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A1 - Pont Victor Bodson - pont haubanné sur l'Alzette

Vers le niveau supérieur

Situation générale

Pont Victor BodsonLe pont sur l'Alzette se situe sur le Contournement Sud-Est de la Ville de Luxembourg, qui relie les autoroutes vers la Belgique et vers la France avec celle joignant l'Allemagne à l'Est de la Ville de Luxembourg. Il enjambe la vallée de l'Alzette séparant les plateaux de Howald et d'Itzig.

Le Contournement de la Ville de Luxembourg a une longueur totale de quelque 17 km, dont la partie Ouest, reliant les autoroutes d'Arlon, d'Esch-sur-Alzette et de Thionville est en service depuis 1978. La décision de la construction du tronçon Sud-Est a été prise par arrêté gouvernemental du 22.05.1987 pour la partie Croix de Gasperich au Rond-Point de l'Irrgarten, tandis que la partie Nord jusqu'au Kirchberg ne fut approuvée que le 30 novembre 1990. Les travaux ont commencé en avril 1989 avec la construction du Viaduc de la Drosbach.

Le Contournement Sud-Est de la Ville de Luxembourg est caractérisé par sa multitude d'ouvrages sur une longueur totale de 10 km à savoir:

  • le viaduc de la Drosbach d'une longueur de 224 m,
  • le tunnel de Howald long de 471m pour le tube en amont resp. 433,5 m pour le tube en aval
  • le pont sur l'Alzette d'une longueur de 260 m,
  • le viaduc d'Itzig d'une longueur de 154 m,
  • le viaduc de Hamm d'une longueur de 196 m,
  • le tunnel du Cents, tranchée couverte longue de 310 m,
  • les viaducs de Neudorf de longueurs de 150 resp. 250 m

Le plus prestigieux de ces ouvrages sera certainement celui de l'Alzette, puisqu'il s'agit en fait d'un pont haubané, les autres ouvrages étant des ponts à poutre continue soit à section mixte acier-béton, soit en béton précontraint pour les viaducs de Neudorf.

Géologie du site

La lithologie du site est caractérisée par des terrains meubles de surface (argiles vaseuses) suivi du substratum) suivi du substratum rocheux (grès et marnes). A cause de venues d'eau importantes dues à la proximité de l'Alzette, le pylône est fondé sur pieux forés. Le substratum rocheux permet des sollicitations en pointe de 90 bars.

Présentation générale de l'ouvrage

L'autoroute du Contournement traverse la vallée de l'Alzette à Hesperange, à 40 m au-dessus du niveau de la rivière. La topographie très accidentée et l'occupation du site ont imposé une structure comportant un seul appui au milieu de la vallée et deux appuis d'extrémité sur les flancs.

L'ouvrage est une structure haubanée symétrique à un seul mât central et une nappe de haubans semi-radiaux. Les deux travées suspendues ont une longueur identique de 130 m, la longueur totale de l'ouvrage étant de 260 m.

Le tablier a une largeur de 27 m et comporte deux chaussées à deux voies de circulation, un séparateur central pour le pylône et les haubans et deux trottoirs de service. Une caractéristique très importante est la courbure de tracé en plan, chose assez rare dans le cas d'un pont haubané.

Infrastructure

La qualité du grès de Luxembourg qui affleure au niveau des culées d'extrémité permet une fondation directe. Les culées en béton armé sont essentiellement composées d'un radier de 2,50 m d'épaisseur, de 5,50 m de profondeur et de 26,40 m de largeur, d'un mur garde-grève et de murs en retour.

La pile principale supportant le pylône est située sur la rive droite de l'Alzette. Elle a une hauteur de 45 m. Sa semelle de fondation de 15 m de diamètre et de 3,50 m d'épaisseur s'appuie sur 24 pieux de 1,50 m de diamètre, ancrés dans le substratum rocheux à quelque 10 m sous le niveau du terrain naturel.

La pile en béton armé dont les dimensions extérieures sont de 6,0 x 6,0 m, présente un vide intérieur dissymétrique de telle manière à rapprocher son centre de gravité de la résultante vectorielle des charges à supporter. Trois des voiles ont une épaisseur de 0,55 m alors que la quatrième a une épaisseur de 2 m.

Sous le tablier, la pile s'élargit transversalement jusqu'à 7 m pour former un chevêtre supportant à la fois le pylône et les deux caissons métalliques.

La pile creuse comporte un système d'escaliers donnant accès à l'intérieur des caissons métalliques et à la passerelle de visite. Le pylône proprement dit a une hauteur de 61,25 m au-dessus du tablier. Ses dimensions extérieures varient de 4 x 4 m au pied jusqu'au 3 x 3 m en tête. Il contient une structure métallique d'accrochage des haubans sur 26,75 m. Il est en béton précontraint et la partie basse sous la zone d'accrochage des haubans a une section avec intérieur dissymétrique pour déplacer son centre de gravité vers l'intérieur de la courbe de l'ouvrage en plan (flexion transversale importante du pylône). Une précontrainte verticale de 18 câbles 19T15 équilibre les efforts parasites et assure une bonne verticalité sous les actions permanentes.

La structure métallique d'accrochage des haubans est composée de deux tôles verticales de 20 mm d'épaisseur sur lesquelles sont soudées des éléments transversaux qui reçoivent des culots d'appuis des haubans. L'équilibrage des composantes horizontales des efforts se fait directement par les tôles métalliques tandis que les composantes verticales sont transmises au béton par l'intermédiaire de goujons connecteurs. Des échelles intérieures permettent l'accès aux culots d'ancrages des haubans et jusqu'à la tête du pylône. Des grilles en acier inoxydable l'entrée des oiseaux.

Le tablier

Le tablier mixte acier-béton se compose de deux caissons métalliques trapézoïdaux d'entretoisement et une dalle en béton armé d'épaisseur variable.

Les deux caissons métalliques ouverts en U (une âme droite, une âme inclinée) ont une hauteur de 3 m. Les semelles supérieures de chaque caisson, entre-distantes de 4,50 m, ont 800 m de largeur et une épaisseur constante de 25 mm.

L'âme droite a une épaisseur variant de 20 à 33 mm tandis que pour l'âme inclinée, l'épaisseur varie de 22 à 40 mm. La largeur du fond de caisson est de 2 m et la tôle a une largeur de 2300 mm et une épaisseur variant de 20 à 100 mm. Dans la zone du pylône, une tôle à épaisseur uniformément variable est utilisée.

Les deux caissons sont disants de 9 m entre âmes intérieures. Les tôles constitutives ne sont pas raidies longitudinalement (excepté localement pour le poussage).

Des diaphragmes en tôle de 20 mm espacés tous les 6,685 m assurent l'indéformabilité de la section et permettent de faire passer de l'âme extérieure vers le centre les efforts à supporter par les haubans.

Entre les deux caissons, des cadres triangulaires métalliques entre-distants de 6, 685 m amènent aux haubans les charges transportées par chacun des deux caissons métalliques. Il reprennent donc la composante verticale des efforts des haubans. Ces éléments sont constitués de plats et profils en T reconstitués, dont les épaisseurs varient de 20 à 60 mm. Aux culées d'extrémité, ces cadres sont dédoublés pour résister au surcroît d'effort provoqué par la transmission aux appuis des moments de torsion. Longitudinalement, s'appuyant sur les éléments transversaux, une passerelle est prévue de manière à faciliter la surveillance et la maintenance de la structure métallique et plus particulièrement des culots d'ancrage inférieurs des haubans.

La dalle de platelage en béton a une largeur de 27 m et une épaisseur variable de 25 à 46 cm. Elle fléchit transversalement en s'appuyant sur cinq appuis, les quatre âmes des caissons métalliques et les cadres transversaux par l'intermédiaire d'un renfort central. Elle comporte dans son axe les bossages d'appui des culots de haubans et reprend ainsi la composante horizontale des efforts de la suspension.

Phases de construction

Les deux caissons métalliques constituant la structure porteuse du tablier de 260 m de long sont composés de 20 éléments d'une longueur d'environ 13,50 m chacun. Chacun de ces éléments est assemblé et soudé en atelier et acheminé sur le chantier.

Les cadres transversaux sont également préfabriqués en atelier, indépendamment des caissons. Les culées d'extrémité en béton armé sont coulées sur place. Les pieux de fondation du pylône sont forés et bétonnés sous gaine métallique provisoire. La pile sous pylône est réalisée par coffrages grimpants en levées de 4 m, tandis que les cages d'armatures sont préfabriquées au sol sur mannequin. Les caissons métalliques, munis des cadres transversaux et de la passerelle de visite, sont assemblés par soudure derrière la culée côté Itzig.

Pour permettre la mise en place par lancement, quatre palées provisoires sont installées dans la vallée.Le déplacement se fait sur des appuis glissants en néoprène-téflon-inox, l'effort de poussage étant appliqué à la structure par deux blocs de vérins hydrauliques d'une capacité de 50 tonnes chacun.

L'accostage sur les appuis et la reprise de la flèche de porte-à-faux qui peut atteindre 1,40 m se fait au moyen de deux béquilles installées à l'avant de la structure et s'appuyant sur les palées provisoires. Elles sont man?uvrées par deux treuils électriques d'une capacité de 60 to chacun, fixés également à l'avant du pont.

La masse à déplacer est de 1850 to et demande des efforts de poussage inférieurs à 100 to. Au début de la manoeuvre, la pente est telle qu'il est nécessaire de retenir l'ouvrage pour éviter qu'il n'avance tout seul.

Après mise en place de la charpente métallique du tablier et réglage des niveaux, la dalle est bétonnée au moyen de deux équipages en avançant symétriquement des culées vers le pylône.

La largeur de la dalle est coulée en deux phases: la partie intérieure et au-dessus des caissons d'abord, les encorbellements ensuite. Le pylône proprement dit est bétonné sur place dans des coffrages grimpants, par levée de 4 m et avec cages d'armatures préfabriquées.

La cage métallique d'ancrage des haubans, préfabriquée en atelier, est mise en place en éléments d'environ 10 to et assemblés par boulons à haute résistance.

Après que la dalle de platelage est bétonnée, les haubans peuvent être mis en place en travaillant symétriquement par rapport au pylône. Les gaines en inox, en éléments de 12 m, sont raboutées sur place par soudure, les torons coupés en longueur sont enfilés un par un et mis sous tension. Au fur et à mesure de la mise en traction des haubans, la précontrainte verticale du pylône est installée et mise sous tension de manière à éviter des sollicitations transversales momentanées trop importantes pour le pylône.

Après le placement et réglage des haubans, les palées provisoires sous le tablier sont enlevées. L'ouvrage est alors muni de tous ses équipements de sécurité, des chapes d'étanchéité et des revêtements. Avant la mise en service, les haubans sont réglés définitivement et la structure doit subir un essai de chargement pour contrôler son bon comportement.

Les haubans

Les haubans sont disposés dans une nappe axiale, symétriquement par rapport au pylône. Ils sont fixés au tablier suivant l'axe courbe en plan et forment avec le pylône une surface gauche. Chaque demi-nappe compte 16 haubans dont les longueurs varient de 42 à 140 m. Les efforts maximum de service vont de 400 à 880 to.

Les haubans de marque Freyssinet sont composés de torons galvanisés préprotégés, entourés d'une gaine en acier inoxydable et munis chacun de deux culots d'extrémité. L'extrémité inférieure est protégée par une gaine anti-vandalisme qui contient le dispositif amortisseur des vibrations. Les haubans étant les éléments les plus sensibles de la structure, il faut qu'ils présentent une grande résistance vis-à-vis des phénomènes de fatigue et une protection renforcée contre la corrosion.

Etudes

Une structure telle que ce pont haubané à tablier mixte acier-béton avec tracé en plan courbe demande des études spéciales particulièrement poussées; celles-ci ont été réalisées avec le FINELG, programme de calcul basé sur la méthode des éléments finis et permettant d'obtenir trois types de résultats:

  • les charges critiques et les modes d'instabilité de la structure,
  • les fréquences propres et les modes de vibration de la structure avec ou sans prise en compte des efforts intérieurs,
  • le comportement pas à pas de la structure en cours de chargement, avec la prise en compte des grands déplacements, des phénomènes d'instabilité, des lois constitutives élasto-platiques du matériau, des contraintes résiduelles, etc ?

Lors de la mise en place par poussage, le pont est une structure courbe composée de deux caissons ouverts très déformables en torsion. L'étude a permis de vérifier le comportement spatial et ainsi de limiter au maximum les contreventements provisoires.

Au cours de cette même opération de poussage, les caissons métalliques sont fortement sollicités aux endroits des appuis de glissement sur les palées provisoires. Une simulation numérique avec prise en compte de la loi élasto-plastique de l'acier et des phénomènes d'instabilité des tôles a permis d'évaluer le danger d'instabilité locale dû au "patch-loading", ce phénomène entraînant le voilement à la fois de l'âme et du fond de caisson. Ce phénomène étant d'autant plus délicat à aborder que la littérature ne donne pas de règles de dimensionnement dans le cas des caissons à âmes inclinées.

Des études spatiales de l'ensemble du pont ont été réalisées pour obtenir:

  • les fréquences propres et les modes de vibration;
  • le niveau des premières charges critiques d'instabilité;
  • les effets du second ordre sur la valeur des efforts intérieurs utiles pour le dimensionnement du pont.

En plus de ces études sur modèles mathématiques, une étude en soufflerie a été réalisée à la Vrije Universiteit Brussel (VUB) pour vérifier le comportement aérodynamique de l'ouvrage et l'influence des panneaux acoustiques sur la stabilité du tablier.



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