Les ponts, techniques de construction

Technique de construction des ponts

Après l’histoire des ponts et leur classification, voici un peu de technique!

Cintre

Dans le cas d’ouvrages hydrauliques ou lorsqu’il faut franchir un obstacle important, on construit un cintre, véritable ouvrage en lui-même.
Dans le cas des arcs en maçonnerie, l’utilisation d’un cintre en bois est  indispensable.
Les techniques de constructions visaient à limiter l’importance du cintre nécessaire parce que le bois était rare.

Aujourd’hui, les méthodes de constructions utilisées depuis l’emploi du béton précontraint évitent de le recours à des structures provisoires aussi coûteuses que les cintres sauf pour de petits ouvrages permettant l’utilisation de poutres standard.
A l’opposé des échafaudages classiques qui transmettent les charges au sol par une multitude d’appuis provisoires, les véritables cintres comportent une structure porteuse, supportant les coffrages, qui transmet les charges au sol par un nombre limité d’appuis, généralement les seuls appuis définitifs.

Construction travée par travée

On reprend la poussée de la dernière arche construite par une pile massive.

Construction par anneaux

La construction par anneaux, utilisée pour les voutes en maçonneries, consiste à monter l’ouvrage par tranches longitudinales accolées les unes aux autres. les piles étaient percées d’ouïes afin d’alléger la structure et d’augmenter la capacité d’écoulement en cas de

Construction avec cintres suspendus

L’utilisation de cintres supendus, reposant sur des corbeaux encastrés dans la maçonnerie s’applique aux ouvrages très hauts.

Section transversale

Le choix de la section transversale d’un ouvrage est guidé par deux tendances contradictoires :
– réduction du temps de travail et donc recherche des formes simples
– augmentation du rendement géométrique (portée/poids), nécessaire pour les grandes portées.
différentes sections transversales de ponts en béton précontraint
Equilibre coût de matière/coût de main d’oeuvre, un exemple, la construction métallique :
au XIXe siècle, le coût de l’acier est élevé, ses caractéristiques moyennes tandis que le coût de la main d’oeuvre est faible, on privilégie les ponts en treillis parce que les gains d’acier permettent des économies nettement supérieures aux suppléments de main d’oeuvre pour l’assemblage.

Préfabrication

Les coûts de fabrications sont plus faibles dans une usine de préfabrication que sur un chantier (déplacement du personnel, intempéries). les problèmes d’assemblage et de manutention deviennent donc essentiels.

La préfabrication est utilisée essentiellement pour les ponts à poutre préfabriquées sous chaussée, précontraintes et les ponts constitués de voussoirs préfabriqués (qui ont généralement une section en caisson). Les voussoirs sont mis en place soit sur un cintre au sol ou sur cintre mobile de type autolançeur ou par encorbellements successifs.

Précontrainte

Pour imager le principe de la précontrainte, Freyssinet prenait quelques livres entre ses mains, et les pressait horizontalement comme dans un presse-livres, disant : « Si j’étais assez fort, on pourrait tenir sur ces volumes comme sur un pont, mais que je lâche, et tout s’écroule. »
La précontrainte permet de réaliser des ouvrages importants sans utiliser de cintre, alors que les ponts en béton armé devaient être construits sur échafaudages ou sur cintre.
précontrainte de continuité et câbles de continuité
précontrainte extérieure
précontrainte intérieure

Construction sur cintre

La façon la plus simple de construire un pont en béton (même précontraint) reste de le construire sur échafaudage ou sur cintre.
Cette construction peut être faite en une seule phase, sur un cintre général, ou par phases successives, en réutilisant des cintres élémentaires, adaptés à cette réutilisation.

Dans le cas des ouvrages en béton précontraint, on coule sur cintre essentiellement les ponts à nervures pour de faibles portées.
On le réalise par tronçons successifs, des mises en précontrainte partielle permettant le décintrement de la dernière partie construite et la réutilisation du cintre.

Construction sur cintre autolanceur

Les cintres sont mobiles, conçus en fonction de la structure.
Les cintres autolanceurs se déplacent en s’appuyant sur les piles et la partie déjà construite du tablier.

Construction par encorbellements successifs

Le principe des ouvrages de type cantilever ou porte-à-faux construits par encorbellements successifs est très ancien. Cette technique permettait d’augmenter la portée des ponts au-delà de la dimension des troncs d’arbres.

Cette technique est couramment utilisée aujourd’hui en particulier dans les ponts en béton précontraint :
on construit un voussoir encastré dans une culée massive, formant l’amorce du tablier;
le voussoir est mis en précontrainte puis l’équipage portant le coffrage est déplacé vers l’avant, et on bétonne le second voussoir, etc.

Poussage

Cette méthode est inspirée de la technique du lançage des ponts métalliques.
Le tablier est constitué de tronçons successifs exécutés sur une aire de fabrication fixe et assemblés par précontrainte. Au fur et à mesure de la fabrication des tronçons, la poutre continue ainsi constituée est translatée au-dessus des piles jusqu’à sa position définitive.

Cette méthode n’a pu être mise en oeuvre qu’à partir du moment où ont existé des dispositifs de glissements avec des coefficients de frottement très faibles (téflon) car le béton ne supporte pas, sous peine d’écrasement, des pressions de contact élevées.

Mise en place par rotation

Pour éviter la construction de cintre coûteux dans le cas d’un obstacle majeur à franchir, les ingénieurs ont mis au point une solution ingénieuse :
on construit une partie ou la totalité de l’ouvrage au sol sur des échafaudages traditionnels, parallèlement à l’obstacle à franchir.
Des mises en précontrainte partielles permettent le décintrement.

On peut alors mettre l’ouvrage en place par rotation autour d’un de ses appuis. Dans le cas de grandes portées, la construction peut se faire par double rotation : une moitié de l’ouvrage est construite sur chaque rive de l’obstacle.

Assemblage

L’assemblage pose de nombreux problèmes de résistance aux chocs, charges, vibrations.
Par boulonnage, puis par rivets, puis soudure (au début se révèle cassante et aujourd’hui très utilisée sur les éléments préfabriqués mais pas sur chantier). Puis boulons à haute limite d’élasticité qui comprime les pièces pas un serrage contrôlé et assurent ainsi la résistance par frottement des pièces l’une sur l’autre.

Autre problème dans l’assemblage des éléments d’un pont : les joints de dilatation et les joints permettant à l’ouvrage de résister aux vibrations et surcharges

Couverture

Élément qui porte la chaussée.
On a cherché d’abord à l’alléger (dalle de béton armé coulée sur une tôle couvrant le tablier) puis à la faire participer à la flexion générale de l’ouvrage pour gagner de l’acier. Cela exige une solidarisation du béton et de l’acier au moyen de connecteurs (ossature mixte béton-acier).

Câbles

Petit historique des câbles de suspension :
– chaînes aux maillons et fer forgé (portée maximum : 21 m)
chaînes formées de barres de fer articulées qui a permis de dépasser des portées modestes;
– puis câbles à fils parallèles (fils de fer de 3 mm de diamètre) inventés par les frères Seguin (pont de Fribourg);
– câbles d’acier (Roebling au pont de Brooklyn);
– câble à torsion alternative inventé par Arnodin. Le principe est d’enrouler plusieurs couches de fil en hélice autour d’un fil central droit, les hélices étant alternativement dans un sens puis dans l’autre.

Le câble est la forme la plus économique d’emploi de l’acier, matériau résistant à la traction et capable de se déformer pour reporter les efforts qui lui sont appliqués à des parties résistantes puis finalement au sol.
Les câbles sont utilisés dans la construction des ponts : câbles de suspension, haubans, câbles de précontrainte.

Palée

Pieux battus dans le fond de la rivière servant de piles pour les ponts en bois ou pour les ouvrages provisoires.

Données

Types d’ouvrages d’art :
– les ouvrages d’art non courants (travée> à 40 m, surface>1200 m2, ponts mobiles et pont canaux, ponts dans des zones à environnement difficile, etc.)
– les ouvrages courants types font l’objet de dossiers types et de programmes automatiques de calcul). Ces ouvrages ont des plans types, des programmes types de remplacement.     Les données à respecter dans la conception d’un pont :
– données administratives
– données naturelles (sol, hydraulique, climatique, sismique, etc.)
– données fonctionnelles (gabarits à respecter, profils, etc.)
– données d’environnement
– données architecturales
– données de gestion et de maintenance

Projets

La conception d’un pont est toujours faite par étapes et par approximations successives :
– le choix de l’emplacement de l’ouvrage implique une analyse des différentes solutions : on doit esquisser pour chaque emplacement, un type d’ouvrage et un tracé routier et en évaluer les conséquences. Il faut reconnaître le sol.
Les contraintes fonctionnelles peuvent entraîner des conflits.

L’étude a lieu en trois phases :
– l’étude préliminaire qui fait l’inventaire de toutes les solutions possibles compatibles avec les données naturelles et fonctionnelles.
– le projet d’ouvrage d’art qui comprend plans, coupes, élévations, détails constructifs, notes de calculs et mémoire expliquant les contraintes
– dossier de consultation des entreprises.

Fondations

Les fondations destinées à construire les piles ou les massifs d’ancrage d’un pont sont évidemment essentielles pour la solidité de l’ouvrage et dépendent du type de terrain. On distingue trois type de fondations :
1 – Fondations reposant directement sur le sol.
Le principe est simple : on réalise une fouille pour mettre à nu la couche de terrain sur laquelle on compte fonder l’ouvrage et on construit directement sur le sol la fondation projetée (radier, semelle ou massif)

2 – Fondations sur caissons :
– havage : on fabrique un caisson à la surface du sol puis on creuse le terrain à l’intérieur du caisson de façon à ce qu’il s’enfonce sous l’effet de son poids. Le caisson est ensuite rempli de béton.
– fonçage à l’air comprimé lorsqu’il faut traverser des terrains durs. Le caisson est fermé à sa partie supérieure par un plafond traversé par une ou deux cheminées d’accès. L’intérieur du caisson est mis sous pression d’air de façon à empêcher l’eau de remonter à l’intérieur. on peut alors travailler à sec.
3 – Fondations sur puits ou pieux :
pieux préfabriqués battus ou foncés dans le sol, pieux moulés dans des chemises métalliques, pieux moulés dans le sol sans tubage, puits dont le diamètre est de 0,80 à 2 mètres qui peuvent être remplis de béton.

Abouts

Extrémité par laquelle un morceau de charpente est assemblé avec un autre.

Ancrage

Massif d’ancrage : s’emploie pour le ponts suspendus

Arbalétrier

Pièces d’une charpente qui servent à soutenir le poids. Elles sont posées obliquement et assemblées d’un côté dans la poutre perpendiculaire,  de de l’autre dans la poutre horizontale.

Caisson

Les caissons servent à construire les fondations sur lesquelles s’appuient les piles et culées d’un pont.
Ils peuvent être rectangulaires ou circulaires.
Havage (pour terrains meubles): on construit un caisson à la surface du sol, on creuse le terrain à l’intérieur du caisson, de façon à ce qu’il s’enfonce par effet de son propre poids (grâce en particulier au couteau situé à la base du caisson. le caisson est ensuite rempli de béton.
En site aquatique, le caisson est muni d’un fond provisoire qui permet de l’amener par flottaison à son emplacement avant de le descendre. Dans les terrains imperméables, on peut épuiser l’eau à l’intérieur du caisson pour travailler à sec.
Lorsqu’il faut traverser ou s’ancrer sur terrain dur, on fonce le caisson à l’air comprimé pour pouvoir travailler à sec : technique dangereuse et qui n’est plus utilisée depuis qu’il est possible des réaliser des forages de pieux de gros diamètres à grande profondeur.

Chèvre

Appareil formé de poulies et de pièces démontables, utilisé depuis qu’il existe des chantiers dans toutes les circonstances où l’on a à élever des fardeaux. On distingue plusieurs sortes de chèvres appropriées aux usages auxquels elles sont destinées: chèvres à haubans, à trois pieds, chèvre verticale, chèvre de tranchée, etc.

Cloche à plongeur

Cloche à plongeur, XVIIIe siècle.

Ce modèle en verre et en bois provient du cabinet de physique de Charles l’une des plus belles collections, avec celle provenant du cabinet de l’abbé Nollet .
Les cloches à plongeur servaient couramment pour les travaux de sondage ou de fondation pour l’édification des ponts.

 

Corniche

Corniche, du mot grec faîte, sommet, couronnement.
Les corniches couronnent le bord latéral d’une dalle de pont, la partie supérieure d’un mur de soutènement ou le haut d’un pur en retour d’une culée.
Fonctions essentielles des corniches :
– esthétique car elles marquent la ligne de l’ouvrage tout en masquant les irrégularités évetuelles de la structure porteuse;

– protection car elles servent de larmier et protègent de l’eau les dessous des dalles et les face extérieures de poutres.
Elles servent également de support pour divers équipements, garde corps, cadélabres, etc., et de butée pour les trottoirs.

Culée

Ouvrage de charpente ou de maçonnerie élevé sur un quai ou sur la berge pour fournir un point d’appui résistant à la portée d’une travée dans les ponts à poutre, à la retombée d’une arche dans les ponts en arc, ou à l’amarrage des câbles des ponts suspendus.
Types de culées :
culée remblayée
culée boîte
culée creuse
culée enterrée
culée spéciale en terre armée

Débouché

Le débouché linéaire d’un ouvrage est la somme des largeurs offertes à la rivière.
Le coefficient d’obstruction est le rapport de la surface obstruée par le pont à celle qui serait disponible si ce pont n’existait pas.
(toutes ces données sont évaluées au moment de la crue)
La diminution du débouché entraîne une surélévation du plan de l’eau et une augmentation de la vitesse d’écoulement.
Les remous qui en résultent créent des affouillements (surcreusement en forme d’entonnoirs à la base des piles) et mise en suspension du ond du lit lors des crues.
Les fondations des  anciens ouvrages étaient peu profondes et la faible ouverture des arches augmentait les remous. C’est pour en limiter les effets que l’on voit souvent des avant becs et des arrière becs triangulaires sur le piles.

Décintrer

Avant l’invention de la précontrainte, le cintre de bois était démonté une fois l’ouvrage terminé et ne pouvait pas être réutilisé  car on ne pouvait pas décintrer sans dommages pour le cintre. L’ouvrage est alors mis en charge.
Aujourd’hui une fois le béton coulé (soit en une seule phase pour les petits ouvrages, soit travée par travée), lorsque le béton a une résistance suffisante, on met en tension l’ensemble par des câbles de précontrainte et l’effet de la précontrainte assure le décintrement de la structure sans dommage pour le cintre.

Échafaudage

Dans le cas d’un ouvrage terrestre, lorsqu’on maitrise le sol, on construit un échafaudage classique pour transmettre les charges au sol lors de la construction du pont.
Ils sont constitués de poteaux entretoisé ou de tours métalliques. Traditionnellement, ils étaient en bois, aujourd’hui, on utilise des tours métalliques fomées d’un réseau croisé de profilés standards et réutilisables.

Encastrer

Les arcs sont soit articulés aux naissances dans la culée ou dans les piles, soit encastrés ce qui pose des problèmes de réalisation et de durabilité de l’encastrement à cause du point triple maçonnerie, acier et air.     encastr1.jpg

Étançon

Grosse pièce de bois ou aujourd’hui d’acier, placée le plus verticalement possible, destinée à soutenir un mur ou un plancher qui menace de tomber sans cet appui et qui permet de travailler dessus.

Haubans

L’utilisation de haubans n’est pas récente même si elle triomphe dans les ponts modernes de très grande portée. Des haubans provisoires servaient à soutenir les  éléments lors de la construction de ponts par encorbellements successifs.
Dans un ouvrage, les haubans subissent des variations de tension dues aux charges d’exploitation sur le tablier et aux effets de températures, variations plus importantes dans les ouvrages à tablier métallique.

Il existe trois types de câbles utilisés en haubans :
les câbles à fils parallèles (de 50 à 350 fils dans un hauban)
les câbles formés de torons parallèles (109 torons constitués de 7 bris torsadés)
les câbles clos, les premiers employés pour les haubans (fils parallèles entourés par divers couronnes de fils : section trapézoïdale et section en Z

Hourdis

A l’origine, maçonnerie de brique, de ciment ou de béton qui assure le remplissage entre les solives d’un plancher ou les pièces d’un pan de bois.
Dans le cas des ponts, on appelle hourdis, le remplissage entre les différentes pièces constituant le tablier.

Liaisons triangulées

Les structures triangulées se multiplient et se diversifient avec l’usage de l’acier.

Mise en charge

La mise en charge d’un ouvrage consiste à retirer les cintres, échafaudages ou haubans ayant servi à sa construction afin que la répartition des charges se fasse définitivement

Moise

Pièces de bois reliées deux par deux par des boulons et entre lesquelles sont prises plusieurs autres pièces ainsi maintenues à distance fixe les unes des autres. Très employées dans les pilotis, charpentes à grande portée. Elles ont l’avantage d’une pose rapide et simple.

Ossature

Colonne vertébrale du tablier

Dispositifs de retenue

Les niveaux de sécurité à respecter pour les dispositifs de retenue sont régis par des normes et ceux-ci doivent être homologués (protection contre la corrosion, charge supportée en fonction de la vitesse d’impact, etc).
Les barrières de sécurité routière son destinées à atténuer les conséquences, pour le véhicule et ses occupants, d’une sortie accidentelle de chaussée.
Les barrières peuvent être simples, doubles, souples ou rigides.
Aux barrières s’ajoutent les gardes corps destinés à retenir les piétons.

Pile

Les piles, constituées d’éléments simples, sont les appuis intermédiaires des ponts à plusieurs travées continues (les appuis d’extrêmité s’appelant culées).
Elles sont indépendante mécaniquement du tablier qu’elles supportent et reçoivent, sur une seule ligne d’appui des réactions dont la composante principle est verticale (même pour les ponts en arc).
Les piles reposent sur une fondation qui peut être superficielle ou profonde.

Différents types de piles :
constituées d’un ou plusieurs voiles
colonnes

Porte-à-faux

Cantilever, porte-à faux,  console, terme s’appliquat à des ponts construits par encorbellement successifs.

Portée

La portée est la distance entre l’axe central de deux lignes d’appui consécutives. la portée est biaise lorsque l’angle des lignes d’appui avec l’axe longitudinal n’est pas de 90 degrés.
L’ouverture est la distance entre les parties intérieures de deux lignes d’appui consécutives.

Poussée

Effort horizontal que les voûtes exercent du dedans vers le dehors sur les piles et les culées.

Poutre

La poutre d’un pont est la partie du tablier qui repose sur les points d’appui des piles, elle est surmontée d’une dalle de couverture.
Les poutres peuvent avoir différentes sections et sont en bois, en fonte, et aujourd’hui en acier, en béton ou mixtes acier-béton précontraint.

Radier

Plate-forme horizontale et charpente ou en maçonnerie, servant de revêtement aux parties des ouvrages hydrauliques qui sont entièrement sous l’eau.
Le fond des écluses, l’intervalle qui sépare les piles d’un barrage sont des radiers. On en établit aussi entre les culées ou les piles d’une arche de pont lorsque le courant est assez violent pour faire craindre des affouillements.
La maçonnerie des radiers doit être exécutée à sec.

Raidisseur

Appareil qui sert à raidir les fils métalliques. en particulier dispositifs qui permettent de tendre et de raidir convenablement les haubans.

Sonnette

Appareil employé pour le battage des pieux et des pilotis dans les travaux de fondation. L’opération consiste essentiellement à soulever et à laisser retomber une masse pesante, appelée mouton, sur la tête du pieu pour l’enfoncer.

Tablier

Le tablier d’un pont est l’ensemble de la plateforme qui repose sur les appuis (piles ou culées) ou qui est soutenue par des suspentes dans le cas des ponts suspendus. C’est en quelque sorte l’ensemble sur lequel roulent les véhicules lorsque le pont est achevé.
Il comporte à la fois les poutres, la dalle qui les revêt, la couche de roulement, les équipements (garde-corps, corniche, joints, hourdis, etc.)

Tenon et mortaise

Le tenon est une languette laissée à l’extrémité d’une pièce de charpente et qui entre dans une entaille ou mortaise ménagée sur une autre pièce. Les deux pièces se trouvent assemblées à tenon et mortaise.

Travée

Se dit de toute partie comprise entre deux point d’appuis principaux d’un ouvrage.

Tympans

Partie comprise, au-dessus d’une pile de pont entre les deux arches qui s’appuient sur cette pile.
Dans les ponts métalliques en arc, on relie l’arc au tablier par des tympans formés de montants à géométrie très diverses.

Vérin hydraulique

Appareil de soulèvement de type presse hydraulique mais de dimensions plus réduites pour permettre de le transporter et de l’utiliser sur des chantiers.

Vis d’Archimède

Vis d’Archimède hollandaise, construite vers 1700.

La vis d’ Archimède  dont l’invention est attribuée au savant Syracusain, était souvent actionnée par un moulin à vent.
On appelle canon l’enveloppe cylindrique et marches, les spires successives de la cloison hélicoïdale intérieure.
On l’utilisait pour élever des liquides, en particulier pour l’épuisement des fondations dans les constructions hydrauliques.
Dans les sucreries et distilleries, elle servait à élever les betteraves qui venaient d’être lavées.

 

Voile

Les piles de ponts peuvent prendre différentes formes, en colonne ou en voile.

Volée

Partie d’un pont mobile que l’on peut baisser ou ouvrir.
Se dit également de chacune des partie d’un escalier comprise entre deux paliers successifs. Par extension entre deux culées.

Voussoir

On désignait ainsi les blocs de pierre taillés en forme de coins qui entrent dans la construction d’un voûte.
Le voussoir présente deux faces courbes , l’une intérieur et concave, élément de l’intrados, l’autre convexe (ou plat) qui forme l’extrados, deux faces inclinées cachées dans la maçonnerie, appelées joints de lit.
par extension, on appelle voussoir, dans un pont en béton précontraint, les éléments (préfabriqués) qui sont mis en précontrainte bout à bout.

Voûte

Les vraies voûtes sont constituées de pierres taillées et assemblées de telle sorte que les joints soient  à peu près perpendiculaires à l’intrados. Ils sont ainsi comprimés sous charge permanente lors du décintrement et ne subissent aucun effort de traction.
Les voûtes permettent d’augmenter la portée mais la construction d’une voûte ne peut pas se faire sans cintre ce qui a toujours posé des problèmes d’approvisionnement en bois, d’appui en rivière, etc.
Ne pas confondre avec les fausses voûtes qui ne sont en fait que des travées indépendantes superposées et ne permettent qu des portées très limitées. Les pierres sont disposées en lits horizontaux, chaque assise dépassant légèrement l’assise précédente jusqu’à se rejoindre suffisamment pour pouvoir être recouvertes d’une seule pierre.

L’inconvénient des voûtes est qu’elles exercent sur les appuis des efforts ayant une importante composante horizontale, il est donc nécessaire de construire des culées massives pour empêcher les déplacements horizontaux qui évidemment entraîneraient l’effondrement du pont.

Cet article est une synthèse d’un travail qui a été réalisé avec le Musée des arts et métiers