Résultats

3.5.3.1. Trajectoire du véhicule

Lors de la simulation, d’une durée de 1 seconde, deux impacts importants surviennent sur le dispositif de retenue. Le premier impact se produit dès les premiers centièmes de seconde alors que le véhicule est redirigé par la glissière. Une déflexion maximale de 43,2 mm est atteinte à 0,07 s. Le deuxième impact survient à 0,28 s alors que la boite de la camionnette entre en contact avec la glissière. La déflexion atteint 38,1 mm à ce moment. Ces deux situations sont montrées sur la figure 3-16. Les vues séquentielles de la collision sont présentées à l’Annexe H.

a) b)

Figure 3-16. Collision de la camionnette sur le California type 115 barrier au temps a) 0,07 s et b) 0,28 s

Suite à l’impact de la boîte de la camionnette, celle-ci est projetée vers la voie carrossable. Comme le centre de gravité du véhicule est plus élevé que la lisse supérieure du California type 115 barrier, une accélération verticale est ajoutée dans le rebond de la boîte faisant en sorte que les deux roues arrière ne touchent plus au sol. Cette action est marquée par une variation importante des déplacements angulaires telle que représentée sur la figure 3-17 entre 0,3 et 0,8 seconde. Suite à cela, les deux roues retrouvent le sol et la camionnette devient rapidement stable, alors que les déplacements angulaires demeurent sensiblement constants de 0,8 à 1 seconde.

Figure 3-17. Roulis, tangage et lacet au centre de gravité de la camionnette

3.5.3.2. Analyse structurale

La sollicitation maximale du platelage survient lors du premier impact de la camionnette à 0,07 s. La distribution de la contrainte de von Mises est présentée à la figure 3-18. Même s’il s’agit d’une collision respectant les exigences du MASH pour un niveau d’essai TL-2, qui est plus sévère que les exigences du NCHRP, le niveau de contrainte est semblable aux résultats de l’analyse statique. La concentration de contraintes due à la pression diamétrale des boulons tendus n’est cependant pas observable en raison de l’utilisation d’éléments 1D.

Finalement, comme prévu lors de la conception de l’extrusion sacrificielle, deux zones de plastification et de dissipation d’énergie sont présentes sur la paroi tendue excentrique, telles que montrées à la figure 3-19. Cependant, l’étendue de la zone plastifiée est plus prononcée que pour les analyses statiques. Sous le poteau critique du modèle, les deux extrémités de la paroi excentrique atteignent une déformation plastique moyenne de 6.5 %, alors que 4 % était atteint lors de l’analyse statique. De plus, l’extrusion sacrificielle du 3e _{poteau comporte le même niveau de déformation.}

Comme la pièce sacrificielle est conçue pour développer sa capacité pour un niveau d’essai TL-2 du NCHRP, il est possible de constater que l’excédent d’effort, provoqué par les essais TL-2 du MASH, est redistribué aux autres poteaux de la glissière. Également, il y a augmentation de la plastification sur l’extrusion sacrificielle du 4e _{poteau, plutôt que de solliciter davantage le platelage à cet endroit.}

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Dép lace m en t an g u lair e (° ) Temps (s) Roulis Tangage Lacet

Figure 3-18. Distribution de la contrainte von Mises sur le platelage sous le 4e _{poteau au temps 0,07 s -}

California type 115 barrier

Figure 3-19. Distribution de la déformation plastique équivalente sur l’extrusion sacrificielle du 4e

3.6 Discussion

La simulation numérique d’un essai de collision d’un camion non articulé sur la glissière MTQ 210a a démontré que le comportement du véhicule demeure sécuritaire lorsque le dispositif de retenue est assemblé sur un platelage en aluminium. L’assemblage comprenant une extrusion sacrificielle, développée dans le processus de conception statique, répond adéquatement aux critères d’acceptation des procédures V&V pour un niveau d’essai TL-4. Pour ces vérifications, la simulation numérique a été comparée à un modèle de référence, également numérique. De plus, il a aussi été démontré que ce dernier répond adéquatement aux critères des procédures V&V. Cela fait en sorte qu’il est représentatif de l’essai de collision à grandeur réelle avec lequel il a été comparé et validé. Cette étape a également permis de s’assurer d’un niveau de confiance suffisant dans la construction des modèles éléments finis à l’aide de LS-DYNA.

Par ailleurs, les contraintes et déformations présentes dans la structure sont semblables à celles qui avaient été envisagées lors de l’analyse statique pour un même niveau d’essai. La conception de l’assemblage à l’aide des charges prescrites par la norme CAN/CSA S6-14 permet donc d’atteindre une résistance suffisamment élevée pour résister à l’impact. Il s’agit aussi d’une bonne stratégie pour s’assurer que les contraintes et déformations demeurent acceptables. Il serait impensable de réaliser cette conception itérative à l’aide d’analyses dynamiques, étant donné du temps de calcul largement supérieur. De plus, le type d’élément utilisé ainsi que l’utilisation d’un schéma d’intégration numérique temporelle explicite offrent moins de précision, mais permettent tout de même d’obtenir un degré de précision suffisant pour l'évaluation du comportement du véhicule, à condition de considérer un très petit pas de temps.

Pour le California type 115 barrier, une analyse qualitative de la trajectoire du véhicule a révélé qu’un rebond important de la boîte de la camionnette survient au cours de la simulation. Cependant, il s’agit d’un comportement auquel il faut s’attendre pour ce type de dispositif de retenue TL-2 où la lisse supérieure est peu élevée par rapport à la surface de roulement. Néanmoins, le véhicule se retrouve dans une position stable dès les derniers dixièmes de seconde de la simulation. Son comportement est donc jugé sécuritaire. Pour ce qui est des contraintes et déformations présentes dans la structure, elles sont plus élevées que celles qui étaient prévues lors de la conception statique en raison des essais de collision respectant les critères du MASH. La masse de la camionnette est plus élevée pour ces essais que selon les exigences du rapport 350 du NCRHP. La seule différence marquante se trouve dans la déformation plastique présente sur la paroi excentrique. Celle-ci atteint des valeurs maximales se rapprochant de la déformation ultime de 8% de l’aluminium, sans toutefois la dépasser. Cependant,

la norme canadienne CAN/CSA S6-14 fait toujours référence au rapport 350 du NCHRP, contrairement à la norme américaine AASHTO où ce rapport est remplacé par le MASH. L’essai de collision numérique est donc jugé acceptable selon la norme CAN/CSA S6-14. Pour l’obtention d’une accréditation MASH, une simple diminution de l’excentricité de la paroi tendue serait nécessaire afin de réduire l’accumulation de contraintes à cet endroit.

4Conclusion

Revue des objectifs du projet

L’aluminium comporte de nombreux avantages pouvant être mis à contribution dans le domaine des ponts. Une solution de platelage, composée d’extrusions multicellulaires soudées entre elles, a été développée dans le cadre du projet R786.1 en partenariat avec le MTQ. Le présent projet avait pour objectif de développer une connexion permettant de fixer un dispositif de retenue sur ce platelage ainsi que de développer des extrusions de rive pouvant accommoder cette connexion. Un enjeu central de l’étude était que cette connexion devait être conçue de façon à ce qu’aucune déformation permanente ne se produise dans le platelage sous l’effet de l’impact d’un véhicule correspondant à un niveau d’essai TL-2.

La revue de littérature a fait un survol de l’approche normative canadienne et américaine en matière de conception et de modification de dispositifs de retenue, afin de mettre en évidence une méthodologie pour la réalisation du projet. Pour l’accréditation d’un dispositif, celui-ci doit avoir fait l’objet d’essais de collision à grandeur réelle. Des modifications sur le système d’ancrage sont cependant permises afin d’adapter une glissière déjà accréditée sur une structure particulière, sans que des essais de collision à grandeur réelle supplémentaires soient obligatoires. Il est cependant nécessaire de démontrer que l’interaction entre le véhicule et la glissière n’est pas affectée par ces modifications lors d’une collision. Le projet a donc été réalisé en procédant par deux types d’analyse numérique par éléments finis. La conception de l’assemblage a tout d’abord été réalisée à l’aide des charges statiques prescrites par la norme canadienne CAN/CSA S6-14 pour la modification des ancrages. Des vérifications dynamiques ont ensuite été effectuées sur ces assemblages afin de s’assurer du comportement sécuritaire du véhicule en appliquant les procédures de vérifications et validations recommandées par le NCHRP.

Résumé des analyses statiques

La conception des assemblages a été réalisée pour deux types de dispositif de retenue en acier, soit la glissière MTQ 210a ainsi le California type 115 barrier. Ceux-ci sont accrédités pour un niveau d’essai de, respectivement, TL-4 et TL-2. Pour ces deux situations, la connexion fait l’utilisation

d’une pièce sacrificielle, formée d’extrusions d’aluminium, insérée entre la glissière et le platelage. Suivant le principe du dimensionnement à la capacité, cette pièce a été conçue de façon à se plastifier pour protéger le platelage contre les déformations permanentes. L’extrusion sacrificielle est connectée mécaniquement pour permettre le remplacement de la pièce advenant un impact d’un véhicule. Des plaques d’acier avec trous filetés sont donc insérées dans les rainures prévues à cet effet pour accommoder cette connexion boulonnée. Un chasse-roue formé d’une plaque et d’une cornière en acier est également ajouté. Un rendu de l’assemblage est présenté sur la figure 4-1.

Figure 4-1. Rendu final de l’assemblage de la glissière MTQ 210a sur le platelage

Pour la glissière MTQ 210a, l’assemblage est conçu pour qu’une amorce de plastification se produise sur l’extrusion sacrificielle pour un niveau d’essai TL-2. Au-delà de ce niveau, il y a augmentation de la plastification et les efforts sont redistribués aux autres poteaux de la structure. Cela fait en sorte qu’aucune déformation permanente ne provient sur le platelage pour un niveau d’essai TL-2 et la structure demeure en bon état jusqu’à un chargement TL-4. Plus précisément, pour ce dernier niveau d’essai, il y plastification locale des zones affectées thermiquement du platelage ainsi que les zones contraintes par la pression diamétrale des boulons tendus. Chaque paramètre de conception, soit la configuration géométrique des parois des extrusions ainsi que leur épaisseur, les rayons de congé, etc., a été déterminé selon un processus itératif optimisé pour un niveau d’essai TL-2. Le niveau TL- 4 étant approximativement le double des forces d’impact du niveau TL-2, la conception peut donc être considérée sécuritaire sans qu’il y ait surdimensionnement des extrusions.

Le système d’ancrage du California type 115 barrier a été adapté sur les extrusions de rive, mentionnées précédemment, suivant le même fonctionnement. Comme cette glissière respecte

seulement les exigences du niveau d’essai TL-2, celle-ci est moins rigide dans son ensemble ce qui rend la redistribution des efforts entre les poteaux plus difficile que pour le dispositif du MTQ. Pour remédier à ce problème, la rigidité de l’extrusion sacrificielle est réduite davantage afin de diminuer la capacité de la pièce et ainsi favoriser la redistribution des efforts plus tôt dans le chargement. Aucune déformation permanente n’est donc présente dans le platelage pour un niveau d’essai TL-2.

Résumé des analyses dynamiques

L’évaluation complète du comportement du véhicule entrant en collision avec la glissière MTQ 210a a été réalisée. Pour ce faire, deux étapes importantes ont été nécessaires. Un modèle de collision numérique de référence a tout d’abord été construit, reproduisant les conditions de l’essai de collision à grandeur réelle sur la glissière ancrée sur un chasse-roue de béton selon les détails originaux. Les données de ces deux essais ont alors été comparées à l’aide des procédures V&V, où les résultats ont permis de faire la validation du modèle de référence et d’ainsi s’assurer d’un niveau de confiance suffisant dans la méthode de construction des modèles éléments finis. Des vérifications ont ensuite été effectuées sur un deuxième modèle numérique, où le dispositif de retenue était fixé sur le platelage en aluminium à l’aide de l’assemblage développé de façon statique. Les procédures V&V ont une fois de plus été appliquées afin d’évaluer quantitativement l’interaction entre la glissière et le véhicule. La comparaison avec les historiques des accélérations et des vitesses angulaires du modèle de référence a démontré que les comportements étaient similaires. Une analyse des critères de la table de classement de l’importance des phénomènes a également démontré que la collision demeure sécuritaire lorsque le dispositif de retenue est assemblé sur un platelage en aluminium. Pour l’assemblage du California type 115 barrier, une analyse qualitative de la trajectoire du véhicule a permis de juger le comportement du véhicule comme étant sécuritaire.

Des analyses structurales ont également été réalisées afin de s’assurer que les contraintes et déformations présentes dans la structure, soumises à un chargement dynamique, soient semblables à ce qui avait été envisagé lors de la conception statique. Une bonne correspondance a été observée pour la glissière MTQ 210a. Cependant la plastification présente dans l’extrusion sacrificielle de l’assemblage du California type 115 barrier s’est révélée supérieure dans l’analyse dynamique en raison de l’utilisation d’une camionnette reproduisant les exigences du MASH, alors que les charges statiques correspondaient aux exigences du rapport 350 du NCHRP. La conception est tout de même considérée sécuritaire en raison du niveau de contrainte et de déformation acceptable des analyses,

qui ont également permis de prouver l’efficacité de l’extrusion sacrificielle. En effet, l’excédent d’effort amené par les exigences du MASH a été redistribué aux autres poteaux de la structure.

Recommandations

En considérant les résultats des travaux présentés dans ce mémoire, les recommandations suivantes sont proposées :

1. L’utilisation d’une pièce sacrificielle, conçue de façon à se plastifier, permet de limiter les efforts pouvant être acheminés des poteaux de la glissière jusqu’au platelage en favorisant une redistribuant aux autres poteaux de la structure. Il s’agit donc d’une bonne stratégie pour éviter les déformations permanentes de survenir sur le platelage ;

2. L’utilisation d’un chasse-roue formé d’une plaque d’acier permet de diriger adéquatement les roues des véhicules en cas de collision, tout en offrant une protection des extrusions sacrificielles et des connecteurs contre les impacts locaux ainsi que l’infiltration d’eau. La plaque d’acier doit cependant être retenue seulement par contact par une cornière afin d’éviter l’ajout de rigidité en rotation à l’assemblage ;

3. Afin de rendre l’assemblage de la glissière MTQ 210a adéquate pour un niveau d’essai TL-4, une optimisation serait nécessaire quant à la géométrie des ZAT du platelage. De plus, la connexion mécanique en traction serait également à revoir afin de réduire les contraintes liées à la pression diamétrale combinée à la flexion locale induite ;

4. La géométrie des extrusions principales du projet R786.1 doit être sujette à optimisation afin de réduire les contraintes présentes dans les ZAT ;

5. L’espacement des poteaux du California type 115 doit être diminué à 2 m afin d’empêcher les contraintes présentes à l’intérieur des ZAT du platelage d’atteindre la limite admissible ; 6. Une attention particulière doit être portée quant à la disposition des plaques d’acier avec trous

filetés introduites dans les rainures du platelage, afin que ces plaques puissent être réutilisées si le replacement d’extrusions sacrificielles est nécessaire. À cet effet, une disposition particulière est proposée dans ce rapport ;

7. Une attention particulière doit être portée quant au drainage du platelage. Une proposition faisant l’utilisation d’un tuyau est proposée dans le présent travail.

Travaux futurs

Les solutions présentées dans le cadre de ce projet de recherche comportent un caractère innovateur. En effet, elles font intervenir la conception d’extrusions d’aluminium dans les ouvrages d’art, alors que les connaissances actuelles sont encore limitées sur le sujet. De plus, elles abordent une autre méthode de conception encore inutilisée dans le domaine des dispositifs de retenue, soit le dimensionnement des ancrages basé sur la capacité. Bien que la conception respecte la norme canadienne et que les modifications effectuées peuvent être classées comme des modifications non significatives selon l’approche américaine, il serait tout de même intéressant de confirmer les résultats obtenus à l’aide d’essais expérimentaux. Comme mentionnés à maintes reprises, les essais de collision à grandeur réelle sont des démarches très dispendieuses. Une alternative a cependant été proposée et réalisée à l’Université de Sherbrooke (El-Salakawy et al., 2004) en faisant l’utilisation d’un pendule formé d’une boule de démolition et d’une grue, tel que montré à la figure 4-2. Bien qu’il soit difficile de représenter adéquatement l’interaction d’un véhicule, ce système permettrait tout de même de faire une bonne évaluation du comportement structural de l’extrusion sacrificielle. Les connexions faisant intervenir des plaques d’acier avec trous filetés pourraient également être évaluées lors de ces essais. Bien que les analyses numériques n’indiquent aucun endommagement sur celles-ci, il serait tout de même pertinent de valider de façon expérimentale que le remplacement de la pièce sacrificielle soit possible. Plus précisément, s’assurer que les filets des trous de la plaque d’acier ne soient pas trop endommagés et qu’il n’y ait pas eu de glissements des plaques trop importants sous le platelage pouvant empêcher de boulonner à nouveau.

Figure 4-2. Essai de collision réalisé à l’aide d’une grue et d’une boule de démolition

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