Connecteurs en cisaillement pour développer l’action
composite dans les ponts aluminium/acier
Mémoire
Victor Desjardins
Maîtrise en génie civil
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Connecteurs en cisaillement pour développer l’action
composite dans les ponts aluminium/acier
Mémoire
Victor Desjardins
Sous la direction de:
Charles-Darwin Annan, directeur de recherche Mario Fafard, codirecteur de recherche
Résumé
L
ES ALLIAGES D’ALUMINIUM ont plusieurs propriétés qui rendent intéressantes sonuti-lisation dans les ouvrages d’art, en particulier dans un contexte de climat nordique. En effet, ce matériau a un faible ratio poids/résistance, une très bonne résistance à la corrosion, une résilience élevée à basse température, ainsi qu’une bonne formabilité. Pour ces raisons, l’aluminium est envisagé pour la production de platelages de ponts constitués d’extrusions multicellulaires soudées entre elles. Ces platelages doivent être connectés sur des poutres en acier au moyen d’un assemblage boulonné antiglissement, afin de développer l’action mixte entre le platelage et les poutres.
La difficulté de ce projet réside dans la difficulté d’accès à l’intérieur des cellules extrudées. Cela empêche la bonne mise en place des connexions boulonnées antiglissement respectant les exigences de la norme canadienne sur les ponts routiers. Deux solutions sont étudiées : l’utilisation de boulons aveugles et la conception d’une extrusion d’attache entre le platelage et les poutres. Pour chacune de ces solutions, une étude de faisabilité est faite. Dans le cas des boulons aveugles, deux modèles ont été identifiés, puis modélisés par éléments finis afin de déterminer s’ils se conforment aux exigences de la norme CAN/CSA-S6-2014. Dans le cas des extrusions d’attache, deux modèles seront conçus et testés par éléments finis, au regard de la norme.
Les solutions explorées dans ce travail sont ensuite comparées par le moyen d’analyses SWOT, afin de mettre en évidences leurs forces, faiblesses, opportunités et menaces. Cela permettra d’aboutir à des recommandations.
Mots-clefs 6063-T6, aluminium, assemblage antiglissement, boulons aveugles, CAN/CSA-S6-2014, éléments finis, extrusions, platelage, pont.
Abstract
A
LUMINIUM ALLOYShave many properties that make this material fit for structural uses,in particular in a nordic climate. This metal has indeed a good weight/resistance ratio, an excellent corrosion resistance, a high resilience at low temperatures, and a good forma-bility. For these reasons, aluminium is considered for the production of bridge decks made of multi-cellular extrusions welded together. Decks are to be connected to steel girders with slip-critical bolted joints, in order to achieve composite action between the deck and the girders.
The main concern is the lack of accessibility of the interior of the extrusions. This prevents the setting up of the slip-critical bolteds joints, compliantly with the canadian standards about highway bridges. Two solutions are studied : the use of blind bolts and the design of an special extrusion to join the deck to the beams. For each of these solutions, a feasability study is led. Two models of blind bolts are identified, then modeled by finite elements to determine wether they match the CAN/CSA-S6-2014 requirements about slip-critical joints.
The solutions explored in this project are finally campared by the mean of SWOT analysis, in order to bring out their strenghts, weaknesses, opportunities and threats.
Key-words 6063-T6, aluminium, blind bolt, bridge, CAN/CSA-S6-2014, deck, extrusions, finite elements slip-critical joint.
Table des matières
Résumé iii
Abstract iv
Table des matières v
Liste des tableaux vii
Liste des figures viii
Liste des abréviations et notations xii
Remerciements xvi 1 Introduction 1 1.1 Mise en contexte. . . 1 1.2 Problématique . . . 2 1.3 Objectifs . . . 2 1.4 Structure du document . . . 2 2 Revue de littérature 4 2.1 Les caractéristiques de l’aluminium . . . 4
2.2 État des lieux du parc des ponts en Amérique du Nord . . . 16
2.3 État de l’art de l’utilisation de l’aluminium dans les ponts. . . 17
2.4 Connecteurs en cisaillement . . . 27
2.5 Pertinence du projet. . . 40
3 Étude théorique de faisabilité de l’utilisation de connecteurs aveugles dans un assemblage antiglissement 41 3.1 Présélection des boulons . . . 41
3.2 Revue de littérature sur la résistance à l’écrasement dans des liaisons bou-lonnées . . . 43
3.3 Mise en place d’un modèle par éléments finis . . . 53
3.4 Simulations et résultats . . . 66
3.5 Conclusion . . . 82
4 Conception d’un connecteur innovant : une extrusion de raccord 84 4.1 Procédé d’extrusion de profilés en aluminium . . . 85
4.3 Conception des extrusions d’attache . . . 92
4.4 Validation par éléments finis de la conception des extrusions d’attache . . 97
4.5 Modélisations pour l’extrusion de type 1. . . 99
4.6 Modélisations pour les extrusions de type 2 . . . 117
4.7 Optimisation de la liaison boulonnées platelage - poutre . . . 118
5 Analyses SWOT 124 5.1 Introduction . . . 124
5.2 Utilisation du boulon HUCKUltra-Twist . . . 124
5.3 Utilisation du boulon AJAXOneSide . . . 125
5.4 Utilisation de l’extrusion d’attache de type 1 . . . 126
5.5 Utilisation de l’extrusion d’attache de type 2 . . . 127
5.6 Conclusion . . . 128
6 Conclusion et recommandations 129 6.1 Bilan de l’étude . . . 129
6.2 Recommandations . . . 130
6.3 Pistes et travaux futurs . . . 130
Bibliographie 131
A Brochure technique HUCKUltra-Twist 135
B Brochure technique AJAXOneSide 140
C Illustrations des différents cas de maillage étudiés pour les simulations sur
les boulons aveugles. 147
D Effet du soulèvement de l’aluminium sur l’atteinte de la force de
précon-trainte dans un assemblage à deux boulons 151
E Extrusions 153
F Dimensionnement des poutres principales 157
G Exemple du calcul de la résistance en fatigue d’une catégorie de détail 161
H État des contraintes dans les semelles de l’assemblage de simulation sous
charge répartie 163
I Illustrations du maillage des éléments de la modélisation du comportement
Liste des tableaux
2.1 Comparatifs des propriétés de l’aluminium, de l’acier structural et de l’acier
inoxydable, d’après Beaulieu (2013). . . 5
2.2 Principaux éléments d’addition des alliages d’aluminium. . . 7
2.3 Vitesse de corrosion dans différents métaux, d’après Max (2005).. . . 12
2.4 Extrudabilité des alliages d’aluminium, d’après Guillot (2013). . . 15
2.5 Propriétés mécaniques du boulon Ultra-Twist, d’après Duncan Bolts (1999). . 36
2.6 Propriétés mécaniques du boulon OneSide, d’après AJAX Fasteners (2016). . 37
2.7 Comparatif de différents boulons standards et procédés d’assemblage aveugles. 39 3.1 Résistance mécanique des boulons aveugles présélectionnes. . . 42
3.2 Pression de contact entre les rondelles et les matériaux assemblés, pour un assemblage antiglissement respectant la norme CAN/CSA-S6-2014.. . . 45
3.3 Propriétés matériaux utilisées pour les modèles éléments finis. . . 56
3.4 Nombre d’éléments et temps de calcul des différentes simulations de tests de maillage. . . 59
4.1 Principaux extrudeurs à l’Est du Canada, d’après Roche Ingénieurs-conseil (2008).. . . 88
4.2 Principaux extrudeurs au Nord-Est des États-Unis, d’après Roche Ingénieurs-conseil (2008). . . 89
4.3 Propriétés des matériaux utilisés pour les simulations par éléments finis. . . . 99
4.4 Résistance aux écarts de contrainte de fatigue pour les 2 classes identifiées pour les détails du platelage d’aluminium. . . 113
5.1 Présentation sous forme de matrice d’une analyse SWOT. . . 124
F.1 Résultats des calculs de facteurs d’essieux. . . 158
F.2 Calcul des charges pondérées, d’après les tableaux 3.1, 3.3 et 3.5 de la norme CAN/CSA-S6-2014. . . 159
Liste des figures
2.1 Caractéristiques mécaniques d’un alliage 6061-T6 en fonction de la
tempéra-ture, d’après Beaulieu (2013). . . 6 2.2 Caractéristiques mécaniques des alliages de corroyage d’aluminium les plus
courants en construction (norme CAN/CSA-S6-2014, tableau 17.3). . . 10 2.3 Nombre de ponts construits au Québec jusqu’en 2007, par décennie, d’après
Viami International Inc. et The Technology Strategies group (2014). . . 16 2.4 Pont d’Arvida, au Québec (crédit photo : Centre de recherche sur l’aluminium
- REGAL). . . 19 2.5 Nombre de ponts en aluminium construits dans le monde par périodes, d’après
Roche Ingénieurs-conseil (2008). . . 20 2.6 Extrusions du tablier Svensson, d’après Roy (1999). . . 20 2.7 Système de fixation des extrusions Svensson, d’après Roy (1999). . . 21 2.8 Vue en coupe d’un tablier constitué d’extrusions type AlumaBridge. On
dis-tingue trois extrusions principales et deux extrusions d’extrémité (crédit photo :
ALUMABRIDGE). . . 23 2.9 Détail de l’assemblage du pont de St Ambroise, sur une demi-coupe du tablier
(crédit photo : MMM GROUP). . . 23
2.10 Installation du platelage ALUMABRIDGEsur les poutres de support du pont
de Saint-Ambroise (Beaulieu et Internoscia, 2015). . . 25 2.11 Détail du joint boulonné entre les deux panneaux du pont de Saint-Ambroise
(Crédit photo : Centre de recherche sur l’aluminium - REGAL). . . 25 2.12 Détail de la connexion boulonnée entre les panneaux du pont de Saint-Ambroise
(crédit photo : MMM GROUP). . . 26
2.13 Pose du platelage en aluminium japonais. (crédit photo : Nippon Light Metal
Company, Ltd (2011)). . . 27 2.14 Étendue de la zone thermiquement affectée dans les joints soudés, d’après la
figure 17.5 de la norme CAN/CSA-S6-2014. . . 31 2.15 Comportement d’un joint boulonné antiglissement soumis à une force de
ci-saillement, d’après Kulak et collab. (2001). . . 33 2.16 Pose d’un boulon Ultra-Twist (crédit photo : Alcoa Fastening System). . . 37 2.17 Boulon AJAX OneSide (crédit photo : AJAX). . . 38 3.1 Résistance minimale d’alliages d’aluminium non soudés (tableau 7.4.2.1-1 de
l’AASHTO Bridge Design Specifications, 2012). . . 46 3.2 Tableau 8.4 de l’Eurocode 9 (European Committee for Standardization, 2006). 48 3.3 Calcul de la résistance à l’écrasement (extrait du tableau 8.5 de l’Eurocode 9). 49
3.4 Commentaires de la formule de calcul de résistance à l’écrasement de
l’Euro-code 9. . . 50 3.5 Extrait du Tableau B.A (2/2) de la norme NF E 25-030-1 (2014) (Agence
Fran-çaise de Normalisation, 2014). . . 51 3.6 Illustration de l’essai détermination de la limite élastique d’écrasement selon
l’ASTM Test Method 238, d’après Menzemer et collab. (2002). . . 52 3.7 Illustration du modèle Abaqus utilisé. De haut en bas : le bulbe, la plaque
d’aluminium, la plaque d’acier et la rondelle inférieure. . . 55 3.8 Déformation d’un élément de premier ordre (linéaire) à intégration réduite,
soumis à un moment M (Dassault Systèmes, 2014b). . . 57 3.9 Courbes de force de contact en fonction du temps fictif pour les différentes
simulations de test de maillage. . . 59 3.10 Erreur obtenue pour les différents cas de maillage, par rapport à la simulation
comportant le cas de maillage le plus fin. . . 61 3.11 Maillage choisi pour le cas numéro 5.. . . 62 3.12 Influence de la position de la rondelle sur la force de serrage, pour le joint
boulonné avec le boulon Ultra-Twist M20. . . 64 3.13 Effet de l’épaisseur, notée e, de la plaque d’aluminium sur la force de contact
obtenue entre les plaques d’un assemblage boulonné avec un boulon ASTM
F3125 grade A325 de taille M20. . . 65 3.14 Effet de l’épaisseur, notée e, de la plaque d’aluminium sur le glissement
ob-servé sur un assemblage boulonné avec un boulon ASTM F3125 grade A325
de taille M20 soumis à une force de cisaillement. . . 66 3.15 Champ des contraintes de von Mises dans le boulon Ultra-Twist, avec un
rap-prochement des rondelles de 0,5 mm. . . 67 3.16 Chemin utilisé pour relever les déplacements verticaux et illustration de champ
des déplacements verticaux sur le modèle de boulon ASTM F3125 grade A325
de taille M20, avec une force de précontrainte de 150 kN. . . 68 3.17 Déplacements verticaux le long du chemin sur un assemblage boulonné avec
un boulon ASTM F3125 grade A325 de taille M20, selon différente forces de
précontraintes, notées F. . . 69 3.18 Déplacements verticaux (U3) aux arrêtes dans l’assemblage avec le boulon
OneSide, en fonction du serrage. . . 70 3.19 Évolution de la précontrainte dans chacun des deux boulons ASTM F3125
grade A325 de taille M20 d’un assemblage, avec un entraxe entre les boulons
de 200 mm et une force de précontrainte de 150 kN. . . 72 3.20 Champ des contraintes de von Mises dans la plaque d’aluminium de
l’assem-blage boulonné avec le boulon Ultra-Twist avec une force de précontrainte de
130 kN. . . 74 3.21 Force de serrage et dissipation plastique en fonction du serrage du boulon. . 75 3.22 Amplitudes de chargement choisies pour la simulation de glissement de
l’as-semblage Ultra-Twist.. . . 77 3.23 Direction, sens et lieu des forces de chargement appliquées à l’assemblage
pour l’essai de résistance au glissement. . . 78 3.24 Glissement dans l’assemblage avec le boulon Ultra-Twist. . . 79 3.25 Glissement dans l’assemblage avec le boulon OneSide. . . 80 3.26 Effet du coefficient de frottement acier-aluminium sur le glissement dans un
4.1 Extrusion directe (à gauche) et extrusion indirecte (à droite). . . 85
4.2 Pression nécessaire pour l’extrusion de différents métaux, en fonction de la température du métal, d’après Boude (2008). . . 86
4.3 Caractéristiques et capacité de la presse de PEXAL TECALUM(crédit : PEXAL TECALUM).. . . 87
4.4 Extrusion de platelage. . . 90
4.5 Section choisie pour le pont avec les extrusions d’attaches de 200 mm de large. 92 4.6 Illustration des principes de conception d’une extrusion, selon Maljaars et col-lab. (2008). . . 93
4.7 Extrusion d’attache de type 1. . . 94
4.8 Extrusion supérieure d’attache de type 2. . . 95
4.9 Extrusion inférieure d’attache de type 2. . . 96
4.10 Illustration de l’assemblage entre l’extrusion inférieure et l’extrusion supérieure. 97 4.11 Illustration du cas de flexion des membrures sous charge de roue, d’après Dobmeier et collab. (1999). . . 98
4.12 Illustration du cas de flexion du platelage sous charge de roue, d’après Dob-meier et collab. (1999). . . 98
4.13 Illustration du cas de flexion du tablier sous charge répartie, d’après Dobmeier et collab. (1999). . . 98
4.14 Chargement et conditions aux limites pour le modèle de comportement en compression de l’extrusion de type 1. . . 100
4.15 Partitionnement des éléments du modèle de comportement en compression de l’extrusion de type 1. . . 101
4.16 Partitionnement des éléments du modèle de comportement en compression de l’extrusion de type 1. . . 101
4.17 Champ des contraintes de von Mises sur le modèle de 6 m de long de simula-tion de résistance en compression de l’extrusion de type 1. . . 102
4.18 Contrainte de von Mises le long de l’axe de symétrie, sur la fibre supérieure, selon le cas de maillage. . . 103
4.19 Champ des contraintes de von Mises au centre du modèle. . . 104
4.20 Géométrie et conditions aux limites du modèle de résistance en flexion de l’extrusion de type 1. . . 105
4.21 Contraintes de von Mises sur la coupe au centre du modèle de résistance en flexion. . . 105
4.22 Géométrie, conditions aux limites et chargement du modèle de comportement global pour l’extrusion de type 1. . . 107
4.23 Déformée du modèle de flexion sous charge répartie, avec appuis rectangulaires. 108 4.24 Champ des contraintes de von Mises dans le modèle de flexion sous charge répartie, avec appuis rectangulaires. . . 108
4.25 Position de l’axe neutre dans le modèle. . . 109
4.26 Contraintes longitudinales dans la semelle supérieure de la poutre et dans la semelle inférieure du platelage, le long de la poutre, en fonction du type d’appui modélisé. . . 110
4.27 Exemples 8 et 10 du tableau 17.3 de la norme S6-2014. . . 112
4.28 Géométrie globale du modèle éléments finis utilisé pour les simulations en fatigue. . . 114
4.29 Illustration des conditions aux limites et des chargements du modèle de simu-lation de pont en fatigue. . . 115
4.30 Illustration de la condition aux limites pour les appuis des poutres. . . 116
4.31 Niveau des contraintes de von Mises dans la fibre supérieure du tablier, sous un des essieux.. . . 117
4.32 Illustration du champ des contraintes de von Mises dans l’extrusion de type 2 soumis à un chargement de roue. . . 118
4.33 Force de cisaillement à l’interface entre la poutre et le platelage en fonction des méthodes utilisées. . . 120
4.34 État des contraintes S33 dans les semelles à l’interface, à Z = 6000 mm de l’ap-pui de la poutre. . . 121
4.35 Étape de calcul pour la détermination de la répartition des boulons pour un platelage muni de l’extrusion d’attache de type 1. . . 123
C.1 Illustration du cas 1 de maillage. . . 147
C.2 Illustration du cas 2 de maillage. . . 148
C.3 Illustration du cas 3 de maillage. . . 148
C.4 Illustration du cas 4 de maillage. . . 149
C.5 Illustration du cas 5 de maillage. . . 149
C.6 Illustration du cas 6 de maillage. . . 150
D.1 Effet de l’intensité de la force de serrage et de l’entraxe entre deux boulons sur l’obtention de la force de précontrainte. . . 152
H.1 État des contraintes S33 au niveau de l’appui (Z = 0 mm) ; échelle allant de -10 à 7 MPa. . . 163
H.2 État des contraintes S33 au huitième de la poutre (Z = 1875 mm) ; échelle allant de -10 à -3 MPa. . . 164
H.3 État des contraintes S33 au quart de la poutre (Z = 3750 mm) ; échelle allant de -11 à -3 MPa. . . 164
H.4 État des contraintes S33 au trois huitièmes de la poutre (Z = 5625 mm) ; échelle allant de -13 à -4 MPa. . . 165
H.5 État des contraintes S33 au milieu de la poutre (Z = 7500 mm) ; échelle allant de -13 à -4 MPa. . . 165
I.1 Illustration du maillage de l’extrusion de platelage. . . 166
I.2 Illustration du maillage de l’extrusion d’attache de type 1. . . 167
Liste des abréviations et notations
Abréviations
— AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials — ASTM : American Society for Testing and Materials International
— CL-625 : charge spécifiée conforme de 625 kN
— C3D8R : élément solide de maillage éléments finis, de forme héxahédrique, à 8 noeuds et intégration réduite, Continuum, 3-D, 8 nodes, Reduced integration
— C3D20R : élément solide de maillage éléments finis, de forme héxahédrique, à 20 noeuds et intégration réduite, Continuum, 3-D, 20 nodes, Reduced integration
— CMD : coefficient de majoration dynamique — CSA : Canadian Standards Association
— DTI : rondelles d’indication de niveau de précontrainte, Direct Tension Indicator — ÉLF : état limite de fatigue
— ÉLUL : état limite ultime — ÉLUT : état limite d’utilisation
— FSW : méthode de soudage par friction-malaxage, Stir-Friction Welding
— HAZ : zone affectée thermiquement, Heat Affected Zone ; désignée en français par : ZAT (zone affectée thermiquement)
— MIG : méthode de soudage, Metal Inert Gaz
— MTMDET : Ministère des transports, de la mobilité durable et de l’électrification des transports
— RCSC : Research Council on Structural Connexions
— SQDA : stratégie québécoise de développement de l’aluminium — TIG : méthode de soudage, Tungsten Inert Gaz
Notations
— Ab: aire transversale d’un boulon, fonction du diamètre nominal, mm2
— ADTTf : débit journalier moyen de camions par voie pour la fatigue
— Br: résistance pondérée à l’écrasement d’un assemblage boulonné, N
— CL: coefficient pour prendre en compte un charge de conception CL-W avec W > 625
kN
— DVE: distance du véhicule à la rive pour les ponts à dalle sur poutres, m
— d : diamètre d’un boulon, mm
— e : distance perpendiculaire entre l’axe du trou dans un assemblage boulonné et la rive d’extrémité en direction de la charge, mm
— FS: coefficient de biais
— Fsr: écart admissible des contraintes de fatigue, MPa
— Fsrt: seuil de l’écart des contraintes à amplitude constante, MPa
— FT: fraction de charge de camion calculée au moyen de la méthode d’analyse simplifiée
et utilisée pour obtenir les effets des charges longitudinales de calcul — Ft: résistance en traction d’un boulon, N
— Fu: résistance ultime minimale spécifiée en traction, MPa
— Fv: résistance en cisaillement d’un boulon, N
— Fwu: résistance ultime dans la zone affectée par la chaleur (ZAT), MPa
— Fwy: limite élastique dans la zone affectée par la chaleur (ZAT), MPa
— fsr : écart calculé des contraintes de fatigue au détail dues au passage d’un camion
CL-625, MPa
— g : constante d’accélération de la pesanteur à la surface de la terre, valant 9,81 kg/s2 — m nombre de plans de cisaillement dans un assemblage boulonné ; ou constante de
résistance à la fatigue
— n : nombre de voies carrossables — L : longueur de travée, m
— Nc: nombre spécifié de cycles de contraintes de calcul
— Nd : nombre de cycles de contraintes de calcul correspondant à chaque passage du
camion de calcul
— Rc: résistance à la compression d’un matériau dans un assemblage boulonné, au sens
de la norme NF E 25-030-1
— Sc: distance transversale entre la rive libre du porte-à-faux et l’axe de l’âme de la poutre
extérieure, m
— T0: force de précontrainte minimale à atteindre dans un boulon pour un assemblage
anti-glissement, N
— t : épaisseur d’un élément, mm
— Vr: résistance pondérée au cisaillement d’un assemblage boulonné, N
— Vs: résistance au glissement dans un assemblage boulonné à l’ÉLUT, N
— Wc: largeur totale carrossable, m
— We: largeur d’une voie de calcul, m
— y : durée de vie nominale (75 ans)
— αD: coefficient de pondération de charge morte
— αL: coefficient de pondération de charge vive
— γ : constante de résistance à la fatigue relative aux catégories de détail
— γc: coefficient de modification de charge de camion pour les ponts à dalle sur poutres
— γe: coefficient de modification de charge de camion pour la poutre extérieure des ponts
à dalle sur poutres
— λ : coefficient d’équivalence de dommage ; ou paramètre de largeur de voie — φf : coefficient de résistance pour les connecteurs
— φu: coefficient de résistance lié à la résistance ultime
« Être un homme, c’est sentir, en posant sa pierre, que l’on contribue à bâtir le monde. »
Remerciements
Ma gratitude va à mon directeur de recherche, M. Charles-Darwin ANNAN, ainsi qu’à mon codirecteur de recherche, M. Mario FAFARD. Leur confiance, leur aide et leur pédago-gie m’ont permis de mener à bien mon projet de maîtrise et de m’épanouir pleinement. Je remercie également M. Nicolas BOISSONNADE, qui m’a aidé à approfondir mon travail grâce à son expertise.
Ma reconnaissance va aussi aux partenaires du Centre de recherche sur l’aluminium -REGAL : le MTMDET, le CRSNG et le FQRNT, pour leur intérêt envers les ponts à platelage d’aluminium.
Enfin, je remercie mes amis du groupe de recherche sur les ponts à platelage en alumi-nium ; leur bonne humeur et leurs conseils toujours pertinents furent une inépuisable source de motivation et de plaisir à étudier !
Chapitre 1
Introduction
1.1
Mise en contexte
L’
ALUMINIUMest un matériau qui possède de nombreuses qualités en comparaison desmatériaux de construction usuels : une faible masse volumique, une bonne formabilité, une excellente résistance à la corrosion, ainsi qu’une résilience élevée à basse température. En outre, les capacités de production et l’expertise liées à l’aluminium au Québec sont très développées. Ces qualités semblent en faire un matériaux de choix pour des applications structurales dans la province, telles que la fabrication de tablier de ponts.
La production et la transformation de l’aluminium sont des forces de l’économie qué-bécoise. En effet, celle filière engrange près de 30 000 emplois ainsi que des exportations d’une valeur de 6,9 milliards de dollars en 2014 (Gouvernement du Québec, Ministère de l’économie, de l’innovation et des exportations, 2015). Afin de développer cette industrie, la stratégie québécoise de développement de l’aluminium (SQDA) a été lancée le 19 juin 2015 par le premier ministre Philippe Couillard (Ministère du Conseil exécutif du Québec, 2015). Les objectifs sont de doubler la transformation d’aluminium au Québec, de soutenir l’industrie québécoise de l’aluminium et de renforcer la position de la province en tant que producteur majeur d’aluminium. Pour cela, cette stratégie s’étale sur une période de 10 ans, de 2015 à 2025. Un investissement de 32,5 millions de dollars est prévu pour les trois pre-mières années (2015-2018). De cet investissement, la somme de 4,6 millions de dollars est consacrée au développement de l’utilisation de l’aluminium dans les infrastructures du Mi-nistère des transports (Gouvernement du Québec, Ministère de l’économie, de l’innovation et des exportations,2015). Les projets liés à cet objectif sont pilotés par la direction des struc-tures du Ministère des transports, de la mobilité durable et de l’électrification des transports (MTMDET) et leur réalisation est confiée au Centre de recherche sur l’aluminium-REGAL. Différents mandats, d’une durée de deux ans chacun, ont été octroyés :
simple et assemblable en chantier, débute en février 2016.
— Projet de recherche R778.1 : Utilisation innovatrice de l’aluminium dans les ponts : étude des effets de variation thermique sur le comportement structural d’un tablier à platelage d’alumi-nium sur poutres d’acier, à action composite, débute en février 2016.
— Projet de recherche R779.1 : Utilisation innovatrice de tablier en aluminium dans les ponts : développement et tests de connecteurs en cisaillement, débute en mai 2016.
— Projet de recherche R786.1 : Développement d’une solution de platelage en aluminium pour pont routier à poutres d’acier, avec action composite, débute en mai 2017.
— Projet de recherche R787.1 : Analyse du coût total de possession sur le cycle de vie d’un pont routier à platelage en aluminium, débute en mai 2017.
1.2
Problématique
Le travail présenté ici est une étude préliminaire au projet R779.1. À l’heure à laquelle ce projet démarra, les techniques pour développer l’action composite entre les poutres prin-cipales d’un pont et un platelage extrudé en aluminium étaient peu développées. En effet, l’accès à l’intérieur des cellules extrudées est difficile, ce qui complexifie la pose de boulons pour lier le platelage aux poutres. En outre, le comportement des assemblages antiglisse-ments acier-aluminium n’est pas étudié de manière exhaustive dans la littérature scienti-fique, ce qui peut poser des problèmes lors de la phase de conception d’un projet de pont à platelage en aluminium sur poutres d’acier.
1.3
Objectifs
L’objectif de ce travail de maîtrise est d’identifier ou de concevoir des connecteurs en ci-saillement innovants dans le but de développer l’action composite entre un platelage en aluminium extrudé et les poutres en acier d’un pont ; où les extrusions sont longitudinales aux poutres. À la lumière des informations apportées par la revue de littérature, au chapitre 2, deux méthodes de connexion sont proposées : l’utilisation de boulons aveugles et l’utili-sation d’extrusion spéciales qui doivent permettre l’utilil’utili-sation de boulons standards ASTM ASTM F3125 grade A325. Ces deux méthodes seront étudiées par le biais d’analyses par éléments finis.
1.4
Structure du document
Le présent document contient six chapitres, dont le contenu est décrit ci-après. 1. Le premier chapitre est l’introduction du travail de recherche.
2. Le second chapitre est une revue de littérature afin de dresser un état des lieux des propriétés structurales de l’aluminium, ainsi que de son utilisation dans les ouvrages d’arts. Ce chapitre aborde aussi l’état du parc des ponts en Amérique du Nord, ainsi que les normes et connaissances techniques liées aux assemblages boulonnés antiglis-sements.
3. Le troisième chapitre constitue en une analyse de faisabilité de l’utilisation de deux modèles de boulons aveugles dans des assemblages antiglissement. Cette étude est faite en utilisant la méthode des éléments finis.
4. Le quatrième chapitre concerne la conception et l’étude par éléments finis de deux modèles d’extrusions de raccord, qui doivent permettre la mise en place d’une liaison boulonnées antiglissement entre le platelage et les poutres en utilisant des boulons structuraux ASTM F3125 grade A325.
5. Le cinquième chapitre met en place des analyses SWOT afin de comparer les différentes solutions de connexions en cisaillement proposées dans ce mémoire.
6. Le sixième chapitre est une conclusion, dont le but est de présenter des recommanda-tions de conception en se basant sur les résultats de ce travail de maîtrise.
Chapitre 2
Revue de littérature
D
ANSle but de pouvoir étudier les connecteurs en cisaillement dans les ponts, entre unplatelage en aluminium et des poutres en acier, il convient de maîtriser les différentes notions mises en jeu. Pour cela, on verra quelles sont les caractéristiques de l’aluminium structural et quel est l’état du parc des ponts routiers en Amérique du Nord. Il sera éga-lement vu quelles sont les différentes technologies de connexion en cisailéga-lement et quelles sont les exigences de la norme canadienne sur les ponts routiers, CAN/CSA-S6-2014, qui s’y rattachent.
2.1
Les caractéristiques de l’aluminium
2.1.1 Introduction
L’aluminium est le métal le plus abondant de l’écorce terrestre. Pourtant, il est un des derniers métaux à avoir été découvert et son utilisation industrielle ne commence qu’au XIXemesiècle. La hausse des capacités de production d’électricité, nécessaire à la production d’aluminium, ainsi que la découverte d’alliages et de traitements augmentant grandement ses propriétés mécaniques, ont entraîné une explosion de l’utilisation de l’aluminium depuis le début du XXemesiècle. Il est aujourd’hui le premier métal non ferreux produit. En outre, la production et le travail de l’aluminium est une des forces économique du Canada, l’un des plus importants producteurs mondiaux, et du Québec, où trois producteurs majeurs sont implantés.
2.1.2 Les propriétés physiques et mécaniques de l’aluminium
En tant que matériau de construction, l’aluminium se distingue de l’acier notamment par une densité et une rigidité trois fois inférieure. L’aluminium possède aussi une plus grande ductilité, cela réduit les charges maximales applicables mais diminue le risque de rupture fragile. Les principales propriétés de ce matériaux sont données au tableau2.1.
TABLEAU2.1 – Comparatifs des propriétés de l’aluminium, de l’acier structural et de l’acier inoxydable, d’aprèsBeaulieu(2013).
Propriétés Unités Aluminium Acier struct. Acier inox.
Densité kg/m3 2700 7850 7900 Point de fusion ˚C 660 1500 1450 Coef. de dilatation th. mm/mm/˚C 2,40.10−5 1,17.10−5 1,73.10−5 Conductibilité th. W/m.˚C 185 46 15 Capacité th. massique J/kg.˚C 900 500 500 Résistivité électrique µΩ˚C 2,83 15,5 70
Module d’élasticité E MPa 70000 200000 200000
Module de Coulomb G MPa 26000 77000 77000
Coefficient de Poisson 0,33 0,3 0,3
Il est intéressant de constater que la faible densité de l’aluminium par rapport à celle de l’acier permet de créer des structures plus légères, mais sa faible rigidité impose d’alourdir la structure par des éléments raidisseurs. Dans les faits, l’aluminium permet, à charge de ser-vice équivalente, d’obtenir d’une structure deux fois plus légère qu’avec de l’acier (Beaulieu, 2013).
L’aluminium a la propriété de garder sa résilience à basse température, ce qui en fait un matériau de choix pour les applications en milieu froid, comme au Québec. De manière géné-rale, les propriétés de l’aluminium augmentent légèrement lorsque la température baisse et chutent lorsqu’elle augmente, comme cela est illustré par la figure2.1pour le cas de l’alliage 6061-T6.
-200 -100 0 100 200 300 400 Température (˚C) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Résistance (MPa)
Résistance d’un alliage d’aluminium 6061-T6 selon la température Limite élastique Fy
Résistance à la rupture Fu
FIGURE2.1 – Caractéristiques mécaniques d’un alliage 6061-T6 en fonction de la tempéra-ture, d’aprèsBeaulieu(2013).
2.1.3 Les alliages d’aluminium
2.1.3.1 Désignation des alliages d’aluminium
Les alliages d’aluminium sont désignés sous la forme XXXX-Y, par exemple : 6063-T6, où les quatre premiers caractères décrivent la composition chimique de l’alliage, l’élément d’addition étant caractérisé par le premier chiffre. Le suffixe désigne le traitement thermique auquel l’alliage a été soumis. Le tableau2.2présente les principaux éléments d’addition des différentes séries d’alliages d’aluminium
TABLEAU2.2 – Principaux éléments d’addition des alliages d’aluminium. Série Principaux éléments d’addition
1 XXX Aluminium pur à au moins 99% 2 XXX Cuivre 3 XXX Manganèse 4 XXX Silicium 5 XXX Magnésium 6 XXX Magnésium et silicium 7 XXX Zinc 8 XXX Autres éléments 9 XXX Série non utilisée
Les traitements des alliages sont désignés par les lettres suivantes :
— F : tel que fabriqué ; — O : recuit ;
— H : écroui :
— H1 : écroui seulement ;
— H2 : écroui et partiellement recuit ; — H3 : écroui et stabilisé ;
— W : mis en solution ;
— T : traité thermiquement pour produire des états stables autres que F, O ou H.
Les états T sont divisés en plusieurs catégories :
— T : refroidi rapidement par suite d’un procédé de formage à haute température et vieilli artificiellement jusqu’à un état substantiellement stable ;
— T2 : refroidi rapidement par suite d’un procédé de formage à haute température jusqu’à un état substantiellement stable ;
— T3 : mis en solution, travaillé à froid et vieilli naturellement à un état relativement stable ;
— T4 : mis en solution et vieilli naturellement à un état relativement stable ;
— T5 : refroidi rapidement par suite d’un procédé de formage à haute température et vieilli artificiellement ;
— T6 : mis en solution et vieilli artificiellement ; — T7 : mis en solution et sur-revenu ;
— T9 : mis en solution, vieilli artificiellement et travaillé à froid ;
— T10 : refroidi rapidement à la suite d’un procédé de formage à haute température, travaillé à froid et vieilli artificiellement.
2.1.3.2 Caractéristiques des différentes séries d’alliages d’aluminium
Chaque série d’alliage d’aluminium possède des caractéristiques précises, qui les rendent adaptées à différents types d’utilisation. SelonBeaulieu(2013), les principales propriétés des séries d’aluminium sont les suivantes.
— Série 1000 : il s’agit d’aluminium presque pur. Il possède une excellente résistance à la corrosion, une grande conductivité électrique et une bonne conduction thermique. En revanche, les alliages de cette série ont des résistances mécaniques faibles. Cette série est utilisée pour la fabrication de conducteurs électriques, d’échangeurs de chaleur, d’emballage d’aliments ou d’objets décoratifs.
— Série 2000 : le principal élément d’addition est le cuivre. On peut augmenter la résis-tance à la traction de cette série grâce à des traitements thermiques. La résisrésis-tance des alliages de cette série est importante, et ce même à des températures élevées. En re-vanche, cette série est moins résistante à la corrosion et est difficile à souder. Elle est alors utilisée dans le cadre d’assemblages boulonnés ou rivetés. On retrouve cette série pour des applications ou le ratio résistance/poids doit être élevé, comme dans l’aéro-nautique. Le pont en aluminium d’Arvida a été construit avec un alliage de cette série (voir la section2.3.3).
— Série 3000 : le manganèse est l’élément d’addition principal. Cela permet une hausse de la résistance mécanique, sans réduction de la ductilité, et une augmentation de la résistance à la corrosion. Cette série est facilement soudable mais n’est pas traitable thermiquement. Elle est utilisée pour des pièces demandant une résistance mécanique modérée et une bonne formabilité : tôle de toiture, pièces embouties, canettes de bois-son, etc.
— Série 4000 : cette série utilise le silicium comme principal élément d’alliage. Il en résulte une hausse de la résistance mécanique, une baisse du point de fusion, ce qui réduit les risques de fissuration à chaud lors du soudage, ainsi qu’une hausse de la fluidité. Cette série est donc tout indiquée en tant que métal d’apport pour les soudures, ou pour la réalisation de pièces fondues, comme des blocs moteurs.
— Série 5000 : le principal élément d’alliage est le magnésium. Il est possible d’augmenter la résistance mécanique des alliages de cette série par travail à froid ou par traitements thermiques. Cette série a la meilleure combinaison de haute résistance à la traction et de haute résistance à la corrosion. Elle possède en outre une bonne soudabilité mais n’est pas traitable thermiquement. Cette série est largement utilisée pour des
appli-cations structurales : ponts, bâtiments, ainsi que pour construire des citernes, bennes, véhicules, ainsi que pour des applications marines.
— Série 6000 : cette série fait intervenir du magnésium et du silicium, qui précipitent sous forme de Mg2Si. Il est possible d’augmenter les propriétés mécaniques des alliages de
cette série par des traitements thermiques. Elle possède une résistance acceptable aux charges, une bonne résistance à la corrosion et une formabilité idéale pour l’extrusion. Ces qualités en font la série idéale pour les applications structurales. L’utilisation des alliages 6063 et 6061 est répandue pour la production d’extrusion de platelages d’alu-minium ; comme il le sera illustré à la section2.3.4.
— Série 7000 : Les alliages de cette série sont ceux qui ont les résistances mécaniques les plus élevées, ce qui les rend difficiles à usiner. Ils sont utilisés pour des applications spéciales demandant un niveau très élevé de résistance mécanique : avions, plaques de blindage, etc.
— Série 8000 : les principaux éléments d’addition sont le fer, le nickel ou le lithium. Cela leur confère une grande conductivité et une résistance élevée. Ce sont des alliages peu utilisés. Ils trouvent cependant une application dans certains éléments spécifiques d’avion ou d’engins spatiaux.
— Série 9000 : cette série n’est pour le moment pas utilisée.
La norme canadienne CAN/CSA-S6-2014 donne les valeurs des résistances mécaniques des alliages de corroyage les plus courants pour des applications structurales. Ces valeurs sont reproduites sur la figure2.2.
FIGURE2.2 – Caractéristiques mécaniques des alliages de corroyage d’aluminium les plus courants en construction (norme CAN/CSA-S6-2014, tableau 17.3).
Dans la figure2.2, les notations Fwu et Fwy désignent les résistances minimales,
respecti-vement à la rupture et à la limite d’élasticité, des pièces soudées. En effet, le soudage de l’aluminium dégrade les propriétés mécaniques des alliages d’aluminium.
2.1.4 Soudabilité de l’aluminium
De nombreuses technologies de soudure s’appliquent à l’aluminium : MIG, TIG par résis-tance, par laser ou encore par friction. Ces procédés seront exposés à la section2.4.2.3.
Il se forme, par corrosion, une couche d’oxyde sur la surface d’aluminium : l’alumine. Celle-ci fond à 2000˚C, contre 660˚C pour l’aluminium (Beaulieu,2013). En outre, cette couche se reforme dans les heures qui suivent son décapage. La présence de l’alumine a deux consé-quences sur la qualité des soudures sur des alliages d’aluminium :
— sa porosité absorbe la graisse, l’humidité et l’hydrogène dans les cordons de soudure lors du soudage ;
— son point de fusion élevé créé des manques de fusion.
En raison de la présence de cette couche, l’aluminium n’est pas soudable sans préparation de surface. Il faut décaper, par procédés chimiques ou mécaniques, la couche d’alumine avant de pouvoir procéder à une soudure.
Les séries d’alliages d’aluminium les plus faciles à souder sont celles qui ne sont pas trai-tées thermiquement : les séries 1000, 3000 et 5000. La série 6000 est soudable facilement mais cela entraîne une diminution des propriétés mécaniques (Beaulieu,2013).
Les matériaux d’apport sont classés de manière identique aux alliages de corroyage. Le chiffre est cependant précédé de deux lettres : E pour électrode, R pour baguette enrobée, ou ER si le produit peut être une baguette ou une électrode. Il existe des recommandations de matériaux d’apport en fonction du métal de base et des caractéristiques voulues pour l’assemblage : grande résistance, ductilité importante, etc.
Des problèmes de fusion peuvent se poser lorsque l’on soude de l’aluminium. En effet, ce matériau a une forte conductivité thermique, la chaleur produite lors du soudage est donc dissipée rapidement par les plaques à assembler. Cette dissipation est d’autant plus rapide que les plaques sont épaisses, ce qui peut engendrer des soudures de mauvaise qualité. Il est donc important que le dispositif de soudage soit en mesure de produire une quantité de chaleur élevée.
La chaleur dégagée dans l’aluminium par le procédé de soudage provoque une réorgani-sation de la structure du matériau au voisinage de la zone soudée. Cela entraîne un grossis-sement des grains, et donc une diminution locale des propriétés mécaniques. La zone où ce phénomène apparaît s’appelle la zone affectée thermiquement (ZAT). La norme CAN/CSA-S6-2014 prend en compte cet affaiblissement local de la résistance de l’assemblage dans le calcul des joints soudés, voir la section2.4.2.3de cette revue de littérature.
Lors du refroidissement du cordon de soudure, des fissures peuvent survenir dans le cor-don de soudure ou dans son voisinage, la zone affectée thermiquement (ZAT). Les diffé-rentes causes de la fissuration à chaud sont :
— la composition chimique du matériau de base et du matériau d’apport ; — le temps dans la gamme de températures critiques ;
— le niveau de contraintes lors du refroidissement ; — le profil de la soudure.
À l’instar des alliages d’acier, il est possible de préchauffer le système à souder. Cela n’est cependant pas recommandé car cela augmente la taille de la ZAT des assemblages soudés, et diminue par conséquents la résistance mécanique de l’assemblage.
2.1.5 Tenue à la corrosion des alliages d’aluminium
— La composition, l’état métallurgique et l’état de surface du matériau ;
— Les caractéristiques du milieu ambiant : milieu urbain, marin, désertique, etc. ; — Les conditions de service prévues : pont, bâtiment, etc. ;
— Les dispositions de constructions : forme de l’assemblage, contact avec d’autres maté-riaux, etc. ;
— La durée de vie de la construction ; — La fréquence et la qualité de l’entretien.
La couche d’alumine, formée par la corrosion de la surface libre de l’aluminium, le rend passif à son environnement. C’est cette couche qui donne aux alliages d’aluminium leur bonne tenue à la corrosion. Elle est dissoute lorsqu’elle est plongée dans un milieu acide ou alcalin. Durant les années 1990, un groupe de travail de l’International Standard Organisa-tion (ISO) a mesuré la progression de la corrosion atmosphérique sur différents métaux, sur 48 sites d’expositions, répartis dans 12 pays, sur des durées de 1 à 4 ans. Les résultats de cette étude, présentés dans le tableau2.3, démontrent clairement la bonne résistance à la corrosion de l’aluminium, qui s’oxyde, en moyenne, 100 fois moins vite que l’acier (Max,2005).
TABLEAU2.3 – Vitesse de corrosion dans différents métaux, d’aprèsMax(2005). Métal Vitesse de corrosion (µm/an)
Moyenne Minimale Maximale
Aluminium 0,5 0,07 1,7
Acier 47,7 0,82 373
Zinc 2,26 0,44 17,5
Cuivre 1,66 0,09 6,16
Il existe différentes forme de corrosion de l’aluminium (Beaulieu,2013) :
— La corrosion généralisée : on observe une diminution uniforme et régulière de l’épais-seur d’aluminium sur toute la surface de la structure. Cette corrosion a lieu dans des milieux acides ou alcalins ;
— La corrosion par piqûres : elle se développe sur des défauts dans la couche d’alumine, telles que des rayures. Cette corrosion se manifeste par la formation de cavités dans le métal recouvertes de pustules blanche d’alumine hydratée. La vitesse de corrosion par piqûres décroit rapidement dans la plupart des milieux : cette forme de corrosion n’évolue pratiquement plus quelques mois après la mise en service de la structure ; — Les corrosions trans-cristallines et inter-cristallines : il s’agit de corrosion à l’intérieur
du métal, à l’échelle du grain. Lorsqu’elle se propage à l’intérieur du grain, dans toutes les directions, il s’agit de corrosion trans-cristalline. Lorsqu’elle se propage le long des joints de grains, on parle de corrosion inter-cristalline.
— La corrosion feuilletante : il s’agit d’une corrosion sélective qui se propage sur des plans parallèles à la direction de laminage ou de filage ;
— La corrosion sous contraintes : elle provient de l’action combinée d’une sollicitation mécanique et d’un environnement corrosif, elle peut entraîner la rupture des pièces en service.
— La corrosion filiforme : elle ne concerne que les métaux peints : le métal sous-jacent ne connaît qu’une attaque très superficielle et la corrosion est visible sous forme de filaments de 0,1 à 0,5 mm de largeur et de quelques millimètres de longueur ;
— La corrosion à la ligne d’eau : elle se retrouve sur les structures immergées : une corro-sion plus intense a lieu dans la partie immergée, juste sous la ligne de changement de milieu. Cela est causé par la différence d’aération entre la surface du liquide et la zone juste au-dessous ;
— La corrosion sous dépôt : appelée aussi corrosion caverneuse. Elle est localisée dans les recoins, là où l’humidité pénètre et reste stagnante. Bien qu’elle ne progresse que généralement peu, il faut l’éviter au maximum en évitant la formation de recoins lors de la conception et de l’assemblage des pièces ;
— La corrosion par érosion se produit lorsqu’un fluide est en mouvement à la surface du métal ;
— La corrosion galvanique : elle dégrade l’aluminium selon le principe d’une pile élec-trochimique : l’aluminium a le rôle de l’anode, puisqu’il est plus électronégatif que la plupart des métaux ordinaires. Contrairement aux autres formes de corrosion structu-rale, la corrosion galvanique est indépendante de la présence d’une couche anodique, de la texture du métal et de son état métallurgique. Ce type de corrosion n’apparaît pas si la différence des potentiels électrochimiques des matériaux mis en contact est inférieure à 100 mV. Cette corrosion est localisée dans la zone de contact entre l’alu-minium et un autre matériau. La technique de protection la plus souvent employée pour ce type de corrosion est d’intercaler un isolant entre les deux matériaux de nature différente.
L’aluminium ne réagit pas de la même manière en fonction des matériaux avec lesquels il peut être mis en contact. Dans des milieux non immergés, on observe les réactions suivantes : — Contact aluminium et acier non allié : l’aluminium des séries 3000, 5000 et 6000 ne
subit qu’une corrosion très superficielle ;
— Contact aluminium et acier zingué ou traité au cadmium : le zinc, plus électronégatif, va être corrodé et on retrouve le cas aluminium et acier non allié ;
— Contact aluminium et alliage cuivreux : il n’y a pas de corrosion de l’aluminium mais le produit de la corrosion du cuivre est très agressif pour l’aluminium, il faut donc interposer un isolant entre ces deux matériaux ;
— Contact aluminium et produit graphité : on observe une importante corrosion de l’alu-minium en milieu humide ;
— Contact aluminium et plomb ou étain ou mercure : il apparaît une sévère corrosion de l’aluminium en milieu humide.
La norme canadienne CAN/CSA-S6-2014 fournit plusieurs recommandations concernant la protection contre la corrosion dans un assemblage mettant en jeu de l’aluminium (section 17.6.1) :
— L’aluminium en contact avec le béton, la maçonnerie, le bois ou des métaux autres que l’acier doit être protégé par un revêtement approuvé par la norme ou par un séparateur inerte ;
— L’acier en contact avec l’aluminium doit être protégé par un revêtement approuvé ou galvanisé, sauf dans le cas des aciers inoxydable de la série 300, pour lesquels aucune protection n’est nécessaire ;
— L’aluminium ne doit pas être placé à des endroits où de l’eau de ruissellement prove-nant d’autres métaux peut lui couler dessus.
2.1.6 Extrudabilité de l’aluminium
Le procédé d’extrusion permet de mettre en forme l’aluminium selon des géométries com-plexes, afin d’optimiser le ratio poids/résistance d’une structure d’aluminium. Ce procédé est exposé de manière plus exhaustive à la section4.1. Du fait de leurs propriétés mécaniques différentes, tous les alliages d’aluminium ne sont pas extrudables avec la même facilité. Le tableau 2.4 donne les valeurs d’extrudabilité relative pour différents alliages. Ces valeurs peuvent être interprétées de la manière suivante :
— entre 50 et 150 : l’alliage est facilement extrudable ;
— entre 30 et 50 : l’alliage est moyennement difficile à extruder ; — en dessous de 30, l’alliage est difficilement extrudable.
Il est important de prendre en considération l’extrudabilité des alliages lorsque l’on conçoit un produit extrudé en aluminium car cela a un impact sur la capacité de la presse à utiliser ainsi que sur l’usure des outils nécessaires à l’extrusion, notamment la matrice.
TABLEAU2.4 – Extrudabilité des alliages d’aluminium, d’aprèsGuillot(2013). Alliage Extrudabilité relative
1060 140 1100 150 2014 20 2024 15 5052 80 5083 20 5454 50 6061 60 6061 60 6063 100 6066 40 6101 100 6151 70 6351 60 6463 100 7001 7 7075 10
2.1.7 Fatigue des structures d’aluminium
2.1.7.1 Phénomène de fatigue
Les structures en service sont soumises à des charges cycliques. Même si le niveau des contraintes est plus faible que la limite ultime du matériau de la structure, la charge cyclique peut entraîner la formation et la propagation de fissures ; il s’agit du processus d’endomma-gement par fatigue. Ce processus est conduit très souvent à une rupture brutale, ce qui peut être à l’origine d’accidents. L’expérience montre que la ruine des structures en service est le plus souvent due aux phénomènes de fatigue (Bellett,2014).
2.1.7.2 Propriétés des structures d’aluminium en fatigue
L’aluminium est moins résistant à la fatigue que l’acier (Maljaars et collab.,2006). En outre, le ratio élevé entre les charges vives et les charges mortes dans les structures d’aluminium rendent celles-ci plus susceptibles à l’endommagement en fatigue (Maljaars et collab.,2008). Dans le cas des platelages extrudés en aluminium, il existe de nombreux cordons de sou-dures. Ces derniers sont des points de faiblesse en fatigue, du fait de la résistance mécanique plus faible de la ZAT et de la possibilité de présence de défauts dans les cordons de soudure. Cela peut engendrer des amorces de fissures qui se propageront par fatigue.
2.1.7.3 Exigences de la norme S6 sur la fatigue
La norme CAN/CSA-S6-2014 donne des principes de conception en fatigue dans le cha-pitre 17. Ceux-ci sont donnés et mis en application à la section4.5.4.1de ce mémoire.
2.2
État des lieux du parc des ponts en Amérique du Nord
Plus de 40% des ponts du Canada ont été construits il y a plus de 50 ans. En 2014, le système de gestion des ponts utilisé au Canada indique que les ponts canadiens ont une durée de vie de 43,3 ans (Viami International Inc. et The Technology Strategies group,2014). L’infrastructure du pays se montre donc vieillissante.
Le Québec compte environ 6 100 structures routières sous la responsabilité du Minis-tère des Transports du Québec, ainsi que 4400 structures routières municipales (Bissonnette, 2016). Il est à noter que plus de 70% de ces ponts ont été construits entre 1960 et 1980, c’est-à-dire durant la Révolution Tranquille. L’âge moyen de ces ponts, en 2008, est de 31 ans d’aprèsRoche Ingénieurs-conseil(2008). Cela fait du parc de ponts du Québec un ensemble vieillissant, en considérant la durée de vie moyenne d’un pont au Canada de 43,3 années.
FIGURE2.3 – Nombre de ponts construits au Québec jusqu’en 2007, par décennie, d’après Viami International Inc. et The Technology Strategies group(2014).
Les États-Unis, ont, en 2012, un parc de 600 000 ponts, dont environ 25% ne sont plus consi-dérés structurellement adéquats ou ne remplissent plus leur fonction (Walbridge et De la Chevrautière,2012).
Le tablier est la partie du pont la plus exposée aux dégâts liés aux intempéries et aux sels de déglaçage. La vulnérabilité du tablier à ces sollicitations est accrue par le passage des charges roulantes, qui sont souvent supérieures par rapport à ce à quoi le pont était dimensionné. En outre, il a été constaté, aux États-Unis, qu’un pont a une durée de vie moyenne de 68 ans, contre 35 ans pour le tablier (Arrien,1995). Cela implique qu’il est nécessaire, en moyenne, de changer le tablier d’un pont au moins une fois dans la durée de vie de l’ouvrage, ce qui n’est en général pas prévu lors de la conception initiale et ajoute donc un surcoût d’exploitation imprévu. Les conditions de service étant généralement plus sévères au Canada qu’aux États-Unis, on peut supposer que le rapport des durées de vie entre le pont et le tablier demeure au moins aussi grand : la structure du pont a une durée de vie double de celle du tablier.
L’état vieillissant du parc des ponts en Amérique du Nord va nécessiter un important effort de réfection et réparation des structures routières et des investissements croissants de la part des gérants de parc d’ouvrages. Dans ce contexte, l’aluminium est un matériau prometteur, grâce à sa durabilité, sa légèreté et sa résistance mécanique
2.3
État de l’art de l’utilisation de l’aluminium dans les ponts
2.3.1 Introduction
L’utilisation de l’aluminium dans les ponts peut être appliquée dans plusieurs domaines : les équipements de ponts, la rénovation ou le remplacement de platelages dégradés, l’agran-dissement de ponts existants, les ponts flottants et les passerelles piétonnes. Il convient alors de voir, dans cette partie, quels sont les intérêts et les limites des alliages d’aluminium pour les ponts, comment ce matériau a été utilisé jusqu’à présent dans cette optique, quelles sont les technologies à disposition pour cela, et quelles sont les normes et codes de calculs per-mettant de concevoir des structures en aluminium.
2.3.2 Intérêts et limites de l’aluminium dans les applications structurales
L’aluminium possède de nombreuses caractéristiques qui le rendent particulièrement adapté à la construction d’ouvrages d’art.
— Une faible masse volumique, environ trois fois inférieure à celle de l’acier, ce qui per-met de bâtir des structures plus légères et facilite le transport, la manutention et l’ins-tallation sur chantier.
— Une très bonne résistance à la corrosion, même dans des conditions sévères d’hu-midité ou de présence de sels de déglaçage. Cet avantage de l’aluminium sur l’acier permet de réaliser des économies d’entretien et de protection anticorrosion.
— Une solidité et une résilience élevées à basse température. La résilience est la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement plutôt qu’à fissurer. Cette caractéristique
est intéressante car elle limite les risques de rupture fragile, que l’on peut connaître sur les ponts en acier. L’amélioration des propriétés physiques de l’aluminium à basse température constitue un grand avantage de l’aluminium sur l’acier dans un contexte nordique.
— Une bonne formabilité, notamment pour les alliages de la série 6000, ce qui permet la fabrication de pièces extrudées complexes, dont les sections sont optimisées de telle manière à obtenir un ratio performance/poids élevé.
— Une facilité de fabrication en usine des pièces d’aluminium, du fait de la légèreté du métal, ce qui facilite sa manutention. Cela permet un gain de productivité significatif, estimé à 25% par rapport aux constructions en acier (Guillot,2013).
L’utilisation d’alliages d’aluminium en tant que matériaux de construction est cependant limitée par plusieurs facteurs :
— Un coût important. En effet, il est estimé que le prix d’une pièce d’aluminium extru-dée peut être supérieur de 25% à 75% à celui d’une pièce en acier équivalente, selon les formes et les dimensions de la pièce (Roche Ingénieurs-conseil,2008). Ce coût est également fortement dépendant des capacités de production de pièces extrudées et de la facilité d’obtention de ces dernières à proximité du chantier. L’aluminium nécessite moins d’entretien que l’acier, notamment au niveau de la protection contre la corrosion, ce qui réduit les coûts d’exploitation.
— Une faible expérience dans le domaine des constructions en aluminium. Le peu d’ou-vrages érigés en alliages d’aluminium, le peu de recul sur ces constructions, le faible nombre de publications scientifiques à ce sujet, la nouveauté des codes de construc-tion, l’indisponibilité d’outils de conception adaptés, le manque de connaissances des ingénieurs sur l’aluminium structural, et les difficultés d’approvisionnement de pièces extrudées limitent considérablement l’expansion de l’utilisation de l’aluminium dans les ponts.
2.3.3 Historique de l’utilisation de l’aluminium dans les ponts
La première utilisation de l’aluminium sur un pont remonte en 1933, à Pittsburg, aux Etats-Unis : le tablier du pont Smithfield Street, en bois et acier, fut remplacé par un tablier en alliage d’aluminium 2014-T6, remplacé en 1967 par un tablier en alliage 6061-T6, plus résis-tant à la corrosion. L’utilisation d’aluminium a permis d’alléger la structure de 675 tonnes. Cette diminution du poids mort a autorisé une augmentation conséquente de la charge utile admissible de 4,5 à 16 tonnes (Siwowski,2006).
Le premier pont dont la travée est entièrement en aluminium a été érigé en 1946 : il s’agit du pont Grass River, à Massena, aux Etats-Unis. D’une portée de 30,5 mètres, ce pont a une
travée 43% plus légère qu’une travée équivalente en acier. Plusieurs autres ponts entièrement en aluminium ont été bâtis à la fin des années 1940 et durant les années 1950. Parmi ces ponts on compte notamment le pont d’Arvida, enjambant la rivière Saguenay, au Québec. Ce pont d’une portée centrale de 88,4 mètres, érigé en 1950 dans un alliage 2014-T6, est le pont en aluminium le plus long du monde (Das et Kaufman,2007). Ce pont illustre bien l’intérêt de l’aluminium dans les applications structurales puisqu’il n’a nécessité pour toute réfection que le remplacement de certaines membrures, bien que l’alliage 2014-T6 soit moins résistant à la corrosion que les alliages de la série 6000.
FIGURE2.4 – Pont d’Arvida, au Québec (crédit photo : Centre de recherche sur l’aluminium
- REGAL).
Au début des années 1960, l’apparition de nouveaux alliages plus adaptés aux procédés d’extrusion et de soudage ont élargi le champ des applications possibles de l’aluminium dans les ponts.
Le rapport de l’entreprise Roche Ingénieurs-conseil, Positionnement de l’aluminium dans la construction des ponts au Canada : répertoire, problématique et stratégie, de 2008 à l’Association de l’aluminium du Canada et au Centre québécois de recherche et de développement de l’alu-minium, fait un inventaire de 58 ponts en aluminium construits entre 1930 et 2008. L’histo-rique de ces constructions est représenté sur la figure2.5. On constate, sur cette figure, que la majorité de ces ponts a été érigée entre 1950 et 1979, période durant laquelle l’utilisation de l’aluminium était devenue avantageuse du fait de l’augmentation du coût de l’acier. Sur
les 58 ponts de l’inventaire, 21 sont des passerelles piétonnes. Les alliages majoritairement utilisés pour les ponts routiers et ferroviaires sont les séries 2014, 6061, 6063 et 6351.
FIGURE2.5 – Nombre de ponts en aluminium construits dans le monde par périodes, d’après Roche Ingénieurs-conseil(2008).
2.3.4 Différents types de platelage en aluminium
2.3.4.1 Le platelage Svensson (SAPA FRONT)
Ce platelage fut développé dans les années 1980, par l’entreprise SAPA, en Suède. Il est constitué d’extrusion d’aluminium 6063-T6, proposées en deux formats différents, en fonc-tion de leurs dimensions, comme on peut le voir sur la figure2.6.
FIGURE2.6 – Extrusions du tablier Svensson, d’aprèsRoy(1999).
Comme représenté sur la figure2.7, les extrusions sont montées transversalement sur les poutres principales de l’ouvrage, auxquelles elles sont liées par des extrusions d’ancrage et des boulons en acier inoxydable ou galvanisé. Les extrusions sont liées latéralement par emboîtement grâce à un système de formes complémentaires mâle-femelle aux bords des
extrusions. Les extrusions sont libres de se déformer latéralement, sous l’effet des contraintes thermiques, puisqu’elles ne sont retenues que par frottements. Ce type de platelage agit en tant que tablier non-composite
FIGURE2.7 – Système de fixation des extrusions Svensson, d’aprèsRoy(1999).
Deux types de revêtement peuvent constituer la surface de roulement du platelage Svens-son :
— L’acrydur, généralement utilisé sur des panneaux préfabriqués, est un matériau à base d’acrylique et de granules d’oxyde d’aluminium. Il est réalisé en usine et a une épais-seur d’environ 6 mm.
— L’enrobé bitumeux est un meilleur choix lorsque le revêtement est fait sur le chantier. Dans ce cas, on dépose au préalable une membrane imperméable élastomérique sur le platelage, puis on la recouvre d’une couche d’enrobé bitumeux d’environ 65 mm d’épaisseur.
Les avantages du platelage Svensson sont :
— Aucune soudure n’est nécessaire pour l’assemblage, ce qui est intéressant dans la me-sure où le soudage de l’aluminium demande un équipement onéreux et une main d’oeuvre spécialisée, l’aluminium ne se soudant pas comme l’acier. Cela permet égale-ment d’éviter la diminution des propriétés mécaniques liée à la présence d’une ZAT ; — Ce système est très rapide à installer, puisque les panneaux sont fabriqués en usine,
acheminés sur chantier par camions, et leur installation sur le site ne nécessite que des moyens classiquement présents sur un chantier : grue et camions. En comparaison avec la construction d’un tablier en béton, on économise le temps de mise en place des
coffrages, de coulée et de cure du béton. Cela permet de réduire fortement la période pendant laquelle la voie de circulation est inaccessible. En outre, le boulonnage est un procédé rapide à exécuter et maîtrisé par tous les ouvriers, contrairement au soudage.
Cependant, le platelage Svensson a un coût six fois plus important qu’un tablier en béton armé. Une étude de coût a été réalisée pour comparer l’investissement sur 40 ans pour un platelage en bois et un platelage Svensson (Arrien,1995). Cette étude démontre que le tablier Svensson est le plus avantageux des deux, même si l’investissement initial est plus impor-tant. Cependant, cette étude a été réalisée il y a plus de 20 ans, il faut donc considérer ces conclusions avec du recul, puisque les facteurs pris en compte pour l’étude peuvent avoir changé pendant cette période.
2.3.4.2 Le platelage d’AlumaBridge Présentation
ALUMABRIDGEest une entreprise américaine basée à Ann Arbor, Michigan. Cette so-ciété a conçu le tablier AlumaBridge, qui s’inspire du tablier AlumaDeck, conçu dans les années 1990 par les entreprises REYNOLDSMETALCOMPANY et HIGH STEEL STRUCTURES
(Beaulieu et Internoscia,2015). Ce tablier est développé à l’origine pour répondre aux be-soins du gouvernement de Floride, qui souhaite remplacer les tabliers en grillages métal-liques utilisés sur de nombreux ponts à bascule construits entre les années 1950 et 1970 en Floride (URS Corporation, Inc.,2012).
Ce platelage orthotrope est constitué d’extrusions de profilés d’alliage 6063-T6 soudés par MIG ou par friction-malaxage entre eux en usine. Il existe deux types d’extrusions : un modèle de 5 pouces (127 mm) de haut, représenté sur la figure2.8, et un modèle de 8 pouces (203,2 mm) de haut, représenté sur la figure2.9. Ce système permet de réaliser des panneaux dont la longueur est variable : il s’agit de la longueur d’extrusion, et dont la largeur dépend du nombre de profilés soudés entre eux. Du fait des capacités des extrudeuses actuellement utilisées , la longueur des extrusions est cependant limitée à 32 pieds (9,6 mètres) pour les modèles de 5 pouces et 33 pieds (9,9 mètres) pour les modèles de 8 pouces (Osberg,2015). De-puis 2012, le procédé de soudure utilisé est le friction-malaxage, ce qui permet une soudure à travers des épaisseurs d’aluminium variable sans perte de propriétés mécaniques signifi-catives. L’intérêt des extrusions de 5 pouces, par rapport à celles de 8 pouces, est qu’elles sont plus larges et nécessitent donc moins de soudures. Cela permet de réduire les temps et les coûts de fabrication, ainsi que de réduire le nombre de zones de faiblesse.
FIGURE2.8 – Vue en coupe d’un tablier constitué d’extrusions type AlumaBridge. On
dis-tingue trois extrusions principales et deux extrusions d’extrémité (crédit photo : ALUMA
-BRIDGE).
La surface de roulement sur le tablier ALUMABRIDGEest constituée d’une couche
d’en-viron 10 mm d’épaisseur d’époxy et de pierre basaltique déposée en usine. La masse surfa-cique de ce revêtement est d’environ 25 kg/m2.
Connexion entre le platelage et le système porteur
La connexion entre le platelage d’aluminium et les poutres en acier est problématique : la difficulté la plus grande est que l’accès physique à l’intérieur des extrusions est difficile, ce qui pose des problèmes pour la mise en place des boulons et leur maintien lors du serrage. Plusieurs technologies sont envisagées pour réaliser la connexion :
— un bras magnétique a été conçu pour positionner les boulons dans les cavités des ex-trusions. Cependant cette solution n’est pas jugée satisfaisante actuellement ;
— boulonner en usine, avec des boulons ASTM F3125 grade A325, le platelage à des lon-gerons, puis boulonner sur chantier les longerons aux poutres principales ;
— pour le pont de Saint-Ambroise, le platelage est relié aux poutres principales par le biais de glissières boulonnées sur la face inférieure du platelage, au moyen de boulons aveugles Hollo-Bolt (connecteurs présentés à la section2.4.6.3), comme illustré sur la figure2.9. Cependant, cette solution ne permet pas de développer l’action composite entre le platelage et les poutres. En effet, ces boulons ne développent pas une résistance en traction suffisante pour être précontraint (Lindapter,2017).
FIGURE2.9 – Détail de l’assemblage du pont de St Ambroise, sur une demi-coupe du tablier (crédit photo : MMM GROUP).
