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TPE : Ponts à haubans

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by

Léonard Debaussart

on 25 March 2014

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Transcript of TPE : Ponts à haubans

Travaux Personnels Encadrés :
Les ponts à haubans

Partie I :
Les ponts à haubans, conception et construction exemplaires ...
Introduction
En quoi les ponts à haubans sont-ils aujourd'hui les ponts de demain ?
Conception
Construction
Présentation de la maquette
Charges et forces appliquées aux ponts
Partie II :
... dont les caractéristiques diffèrent des autre ponts
Avancées scientifiques et comparaison entre ponts suspendus et ponts à haubans
Partie III :
Etude de cas
Equations de forces
Quelques ponts à haubans célèbres
Le Viaduc de Millau
Réalisation du viaduc
Les éléments d'un pont à haubans
Les piles
Les piles sont les appuis intermédiaires qui supportent le poids du tablier et le transmettent aux fondations.
Le tablier
Le tablier est l'élément horizontal servant de chaussée ou de voie de circulation.
Les haubans
Les haubans sont les câbles porteurs reliant les pylônes et le tablier en de nombreux points d'attaches.
L'acier
Alliage métallique composé de fer et de carbone, l'acier résiste à l'oxydation et aux fortes tractions.
Le béton
Mélange de ciment, de sable et de gravats, le béton, une fois à l'état solide, est inaltérable, imperméable et très résistant aux fortes compressions.
Le béton armé
Association de l'acier et du béton, le béton armé est renforcé par une armature intérieure en acier lui permettant de résister aux tractions et compressions.
Le béton précontraint
Coulé sur des câbles tendus puis relâchés, le béton précontraint est crée pour résister à des forces spécifiques.
L'élasticité des matériaux
Les matériaux utilisés
La construction
L'élévation des piles
Les piles sont coulées par levée de 4m sur des armatures en acier grâce à des coffrages mobiles.
Le lançage du tablier
Le tablier est assemblé de chaque côté du pont puis déplacé vers la prochaine pile grâce à des translateurs.
La jonction du tablier
Puis les deux parties du tablier sont jointes dans le vide en leur centre.
L'installation des pylônes
Au niveau des piles, des grues installent alors des pylônes.
Le haubanage
Enfin, d'énormes câbles en acier sont tendus entre les pylônes et le tablier afin d'équilibrer les forces.
Les fondations
Cas d'un sol instable fin ou inexistant
Cas d'un sol instable épais
Cas d'un sol stable inexistant
Les étapes de la construction
Données environnementales
Relevé topographique
Relevé hydrographique et environnement
Première étape de la conception, le relevé topographique permet d'envisager toutes les possibilités d'ouvrage, les tracés et les zones d'installations annexes.
Le dimensionnement
Les fondations
Les éléments porteurs
Le tablier et les haubans sont aussi sources d'étude, des ingénieurs déterminent par avance les tensions exercées par chaque haubans sur le tablier.
Les appuis
Soumises à des forces de compression, les piles doivent également résister aux flexions dynamiques imposées par le vent. On doit alors en déterminer la forme et les matériaux les plus adaptés.
Les ponts sont donc conçus pour résister à la force du courant mais aussi aux crues, tout en prenant en compte les débris charriés par l'eau et aux forces exercées sur le pont.
Le principal problème des ponts passant par un cours d'eau est le risque d'affouillement.
Soumis à des forces, les matériaux subissent des altérations dues à des modifications de leur structure atomique.
La topographie est la science qui permet de déterminer la position dans l'espace de n'importe quel point sur une zone donnée.
Relevé topographique dans une partie de la vallée de Millau
L'hydrographie est l'étude et la description des cours d'eau, qui permet de déterminer la force des courants.
Animation du risque d'affouillement
Les données environnementales sont l'ensemble des caractéristiques d'une zone : l'air, l'eau, le sol, la faune et flore, l'habitat ...
Pont de l'île Rousski
Russie
Pont de Sutong
Chine
Pont de Stonecutters
Hong-Kong
Pont d'Edong
Chine
Viaduc de Millau
France
Conclusion :
Le dimensionnement du pont est l'étude de l'ouvrage et le pré-dimensionnement des principaux éléments .
Les fondations peuvent-être superficielles ou profondes en fonction du type de sol et des études géotechniques.
Charges conventionnelles
Ce sont les charges du trafic comme les voitures et les camions. les ingénieurs calculent le poids moyen des véhicules afin de déterminer la charge maximale supportée par le pont en cas d'éventuel embouteillage.
Charges climatiques
Ce sont les phénomènes météorologiques comme la pluie ou la neige qui ajoutent à la charge du tablier. Les ingénieurs s'aident de cartes afin de définir ces facteurs climatiques.
Charges exceptionnelles
Ce sont les charges anormales comme les convois ou les véhicules militaires ; d'un poids largement supérieur, des normes permettent de réguler leurs passages et de limiter le trafic habituel.
Forces appliquées aux ponts
Force de cisaillement
Force de flexion
Force de torsion
Force de compression
Force de tension
Charges ajoutées
Les charges ajoutées sont les charges dont la masse vient s'ajouter à celle du pont. Ainsi si le poids total augmente, la tension exercée par les haubans devra augmenter également.
Résumé de ces forces
Le poids est la force d'attraction exercée par la Terre sur les objets situés à sa surface.
Il est défini par la relation suivante : P = m x g
P le poids en Newtons, m la masse en kg et g la constante de la pesanteur est de 9,81 N.kg-1.
Les ponts suspendus
Contrairement aux ponts à haubans, les câbles qui retiennent le tablier, les suspentes, sont attachés à deux câbles principaux, sur toute la longueur du pont, qui sont ancrés aux rives.
Golden Gate Bridge
U.S.A
Pont du Grand Belt
Danemark
Pont du détroit d'Akashi
Japon
Avantages et inconvénients des ponts à haubans
La répartition des forces au niveau des pylônes rend inutile la réalisation de points d'ancrage sur les berges.
La force de cisaillement n'entre presque plus en compte, contrairement aux ponts suspendus, ce qui limite les risques.
La réalisation d'un pont à haubans, est moins coûteuse que celle d'un pont suspendu, la quantité de matériaux utilisés étant moins importante.
De plus, la maintenance peut-être effectuée sans arrêt du trafic.
Leur structure étant extrêmement stable, les ponts à haubans peuvent-être établis sur tous les types de terrains.
Les ponts à haubans sont limités en portée, afin de l'augmenter on doit alors construire de plus hauts pylônes, qui sont alors plus vulnérables au vent et aux vibrations.
L'étude des forces et des charges exercées sur un pont à haubans, permet d'en montrer la stabilité, grâce aux haubans un progrès technique, qui le différencie des autres ponts et permet l'évolution vers d'autres avancées scientifiques.
Long de 2460m et large de 32m, le viaduc de Millau est soutenu par sept piles espacées de 342m chacune : son tablier est porté par 154 haubans disposés monoaxialement, pouvant supporter jusqu'à 1200t pour les plus longs.

L'ouvrage conçu par le britannique Sir Norman Foster et réalisé par la société Eiffage du 14 décembre 2001 au 16 décembre 2004 a couté près de 400 millions d'euros.
2001
2002
2003
2004
2001
Octobre 2001
: Installation du chantier
16 octobre 2001
: Début de la construction
14 décembre 2001
: Pose de la "première pierre" du chantier
2002
Janvier 2002
: Fondations des piles
Mars 2002
: Début de la culée C8
Juin 2002
: Début des piles - fin de la culée C8
Août 2002
: Début de la culée C0
Septembre 2002
: Début de l'assemblage du tablier.
Novembre 2002
: La pile P2 (la plus haute) dépasse les 100 mètres
2003
2004
26 mars 2004
: Lançage L10 côté sud
20 avril 2004
: Fin du lançage du tablier côté nord. Il reste à faire 2 lançages côté sud.
Fin juillet 2004 : Fin du levage des pylônes
21 septembre 2004 - 25 septembre 2004
: Travaux de pose du revêtement
Novembre 2004
: Fin du démontage des palées provisoires.
17 novembre 2004
: Début des tests de l'ouvrage (920 t de charge totale)
16 décembre 2004 - 9 h 00
: Ouverture du viaduc à la circulation, en avance sur la planification initiale qui était fixée au 10 janvier 2005
18 décembre 2004
: Achèvement des derniers travaux de finition
25 février 2003
: Début du lançage du tablier
3 juillet 2003
: Début de l'opération de lançage L3
25 août 2003 - 26 août 2003
: Phase de lancement L4
12 septembre 2003
: Deuxième lançage L2 de 114 m du tablier métallique côté nord. Le premier lançage L1 s'était déroulé sur la terre ferme au niveau de la culée
20 novembre 2003
: Achèvement des piles
Conclusion partielle :
Chaque année, 5 millions de véhicules empruntent le viaduc de Millau depuis sa réalisation, ce qui permet de compenser son coup élevé. Aussi, il ne présente que des avantages, il s'adapte parfaitement au paysage et il est novateur grâce à toutes les nouvelles technologies mises en œuvre. On peut dire que le viaduc de Millau est représentatif des avancées scientifiques de nos jours.
Conclusion
Calculs de poids
Poids du tablier
Poids des charges
Le poids des charges est obtenu en calculant la pression appliquée au m3 par l'aire totale du pont :
pression au m3 x longueur x largeur
Poids théorique
Le poids théorique du pont est donc la somme du poids du tablier et du poids des charges.
Tension d'un hauban
La tension exercée par un hauban est égale au poids qu'il supporte divisé par le sinus de l'angle qu'il forme avec le tablier :

Poids supporté = poids théorique/nombre de haubans
Tension exercée = poids supporté/sinus de l'angle
Epaisseur d'un hauban
Le diamètre d'un hauban est égal au double de la racine de la tension exercée par le hauban divisée par la racine de la moitié de la résistance maximum d'un hauban fois pi :

Diamètre = 2 x (Vtension exercée/V((résistance max/2) x pi))
L'épaisseur d'un hauban est généralement comprise entre 7 et 14 cm
Les haubans n'exercent pas tous la même tension : d'après la formule, les plus éloignés du pylônes supportent de plus fortes tensions.
Calculs sur les haubans
Coupe d'un hauban
Conclusion partielle :
Conclusion partielle :
Un appareil de mesure : le tachéomètre
Ainsi, pour ne pas risquer de se dégrader ou même d'être détruit, un pont doit préalablement être étudié afin de répondre à certaines caractéristiques dépendantes du lieu de construction et être édifié selon un plan très précis.‏
Haubans en éventail
Haubans en semi-éventail
Haubans en harpe
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