Brevet FR2954364A1 — publié le 20110624

La présente invention concerne l'avant projet d'un double viaduc traversant le Pas de Calais et construit sur onze piles en mer, pour réduire au minimum l'intense trafic commercial empruntant ce détroit France-Angleterre. Onze piles, c'est à dire douze travées de pont de 2,5 km de portée libre entre axes des piles pour couvrir les 30 km (environ) de largeur du détroit de falaise à falaise. Pour réaliser des arches de 2,5 km de portée, il a fallu conjuguer le principe mécanique de la voûte et celui de la chaînette, courbe géométrique que prend un câble tendu sous chargement uniformément réparti. Ces deux modes de construction sont très anciens puisque la voûte existait même avant l'époque romaine (coupoles byzantines ou linteaux cintrés persans par exemple) et la chaînette relève des « ponts de lianes » construits par nos ancêtres et encore pratiquées en Afrique et en Asie comme passerelles piétonnières. Moyens de construction donc bien connus depuis longtemps, mais il reste, cependant, que la combinaison de ces deux moyens pour franchir de très grandes portées constitue une des particularité de l'invention. Une autre particularité de ce brevet réside dans l'utilisation de coffrages en aluminium armés de fers à béton contribuant à la résistance de la poutraison. Eléments de construction déjà évoqué dans le précédent brevet n° 0800936, pour couler les poutres en béton, mais utilisés également dans le présent brevet pour enrober les faisceaux de câbles constituant la partie inférieure de l'ouvrage. Autre particularité, encore, la tôle d'acier servant de fond de coffrage pour couler la dalle en béton et jouant également le rôle d'armature résistante inférieure de la dalle. Tôle pouvant être remplacée par une plaque d'aluminium armée déjà évoquée dans le brevet n° 0800936 mais non encore revendiquée. Rappelons, avant toute description, qu'il s'agit d'un simple avant projet, donc très en amont d'une étude d'exécution, pour demeurer dans les limites du cadre de la présente invention. L'ouvrage est constitué d'un pont-route à tablier horizontal reposant sur deux arcs et d'un pont-rail horizontal reposant sur deux faisceaux de câbles en forme de chaînettes reliant deux piles consécutives. La figure 1 représente en élévation l'arche de 2,5 km de portée. Pour 2 plus de clarté, la moitié seulement de l'arche a été représentée vue les dimensions exceptionnelles de l'ouvrage. Pour les mêmes raisons la représentation des véhicules n'est pas à l'échelle de la figure. Cette approximation sera utilisée pour les figues suivantes. La figure 2 représente l'élévation d'une travée entière mais, cette fois, les proportions ne sont pas respectées en hauteur, compte tenu des dimensions réelles de l'ouvrage. Sur cette figure on a indiqué les coupes qui seront détaillées par la suite ainsi que les différents matériaux utilisés pour la construction de l'ouvrage. La figure 3 est une élévation de deux travées successives du viaduc montrant, à petite échelle, une travée de rive avec ses rampes d'accès aux deux ponts de l'ouvrage. Ces représentations restent, bien sur, très schématiques dans le cadre de l'étude d'avant-projet proposée, les culées du viaduc, en particulier restant à préciser aux niveaux d'une éventuelle étude d'exécution. La figure 4 donne les dimensions des différentes section de poteaux en aluminium prévue pour soutenir les tabliers des deux ponts de l'ouvrage. La figure 5 représente deux coupes transversales de l'ouvrage repérées sur la figure 2. Une coupe étant au milieu de la portée, l'autre étant plus loin pour représenter en coupe le tablier du pont-route. La figure 6 est une coupe horizontale dans une des piles supportant l'ouvrage, vue par dessous. Les figures 7 (a) et 7 (b) montrent les deux formes envisagées pour la 25 pile selon deux élévations différentes proposées au stade de l'avant-projet dans le cadre de l'invention. La figure 8 montre en coupe la section vue par dessus de la pile respectivement selon une des deux formes proposées en figure 7. La figure 9 représente le détail d'une coupe transversale, à grosse 30 échelle, de la poutre de rive (ou longeron) soutenant le tablier du pont- route. La coupe indiquée est repérée sur la figure 2. La figure 10 représente le détail en coupe transversale à grosse échelle du longeron soutenant le tablier du pont-rail. La coupe indiquée est repérée figure 2. 35 La figure 11 représente une élévation-coupe des arcs de l'ouvrage et 3 des 2 poteaux soutenant cet élément. La coupe indiquée est repérée sur la figure 5. La figure 12 montre en coupe la section d'un faisceau de câbles soutenant l'ouvrage. La coupe indiquée est repérée sur la figure 2. La figure 13 montre à très grosse échelle un détail partiel de la répartition des câbles dans le faisceau. La figure 14 représente, en coupe, la partie inférieure du faisceau en phase de tout début d'exécution de l'ouvrage (poses des premiers câbles). Figure 15, la vue en plan montre le ferraillage du fond de coffrage d'un longeron des deux ponts ou encore de l'enrobage en aluminium armé de faisceau de câbles. La figure 16 détaille en coupe la liaison par soudure des éléments cités dans la description de la figure 15 précédent. La figure 17 est une élévation-coupe d'un des deux arcs montrant en zone hachurée la partie terminale supérieure de la première phase d'exécution de l'ouvrage. L'arche de 2,5 km de portée représentée par moitié sur la figure 1 comporte le tablier d'un pont-route (1) en béton armé reposant sur deux arcs (2) en aluminium plein par des poteaux (5) en aluminium creux disposés tous les 20m. L'arche comporte également le tablier d'un pont-rail (3) en béton armé reposant sur deux faisceaux de câbles (4) par des poteaux (5) en aluminium creux disposés tous les 20 m. Tous les poteaux (5) sont montés par éléments de 20 m de hauteur assemblés par soudure (14). Les poteaux creux (5) en aluminium relient les arcs (2) au pont-rail (3) tous les 20 mètres. En plus de leur rôle de support dans la construction des arcs (2) ces derniers poteaux (5) seront utilisés comme suspentes pour reprendre en traction les surcharges mobiles sur le pont-rail (3) et le poids de la voie ferrée. Pour cette raison, des renforts au droit des soudures (14) seront à prévoir sur la hauteur des poteaux (5) et seront précisés par la suite ainsi que la liaison des poteaux (5) avec les arcs (2). Les arcs (2) prennent appui à leurs extrémités sur les piles (6) en béton armé où sont également ancrés les câbles des 2 faisceaux de câbles (4). Au début de ce texte nous avons, pour simplifier, prétendu que le faisceau de câbles (4) prenait la forme d'une chaînette sous chargement d'une partie du poids mort de l'ouvrage. En réalité ce n'était qu'une approximation puisque la charge n'est pas uniformément répartie (hypothèse de la chaînette) du fait de la longueur variable des poteaux (5) le long de la portée. Pour simplifier, le calcul d'avant projet a supposé pour le faisceau de câbles (4) la forme d'une parabole de 200 m de flèche et a admis une longueur moyenne de poteau (5) (moyenne de moyennes par parties ù voir figure 1). Un calcul plus approfondi serait donc à envisager pour déterminer la courbe exacte du faisceau (4) sous poids mort conduisant à une nouvelle méthode de calcul analytique en prenant, par to exemple, la flèche pour inconnue et en utilisant la dérivée de la charge le long de la portée, méthode analytique dépassant, bien sûr, le cadre relativement restreint de l'avant projet selon l'invention. Rappelons que le présent avant projet suppose les charges mobiles de service et le poids de la voie ferrée du pont (3) repris par les 15 arcs (2). Mais en supposant, au contraire, que les charges ferroviaires (train plus voie) du pont (3) soient reprises par les faisceaux (4) au lieu des arcs (2), alors, dans ce cas (supposé) la méthode analytique envisagée précédemment devrait permettre également de déterminer la courbe enveloppe des faisceaux (4) sous, cette fois, la totalité des charges 20 appliquées les plus défavorables [poids mort plus charges mobiles du pont (3)]. Signalons, en particulier, que cette enveloppe serait réellement utile dans le cas éventuel où les arcs (2) ne pourraient reprendre qu'une partie des charges ferroviaires du pont (3) (suspentes fonctionnant mal ou à retardement) l'autre partie étant absorbée par les faisceaux (4). 25 Eventualité qui pourrait se produire, le temps seulement de retrouver un nouvel équilibre, car il s'agirait, dans ce cas, d'un système hyperstatique concernant les poteaux (5) entres les arcs (2) et les faisceaux (4). Cas complexe qui ne saurait être envisagé au niveau de l'actuel avant projet. L'arche représentée sur la figure (2) comporte, en plus des 30 éléments (1) à (5) détaillés dans la description de la figure 1, l'indication des barres obliques ou diagonales (7) en aluminium qui permettent une triangulation de la partie supérieure de l'ouvrage absorbant les efforts horizontaux. La travée de rive représentée figure 3 montre l'appui de l'ouvrage sur la falaise qui serait à détailler particulièrement en cas 35 d'une éventuelle étude d'exécution, notamment l'ancrage des faisceaux de câbles (4) dans le sol et l'appui des arcs (2) sur la falaise, la culée de rive de l'ouvrage restant à préciser dans ce cas. La figure 4a détaille les dimensions des poteaux en aluminium (5) de 100 m à 200 m de hauteur et les diagonales (7) en aluminium de 100 m à 5 200 m de longueur. La figure 4b concerne les mêmes éléments (5) et (7) de 50 m à 100 m de longueur. La figure 4c concerne les éléments (5) et (7) de moins de 50 m de longueur ainsi que les entretoises (8) en aluminium. 10 Les coupes AA et BB de la figure 5 donnent les dimensions générales des différents éléments (1) à (4) de l'ouvrage. Soulignons que la hauteur de la section de l'arc (2) indiquée résultant d'un simple calcul sommaire d'avant projet n'est mentionnée qu'à titre indicatif (ordre de grandeur seulement) et serait à préciser en cas d'une éventuelle étude 15 d'exécution en fonction des charges réelles appliquées et des conditions climatiques imposées par le maître d'oeuvre et la réglementation en vigueur. II en est de même de la hauteur de la section du faisceaux de câbles (4) liée, bien sûr, aux nombres de rangées de câbles nécessaires pour supporter l'ouvrage en cours d'exécution comme en service, les 20 effets dynamiques ou climatiques n'étant pas précisés au niveau de l'avant-projet dans le cadre de la présente invention. La coupe CC de la figure 6 montre les deux faisceaux de câbles (4) soutenant la majeure partie de l'ouvrage et leurs entretoises (8) les reliant tous les 20 m. La section de la pile (6) en béton armé montre que la pile fait 25 40 m d'épaisseur, la dimension transversale étant indiquée figures 7 et 8 selon les deux formes proposées au niveau de cet avant-projet. La figure (7b) montre une semelle (10) de fondation (semelle LEBELLE). Le détail représenté figure 9 indique les dimensions de la poutre de rive (longeron) du pont-route (1) ainsi que la dalle du tablier que l'on 30 peut réaliser en coulant le béton sur la tôle d'acier (12) remplaçant les armatures classiques du béton armé traditionnel. Les poutres transversales (9) en béton armé implantées au droit de chaque poteau (5) permettent un calcul de la dalle du tablier en dalle sur 4 appuis. La poutre (9) ainsi que le longeron sont coulés dans un coffrage (11) en 35 aluminium armé. Ce procédé a déjà été revendiqué dans le brevet 6 précédent n° 0800936 où l'on explique que le coffrage en aluminium sert à couler le béton de la poutre et contient des armatures classiques du béton armé enrobées dans l'aluminium. Les platines (13) en aluminium sont fixées au coffrage (11) et aux poteaux (5) par soudures (14). Des tire-fond boulonnés (15) ancrés dans des longerons complètent l'assemblage. Des tiges d'ancrage (24) relient le béton du pont-route (1) au coffrage (11) du longeron et à la tôle (12) de la dalle. Cette tôle (12) peut être remplacée par des plaques d'aluminium armé [de même pour le pont-rail (3)]. Le détail représenté figure 10 montre les dimensions du longeron et de la dalle du tablier du pont-rail (3). Les fers d'ancrage (16) scellées dans le béton indiquent que les poteaux (5) jouent un rôle essentiel de suspente pour soulager le pont-rail (3) des surcharges ferroviaires et du poids de la voie ferrée. Pour la même raison (tractions) les poteaux (5) situés sous l'arc (2) seront renforcés sur toute leur hauteur au droit de chaque joint soudé par des pattes d'acier boulonnées pour supplées à la résistance des soudures (14), simples soudures de montage des poteaux (5). Des pattes en acier seront également disposées de part et d'autre de la jonction des poteaux (5) avec l'arc (2). Des tiges d'ancrage (24) relient le béton du pont-rail (3) au coffrage (11) du longeron et à la tôle (12) de la dalle. La coupe FF figure 11 montre que l'arc (2) en aluminium plein est composé d'éléments de 20 m de longueur reliés au droit des joints (17) par des soudures (14). Les soudures (14) entre la tête du poteau (5) et l'arc (2), ainsi que tout autre mode de fixation complémentaire, devront être particulièrement soignées et vérifiées pour assurer l'ancrage du poteaux (5) dans l'arc (2) fonctionnant partiellement en suspente (tractions à transmettre) à ce niveau. La coupe GG représentée sur la figure 12 montre une section du faisceau de câble (4) constitué par les câbles en acier et une gaine en aluminium armé de 10 cm d'épaisseur enrobant l'ensemble des câbles (partie hachurée). Rappelons que le nombre de câble est seulement mentionné à titre indicatif (avant-projet) ainsi que la hauteur du faisceau (4) qui en dépend. L'épaisseur de 10 cm indiquée figure 13 montre l'enrobage du 7 faisceau (4) à plus grosses échelle. Le tout début de l'exécution de l'ouvrage exprimé par le dessin figure 14 montre la partie inférieure initiale du faisceau de câbles (4). Une première rangée de câbles étant, tout d'abord, tirée entre deux piles (6) consécutives. Un platelage provisoire en bois (18) est appuyé sur cette première rangée pour permettre ensuite d'empiler le nombre de rangées de câbles (4) nécessaire à supporter la partie inférieure (19) en aluminium de l'enrobage du faisceau de câbles (4). Le nombre de câbles (4) ainsi empilés, permettra ensuite de prolonger vers le haut, par soudure (14), lo l'enrobage initial (19) et d'empiler, par étapes successives, de nouvelles rangées de câbles pour terminer l'exécution de la totalité du faisceau de câbles (4). A noter que le platelage bois (18) peut être récupéré et que tous les câbles (4) utilisés en premier temps sous (19) pourront être récupérés pour compléter les câbles posés, cette fois, au dessus de (19), pour 15 achever la totalité du faisceau de câbles (4). Le ferraillage du fond de coffrage en aluminium armé représenté figure 15 montre les armatures longitudinales (20) en acier, reliées aux plaques d'assemblage en acier (22) par soudure (14) et les armatures transversales de répartition (21). Les coffrages en aluminium seront 20 utiliser pour couler le béton des longerons de l'ouvrage, les parties verticales étant armées de la même manière que le fond de coffrage en diamètres plus faibles. A noter que les poutres transversales (9), coulées également en coffrage d'aluminium armé, ainsi que l'enrobage en aluminium du faisceau de câbles (4) [partie initiale (19) comprise] seront 25 armés et de façon identique à celle des coffrages (11) des longerons. L'assemblage des coffrages et enrobages précédents représentés figure 16 est réalisé par soudures (14) des plaques d'assemblage (22), ce mode d'assemblage étant valable aussi bien pour les parties verticales que pour les fonds de coffrage. Une plaque de fermeture (23) en aluminium est 30 soudée sous l'assemblage après pose d'un enduit étanche sous les plaques (22) pour les protéger de toute oxydation. Des tiges d'ancrage (24) en acier accrochées aux armature (20) et (21) sortent en attente pour solidariser le coffrage (11) avec le béton et sont de faible diamètre. Les tiges (24) sont valables aussi bien pour les parties horizontales que 35 pour les parties verticales. Dans le cas d'une simple dalle, les tiges (24) sont soudées par soudure (14) à la tôle (12) de fond de coffrage ou encore accrochées aux fers (20) et (21) des plaques d'aluminium remplaçant la tôle (12). L'élévation-coupe figure 17 représente la partie hachurée (25) de l'arc (4) qui sera construite avec la première phase d'exécution de l'ouvrage. Pour plus de clarté, précisons que le viaduc est supposé construit en deux phases successives. Le poids mort de la première phase [pont-rail (3) et poteaux (5)] repose entièrement sur le faisceau de câbles (4) en partie basse et se termine, en partie haute, par la portion (25) de l'arc (2) épaisse de 1,50 m selon les rayons d'intrados et armée pour supporter sur 20 m une nouvelle tranche d'arc de 1,50 m d'épaisseur radiale qui sera placée en 2ème phase. La deuxième phase d'exécution complète la construction de l'arc (2) par 5 tranches de 1,50 m d'épaisseur radiale en aluminium armé soudées à la tranche inférieure par le cordon de soudure (14). L'arc (2) se terminera par une dernière tranche de 1 m d'épaisseur radiale. A ce stade, l'arc (2) une fois assemblé et soudé est en principe capable de soutenir la totalité du poids mort de la partie supérieure de l'ouvrage constituée du pont-route (1) et des poteaux (5). En plus des charges permanentes précitées, rappelons que l'arc (2) doit être conçu pour absorber également l'ensemble des surcharges mobiles de service des 2 ponts du viaduc et le poids de la voie ferrée du pont-rail (3) avec l'aide des poteaux (5) travaillant en suspente, spécificité de l'ouvrage déjà mentionnée lors de la description des figures 10 et 11. Le programme sommaire de la présente demande d'invention étant limité au stade de l'avant-projet, l'étude précise d'exécution ne sera pas développée d'avantage. Pour la même raison, le détail des ancrages des câbles (4) dans les piles (6) ne sera pas indiqué. Une première application à citer est le viaduc transmanche, choisi 3o comme exemple pour illustrer la présente invention comme moyen d'améliorer encore (en sus du tunnel existant et de l'avion) les communications avec le Royaume-Uni, tout en ne perturbant pas trop le trafic maritime du Pas de Calais grâce à seulement 11 piles en mer. Cependant, ce n'était qu'un simple exemple montrant la possibilité de 35 réaliser d'autres ponts de très grandes portées sur un minimum de piles. Il 9 est donc permis de penser, comme éventuelles applications à d'autres espaces maritimes à franchir, mais cette fois, hors de France, comme, par exemple, le détroit de Messine entre Italie et Sicile (environ 4 km de largeur, 1 pile suffirait) ou la liaison Suède-Danemark par une succession de ponts reliant les îles de la Baltique (15 km maximum au plus large à franchir sur 5 piles seulement). En outre, au plus étroit (4 km) du détroit de Sund, une seule pile suffirait entre la Suède et l'île danoise de Seeland). Outre le franchissement des détroits, une autre application apparaît comme envisageable pour désengorger le métro actuel par la construction de lignes de métro aérien reposant sur un minimum d'appuis au sol, compte tenu de la densité des constructions existantes dans la plupart des grandes agglomérations modernes. Un autre intérêt présenté par l'invention est peut-être aussi le coulage d'ouvrages en béton dans des coffrages en aluminium armé, permettant d'améliorer la vitesse d'exécution par livraison sur chantier de moules préfabriqués tout prêts pour couler le béton. Les retombées des poutres sous la dalle pouvant même être entièrement préfabriquées (béton coulé en atelier également). Rappelons l'importance de la rapidité d'exécution pour écourter la gène du trafic maritime pendant les travaux de construction d'un ouvrage. Signalons également l'intérêt des coffrages et enrobages en aluminium armé permettant d'éviter l'oxydation des armatures par fissuration des bétons armés traditionnels, avantage spécifique pour les ouvrages à la mer exposés à l'agressivité maximale du milieu. Une particularité du brevet proposé à signaler également réside dans le fait de pouvoir poser les câbles par flottage en surface (un flotteur tous les 100 m par exemple) avec tirage par un simple remorqueur portuaire et levage sur piles des extrémités des câbles. Ajoutons, pour conclure, que l'ouvrage proposé pourrait être construit à partir seulement d'éléments de base soudés en aluminium ne dépassant pas 20 m de longueur, arcs et poteaux compris. Ceci pour une double raison de transport et de pose, spécificité (trame de 20 m) qui pourrait s'ajouter à l'originalité intrinsèque du présent avant-projet de viaduc selon l'invention.35 REVENDICATIONS1) Arche de viaduc de 2,5 km de portée caractérisée en ce qu'elle comporte un pont-route (1) en béton armé reposant sur deux arcs (2) en aluminium de forme parabolique appuyés sur les piles (6) en béton armé, ainsi qu'un pont-rail (3) en béton armé reposant sur deux faisceaux de câbles (4) d'acier enrobés d'aluminium et tendus entre les piles (6), des poteaux (5) en aluminium reliant tous les 20 mètres les divers éléments (1) (2) (3) et (4), les diagonales (7) et les entretoises (8) en aluminium complètent la structure de l'ouvrage. l0 2) Arche de viaduc selon la revendication 1 caractérisée en ce que, hormis les entretoises (8) et les coffrages des poutres (9), tous les éléments de construction en aluminium sont exécutés par longueurs de 20 mètres assemblées par soudure (14), l'enrobage en aluminium des faisceaux de câbles (4) étant armé et assemblé de manière identique à 15 celle des coffrages (11) des longerons des ponts (1) et (3), les arcs (2) sont construits par tranches de 1,50 mètres maximum d'épaisseur radiale superposées et reliées par soudure (14), puis assemblées sur les joints (17) par soudure (14) tous les 20 mètres. 3) Arche de viaduc selon les revendications précédentes 20 caractérisées en ce que les coffrages en aluminium armés des fers à béton (20) et (21) de toute la poutraison des ponts (1) et (3) sont munis de tiges d'ancrage (24) en acier accrochées aux fers (20) et (21). 4) Arche de viaduc selon la revendication 3 caractérisée en ce que la tôle d'acier (12), servant de fond de coffrage et d'armatures inférieures 25 aux dalles en béton des ponts (1) et (3), est munie de tiges d'ancrage (24) fixées sur la tôle (12) par soudure (14), la tôle (12) pouvant être remplacée par des plaques d'aluminium armées des fers à béton (20) et (21) et munies des tiges d'ancrage (24) accrochées aux fers (20) et (21). 30 35