Bachelor en génie civil - Session Mémoire technique. Construction en béton Reconstruction P.I. CFF Philibert de Sauvage

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Bachelor en Science HES-SO en génie civil - 2012 Page : 1 / 7

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Bachelor en génie civil - Session 2012

Mémoire technique

Candidat : Aleksandar Trifunovic

Professeurs responsables : Monsieur Michel Noverraz Madame Andréa Hüssy

Construction en béton

Reconstruction P.I. CFF Philibert de Sauvage

Table des matières :

Introduction ... 2 Situation... 2 Ouvrage existant ... 2 Nouvel ouvrage-critères ... 2-3 Contraintes ... 3 Variantes proposées au préjury ... 4-5 Variante retenue ... 5 Etude définitive-résumé de la note de calculs ... 5-7

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1. INTRODUCTION

Dans la Haute Ecole du Paysage d’Ingénierie et d’Architecture de Genève (hepia), le projet de bachelor suivant, dans le domaine des constructions en béton, traite l’étude de la reconstruction du PI CFF Philibert- de-Sauvage.

2. SITUATION

L’ouvrage se situe à Genève, dans la commune de Vernier (actuellement une ville). Il enjambe le chemin Jacques-Philibert-de-Sauvage, une route secondaire dans la hiérarchie du réseau routier, qui est une route bidirectionnelle avec trottoirs de part et d’autre de la chaussée.

L’ouvrage permet la liaison ferroviaire entre la Suisse et la France et permet de desservir l’aéroport international de Genève et assurait auparavant la liaison ferroviaire industrielle Vernier-La Praille. De plus, il permet de desservir les habitations et halles l’entourant et permet une liaison routière (secondaire) entre deux communes ; Vernier et Meyrin.

3. OUVRAGE EXISTANT

L’ouvrage existant est composé de 3 ponts métalliques identiques avec un système statique poutre simple, supportant une voie ferroviaire chacun. Il a été construit dans les années 1950.

La structure de cet ouvrage est attaquée par la corrosion. Son état actuel oblige une reconstruction totale de l’ouvrage. De plus, l’ouvrage a plus de 5 décennies de vie et n’est plus conforme aux normes actuelles de construction, ni aux règles actuelles des chemins de fer fédéraux suisses. Donc, une reconstruction entière de l’ouvrage est planifiée et sera exécutée dans un avenir très proche.

4. NOUVEL OUVRAGE - CRITÈRES

Le nouvel ouvrage devra répondre aux critères suivants : Gabarit horizontal

Le nouvel ouvrage devra avoir au moins le même gabarit horizontal qu’actuel, c'est-à-dire au minimum 9 mètres de largeur libre entre les culées.

Ouvrage robuste

Le maître d’ouvrage (CFF), exige que les nouveaux ouvrages d’art ferroviaires soient robustes, c'est-à-dire qu’ils offrent un confort adéquat pour ses clients et causent le moins possible de nuisance à l’environnement et aux tiers dans les milieux urbains, c'est-à-dire un minimum de bruit et de vibrations. Donc, il est exigé d’avoir une continuité du ballast. Une épaisseur de 55 cm est exigée sur les nouveaux ouvrages d’art, pouvant être réduite à 30 cm, dans des cas exceptionnels.

Gabarit vertical

Actuellement, l’ouvrage est limité aux véhicules ne dépassant pas un gabarit vertical de 4 mètres, ce qui implique que certains types de véhicules, surtout les poids lourds, ne peuvent pas l’emprunter. Le plan localisé de quartier de la commune de Vernier (actuellement une ville), prévoit le passage des transports collectifs sous ce pont, donc le nouvel ouvrage devra avoir un gabarit vertical libre de 4.2 mètres au minimum.

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On aperçoit qu’un rabaissement du niveau de la route actuelle est indispensable due à l’exigence de disposer du ballast sur la structure et le gabarit de 4.2 mètres à respecter.

Vitesse future maximale

La vitesse prévue (maximale) sur ce tronçon ferroviaire sera de 120 km/h, ce qui implique des déformations admissibles très faibles afin de garantir un confort adéquat pour les usagers du transport ferroviaire.

Type de charges d’exploitation

L’ouvrage devra être apte à reprendre sur chacune des 3 voies, un transport ferroviaire normal et un transport ferroviaire lourd (industriel) avec des charges selon les normes suisses SIA 2003.

Conception selon règles CFF

L’ouvrage doit répondre aux règles CFF, principalement les largeurs libres afin de pouvoir changer le ballast à l’aide des bourreuses mécaniques.

On aperçoit que la disposition actuelle des voies ne permet pas de disposer des sommiers renversés entre les voies, due à la distance minimale de 2.7 mètres à respecter. En conséquence, on voit que la seule solution possible est un pont dalle pour le tablier.

Ouvrage durable

La durée de vie du nouvel ouvrage est fixée à 100 ans pour sa structure porteuse. Dans la conception de l’ouvrage il faut faire en sorte que les interventions sur l’ouvrage durant sa durée de vie soient minimales et aisées. L’entretien et l’oscultation de l’ouvrage devront aussi êtres pris en compte lors de la conception afin de garantir un ouvrage économique pour la durée de sa vie entière.

5. CONTRAINTES

Maintien de la circulation ferroviaire

Étant donné que l’ouvrage supporte l’axe ferroviaire principal de la Suisse occidentale, en liant la Suisse et la France et desservant l’aéroport international de Genève, la contrainte principale est le maintien la circulation ferroviaire durant la construction du nouvel ouvrage.

Présence des SIG

Le chemin Jacques Philibert de Sauvage dispose sous sa chaussée un important réseau d’installations des services industriels de Genève. Sous l’ouvrage existant, sous son dallage stabilisant les culées, passe un collecteur gravitaire des eaux mélangées de section ovoïde 400/600 mm. De plus, sous le trottoir, côté Salève, sont disposés une ligne électrique et une conduite de gaz de section circulaire de 300mm de diamètre.

Ouvrages selon règles CFF

Ouvrage existant

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6. VARIANTES PROPOSÉES AU PRÉJURY

Les variantes proposées devaient répondre aux exigences et contraintes principales citées aux chapitres 4 et 5.

La principale contrainte étant le maintien

proposées respectent cette principale contrainte.

fondations y compris) et la fermeture da la route secondaire durant les travaux, mais se différencie des travaux, la mise en œuvre et l’impacte sur le niveau de route (rabaissement).

6.1. VARIANTE N°1

La variante N°1 est un portique exécuté en entier su r place avec du béton armé. L’ouvrage est exécuté sous les ponts provisoires.

La variante N°2 est une structure préfabriqués avec une mise en œuvre

La variante n°3 est une variante pouvant être total ement ou partiellement préfabriquée.

Une fois tous les travaux pouvant être fait

par un et on vient poser les tabliers préfabriqués en poutrelles enrobées (u

6.4. COMPARAISON DES VARIANTES

Le tableau ci-dessous évolue les trois

Variante Durabilité N° 1

N° 2 N °3

En comparant les trois variantes, on aperçoit que la variante n°3 est la

En effet, on voit que la variante n°1, qui est un p ortique coulé sur place (sous pont excellente au niveau de la durabilité, car tout est exécuté en même temps, sans interruptions

éléments. Tout de même, cette variante demande de descendre le niveau de route actuelle de 1.65 mètres, ce qui n’est pas envisageable à cause des accès aux ouvrages existant

assez longue en temps d’exécution

La variante n°2, la variante qui est pratiquement e ntière durabilité, à cause des liaisons à assur

U PRÉJURY

répondre aux exigences et contraintes principales citées aux chapitres 4 et 5.

rainte étant le maintien de la circulation ferroviaire durant la reconstruction. Toutes les var proposées respectent cette principale contrainte. Toutes les variantes exigent une reconstruction totale (culées et fondations y compris) et la fermeture da la route secondaire durant les travaux, mais se différencie

ise en œuvre et l’impacte sur le niveau de route (rabaissement).

La variante N°1 est un portique exécuté en entier su r place avec du béton armé. L’ouvrage est exécuté

une structure en portiques

s avec une mise en œuvre exécutable en plusieurs étapes.

Une fois tous les travaux pouvant être faits sous les ponts provisoires terminés, on enlève ces derniers un par un et on vient poser les tabliers préfabriqués en poutrelles enrobées (un élément par voie ferroviaire).

NTES

dessous évolue les trois variantes en prenant les trois critères principaux pour l’ouvrage Durabilité Impact niveau route

+++ - - -

- - +

- ++

En comparant les trois variantes, on aperçoit que la variante n°3 est la plus adaptée.

En effet, on voit que la variante n°1, qui est un p ortique coulé sur place (sous pont excellente au niveau de la durabilité, car tout est exécuté en même temps, sans interruptions

éléments. Tout de même, cette variante demande de descendre le niveau de route actuelle de 1.65 mètres, ce qui n’est pas envisageable à cause des accès aux ouvrages existant proches. De plus, cette variante est

(temps de prise du béton).

La variante n°2, la variante qui est pratiquement e ntièrement préfabriquée, est très mauvais

durabilité, à cause des liaisons à assurer entre les éléments préfabriqués. Elle demande de rabaisser le répondre aux exigences et contraintes principales citées aux chapitres 4 et 5.

de la circulation ferroviaire durant la reconstruction. Toutes les variantes Toutes les variantes exigent une reconstruction totale (culées et fondations y compris) et la fermeture da la route secondaire durant les travaux, mais se différencient par la durée

sous les ponts provisoires terminés, on enlève ces derniers un n élément par voie ferroviaire).

variantes en prenant les trois critères principaux pour l’ouvrage.

Rapidité - - -

++

+(+)

.

En effet, on voit que la variante n°1, qui est un p ortique coulé sur place (sous ponts provisoires) est excellente au niveau de la durabilité, car tout est exécuté en même temps, sans interruptions entre différents éléments. Tout de même, cette variante demande de descendre le niveau de route actuelle de 1.65 mètres, . De plus, cette variante est , est très mauvaise pour la entre les éléments préfabriqués. Elle demande de rabaisser le

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niveau de la route de 91 centimètres, mais son exécution est très rapide vu que pratiquement la totalité de la structure est préfabriquée.

On aperçoit donc que la variante n°3 est la plus ad aptée, car on rabaisse la route de 77 centimètres, le minimum possible à cause de la superstructure demandée (couche de ballast et équipements ferroviaires).

En ce qui concerne la durabilité, elle est acceptable, car les éléments préfabriqués forment le tablier, qui est plus accessible à l’entretien (que les culées) et est protégé par une couche de protection, l’asphalte.

6.5. VARIANTE RETENU

Lors du pré-jury il a été discuté des 3 variantes proposées. Le jury a proposé une variante de plus; 2 cadres côte à côte, nécessitant d’élargir la chaussée.

En analysant les avantages/inconvénients par rapport aux importantes contraintes pour la reconstruction, essentiellement gêner le moins possible le trafic ferroviaire et rabaisser le moins possible le niveau de la route actuelle, la variante proposés n°3 a été rete nue.

7. ETUDE DÉFINITIVE – RESUMÉ DE LA NOTE DE CALCUL

Tout d’abord, j’ai fait un tableau Excel afin d’éviter les itérations. Ce tableau Excel a été fait avec des formules présentées dans le livre « Ponts-routes à tablier en poutrelles enrobées, SETRA ». Le tableau Excel et les formules présentées dans le livre SETRA ont été vérifiées avec des calculs manuels selon le cours du mixte béton-métal donné par M. Delémont dans notre école.

Etant donné que ces sections mixtes (poutrelles enrobées) donnent une importante résistance à l’état limite ultime en plus d’augmenter l’inertie en stade 2 (section fissurée), j’ai décidé de chercher des solutions afin d’encastrer le tablier et ainsi profiter au maximum de leur résistance et élancer le tablier le plus possible. En plus de cela, le projet a été commencé avec une vitesse ferroviaire sur le pont de 160 km/h, ce qui obligeait d’avoir une déformation instantanée (déformation relative) due à la charge utile (uniquement) d’au maximum 5 millimètres.

Aucune des variantes étudiées garantissant un encastrement n’a pu être retenue pour la suite d’étude. La seule variante présentant une mise en œuvre rapide et « aisée » est la dernière variante où on assurait l’encastrement à l’aide du béton remplissant les talus derrière les culées. En plus, la vitesse ferroviaire maximale sur le pont a été modifiée de 160 km/h à 120 km/h (modification le 23.05.2012). La déformation relative admissible est alors de 6.8 millimètres. Ainsi, la suite d’étude a été poursuivie avec un système statique isostatique, poutre simple. Ce système est bien plus aisé à mettre en œuvre.

La section nécessaire pour le système statique poutre simple a été définie à l’aide de calcul de l’inertie nécessaire pour ne pas dépasser la déformation relative maximale (ELS déterminant) et elle a été trouvée à l’aide du tableau Excel. Afin d’avoir l’épaisseur maximale du tablier de 70 centimètres (pour ne rabaisser la route que de 77 centimètres), il a fallu disposer des HEM 360 S235 avec du béton C40/50.

Section nécessaire pour une voie Plusieurs variantes de mise en œuvre ont été étudiées pour la pose des tabliers.

Une des variantes a été le ripage, mais elle a été écartée, car elle nécessiterait de disposer le coffrage pour la préfabrication de part et d’autre de l’ouvrage et de le préfabriqué avant ou en même temps que les travaux sous les ponts provisoires (démolition, déplacement des SIG, reconstructions des fondations et culées). Donc cette variante poserait énormément de conflits entre les différentes tâches et de plus ne permettrait pas une liaison culées-tabliers par des éléments ressortant des culées.

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Deux autres variantes ont été étudiées en utilisant les grues mobiles. Au final j’ai décidé de choisir la mise en place des tabliers par la grue LTM 1500. La préfabrication des tabliers sera effectuée sur un des nombreux parkings aux alentours de l’ouvrage.

Etapage des fondations :

Etapes 1 et 2 Etapes 3 et 4 Etapes 5 et 6

La vérification de la sécurité structurale et de l’aptitude au service a été vérifiée sur le logiciel de calcul SCIA. La structure a été modélisé en barre (1D) avec l’inertie mixte moyenne de stade 1 et 2 et a aussi été modélisé en système plaques (2D), en modélisant les tabliers comme une dalle nervurée.

Les deux modèles ont été vérifiés. La différence maximale entre les efforts pour le tablier vérifiée (tablier du milieu, sans liaisons avec les autres tabliers pour le modèle 2D) d’un modèle à l’autre est de 6 %.

w sur modèle 1D = 7 mm w sur modèle 2D = 6.9 mm (attention SCIA calcul en stade 1) J’ai décidé de lier les tabliers entre eux à l’aide des redents afin de diminuer les déformations et surtout ne pas casser l’étanchéité qui sera posé en dessus. Etant donné que je voulais un ouvrage pratiquement sans entretiens pendant sa durée de vie, les appuis mécaniques ont été écartés. Les tabliers seront posés sur les culées et les forces horizontales seront reprises par des barres type swiss-gewi ressortant des culées et ensuite liées au tablier.

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Etant donné que le modèle 2D a été modélisé sur un sol élastique, le dimensionnement des fondations (semelles, dallage et culées) a été fait en prenant les efforts de calcul du modèle.

J’ai toujours vérifié par des calculs manuels les résultats obtenus et cherché à comprendre si quelque chose ne me paraissait pas normal.

Par exemple, pour le calcul de l’armature dans les culées , j’ai constaté que la culée en amont de la force horizontale (culée de gauche sur l’image) était très peu sollicitée en flexion, ce qui ne serait pas le cas, si j’avais mis des appuis fixes. On le voit ici en analysant la déformation du système. On apperçoit que le sol permet la rotation de la culée de gauche, qui reste pratiquement verticale.

La résistance à la fatigue des éléments principaux a été vérifiée. Pour certains éléments la fatigue a nécessité d’augmenter la section, comme par exemple pour le calcul des redents. Pour l’étude définitive, il faudra faire des contrôles supplémentaires, car les normes donnent les valeurs de variations de contraintes pour un nombre de cycles plus petit que 2 millions. L’ouvrage sera probablement soumis à un nombre plus important pour sa durée de vie prévue de 100 ans. En calculant le nombre de cycle selon la norme, avec 120 trains par jour, ce qui correspond à une cadence de 12 minutes (1 train toutes les 12 minutes), les 2 millions de cycles seront largement dépassés.

Tablier préfabriqué Tabliers liées

Ouvrage définitif en coupe

En ce qui concerne le coût des travaux, selon une première estimation la totalité des travaux devrait s’élever à 3'250'000 frs.