Conception et analyse de cycle de vie d’un pont routier
à platelage en aluminium sur poutres en bois
lamellé-collé
Mémoire
Camille Beudon
Maîtrise en génie civil - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Conception et analyse de cycle de vie d’un pont routier à
platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé
Mémoire
Camille Beudon
Sous la direction de:
Résumé
Le gouvernement québécois souhaite valoriser l’utilisation de l’aluminium et du bois d’ingénierie dans la construction et dans la réhabilitation d’ouvrages d’art. Dans le cadre de la vision à court terme des projets de construction, le bois et l’aluminium sont encore aujourd’hui désavantagés. Pourtant, ces deux matériaux pourraient devenir des matériaux concurrentiels pour la réhabilitation du parc routier québécois notamment grâce à leur production locale et leur possibilité de recyclage.
Afin d’éviter une vision court-termiste biaisée, la méthode d’arbitrage utilisée est celle de l’ana-lyse de cycle de vie. Cette méthode holistique prend en compte l’ensemble des étapes du cycle de vie. Deux analyses sont réalisées en parallèles. La première concerne les coûts de cycle de vie (ACCV) et la deuxième, les impacts environnementaux (ACV). Ces deux études complémentaires ajoutent une dimension environnementale, aujourd’hui non négligeable, aux futures prises de décision.
La première étape de ce projet consiste en la conception du tablier de pont hybride à plate-lage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé à l’aide de la norme CAN/CSA S6-14 (CSA, 2014b). Le pont-type ainsi conçu est par la suite utilisé au cours des analyses de cycle de vie. L’analyse économique se fait à l’aide de la norme ISO 15686-5 (ISO, 2017). L’analyse des impacts environnementaux se fait, elle, à l’aide de le norme ISO 14040 (ISO, 2006a) et 14044 (ISO, 2006b). L’utilisation du bois ainsi que le faible nombre d’opérations d’entretien rendent le tablier alu-minium/bois plus avantageux économiquement sur toute sa durée de vie. Les tabliers conventionnels béton/acier assurent une nette diminution des coûts de construction initiaux mais cette tendance s’inverse très vite. Le préfabrication possible des tabliers de pont aluminium/acier et aluminium/bois réduisent les coûts indirects de construction. Ainsi, les tabliers de pont aluminium/bois réduisent de 86 % le coût total du tablier par comparaison avec des tabliers conventionnels. Au niveau des indicateurs environnementaux, le tablier aluminium/bois est également à privilégier.
Abstract
The Quebec Gouvernment wishes to promote the use of wood and aluminium in the construction and rehabilitation of structures. In the context of the short-term vision of construction projects, wood and aluminium are clearly disadvantaged. However, aluminium and glued laminated timber could become competitive materials for the rehabilitation of the Quebec roadway bridges, in particular thanks to their local production in Quebec and their possibility of recycling.
In order to avoid a biased short-term view, the method of arbitration used is that of life cy-cle analysis. This holistic method makes it possible to take into account all life-cycy-cle stages. Two analyzes are carried out in parallel. The first concerns life cycle costs and the second concerns envi-ronmental impacts . These two studies complement each other and add a envienvi-ronmental dimension, which is not negligible today, on decision-making.
The first stage of this project consists of the design of the hybrid bridge deck aluminium on glued laminated timber beams using the CAN / CSA S6-14 standard. The bridge-type thus designed is subsequently used during life cycle analyzes. The economic analysis is done using the ISO 15686-5 standard (2017). The environmental impact analysis is done using the ISO 14040 and 14044 standards (2006).
The use of wood and aluminium as well as the low number of maintenance operations make the aluminum/wood deck more economically advantageous over its entire lifespan. Conventional concrete/steel decks provide a clear reduction in initial construction costs, but this trend is reversed very quickly. The possible prefabrication of aluminium/steel and aluminium/ wood bridge decks reduces indirect construction costs. Thus aluminium/ wood bridge decks reduce 86 % of the total cost of the conventional bridge deck. In terms of environmental indicators, the aluminium wood/deck is also to be favored.
Table des matières
Résumé ii
Abstract iii
Table des matières iv
Liste des tableaux vii
Liste des figures xi
Remerciements xv
Introduction 1
1 Revue de la littérature 4
1.1 État actuel du parc des ponts routiers au Québec . . . 4
1.2 Utilisation de l’aluminium dans la construction de ponts routiers . . . 6
1.3 Utilisation du bois dans la construction de ponts routiers . . . 12
1.4 Analyse des coûts du cycle de vie . . . 23
1.5 Analyse environnementale du cycle de vie . . . 29
2 Méthodologie 34 2.1 Définition des objectifs et champs de l’étude . . . 34
2.2 Analyse des coûts du cycle de vie . . . 39
2.3 Analyse des impacts environnementaux du cycle de vie . . . 44
3 Conception du tablier platelage en aluminium et poutres en bois lamellé-collé 58 3.1 Introduction . . . 58
3.2 Méthodologie générale . . . 58
3.3 Paramètres de conception . . . 60
3.4 Système structural en bois lamellé-collé . . . 61
3.5 Platelage et système de retenue . . . 62
3.6 Caractéristiques des matériaux . . . 65
3.8 Efforts dans le structure en bois lamellé-collé . . . 66
3.9 Résistances et vérifications . . . 67
4 Conception des brides d’assemblage 69 4.1 Introduction . . . 69
4.2 Conception des brides d’assemblage . . . 69
4.3 Assemblage de la partie fixe de la bride sur la poutre en bois lamellé-collé . . . . 71
4.4 Essais en laboratoire . . . 76
5 Collecte de données 81 5.1 Introduction . . . 81
5.2 Traitement des données dans le cas de l’ACCV . . . 81
5.3 Localisation des ponts . . . 82
5.4 Scénarios d’entretien . . . 83
5.5 Données de coûts de construction et d’entretien . . . 88
5.6 Données environnementales . . . 88
5.7 Monétarisation des impacts environnementaux . . . 90
6 Évaluation des coûts du cycle de vie 93 6.1 Introduction . . . 93
6.2 Inventaire des coûts du cycle de vie du tablier aluminium/acier . . . 93
6.3 Inventaire des coûts du cycle de vie du tablier aluminium/bois . . . 97
6.4 Analyse comparative des coûts du cycle de vie des tabliers à platelage en aluminium sur poutres en acier et à platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé 101 7 Évaluation des impacts environnementaux du cycle de vie 107 7.1 Introduction . . . 107
7.2 Évaluation des impacts environnementaux des différents tabliers . . . 108
7.3 Monétarisation des impacts environnementaux . . . 119
8 Interprétation 123 8.1 ACCV . . . 123
8.2 Synthèse de l’analyse des coûts du cycle de vie . . . 138
8.3 ACV . . . 143
8.4 Limites et applications . . . 153
8.5 Recommandations et perspectives . . . 154
Conclusion 157 A Calcul des coûts associés à la fermeture de routes 158 A.1 Données initiales . . . 158
A.2 Informations générales . . . 161
B Arbre de processus du tablier en aluminium sur poutres en bois 172 C Évaluation de la qualité des données de la modélisation sur OpenLCA 173 D Conception du tablier à platelage en aluminium sur poutres en bois
lamellé-collé selon le code canadien, Notice de calculs 176
D.1 Charges de conception . . . 176 D.2 Calcul des efforts dans la structure en bois lamellé-collé . . . 180 D.3 Calcul des efforts aux états limites . . . 193 D.4 Résistances des poutres lamellé-collé selon le code canadien (Canadian Wood
Council, 2017) . . . 196 D.5 Calcul des flèches admissibles . . . 200 E Calcul des coûts de construction du tablier platelage en aluminium sur
poutres en acier 203
E.1 Introduction . . . 203 E.2 Coûts directs de construction . . . 203 E.3 Coûts indirects de fermeture du pont lors de la construction . . . 206 F Calcul des coûts du tablier platelage en aluminium sur poutres en bois
lamellé-collé 209
F.1 Introduction . . . 209 F.2 Coût de construction . . . 209 F.3 Coût des opérations d’entretien . . . 213
Liste des tableaux
1.1 Conditions générales de développement des champignons sur le bois (Frenette, 2020) 14
1.2 Principes assurant la durabilité des ponts en bois (Frenette, 2020) . . . 16
1.3 Produits de finition des éléments en bois (Frenette, 2020) . . . 18
1.4 Revue de littérature, ACV environnementales . . . 32
2.1 Hypothèses sur la durée d’utilisation des différents équipements en heures par jour de travaux . . . 47
2.2 Hypothèses sur les distances de transport selon le type de matériau . . . 47
2.3 Rendement de collecte (α), de tri (ηtri) et de recyclage (ηrec) des différents matériaux, en % . . . 49
2.4 Caractéristiques des catégories de dommage (CIRAIG, 2019) . . . 52
2.5 Critères d’évaluation de la fiabilité des données . . . 56
2.6 Critères d’évaluation de la représentativité des données . . . 56
2.7 Critères d’évaluation de la contribution des données . . . 57
3.1 Critères d’utilisation de la méthode simplifiée dans le cadre du tablier platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé (CSA, 2014b) . . . 59
3.2 Classe de route (CAN/CSA S6-14, Tableau 1.1) . . . 60
3.3 Largeur carrossable en fonction du type de route (MTQ, 2016b) . . . 61
3.4 Résistances mécaniques des produits en bois lamellé-collé Nordic Lam . . . 65
3.5 Résistances mécaniques de produits corroyés courants en alliage 6005-T61 (CAN/CSA S6-14) . . . 66
3.6 Résistances et vérifications des poutres du tablier aluminium/bois . . . 67
4.1 Coefficients correctifs utilisés pour le calcul de la résistance des assemblages (CSA, 2014a) . . . 73
4.2 Données nécessaires aux calculs des portances locales pour le dimensionnement de l’assemblage entre la partie fixe de la bride et la poutre en bois lamellé-collé . . . 74
4.3 Liste des modes de résistance latérale du tire-fond . . . 74
5.1 Caractéristiques du pont considéré pour l’étude déterministe . . . 82 5.2 Caractéristiques des opérations de construction et d’entretien du tablier de pont
5.4 Masse totale des différents composants pour une application de Bimagrip LS . . . . 90
5.5 Modélisation de la fabrication de 1 kg de Bimagrip LS . . . 90
5.6 Facteurs de monétarisation de la méthode Stepwise2006 convertis en $ et $ CAD . . 92
6.1 Coûts de construction du tablier platelage en aluminium sur poutres en acier en 2020 94 6.2 Coût direct des opérations d’entretien du tablier à platelage en aluminium sur poutres en acier . . . 96
6.3 Coût indirect de fermeture de route du aux opérations d’entretien du tablier à platelage en aluminium sur poutres en acier . . . 96
6.4 Coûts de construction du tablier platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé en 2020 . . . 98
6.5 Coût direct des opérations d’entretien du tablier à platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé . . . 100
6.6 Coût indirect de fermeture de route des opérations d’entretien du tablier à platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé . . . 100
7.1 Réduction des impacts environnementaux grâce à l’utilisation d’une charpente en bois au détriment d’une charpente en acier selon les quatre catégories de dommages . . . 110
8.1 Sensibilité au taux d’actualisation du CCV (Coût du Cycle de Vie) des tabliers . . . 124
8.2 Sensibilité au DJMA du CCV des tabliers . . . 127
8.3 Sensibilité au DJMA du CCV des tabliers selon les pôles de dépense pour un DJMA de 250 en comparaison au DJMA de référence de 2 500 . . . 129
8.4 Sensibilité au taux d’augmentation du DJMA du CCV des tabliers . . . 130
8.5 Sensibilité à la longueur du détour du CCV des tabliers . . . 132
8.6 Plan orthogonal de Taguchi, L27 . . . 134
8.7 Qualification de la qualité des données . . . 144
8.8 Paramètres de la loi de distribution probabiliste triangulaire concernant les taux utilisés au cours de l’étude de la fin de vie des tabliers . . . 146
8.9 Simulation de Monte Carlo, en fonction des catégories de dommage . . . 146
A.1 Nombre de véhicules en service de 1978 à 2017 (de l’assurance automobile du Québec, 2018) . . . 160
A.2 Paramètres nécéssaires au calcul du coût lié à la perte de temps (MTQ, 2016a) . . . 162
A.3 Valeur horaire du temps α en fonction du type de véhicule et du type d’activité (MTQ, 2016a) . . . 162
A.4 Coût d’utilisation du véhicule en fonction de la distance (γ) (MTQ, 2016a) . . . 163
A.5 Coût du carburant en fonction de la distance et de la vitesse (β) (MTQ, 2016a) . . . 164
A.6 Paramètres nécéssaires au calcul du coût d’utilisation du véhicule . . . 165
A.7 Taux moyen d’émissions atmosphériques et d’émissions de GES pour un véhicule léger circulant sur une autoroute (ti,v´ehicule) (MTQ, 2016a) . . . 166
A.8 Taux moyen d’émissions atmosphériques et d’émissions de GES pour un camion régulier circulant sur une autoroute (ti,camion) (MTQ, 2016a) . . . 167
A.9 Coûts des polluants atmosphériques (δi) (MTQ, 2016a) . . . 167
A.11 Coût des émissions de GES de 2015 à 2096 (δGES), valeurs extrapolées . . . 170
A.12 Paramètres nécéssaires au calcul du coût d’émissions de GES . . . 171
C.1 Qualification de la qualité des données . . . 173
C.2 Qualification de la qualité des données . . . 175
D.1 Charges permanentes appliquées sur les poutres en bois lamellé-collé . . . 177
D.2 Coefficients utilisés dans le calcul des charges de vent . . . 180
D.3 Efforts non pondérés dus aux charges permanentes . . . 180
D.4 Détail des efforts non pondérés dus aux charges permanentes . . . 181
D.5 Coefficients utilisés dans le cadre des fractions de charge d’un pont à dalle sur poutres en acier . . . 183
D.6 Coefficients utilisés dans le cadre des fractions de charge d’un pont à platelage en aluminium sur poutres en acier . . . 183
D.7 Coefficients utilisés dans le cadre des fractions de charge d’un pont platelage en bois sur poutres en bois . . . 183
D.8 Coefficients utilisés dans le cadre des fractions de charge d’un pont platelage en bois sur poutres en acier . . . 184
D.9 Ajustement des coefficients utilisés dans le cadre des fractions de charge d’un pont platelage en aluminium sur poutres en acier . . . 185
D.10 Fractions de charge de camion d’un pont à dalle sur poutres en acier . . . 185
D.11 Fractions de charge de camion d’un pont platelage en bois sur poutres en bois . . . . 186
D.12 Fractions de charge de camion d’un pont platelage en bois sur poutres en acier . . . 186
D.13 Fractions de charge de camion d’un pont platelage en aluminium sur poutres en acier selon la norme CAN/CSA S6.14 . . . 186
D.14 Fractions de charge de camion optimisée d’un pont platelage en aluminium sur poutres en acier . . . 187
D.15 Moment fléchissant maximal ML dû à la surcharge routière aux différents états ultimes 190 D.16 Effort tranchant maximal VLdû à la surcharge routière aux différents états ultimes . 191 D.17 Moment fléchissant et effort tranchant non pondérés générés par les charges de vent sur les poutres extérieures et les poutres intérieures . . . 193
D.18 Moment longitudinal maximum aux états limites . . . 196
D.19 Cisaillement longitudinal maximum aux états limites . . . 196
D.20 Coefficients partiels applicables au bois lamellé-collé, CSA O86-14 . . . 197
D.21 Flèche à mi-portée du à la surcharge routière . . . 202
E.1 Détail des coûts d’extrusion du platelage en aluminium du tablier aluminium sur poutres en acier en 2020 . . . 204
E.2 Détail des coûts des matrices d’extrusion du platelage sur poutres en acier actualisés en 2020 . . . 204
E.3 Détail des coûts de construction du tablier platelage en aluminium sur poutres en acier en 2020 . . . 206
F.1 Détail des coûts d’extrusion du platelage en aluminium du tablier aluminium sur
poutres en bois lamellé-collé en 2020 . . . 210 F.2 Détail des coûts des matrices d’extrusion du platelage sur poutres en bois lamellé-collé 210 F.3 Détail des coûts des soudures FSW en 2020 pour le platelage en aluminium sur poutres
en bois . . . 211 F.4 Détail des coûts de fabrication des brides en aluminium pour le platelage en aluminium
sur poutres en bois en date de 2020 . . . 212 F.5 Détail des coûts de construction du tablier platelage en aluminium sur poutres en
bois lamellé-collé en 2020 . . . 213 F.6 Coûts liés à la fermeture de route initiale actualisés en 2020 dans le cadre de l’étude
déterministe du pont aluminium-bois . . . 213 F.7 Coûts des opérations d’entretien des poutres en bois lamellé-collé au cours de la durée
Liste des figures
1.1 État des chaussées du réseau routier supérieur (MTQ, 2019) . . . 5
1.2 Rapport de visite du pont Little Buffalo Creek, après 19 ans d’usage (Beaulieu et al., 2015) . . . 10
1.3 Rapport de visite de l’état du tablier du pont de Saint-Ambroise (Desjardins, 2019) . 11 1.4 Rapport de visite de l’état de la surface de roulement du pont de Saint-Ambroise (Desjardins, 2019) . . . 12
1.5 Protection contre les intempéries respectant un angle de 30° (Frenette, 2020) . . . . 17
1.6 Petites gerces de séchage du bois et noircissement du bois 5% du pont d’Albanel (MTQ, 2018e) . . . 21
1.7 Petites gerces de séchage du bois et décollement des lamelles de bois du pont de Sainte-Thècle (MTQ, 2018f) . . . 22
1.8 Vue d’ensemble du pont Mistissini (Nordic Structures, 2014) . . . 23
1.9 Périmètre du coût global étendu et du coût global (ISO, 2017) . . . 24
1.10 Étapes de la réalisation d’une ACCV . . . 25
1.11 Coût de chaque phase du cycle de vie des différents tabliers avec un taux d’actualisation de 3 % (Maadi Group, 2015) . . . 27
1.12 Étapes de la réalisation d’une ACV . . . 31
2.1 Définition des trois paramètres utilisés dans l’étude . . . 36
2.2 Extrusion du platelage du pont aluminium-acier (Djedid et al., 2018) . . . 37
2.3 Géométrie du pont à platelage en aluminium et poutres en acier (Pedneault et al., 2019) 38 2.4 Évolution de la valeur actualisée de 1 $ sur 75 ans pour différents taux d’actualisation 42 2.5 Évolution du taux d’actualisation décroissant i sur 150 ans . . . 43
2.6 Arbre des processus génériques du tablier platelage en aluminium sur poutres en bois 45 2.7 Approche du recyclage en fin de vie . . . 49
2.8 Agrégation des catégories d’impacts en catégories de dommages selon la méthode IMPACT 2002+ (CIRAIG, 2019) . . . 51
3.1 Extrusion du platelage, tablier aluminium/bois (REGAL, 2020) . . . 62
3.2 Choix de la glissière de sécurité pour le tablier en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé, Glissière 210A (MTQ, 2017) . . . 64
4.2 Jeu entre les deux éléments du système de connexion . . . 70 4.3 Disposition des tire-fonds sur la partie fixe de la bride d’assemblage . . . 72 4.4 Déformation du platelage en aluminium sous l’effet du gradient de température . . . 77 4.5 Montage des brides d’assemblage sur la portion de pont expérimentale (Djedid, 2020) 78 4.6 Montage expérimental . . . 78 4.7 Dispositif expérimental pour la prise des mesures . . . 79 4.8 Évolution de la température en fonction du temps d’observation . . . 80 5.1 Calendrier des opérations d’entretien et de remplacement du tablier aluminium-acier 84 5.2 Calendrier des opérations d’entretien et de remplacement du tablier aluminium-bois 86 5.3 Pont de référence permettant l’estimation de la mise en place sur chantier des éléments
en bois lamellé-collé . . . 87 6.1 Répartition des coûts liés à la production du tablier platelage en aluminium sur
poutres en acier . . . 94 6.2 Répartition des coûts directs et indirects liés à la construction d’un tablier à platelage
en aluminium sur poutres en acier . . . 95 6.3 Répartition des coûts liés à la perte de temps, à l’utilisation des véhicules et à l’émission
de polluants atmosphériques, sur le coût total de fermeture de route au cours des
opérations d’entretien du pont aluminium-poutres en acier . . . 97 6.4 Répartition des coûts liés à la production du tablier aluminium sur poutres en bois
lamellé-collé . . . 98 6.5 Répartition des coûts directs et indirects liés à la construction d’un tablier platelage
en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé . . . 99 6.6 Analyse des coûts du cycle de vie avec fermeture de route, étude déterministe . . . . 101 6.7 Répartition des coûts par phase de cycle de vie des tabliers à platelage en aluminium
sur poutres en acier et à platelage en aluminium sur poutres en bois, avec fermeture
de route initiale . . . 102 6.8 Répartition des coûts par pôle de dépenses des tabliers à platelage en aluminium sur
poutres en acier et à platelage en aluminium sur poutres en bois, avec fermeture de
route initiale . . . 103 6.9 Analyse des coûts du cycle de vie sans fermeture de route initiale, étude déterministe 104 6.10 Répartition des coûts par phase de cycle de vie des tabliers à platelage en aluminium
sur poutres en acier et à platelage en aluminium sur poutres en bois, sans fermeture
de route initiale . . . 105 6.11 Répartition des coûts par pôles de dépenses des tabliers à platelage en aluminium sur
poutres en acier et à platelage en aluminium sur poutres en bois, sans fermeture de
route initiale . . . 106 7.1 Analyse de contribution des deux tabliers à platelage en aluminium, périmètre 1 . . 109 7.2 Analyse comparative de contribution des tabliers aluminium/bois et béton/acier,
périmètre 1 . . . 111 7.3 Analyse de contribution des deux tabliers à platelage en aluminium, périmètre 2 . . 113 7.4 Analyse de contribution des tabliers aluminium/ bois et béton/acier, périmètre 2 . . 115
7.5 Analyse de contribution des deux tabliers alternatifs à platelage en aluminium,
péri-mètre 3 . . . 117
7.6 Comparaison des impacts environnementaux, tablier aluminium/bois vs béton/acier, périmètre 3 . . . 118
7.7 Comparaison des coûts des tabliers avec monétarisation des impacts environnementaux, méthode StepWise2006 . . . 120
7.8 Comparaison des coûts des tabliers avec monétarisation des impacts environnementaux, Guide Avantages-Coûts du MTQ . . . 121
8.1 Évolution des CCV des deux tabliers en fonction du taux d’actualisation . . . 125
8.2 Évolution de l’écart entre les CCV des deux tabliers en fonction du taux d’actualisation 126 8.3 Évolution des CCV des deux tabliers en fonction du DJMA . . . 128
8.4 Évolution des CCV des deux tabliers en fonction du taux d’augmentation du DJMA 131 8.5 Évolution des CCV des deux tabliers en fonction de la longueur du détour . . . 133
8.6 Influence des paramètres DJMA et Ld´etour . . . 135
8.7 Variation de l’écart de coût en fonction du DJMA et de Ld´etour . . . 136
8.8 Influence des paramètres DJMA et Taux d’actualisation . . . 137
8.9 Variation de l’écart de coût en fonction du DJMA et du taux d’actualisation . . . 138
8.10 Répartition des coûts du cycle de vie des deux tabliers, selon les types de coûts . . . 140
8.11 Répartition des coûts du cycle de vie des deux tabliers à platelage en aluminium, selon les types de coûts . . . 141
8.12 Répartition des coûts du cycle de vie des solutions alternatives et des tabliers conven-tionnels, selon les types de coûts . . . 142
8.13 Impacts environnementaux de la production d’aluminium primaire par pays (Associa-tion de l’aluminium au Québec, 2010) . . . 147
8.14 Analyse de contribution des tabliers aluminium/bois avec une production américaine et une production québécoise d’aluminium, périmètre 2 . . . 149
8.15 Analyse de contribution des tabliers aluminium/bois avec une production américaine d’aluminium et béton/acier, périmètre 2 . . . 151
8.16 Comparaison des profils environnementaux, méthode ReCiPe et méthode IMPACT 2002+, périmètre 3 . . . 152
A.1 Évolution du taux d’augmentation du nombre de véhicules entre 1978 et 2017 (de l’as-surance automobile du Québec, 2018) . . . 159
A.2 Évolution des coûts des émissions de GES entre 2015 et 2044 (MTQ, 2016a) . . . . 169
B.1 Arbre de processus du tablier aluminium/poutres en bois lamellé-collé . . . 172
D.1 Camion CL-W, CAN/CSA S6-14 . . . 178
D.2 Moment fléchissant maximal dû à la surcharge routière en fonction de la portée, tableau 3.2.3 du Manuel de conception des structures (MTQ, 2016b) . . . 188 D.3 Moment fléchissant maximal dû à la surcharge routière en fonction de la portée,
D.5 Distribution des charges de vent verticales sur les poutres extérieures et intérieures
sous le logiciel SAFI . . . 193 D.6 Limites de flèche pour les vibrations de l’ossature des ponts routiers (MTQ, 2016b) . 201 E.1 Répartition des coûts liés à la production du platelage du pont à platelage aluminium
sur poutres en acier . . . 205 E.2 Répartition des coûts liés à la perte de temps, à l’utilisation des véhicules et à l’émission
de polluants atmosphériques, sur le coût total de fermeture des routes au cours des
Remerciements
Ce projet de recherche a été initié par Mario Fafard et le centre d’expertise sur l’aluminium avec la participation de Nordic Structures.
J’aimerais remercier tout particulièrement mon directeur de recherche Marc Oudjene pour m’avoir fait confiance dans la réalisation de ce projet. Par son soutien, sa disponibilité et ses conseils, j’ai pu mener à bien ma maîtrise et acquérir de nombreuses connaissances dans le domaine des ponts et des matériaux aluminium et bois. Je tiens également à remercier Mario Fafard, Charles-Darwin Annan ainsi que David Conciatori pour leur aide au cours du projet.
Je souhaite remercier par le suite l’entreprise Nordic Structures, en particulier Louis-Philippe Dumont pour son suivi régulier et ses connaissances dans le domaine du bois lamellé-collé qui m’ont permis d’avancer sur ce projet.
Je souhaite également remercier Hugues Ferland, technicien expert à l’Université Laval pour la réalisation des essais en laboratoire.
Mes remerciements vont aussi à Amar Djedid pour sa patience et ses explications qui m’ont été très utiles au cours de mon projet. Je remercie également Victor Desjardins pour ses explications concernant l’aluminium et sa visite des ponts d’Arvida et de Saint-Ambroise.
Ce projet s’inscrit dans le programme du Centre de recherche sur l’aluminium (REGAL) ; je remercie le centre pour son soutien.
Enfin, je souhaite remercier le soutien financier de MITACS et du Centre d’expertise sur l’alu-minium (CeAl) de la grappe AluQuébec.
vil de l’Université Laval pour leur bonne humeur et leur aide précieuse tout au long de ce projet, ainsi qu’aux différents amis qui m’ont soutenue.
Introduction
Mise en contexte
Ce projet s’inscrit dans la valorisation de l’aluminium et du bois dans les ouvrages d’art. Ces deux matériaux font aujourd’hui partie d’un programme de valorisation au Québec. La Stratégie québécoise du développement de l’aluminium (Gouvernement du Québec, 2015) a trois objectifs majeurs : « la mise en place d’un environnement favorable à la transformation de l’aluminium », « le renforcement de la filière québécoise » et « l’assurance de la compétitivité des entreprises québécoises ». D’une façon similaire, la Charte du bois du gouvernement du Québec (MRN, 2013) a pour but de « valoriser la ressource forestière dans le construction » en « renforçant la filière québécoise » et en « acquérant de nouvelles compétences en construction en bois ».
Plus précisément, l’objectif de ce projet est de promouvoir l’utilisation de ces deux matériaux dans la construction et la réhabilitation des ponts routiers.
L’utilisation du bois et de l’aluminium dans les ponts routiers peut prendre plusieurs formes. Le bois lamellé-collé tout comme l’aluminium peuvent être utilisés comme platelage ou comme poutres. Ces deux matériaux peuvent être utilisés dans des contextes différents à savoir la réhabilita-tion, le remplacement d’un platelage existant par un platelage neuf ou encore la construction de ponts neufs. Cette troisième option est ici étudiée. L’utilisation de l’aluminium comme platelage étanche qui protège les poutres en bois lamellé-collé des intempéries prend alors tout son sens. L’aluminium et le bois sont, de plus, des matériaux adaptés à la préfabrication. Il est envisageable de concevoir des structures facilement transportables et assemblables rapidement sur chantier. Cette spécificité aura des conséquences sur les retombées environnementales et économiques.
Problématique et objectifs
L’objectif principal de ce projet est d’évaluer les potentiels avantages économiques et environnemen-taux d’un pont à platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé. La finalité repose sur l’obtention de solutions durables et économiquement viables dans le cadre de la construction de ponts routiers.
Encore aujourd’hui, la plupart des projets de construction sont décidés d’un point de vue court-termiste, au détriment de ceux plus innovants qui s’inscrivent dans une logique de développement durable, dont les bénéfices apparaissent au cours du cycle de vie du pont. C’est notamment le cas de l’aluminium et du bois lamellé-collé qui sont encore peu utilisés malgré leurs avantages. L’aluminium est, en effet, un matériau léger, avec une mise en place rapide, une production locale au Québec ainsi qu’une possibilité de recyclage. Mais, en raison du manque de connaissances et de son coût initial de construction élevé, il est encore peu utilisé. Le bois lamellé-collé est également un matériau local au Québec, recyclable et qui présente une bonne résistance mécanique. Mais, des mesures constructives particulières ainsi qu’un traitement régulier des éléments sont nécessaires pour éviter la détérioration du bois à cause des intempéries. Ainsi, les avantages potentiels de ces matériaux comme leur nombre faible d’opérations d’entretien sur toute leur durée de vie ou encore leur préfabrication possible et leur recyclage sont délaissés dans le cadre d’une vision à court terme, afin de privilégier des matériaux aux coûts initiaux de construction plus faibles. Pourtant, ces matériaux plus économiques nécessitent souvent davantage d’entretien sur toute leur durée de vie, déplaçant les coûts sur des horizons plus lointains. Ces solutions qui semblent économiques ne le sont donc pas tant sur le long terme. Afin d’éviter cette vision biaisée, une méthode d’arbitrage est utilisée : celle de l’analyse de cycle de vie. Cette méthode comptabilise l’ensemble des coûts de la structure sur la totalité de son cycle de vie (ACCV). Les étapes engendrant des coûts sont notamment l’extraction des matériaux, le transport des matériaux de l’usine au lieu de chantier, la construction, l’entretien, et la gestion en fin de vie (démolition et recyclage). Une étude similaire est réalisée sur les impacts environnementaux (ACV)
de chacune des étapes du cycle de vie du pont. Ce projet est alors subdivisé en objectifs spécifiques :
•
Conception d’un tablier de pont routier composé d’un platelage en aluminium sur poutres en bois lamellé-collé ;•
Analyse de l’ensemble des coûts de la structure sur la durée totale du cycle de vie et comparaison avec un pont à platelage en aluminium sur poutres en acier ;•
Analyse des impacts environnementaux des deux ponts sur la durée totale de leur cycle de vie ;•
Mise en relation des résultats (étude économique et environnementale) afin d’obtenir un portrait global de la situation.Structure du document
Ce document est composé de huit chapitres dont le contenu est le suivant.
1. Le premier chapitre est une revue de la littérature sur la situation actuelle des ponts routiers au Québec. Des détails concernant les éléments en bois et en aluminium y sont également décrits. Ce chapitre s’intéresse également aux analyses économiques et environnementales qui ont d’ores et déjà été réalisées sur ces ouvrages.
2. Le deuxième chapitre présente la méthodologie des analyses de cycle de vie menées au cours de ce projet.
3. Le troisième chapitre concerne la conception du pont-type aluminium sur poutres en bois lamellé-collé.
4. Le quatrième chapitre étudie la conception des brides d’assemblage entre le platelage en aluminium et les poutres en bois lamellé-collé.
5. Le cinquième chapitre recense toutes les données collectées nécessaires à la réalisation des analyses de cycle de vie.
6. Le sixième chapitre se compose de l’analyse des coûts du cycle de vie.
7. Le septième chapitre comprend l’évaluation des impacts environnementaux du cycle de vie. 8. Le huitième chapitre correspond à l’interprétation des résultats obtenus à la suite des études
économique et environnementale. Ces interprétations sont complétées par des analyses de sensibilité qui permettent de vérifier la robustesse des résultats obtenus.
Chapitre 1
Revue de la littérature
Le ministère des Transports du Québec (MTQ) cherche aujourd’hui à rénover son parc routier. Différentes possibilités s’offrent à lui avec notamment l’utilisation du bois ou de l’aluminium qui semblent être deux matériaux d’avenir dans la construction d’ouvrages d’art. Dans la cadre de ce projet, la possibilité d’une solution combinant l’aluminium et le bois est étudiée et comparée par la suite à des solutions plus classiques en acier. Afin d’évaluer et de comparer les coûts et impacts environnementaux de ponts à platelage en aluminium et poutres en bois lamellé-collé, il est essentiel de s’intéresser à l’état actuel du parc de ponts routiers au Canada, notamment celui des ponts construits à l’aide de ces deux matériaux. La durabilité de l’aluminium et du bois dans les ouvrages d’art sera en particulier étudiée car elle conditionne l’entretien et la durée de vie des ponts, et par extension les coûts totaux de possession et les impacts environnementaux du tablier de pont. Enfin, les résultats des différentes études économiques et environnementales qui ont déjà été menées sur des ponts en aluminium et des ponts en bois seront décrits.
1.1
État actuel du parc des ponts routiers au Québec
D’après le rapport annuel 2018-2019 du Ministère des transports (MTQ, 2019), le réseau routier québécois comporte 5 454 structures. Le réseau municipal possède, lui, 4 265 ponts sous la gestion du MTQ. Plus de 70 % de ces structures ont été construites entre 1960 et 1980. Or, les travaux de réfection sont généralement nécessaires après 25 ans d’utilisation. C’est pourquoi, le MTQ investit depuis quelques années dans la remise aux normes des structures existantes. Ainsi, des investissements au cours de l’année 2018-2019 ont été réalisés afin d’assurer la modernisation, la réfection et la préservation des structures routières afin d’en assurer la pérennité. Près de 721,8 millions de dollars ont été consacrés à la conservation des chaussées. Grâce à ces investissements, l’état de la chaussée est considéré comme bon sur 78,2 % du réseau routier québécois en 2018. Néanmoins, les travaux de
réfection réalisés sur les chaussées déficientes n’ont pas été suffisants pour contrer la dégradation naturelle du réseau et donc atteindre la proportion de chaussée en bonne état ciblée à 79,8 %. Cette réalité est visible sur la figure 1.1.
Figure 1.1 – État des chaussées du réseau routier supérieur (MTQ, 2019)
Face aux entretiens réguliers des ponts actuels, des réflexions autour de la durabilité et autour des impacts environnementaux et économiques des matériaux de construction actuels émergent. Aujourd’hui, les matériaux de construction les plus couramment utilisés pour les ponts au Québec sont le béton et l’acier. La production de ces matériaux a un fort impact environnemental et contribue à la raréfaction des ressources non renouvelables. De plus, les coûts liés à leur installation et leur entretien (fermeture des routes) sont élevés (Pedneault et al., 2019).
Néanmoins, d’autres matériaux de construction sont envisageables pour la construction d’ouvrages d’art et ont à priori une empreinte environnementale plus faible. Par exemple, le bois apparait comme une ressource renouvelable qui est utilisée comme puits de carbone. L’aluminium, quant à lui, est un matériau recyclable, produit à l’aide d’hydro-électricité au Québec ce qui lui assure un impact carbone relativement faible. Malgré tout, l’utilisation de ces matériaux est encore embryonnaire au Québec puisque seuls quelques ponts utilisent aujourd’hui le bois pour leur système structural (poutres). Seul un pont utilise de l’aluminium pour sa superstructure (Pont d’Arvida) et un seul
également pour son platelage (Pont de Saint Ambroise).
de bâtiments et d’infrastructures à des fins de développement d’une industrie et d’une expertise québécoise. La filière bois est, de plus, un secteur économique majeur au Québec : le secteur du bois et du papier compte 60 000 emplois en 2019 répartis dans l’exploitation ou dans les industries de transformation, dans la plupart des régions du Québec.
De même, l’industrie de la production et de la transformation de l’aluminium est une force écono-mique majeure au Québec. Près de 30 000 emplois sont générés grâce à cette filière et les exportations se chiffrent à 7,1 milliards de dollars en 2019. Dès lors, l’utilisation du bois et de l’aluminium dans les infrastructures routières fournirait des débouchés économiques supplémentaires à ces deux industries.
1.2
Utilisation de l’aluminium dans la construction de ponts
routiers
1.2.1 Avantages de l’aluminium dans la construction
L’aluminium est aujourd’hui apprécié notamment dans les secteurs des infrastructures et des transports en raison de sa longue durée de vie, de sa faible nécessité d’entretien et de sa contribution à la performance énergétique. Les caractéristiques intéressantes de l’aluminium dans la construction (Viami International Inc and The Technology Strategies Group, 2013) sont les suivantes :
Un poids faible en comparaison avec la résistance : L’aluminium est une solution de rem-placement de choix afin de réduire la masse des structures. La densité de l’aluminium (2.7) est trois fois plus faible que celle de l’acier (7.8) ce qui permet de concevoir des tabliers de ponts bien plus légers. L’aluminium permet donc de réduire la charge à vide ce qui augmente la charge utile admissible en conservant les mêmes appuis et les mêmes systèmes porteurs. Ceci est un avantage majeur dans la réhabilitation et la mise aux normes d’anciens ponts et donc un avantage majeur dans le marché du transport.
Une résistance à la corrosion et une bonne durabilité : Une couche d’oxyde se crée natu-rellement à la surface de l’aluminium au contact de l’air. Cette passivation naturelle joue le rôle de barrière entre l’atmosphère et l’aluminium, ce qui protège les alliages d’aluminium de la corrosion. Il n’est donc pas nécessaire de peindre les ouvrages d’aluminium ce qui diminue les coûts d’entretien des tabliers de ponts. Cela correspond à un des atouts majeurs de l’aluminium par rapport à l’acier et au béton. Toutefois, il est important de sélectionner correctement les alliages ainsi que les méthodes d’assemblage afin d’assurer au maximum la durabilité de l’aluminium.
Une rapidité de mise en place : L’aluminium ne nécessite aucun coffrage, contrairement au béton, et peut être transporté par camion et par grue en raison de son faible poids. Cette
préfabrication et rapidité de mise en place permettent de réduire grandement le temps de fermeture des routes lors de la mise en place des ponts.
Une bonne résistance à basse température : À basse température, la résilience de l’alumi-nium augmente, l’alumil’alumi-nium n’est donc pas fragile ce qui diminue les risques de rupture fragile. Ceci rend l’aluminium particulièrement bien adapté au contexte climatique québécois.
Une facilité de conception : Métal ductile, l’aluminium est facile à laminer, à forger et à extru-der. De plus, les extrusions peuvent être faites sur mesure selon le design du concepteur à un coût raisonnable. Cela permet d’obtenir des formes complexes et optimisées et un esthétisme (caractéristique indispensable pour certains ouvrages).
Un recyclage facile : L’extraction de la bauxite et l’electrolyse de l’alumine nécessite une énergie d’environ 12 GJ par tonne d’aluminium produit (The International Aluminium Institute, 2012) mais le recyclage de l’aluminium est très facile et permet donc une réduction des impacts environnementaux. En effet, l’aluminium se recycle entièrement et à l’infini, ce qui le rend écologique. Le recyclage de ce dernier est relativement simple et requiert seulement 5 % de l’énergie utilisée pour le procédé initial d’électrolyse. Actuellement, 75 % de l’aluminium produit depuis la découverte du procédé d’électrolyse est toujours en circulation et réutilisé ou recyclé (Centre d’expertise sur l’aluminium, 2017). Cela fait de l’aluminium, un matériau écologique.
1.2.2 Limites de l’utilisation de l’aluminium dans la construction
Malgré ses nombreux avantages, l’aluminium présente néanmoins quelques inconvénients dans la construction de structures routières :
Un coût d’achat élevé : Le coût d’une pièce extrudée en aluminium est augmenté de 25 % à 75 % par rapport au coût d’une pièce équivalente en acier (Roche Ingénieurs-conseil, 2008). Le coût initial des platelages dépend de nombreux facteurs comme la conception du platelage, le coût de la main d’œuvre, de l’énergie et du matériau utilisé, mais aussi de la distance entre le fabricant et le chantier, ainsi que le nombre de platelages produits pendant une certaine période. Néanmoins, une analyse des coûts sur le cycle de vie (Maadi Group, 2015) montre que le coût à long terme compense le coût initial du projet, notamment grâce à l’absence d’opération d’entretien. Une augmentation du volume de platelages produits entrainerait, de plus, une réduction des coûts chez les fournisseurs. Cependant, encore aujourd’hui, la plupart des ministères et départements de transport accorde une importance plus grande au coût initial des projets en raison de leurs contraintes budgétaires. Cela limite donc l’utilisation des
solutions qui sont privilégiées. Des efforts de marketing associés à l’ajout de sections traitant spécifiquement de l’aluminium dans les différentes normes sont essentielles pour développer les conceptions en aluminium. Par exemple, le chapitre 17 « Ouvrage en aluminium » de la norme CAN/ CSA S6-14 se montre restrictif dans le choix notamment des coefficients de sécurité et ne permet pas de tirer pleinement avantages des atouts de l’aluminium dans la construction d’ouvrages d’art.
Un risque de corrosion galvanique : La corrosion galvanique a lieu lorsque deux matériaux dont les potentiels d’oxydoréduction diffèrent l’un de l’autre, sont mis en contact électrique en présence d’un électrolyte. D’après la série galvanique, l’aluminium est moins noble que l’acier, et un des matériaux les moins nobles. Dès lors, la différence entre les potentiels électrochimiques des deux matériaux favorise la possibilité de corrosion. Lors de la mise en contact entre l’acier et l’aluminium, l’aluminium agit comme une anode et se corrode au profit de l’acier. Il est donc nécessaire d’ajouter une couche de zinc qui a un potentiel électrochimique très faible sur l’ensemble des boulons utilisés sur tout platelage en aluminium. La couche de zinc se sacrifie afin que les matériaux structuraux ne soient pas abimés. Ces dispositions de protection de l’aluminium ajoutent un coût supplémentaire.
Une résistance à la fatigue faible : La résistance à la fatigue de l’aluminium est moindre que celle de l’acier. Pour des platelages extrudés en aluminium, le soudage entraîne un ramollissement dans les zones affectées thermiquement où la résistance mécanique sera donc plus faible, entraînant une propagation des fissures par fatigue. Une nouvelle méthode de soudage FSW (soudage par friction malaxage) permet d’effectuer les soudures à l’état solide et diminue ainsi
la baisse de résistance mécanique au niveau des soudures.
1.2.3 Utilisation de l’aluminium dans la construction de ponts routiers
Les débuts de la construction de ponts routiers en aluminium sont documentés. Les premières traces d’aluminium dans un pont remontent à l’année 1933. En effet, c’est à cette date que le tablier d’acier et de bois du pont « Smitchfield Street » de Pittsburg est remplacé par un tablier en aluminium beaucoup plus léger. Le tablier en alliage 2014-T6 est conservé jusqu’en 1967 où il est remplacé par un alliage d’aluminium 6061-T6 qui offre une meilleure résistance à la corrosion. Ce nouveau tablier est resté en service jusqu’en 1995. Depuis cette première construction, une soixantaine de ponts ont été construits en utilisant de l’aluminium, notamment en Europe et aux États-Unis. Au Canada, seuls deux ponts utilisent l’aluminium :
— le pont Arvida, à Saguenay, au Québec, qui a été construit par la société ALCAN en 1950 et qui est à ce jour le pont en aluminium le plus long au monde avec une portée centrale de 88.4 m;
Depuis les années 1990, la réflexion autour de l’utilisation de l’aluminium dans le domaine des ponts ne cesse de se développer notamment grâce aux capacités intrinsèques du matériau mais également aux nouvelles technologies de soudage. Des études ont été réalisées en particulier sur un platelage orthotrope du pont de Smithfield (1967) et sur le platelage de Svensson qui a été utilisé sur plus de trente-cinq ponts. Ces derniers concluent sur le possibilité d’utiliser l’aluminium dans la construction de pont tout en faisant attention au critère limitant de son utilisation qu’est la fréquence de vibration. Des études de coûts ont également été réalisées mais ne se révèlent pas propices à l’utilisation des platelages en aluminium notamment à cause de leur coût initial particulièrement élevé. L’analyse des coûts du cycle de vie prend alors ici tout son sens afin de réaliser une comparaison des coûts globaux des différents ponts sur leur durée de vie complète.
1.2.4 Étude des ponts utilisant de l’aluminium structural
A l’aide d’inspections et de retours d’expériences réalisés sur les ponts en aluminium existants, il est possible de déterminer les opérations d’entretien nécessaires et la durée de vie d’un platelage en aluminium dans les conditions extrêmes du climat québécois. Les résultats des différentes inspections réalisées par l’association de l’aluminium du Québec et AluQuébec (Beaulieu et al., 2015) sont résumés dans cette section et mettent en avant la durabilité de l’aluminium comme matériau de construction. Un retour d’expérience sur le pont de Saint-Ambroise en 2018 vient compléter cette étude.
Pont de Little Buffalo Creek, Virginie, USA
Construit en 1996 près de Clarksville en Virginie sur une route très passante, ce pont fait 16.7 m de longueur pour une largeur de 9.75 m. Des camions lourds et des véhicules chasse-neige similaires aux véhicules québécois empruntent régulièrement ce pont.
Le platelage est constitué de deux panneaux préfabriqués. Ces panneaux ont un profilé extrudé en alliage 6063-T6 de huit pouces développé par Reynolds Metals. Les profilés ont été soudés à l’arc selon le procédé MIG puisque le soudage par friction-malaxage n’était pas disponible aux États-Unis. Le platelage travaille ici de façon mixte avec quatre poutres en acier sur lesquelles sont soudés des goujons.
En 2015, soit 19 ans après la construction du platelage en aluminium, AluQuébec accompagné de l’association de l’aluminium au Québec, ont réalisé une visite de ce pont. Le rapport de visite fait état des constatations suivantes (Beaulieu et al., 2015) :
— Le revêtement du tablier en époxy-granulat commence à montrer des signes d’usure comme le montre la figure 1.2b ;
— Le platelage en aluminium est encore en parfait état.
(a) Corrosion des boulons en acier galvanisé sous le platelage
(b) Usure partielle du revêtement du tablier de pont
Figure 1.2 – Rapport de visite du pont Little Buffalo Creek, après 19 ans d’usage (Beaulieu et al., 2015)
Pont de Saint-Ambroise, Québec, Canada
La construction du pont à platelage en aluminium de Saint-Ambroise (P-17948) en 2014 fait partie d’un projet pilote dont les objectifs fixés par le MTQ (Fortin, 2018) sont les suivants :
1. Vérifier la faisabilité de construction d’un tablier de pont à platelage en aluminium au Québec ; 2. Étudier le comportement en conditions hivernales d’un platelage en aluminium sur poutres
d’acier ;
3. Évaluer si un platelage en aluminium breveté peut s’adapter facilement aux exigences d’un projet routier spécifique ;
4. Établir un banc d’essai pour une surface de roulement constituée d’un revêtement antidérapant mince ;
5. Évaluer à long terme si l’utilisation d’un platelage composé d’extrusions d’aluminium soudées, en principe étanche, réduit les besoins en entretien sur les poutres d’acier.
Le pont pilote a été construit en 2014-2015 en remplacement d’un pont acier-bois. Il est situé au dessus du ruisseau Williams, sur le 9 ème rang de la municipalité de Saint-Ambroise, proche de Saguenay. La route qui emprunte le pont est une route locale à faible débit de circulation : le débit journalier moyen est de 125 véhicules selon les données de l’inventaire des structures du ministère des Transports (MTQ, 2017). Le platelage en aluminium du pont repose sur cinq poutres principales en acier qui sont appuyées sur des culées en béton. Le platelage mesure 10 m de long
et 7.5 m de large. Il est composé de deux panneaux reliés au centre du pont par une connexion mécanique boulonnée. Ce sont des extrusions multicellulaires de 203 mm (8 pouces) de hauteur soudées entre elles par friction-malaxage qui composent le platelage. Ce dernier a été dimensionné par la société américaine AlumaBridge. Une couche d’époxy-granulats Bimagrip LS (VinMar, 2009) est utilisée pour la surface de roulement. La connexion entre le platelage et les poutres est assu-rée par des brides de fixation en acier galvanisé connectées au platelage au moyen de boulons aveugles. En juillet 2018 et juillet 2019, des visites réalisées par des membres du Centre de recherche sur l’aluminium-REGAL et du Centre d’expertise sur l’aluminium d’AluQuébec ont permis de faire les constatations suivantes (Desjardins, 2019) :
1. Tablier
— Le platelage et la structure en acier sont en très bon état ;
— Certains boulons aveugles (galvanisés) utilisés pour connecter les brides sous le platelage présentent une corrosion légère du zinc comme le montre la figure 1.3a ;
— Une ouverture d’environ 4 cm apparaît entre le platelage et la chaussée comme cela est visible sur la figure 1.3b.
(a) Corrosion des boulons en acier galvanisé sous le platelage
(b) Espace entre le platelage et la chaussée
Figure 1.3 – Rapport de visite de l’état du tablier du pont de Saint-Ambroise (Desjardins, 2019) 2. Surface de roulement
— La surface de roulement présente une usure qui se traduit par une différence de rugosité entre les zones sous les glissières de sécurité (qui ne sont donc pas sollicitées par les roues
Figure 1.4 – Rapport de visite de l’état de la surface de roulement du pont de Saint-Ambroise (Desjardins, 2019)
En définitive, après quatre années d’utilisation, il apparaît que le comportement du pont en service est satisfaisant. Les éléments structuraux (poutres et platelage) sont encore en bon état ce qui permet de conclure sur la bonne durabilité de ce type de tablier. Un suivi sur une plus grande durée sera néanmoins nécessaire pour conforter cette conclusion. Enfin, l’usure de la surface de roulement en dépit du faible débit journalier montre la nécessité d’entretien régulier d’un tel revêtement.
1.3
Utilisation du bois dans la construction de ponts routiers
1.3.1 Avantages du bois dans la construction
Le conseil canadien du bois (Canadian Wood Council, 2017) offre une vue d’ensemble des avantages du bois comme matériau de construction des ouvrages d’art, résumée comme suit :
Un certain esthétisme : L’avantage des ponts en bois est qu’ils s’accordent avec l’environnement dans lequel ils sont construits, notamment au Canada. Les ponts en bois offrent une possibilité d’expression structurale et architecturale particulièrement adaptée au contexte canadien. Un prix compétitif : Les ponts en bois offrent un coût compétitif par rapport aux alternatives
classiques en acier ou en béton. La diminution du coût initial d’un pont en bois est dû notamment à la légèreté de ce matériau. En effet, le ratio résistance mécanique/ masse volumique du bois lamellé-collé est de 56 kN·m/kg contre 38 kN·m/kg pour l’acier (Canadian Wood Council, 2017). Cette légèreté entraine des réductions de coûts associées à des fondations plus légères, à
une installation rapide grâce à des procédés de préfabrication et donc une réduction des coûts indirects liés à des fermetures de routes.
Une bonne résistance mécanique : Il existe aujourd’hui une gamme complète de bois d’ingé-nierie fabriqués au Québec qui offrent de très bonnes propriétés mécaniques qui se prêtent bien à la construction d’ouvrages d’art. Les structures en bois d’ingénierie sont des produits de haute technologie qui ont été testés et vérifiés en laboratoire et qui offrent toute la solidité requise en service.
Un matériau écologique : En plus de provenir d’une ressource renouvelable et abondante au Québec, l’utilisation du bois dans la construction d’ouvrages d’art permet de lutter contre les changements climatiques en réduisant les gaz à effet de serre par piégeage du carbone. De plus, le procédé de fabrication du bois de construction requiert moins d’énergie comparativement à l’acier et au béton. Ainsi, un mètre cube de bois évite l’émission de 1.1 tonnes de C02eq si on
le substitue à d’autres matériaux (Canadian Wood Council, 2017).
Un matériau recyclable : La déconstruction sélective permet aujourd’hui de séparer et de trier les matériaux en vue de les recycler et de les revaloriser. Le bois traité ou usiné utilisé pour la construction de pont peut alors être déchiqueté pour en faire du paillis, des aménagements paysagers ou encore des panneaux de bois OSB (panneaux de lamelles orientées).
Un matériau issue de l’économie locale : Au Québec, les forêts publiques représentent près de la moitié du territoire. Celles-ci sont gérées et aménagées selon un ensemble de dispositions légales, réglementaires et administratives qui visent un aménagement durable du milieu forestier. De plus, le ministère des Ressources naturelles et de la Faune a défini, en 2008, la première stratégie gouvernementale d’utilisation du bois dans la construction au Québec. Cette stratégie vise à augmenter l’utilisation du bois dans les constructions publiques par le développement d’outils, par la promotion et par l’innovation autour du matériau bois. Le Québec souhaite créer des occasions d’affaires en exigeant l’élaboration de solutions structurales et architecturales en bois pour les projets de construction d’édifices publiques. Les différents secteurs de l’économie et la population sont désormais invités à considérer le bois comme un choix moderne dans un contexte de développement durable.
Un matériau répondant aux objectifs de développement durable : L’association des Trans-ports du Canada a publié en 2015 un guide des notions élémentaires du développement durable des ponts (Association des transports du Canada, 2015) dans lequel est expliquée la conception de développement durable adapté aux ponts. Le développement durable repose sur les objectifs inter-reliés qui constituent la préservation et protection de l’environnement ainsi que la
préser-naturel, matériel, financier et humain et qui peut entraîner des effets positifs et négatifs impor-tants pour l’environnement et la société tout au long de sa durée de vie. Le bois apparaît alors comme un matériau répondant aux objectifs de développement durable que sont la réduction de la quantité de matériaux neufs utilisés, l’optimisation des flux de déchets, la réduction de la consommation énergétique, la réduction des émissions atmosphériques, l’amélioration de l’économie locale et la croissance de l’efficacité du cycle de vie.
1.3.2 Limites de l’utilisation du bois dans la construction
Les différents ponts en bois qui existent aujourd’hui montrent la longévité de ces infrastructures. La pérennité des ponts est souvent liée à la réalisation de bons détails de conception adaptés au bois car la dégradation du bois en milieu extérieur demeure la limite principale à l’utilisation du bois dans la construction d’ouvrages d’art. Il existe trois formes de dégradation du bois à savoir la coloration, la moisissure et la pourriture (Frenette, 2020). Chaque forme de dégradation n’affecte pas le bois de la même façon.
La coloration et la moisissure sont des altérations superficielles du bois. Lorsque les conditions extérieures sont humides, des spores de champignons apparaissent sur la surface du bois et causent sa dégradation. Ces types d’altérations n’ont pas d’effet sur l’intégrité des propriétés mécaniques et physiques du bois, si ce n’est une modification de la couleur. Ces dégradations du bois se manifestent, en autre, par un noircissement du bois en surface.
La pourriture est causée par la présence de champignons qui dégradent la lignine dans la structure cellulaire du bois. La pourriture ne se manifeste que dans les milieux très humides. Cette détérioration affecte l’intégrité du bois et remet en question la fiabilité structurale de la structure.
Ainsi, les formes de dégradation du bois se développent dans les conditions différentes qui sont résumés dans la tableau 1.1.
Table 1.1 – Conditions générales de développement des champignons sur le bois (Frenette, 2020)
Conditions Moisissure Pourriture
Teneur en humidité du bois > 18 % > 28 % Température de 4°C à 55°C de 0°C à 40°C Humidité relative > 75-85 % 95-98 %
Les facteurs provoquant la dégradation du bois sont les suivants :
— Une variation de la teneur en humidité du bois supérieure au point de saturation des fibres cause un changement dimensionnel (retrait ou gonflement) et par conséquent une variation des
propriétés mécaniques du bois. De plus, la pourriture apparaît avec une teneur en humidité supérieure à 28 % associée à des conditions de température et d’oxygène qui favorisent la présence des champignons sur le bois. Une telle teneur en humidité est causée par une humidité relative de l’air de plus de 95 % sur une période prolongée ou par contact direct avec une source d’humidité. D’après le Guide sur la durabilité des ponts en bois (Frenette, 2020), des mesures prises lors de l’inspection de ponts en bois lamellé-collé ont démontré que la teneur en humidité des éléments structuraux protégés demeure généralement inférieure à 15 % (Frenette, 2020). Ainsi, les risques de pourriture de bois protégé sont très faibles au Québec. Malgré les conditions climatiques extrêmes rencontrées, la fiabilité structurale des éléments en bois est assurée.
— Les rayons ultraviolets (UV) dégradent également le bois lorsque ce dernier est exposé directe-ment aux rayons du soleil. Les rayons UV provoquent un séchage différentiel entre la surface et le cœur de la pièce. Ils attaquent directement la structure même du bois en dégradant la lignine et en exposant alors la cellulose aux attaques biologiques des différents champignons. Les rayons UV dégradent aussi les produits de préservation et de finition, ce qui diminue la protection du bois et favorisent les entrées d’humidité additionnelles.
— Des cycles de mouillage-séchage se créent avec les variations d’humidité, ainsi qu’avec l’exposi-tion aux rayons du soleil et aux vents. Ces cycles créent des contraintes internes de tracl’exposi-tion perpendiculaire au fil dans le bois. Ils amorcent alors un fendillement à l’échelle microscopique, ce qui entraîne l’apparition de fentes ainsi que la dégradation du produit de finition de la face exposée. L’eau peut alors pénétrer de plus en plus rapidement dans les fentes et donc profondément dans les pièces de bois, accélérant la dégradation du matériau et favorisant le développement de pourriture.
Des principes permettent d’assurer la durabilité des ponts en bois et ainsi limiter la dégradation de ce dernier. L’humidité et les rayons UV sont les principaux facteurs de dégradation du bois qui est un matériau hygroscopique. Dès lors, il est essentiel de protéger les éléments en bois de toute source d’humidité afin d’assurer leur pérennité. Généralement, il est difficile de réparer ou de remplacer les membrures d’une structure, c’est pourquoi les protections contre les sources d’humidité doivent être pensées dès la conception du pont. Une structure principale bien protégée nécessitera ainsi moins d’efforts de planification, d’inspection ou de réparation à long terme. Pour les structures extérieures, les principaux facteurs de risque qui provoquent une humidité élevée des éléments en bois peuvent être évités en suivant les principes résumés dans le tableau 1.2.
Table 1.2 – Principes assurant la durabilité des ponts en bois (Frenette, 2020) Facteurs de
dégrada-tion
Explications du facteur de dégradation
Protection contre ce fac-teur de dégradation
Exposition à la pluie directe et à l’eau
Même si l’eau coule et ne reste pas sur les membrures en bois, elle provoque la dégradation du bois ce qui peut permettre la création de gerces et l’entrée de l’eau dans le bois.
Un angle de protection de 30° par rapport à la verticale per-met d’assurer une protection contre la pluie qui serait pous-sée par le vent.
Exposition aux
rayons UV
Les surfaces qui reçoivent les rayons des UV se dégradent plus rapidement en raison de la dégradation de la lignine du bois et de l’endommagement des produit de finition.
Une protection prévue qui res-pecte un angle de 30° est suf-fisante pour protéger les mem-brures. Des produits de finition peuvent également être ajou-tés pour protéger davantage les membrures.
Infiltration d’eau par l’extrémité des mem-brures (bois de bout)
Le bois de bout est un point d’entrée d’eau vers le cœur de la pièce en bois. L’absorp-tion en bout de membrure peut causer des phénomènes de retrait et de gonflement qui provoquent le fendillement du bois, ce qui est propice au dé-veloppement de la pourriture.
Un angle de protection de 30° est nécessaire. Pour les élé-ments en porte-à-faux, il peut être intéressant de couper les éléments en bois vers l’inté-rieur afin d’obtenir un meilleur angle de protection. Les coupes en biais qui exposent les fibres coupées vers le haut sont à évi-ter. Au besoin, il est possible d’envisager une protection par des solins métalliques bien ven-tilés.
Protection du dessus des poutres
Il est nécessaire de protéger le dessus des poutres afin d’éviter toute accumulation d’eau sur la surface horizontale ainsi que les coulées d’eau répétitives sur les côtés des poutres de rive.
Un platelage étanche permet de protéger les poutres s’il offre un porte-à-faux suffisant (pro-tection étanche avec un angle de 30°).
Écoulement de l’eau et accumulation de débris
La présence d’eau et de débris aux appuis est la principale cause de gonflement et de re-trait du bois de bout qui en-traine la fissuration au niveau des attaches, la dégradation des finis de surface et éventuel-lement un phénomène de pour-riture.
Une configuration permettant un drainage efficace à l’ap-proche du pont est nécessaire afin de limiter l’arrivée d’eau et de débris.
Un point essentiel dans la protection des éléments en bois est donc une protection avec un angle 30° schématisée dans la figure 1.5
Figure 1.5 – Protection contre les intempéries respectant un angle de 30° (Frenette, 2020)
Les protections constructives sont complétées par un choix réfléchi des matériaux, des traitements et des produits de finition afin d’assurer la pérennité des ouvrages d’art en bois. Certaines essences ont une meilleure résistance à la pourriture que d’autres. La norme canadienne CAN/CSA S6-14 prévoit l’utilisation du bois de sciage selon quatre groupes d’essence ainsi que l’utilisation du bois lamellé-collé de douglas-mélèze et d’épinette-pin. La norme CAN/CSA S6-14 précise également que le bois de structure nécessite un traitement sous pression. Au Canada, la norme CAN/CSA 080 réglemente l’utilisation des produits de traitement du bois. L’Agence de réglementation de la lutte antiparasite (ARLA) et Santé Canada ont homologué des agents de préservation pour des traitements sous pression au Canada. Les conditions d’utilisation (classes d’emploi) auxquelles le bois sera exposé dictent le produit de préservation à utiliser ainsi que le degré de pénétration et de rétention requis du produit de préservation. À cela s’ajoutent des produits de finition qui peuvent offrir une protection de la surface en protégeant le bois contre les infiltrations d’eau et les rayons UV du soleil et ainsi assurer le maintien de l’intégrité de la surface du matériau. Les produits de finition sont caractérisés selon leur capacité à pénétrer le bois. Les caractéristiques des produits pénétrants (huiles et teintures) ainsi que les produits filmogènes (peintures , vernis et laques) sont décrits dans le tableau 1.3. Alors que les produits pénétrants s’imprègnent dans le bois à différentes profondeurs et remplissent les pores du bois afin que l’eau ne puisse pas s’y infiltrer, les produits filmogènes restent en surface et forment un film protecteur hydrofuge qui ne laisse pas l’eau entrer en contact avec la fibre du bois. Les produits filmogènes sont peu recommandés car les fissures qui se créent avec le temps risquent d’emprisonner l’humidité entre le bois et la couche de finition.
Table 1.3 – Produits de finition des éléments en bois (Frenette, 2020) Types de produits de
finition
Caractéristiques Durée de protection Produits pénétrants
Huiles Les huiles sont des enduits à
base de résines naturelles et de certains additifs qui pénètrent dans les pores du bois et qui offrent une protection hydro-fuge par leur polymérisation au contact de l’air.
Les huiles offrent une protec-tion aux intempéries modérée et requiert un entretien pério-dique de 1 à 3 ans qui implique un nettoyage, un sablage et une ré application du produit. Teintures Les teintures permettent de
sceller le bois contre l’humidité et lui donne une teinte autre que sa teinture naturelle.
Les teintures opaques pro-posent une protection élevée contre les intempéries et les rayons UV. Un entretien régu-lier est nécessaire tous les 3 à 10 ans en fonction de la nature et de l’opacité du produit. Produits filmogènes
Peintures Les peintures sont des enduits opaques et filmogènes aux com-positions variées. Grâce à leur film épais, les peinture offrent une bonne protection contre le vieillissement du bois mais elles forment également une couche étanche qui peut em-prisonner l’humidité.
L’entretien tous les 3 à 5 ans nécessite le décapage des an-ciennes couches écaillées et une nouvelle application du pro-duit.
Vernis et Laques Les vernis et les laques sont des produits de finition translu-cides composés de résines natu-relles ou synthétiques, d’huile et de solvants. Les vernis et laques sont peu utilisés pour les éléments structuraux en bois car ils affectent la dura-bilité.
L’entretien tous les 3 à 5 ans nécessite le décapage des an-ciennes couches écaillées jus-qu’au bois nu afin de pouvoir le vernir à nouveau.
En définitive, afin de contrer les limites de l’utilisation du bois dans la construction d’ouvrage d’art (sensibilité aux intempéries), il est nécessaire de considérer un certain nombre de protections constructives ainsi que des matériaux et des traitements adaptés. Les éléments de protection latérale
conçus pour protéger la structure principale doivent pouvoir être remplacés au besoin afin d’assurer la durabilité de l’infrastructure. Une attention particulière doit également être portée aux modes d’assemblage. Les assemblages par le dessous ou les attaches qui limitent les voies d’entrées d’eau comme les vis auto-taraudeuses sont à préconiser. Enfin, des inspections régulières permettent de s’assurer de la performance des solutions constructives choisies et d’identifier les besoins d’entretien et de nettoyage afin d’assurer la durabilité des éléments en bois.
Les charpentes en gros bois d’œuvre et d’ingénierie ont également une bonne résistance au feu. En effet, le bois perd seulement 10 à 15 % de sa résistance totale (Centre d’expertise sur la construction commerciale du bois, 2012) sous l’effet de températures extrêmes causées par un incendie. Au moment d’un incendie, une couche de carbonisation se forme autour des éléments en bois, les protégeant ainsi de la chaleur due aux flammes. Ce phénomène permet de réduire la vitesse de carbonisation des éléments en bois à environ 0.65 mm/min. Ainsi, après 45 minutes de combustion, une pièce en bois ne brûle que 29 mm , la partie centrale reste donc intacte (Centre d’expertise sur la construction commerciale du bois, 2012).
La faible conductivité du bois augmente également la résistance au feu des structures. À l’inverse d’une poutre en acier, l’intérieur d’une poutre en bois est peu influencé thermiquement même si les faces externes se consument. La poutre en bois conserve donc la majorité de se résistance structurale, et ce même face à des très hautes températures causées par un incendie.
En définitive, les avantages de la construction en gros œuvre pour la résistance au feu sont reconnus par les exigences de sécurité du Code National du bâtiment (CNB). Le CNB considère qu’il est peu probable qu’un incendie menace l’intégrité structurale des éléments en gros bois si les dimensions minimales des éléments porteurs sont respectées. Le CNB autorise donc les construction en gros bois d’œuvre et d’ingénierie (CNRC, 2015).
1.3.3 Utilisation du bois dans la construction de ponts routiers
D’après les recherches du conseil canadien du bois (Canadian Wood Council, 2017), les ponts en bois sont utilisés depuis longtemps comme éléments essentiels des réseaux routiers, ferroviaires et de chemins forestiers. Au cours des deux derniers siècles, la conception et la construction des ponts en bois ont évolué en fonction des matériaux, des avancées technologiques et de la main d’œuvre disponible. Les ponts en bois sont aujourd’hui présents dans le réseau de transport au Canada. Il existe environ 70 000 ponts au Canada mais le nombre de ponts en bois n’est pas très précis (moins de 2%) d’après le conseil canadien du bois (Moses Structural Engineers and Brown and Co.
