. Le béton est donc fortement "sur-comprimé". Nous avons une grande marge de sécurité avant l'apparition de la première fissure (0 MPa).
La précontrainte est même abondante ici : on pourrait théoriquement réduire le nombre de câbles.
N'oubliez pas de vérifier le critère de compression maximale du béton. L'Eurocode limite la compression en service à \(0.6 f_{ck}\).
Ici : \(0.6 \times 40 = 24 \text{ MPa}\).
Comme \(13.60 < 24\), le béton ne risque pas de s'écraser.
Conclusion & Justification
🎯 Objectif
Synthétiser les résultats pour valider définitivement le choix du câblage (3x12T15) vis-à-vis du Cahier des Charges.
📚 Référentiel
En précontrainte, la force P doit être :
- Suffisamment grande pour effacer la traction (\(P_{min}\)).
- Pas trop grande pour ne pas écraser le béton (\(P_{max}\)).
Étape 1 : Tableau de Conformité
- Non-Traction (Fibre Inf) : \(\sigma_{inf} \ge 0\) 8.98 > 0 ✅
- Non-Écrasement (Fibre Sup) : \(\sigma_{sup} \le 24\) 13.60 < 24 ✅
🤔 Piste d'optimisation
La marge de sécurité est très importante (+8.98 MPa). Économiquement, on pourrait envisager de passer à 2 câbles ou de réduire le nombre de torons par câble, tout en restant conforme.
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