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Renforcement par précontrainte extérieure à l'aide de câbles monotorons galvani

Renforcement par précontrainte extérieure à l'aide de câbles monotorons galvanisés au pont Champlain Juan Echague1, Frédéric Légeron2, Nicolas Sansoucy3 1La Société des ponts Jacques Cartier et Champlain Inc. 2Consultant pour AECOM 3AECOM Consultants Inc. Sommaire:Le pont Champlain a été construit en 1962 et il est l’un des ponts les plus stratégiques de la région de Montréal. Environ 60 millions de véhicules le traversent chaque année. Un programme spécial d’investissement de 10 ans et 249M$ pour le maintien et la réparation du pont est présentement en cours. Dans le cadre de ce programme spécial d’entretien, une technique innovatrice de réparation a été développée pour renforcer les poutres de rive du tablier, à l’endroit des travées qui ont un faible gabarit d’hauteur sous le tablier. Le choix de renforcement a été d’utiliser des câbles monotorons galvanisés pour la précontrainte extérieure, de façon à faciliter le retensionnement et le remplacement de la précontrainte ajoutée. Des ancrages de monotorons externes ont été utilisés afin de minimiser la démolition de béton et les dommages à la précontrainte interne des poutres existantes. Les ancrages ont été testés selon la norme CSA S6-06, Code Canadien sur le calcul des ponts routiers. Des déviateurs en acier galvanisé ont été utilisés pour donner le profil requis aux câbles au droit des diaphragmes intermédiaires, lesquels ont été aussi renforcés pour éviter des charges débalancées faisant suite à la nouvelle précontrainte appliquée aux poutres. Les dalles, qui montrait aussi des signes d’endommagement, ont été renforcées avec des monotorons gainés graissés qui supportent la dalles par des déviateurs en plus de la mettre en compression. Les opérations de mise en tension de la précontrainte seront suivies à l’aide de capteurs en fibre optique collés à la surface du béton et de capteurs élasto-magnétiques qui mesurent les forces réelles des câbles. 1. Conception et description du type de renforcement des poutres longitudinales Parmi les techniques de réfection principales utilisées pour les poutres de rive des travées d’approche du pont Champlain, des arbalètes à deux poinçons (ou Queen Post) ont été utilisées avec succès ces dernières années. Il s’agit de précontrainte extérieure avec des barres à haute résistance et des poinçons en acier galvanisé (voir photo 1) qui supportent le tablier et ajoute une résistance aux travées endommagées. Cependant, ce système ne peut être utilisé que sur des travées ayant un gabarit d’hauteur suffisant pour la mise en place des poinçons (voir photo 2). Il a été nécessaire de concevoir un nouveau système de renforcement qui puisse être mis en place sous le tablier dans les travées à faible tirant d’air. Cette exigence a été décrite dans les Termes de Référence du contrat d’ingénierie en cours. En plus, des exigences liées à la remise en tension et la possibilité de remplacement de la précontrainte ont été aussi incluses aux Termes de Référence, pour prendre en compte la dégradation continue de la structure et faciliter les opérations futures. Enfin, e renforcement prend en compte l’horizon de vie du pont Champlain jusqu’à son remplacement. 2 Les travées d’approche du pont Champlain sont constituées de trois sections : les sections 5 et 7A, avec deux diaphragmes intermédiaires faisant la presque totalité de la hauteur des poutres, et la section 7B qui présente une autre configuration de tablier avec cinq diaphragmes élancés. La plupart des poutres intérieures montrent peu ou pas de signes de détérioration ou endommagement, ce qui n’est pas le cas de la majorité des poutres extérieures ou de rive, qui montrent des traces de corrosion des câbles de précontrainte et du délaminage du béton. Dans le passé, le renforcement actif des poutres consistait en l’ajout de câbles de post-tension rectilignes de chaque côté des poutres de rive, et le nombre de torons à ajouter dépendait du nombre de câbles internes perdus lors de la progression de la corrosion. Cependant, cette méthode n’ajoutait que très peu de capacité additionnelle en cisaillement, et des barres précontraintes ont été ajoutées comme étriers externes. Malgré que la méthode du Queen Post était intéressante car elle donnait en même temps une capacité additionnelle en flexion et en cisaillement aux poutres, il était nécessaire de modifier ce système pour permettre sa mise en place sous des travées à faible gabarit de hauteur. La solution la plus simple était de réduire l’excentricité des barres du Queen Post, mais pour maintenir le même niveau d’efficacité il était nécessaire d’augmenter la force de précontrainte. Photo 1 – Renforcement du type arbalète ou Queen Post Photo 2 – Exemple de travée du pont ayant un faible gabarit en dessous du tablier La force de précontrainte nécessaire est déterminée en fonction du nombre de câbles internes perdus à cause de la corrosion, la résistance à la compression du béton des diaphragmes et la précontrainte horizontale existante ou non sur les poutres de rive. Au début du projet, les estimations préliminairespréconisaient une valeur maximale de 5 à 6 MN par poutre pour les sections 5 et 7A, et 3 MN pour la section 7B. Ces valeurs ont été déterminées d’après une évaluation du nombre de câbles perdus et de l’expérience et la connaissance du pont Champlain de la part de l’équipe du projet. L’ajout de post-tension par le système Queen Post crée une redistribution des charges, qui sont reprises par les diaphragmes intermédiaires et les poutres de rive. Ce sont précisément ces deux facteurs, la capacité en cisaillement des diaphragmes et la contrainte maximale de la fibre inférieure des poutres de rive, qui limitent la charge maximale de tout système de renforcement actif sur les poutres de rive. En plus, la conception devait prendre en compte la progression de la corrosion interne des câbles, de manière à octroyer une surcapacité des poutres de manière préventive. Un autre défi de conception était la répartition des efforts d’ancrage de la précontrainte : i) étant donné la faible excentricité du renforcement, la force d’ancrage à transmettre auxâmes des poutres était trèsélevée, en considérant que les 3 âmesont déjà la précontrainte interne et très peu de ferraillage passif ; ii) il n’y avait pas d’espace pour la mise en tension des câbles avec de gros vérins placés derrière les ancrages, et, dans ce cas, la position des ancrages n’aurait pas pu êtreprès de la zone d’extrémité, où le cisaillement vertical est maximum. Plusieurs options ont été étudiées et, basé sur quelques projets similaires de renforcement de structures en Australie, une solution utilisant des câbles monotorons avec des ancrages plats a été développée. Pour les sections 5 et 7A, 16 paires de câbles par poutre ont été utilisées; pour la section 7B, 8 paires de câbles ont été utilisées. Cette méthode permet de mieux répartir les forces d’ancrage de la précontrainte (voir Fig. 3 pour une élévation dans la section 5). En plus, l’utilisation de l’ancrage monotoron permet de rapprocher le point d’application de la force très près de l’extrémité de la poutre. Pendant les opérations de mise en tension, un tuyau à 45 degrés est utilisé pour placer le vérin derrière l’ancrage et ainsi permettre la mise en tension du câble dans un espace restreint. Fig. 3 – Renforcement extérieure avec des câbles monotorons (section 5) Pour donner aux câbles le profil requis, des déviateurs métalliques en acier galvanisé ont été conçus (quatre déviateurs pour les sections 5 et 7A, deux pour la section 7B). Le bloc d’ancrage en béton est suffisamment large pour permettre un tracé des câbles avec déviationseulement dans le plan vertical. Pour les sections 5 et 7A, les déviateurs ont été positionnes entre les faces latérales des poutres et les gaines de la précontrainte horizontale existante. Cette contrainte géométrique a été étudiée avec soin car le calcul des déviateurs a été contrôlé par cet aspect, qui en plus est critique pour le respect du gabarit routier en dessous du tablier. Pour la section 7B, les contraintes de gabarit en dessous des poutres ont été moins sévères, alors les câbles monotorons ont été placés à l’extérieur de la précontrainte horizontale existante, pour faciliter leur mise en place. La déviation des câbles monotorons doit prendre en compte un compromis entre un faible rayon de courbure d’environ 1 à 2 m, donc une augmentation des contraintes locales au niveau des déviateurs et une longueur réduite de déviateur, et un rayon de courbure plus important (3 m) qui diminue les contraintes locales mais engendre une longueur plus importante de déviateur. Le choix a été de prévoir un rayon de courbure de 3m pour minimiser la pression de contact au niveau des gaines des câbles monotorons. La littérature spécialisée montre qu’en ayant un minimum de 3m de courbure, il n’y aura pas de déchirement de la gaine. Le déviateurest constitué de plaques courbes soudées aux plaques épaisses (sections 5 et 7A) ou aux profilés W (section 7B), qui à la fois transmettent les efforts verticaux aux poutres. La tolérance d’installation des câbles est de 1 degré dans chaque direction. Les déviateurs ont dû être dimensionnés en conséquence et la procédure d’installation exige que cette tolérance soit respectée durant la construction. 4 Fig. uploads/Voyage/ 03-renforcement-precontraint-cables-monotorons-pont-champlain.pdf