Introduction

Dans la conception des ponts à haubans, l’interaction entre ses éléments porteurs fondamentauxtablier, câbles et pylônes, est en effet très marquée et une prise en compte de l’ensemble s’impose dès le départ du fait que chacun de ces trois éléments contribue au comportement structural de l’ouvrage.
Les ponts haubanés autorisent une liberté dans le choix des formes et des systèmes statiques possibles. Pour les petites portées c’est la recherche de l’originalité qui conduit parfois à des observations de point de vue statique et esthétique par contre pour les grandes portées ce sont les conditions d’économie et de montage qui limitent la marge de manœuvre, on recherche alors un comportement sain ainsi qu’une bonne conception des détails de construction.

1-Définition de la structure

Les ponts à haubans sont les ouvrages dans lesquels le tablier est soutenu par des câbles obliques, rectilignes.

Pratiquement les câbles obliques doivent être nombreux pour réduire la flexion locale du tablier, et chaque câble doit pouvoir porter seul la surcharge roulante.

Quel est le type de système ?

Le système est hyperstatique, il s’agit d’un tablier continue soulagé par des câbles (haubans) qui réalisent les appuis intermédiaires élastiques.

Quel est l’effet d’un hauban ?

L’effet d’un ancrage haubané peut être assimilé à ceux :

-d’un support élastique dont la raideur dépend de la composante verticale dans le hauban ;

-d’une compression dans la poutre résultant de la composante horizontale d’un hauban.

De quoi dépend l’élasticité d’un appui haubané ?

L’élasticité de l’appui dépend de la tension initiale dans le câble. Il est donc possible en réglant la tension sous charge permanente de modifier la courbe d’enveloppe des efforts M et N.

Domaine d’emploi des ponts à haubans métallique ?

-entre 150 à 400 m actuellement (pont saint nazer 404 m France).

Les constructions modernes n’ont pas encore atteint leur portée maximale.

Le développement des nouvelles techniques de calcul et de construction les rend en effet de plus en plus compétitifs, même pour des grandes portées qui étaient auparavant le domaine exclusif des ponts suspendus.

Quel est la particularité des ponts à haubans ?

Les ponts à haubans présentent un comportement dynamique supérieur et nettement plus économique en le comparant avec les ponts suspendus de même portée.

Quels sont les éléments constitutifs d’un pont à haubans ?

• Tablier
• Pylônes
• Câbles

Quels sont les types des ponts à haubans ?

• Suivant sa structure longitudinale

On distingue 3 schémas type en fonction de la brèche à franchir :

• Le pont à haubans symétrique, à deux travées
• Le pont à haubans asymétriques
• Le pont symétrique à 3 travées, ce type d’ouvrage est le plus nombreux.

• Suivant le fonctionnement mécanique

Pont avec haubans qui sont attachés à un pylône rigide souvent en forme en A dans le sens longitudinal constituant un appui fixe. Ce type est conseillé d’utiliser seulement en cas ou la charge du au poids propre+ charge permanente sont équilibrées.

Les pylônes sont souples et transmettent uniquement l’effort axiaux de compression.

Quelles sont les rapports l_R/l_c et h_P/l_c à proposer ?

• Le choix de la hauteur hp du pylône au-dessus du tablier dépend de l’esthétique, de la déformation du tablier, des diamètres des câbles et de la nature de l’haubanage. Généralement :

lR/hP=0.2 à 0.25 Pour les systèmes à 2 travées assymétriques (métallique, béton précontraint).

lR/hP=0.15 à 0.2 Pour les systèmes à 3 travées assymétriques (métallique, béton précontraint).

l_R: portée de rive

l_C: portée centrale

h_p: Hauteur du pylône

Quel est l’influence de la hauteur hp du pylône ?

-elle est importante en ce qui concerne le poussage des haubans, et bien sûr, celui du pylône lui-même.

– elle est sans conséquence pour les appuis, les réactions de soulèvement sur les appuis.

– si on compense le coût des câbles+ pylône, il ne se change pas beaucoup si on change hp.

Quelles sont les autres considérations pour le choix de hp ?

Elle, sont : -la déformation du tablier ;

-réduction du diamètre des câbles ;

-esthétique.

Pour augmenter la rigidité de la poutre du tablier, le pylône peut être encastré dans la poutre de rigidité.

 

2-Disposition des câbles dans le sens longitudinal

La configuration longitudinale doit assurer une stabilité longitudinale suffisante et un bon comportement de l’ouvrage à l’état d’utilisation.

• Disposition en Harpe

• Avantages :

-esthétiques incontestables

-aspect agréable

• Inconvénient :

De point de vue de la statique et de l’économie

La configuration des haubans en HARPE (parallèle)

-nécessite plus d’aciers pour les haubans

-une grande compression dans le tablier

-produit des moments de flexion dans le tablier.

La disposition en Harpe est adoptée principalement pour les petites et moyennes portées et pour des élancements du tablier supérieurs à 0.3

• Choix des mâts

Les mâts doivent avoir une rigidité suffisante pour réduire la déformabilité du tablier particulièrement si celui-ci est simple.

Pour les grandes portées on prévoit un appui glissant du tablier sur la partie inférieure de l’un des mâts pour libérer la superstructure dans le sens longitudinal. Par contre pour les petites portées on évite l’aménagement d’un tel appui en prévoyant la partie inférieure en éléments simples.

• Eventail

Faire converger tous les haubans des zones du sommet du mât. Cette configuration est plus économique par des élancements h/l<0.3  et pour les ponts de grandes portées 200 à 400 m. Elle présente les avantages suivants :

-le poids total des câbles est faible par rapport à celui en harpe

-la structure transversale du tablier est caractérisée par une grande légèreté du fait que l’effort horizontal introduit par le câble dans le tablier est plus faible et la flexion longitudinale des mâts demeure modérée ;

– la section est fonction des conditions de stabilité à l’état de montage.

• Semi-éventail

Cette solution de compromis entre les exigences de l’esthétique et de l’économie permette de combiner les avantages inhérents aux configurations précédentes tout en minimisant leurs désavantages. Elle est adoptée généralement pour faciliter les ancrages des haubans et pour des élancement 0.15< h/l <0.25

La section des mâts dans ce type de configuration est fonction du système statique, de la capacité portante et du déplacement imposé.

Remarque : quel que soit la disposition des haubans et le nombre de travées adoptées, l’ouvrage se comporte comme un pont flottant dans le sens longitudinal, les mats stabilisateurs doivent donc reprendre les effets dû au vent, freinage, frottement et tout en assurant la stabilité globale de la structure.

Si la hauteur du mât sous le tablier est grande, la pile doit être massive dans le cas inverse on prévoit un élargissement approprié de la zone inférieure du mât ou un renforcement de l’armature.

Dans les cas courants on prévoit un encastrement de la base du pylône, dans le tablier en cas de mât unique, et dans la pile en cas de mât double.

Comparaison économique de différents types de suspension

La valeur minimale du poids d’acier est obtenue pour un élancement h/l=0.29 avec haubanage en éventail et à h/l=0.5 avec haubanage en harpe avec α=45°

3. Disposition assymétrique

Le choix de cette disposition dépend essentiellement de conditions topographiques et du gabarit d’espace longitudinal. Elle est à adopter dans le domaine des ponts de petite portée (90 à 150 m) et dans le cas où il est impossible d’équilibrer à l’aide d’une travée arrière.

Le choix de l’inclinaison du tirant arrière dépend de la topographie du terrain, des conditions géologiques et géotechniques de la zone d’ancrage. Une inclinaison économique est proche de 45°.

4. Ecartement des haubans

Ce paramètre dépend de la longueur et de la forme du tablier, des moyens de montage utilisé. Dans le cas courant on adopte :

-pour les tabliers en acier ou mixte :  15m<e<25m

– pour les tabliers en béton :  5m<e<10m

 

5. Le choix de nombre de nappes d’haubans

Selon la configuration des haubans dans le sens transversal, on distingue :

• Suspension à deux nappes latérales

           a- suspension latérale verticale

Ce type de suspension est généralement adopté dans le domaine des ponts de petite et moyenne portée. Les branches des haubans peuvent être disposées à l’extérieur du tablier en équilibrant la flexion transversale du mat, au moyen d’entreprise supérieure, engendrée par la déviation des câbles.

            b- mât en forme de A

L’utilisation des mâts en forme de A s’adapte bien aux ponts de très grande portée en vue d’assurer la stabilité aérodynamique de la structure et d’améliorer sa rigidité. Ce type de suspension nécessite un élargissement du tablier ou la réalisation des consoles au droit des ancrages pour résoudre le problème de gabarit transversal au-dessus du tablier.

• Suspension centrale

Cette configuration est principalement adoptée pour les ponts qui ne sont pas très larges et de petite et moyenne portée et présentant des voies symétriques.

La suspension centrale présente les avantages suivants :

• Une élégance incontestable : la suspension évite tout croisement optique des câbles
• Une impression de légèreté
• Un tablier rigide qui contribue à la réduction des moments du second ordre ainsi qu’a la stabilité dynamique et aérodynamique du système global.

On peut adopter des mâts centraux (avec une surlargeur du tablier) en particulier pour les petites portées dans le cas contraire on dissocie la portée inférieure du mat central du tablier avec une surlargeur minimale (=2.7 m) nécessaire pour l’ancrage des câbles.

• Suspension à 3 nappes et plus :

Elle s’applique pour les ponts très larges pour réduire les moments transversaux qui deviennent excessifs. Mais elle est rarement utilisée.

 6 Rigidité du tablier 

en flexion: elle est inférieurs, aussi bien en flexion générale qu’en flexion locale, par rapport à celle des ponts suspendus.

Lorsque les portées sont grandes, la déformation générale dépend de l’inertie du tablier et ce dernier subira des contraintes de flexion, d’autant moins fortes qu’il sera moins épais. Par ailleurs, un tablier mince se prête moins à la formation d’un échappement tourbillonnaire.

Elancement des tabliers du pont métallique à haubans est inférieur à 100, mais pour les grandes portées : St NAZAIRE (120 m) et Roude (460 m) dont les portée max sont de l’ordre de ± 400 m.

Attention !! une rigidité minimale du tablier est indispensable, non seulement pour limiter des déformations en flexion locale, conformément aux critères d’exploitation, mais pour limiter également les sollicitations de fatigue auxquelles sont soumise les câbles porteurs et permettent, en cas échéant, le remplacement aisé d’un hauban.

Rigidité du tablier à la torsion ?

L’ouvrage doit être examiné sous double aspect :

• Statique
• Dynamique

De quoi dépend la rigidité de torsion du tablier à haubans ?

-elle ne dépend pas seulement de la forme transversale du tablier.

Elle dépend aussi de :

-la disposition des haubans (elle peut augmenter la stabilité aérodynamique : rigidité dynamique en cas de deux nappe latérale des haubans et augmente si les haubans sont réunis sur les pylônes en A.

Dans le cas de pylône en A, le sommet ou convergent les haubans, demeure fixe sous l’action de formes antisymétriques.

Dans le cas des grands ponts, il est prudent de se mettre en l’abri d’un couplage de vibrations de flexion et de torsion en adoptant un tablier rigide en torsion d’une section fermée, d’une forme de l’aile d’avion dernièrement appliqué pour les ponts suspendus au câbles parabolique (système FRIMEN-FOX de grande bretagne).

7 Tablier-structure transversal et leurs fonctions

Quelles sont les fonctions qu’un tablier des ponts à haubans doit remplir ?

Elles sont les suivantes :

1-il assure la circulation continue d’une rive à l’autre ;

2-il reprend les réactions horizontales des haubans ;

3- il répartie les charges locales entre plusieurs haubans, se qui limite les déformations correspondantes ;

4- il supporte les déformations générales qui lui sont imposées par les suspentes ;

5-Il doit présenter un bon comportement aéroélastique (stabilité aérodynamique) ;

6-il faut prendre en considération les facilités d’usinage et de montage ou bétonnage sur place en cas des ponts à haubans en béton précontraint.

Quels sont les impératifs que la structure transversale du tablier doit satisfaire ?

• Grande légèreté
• Stabilité aérodynamique
• Facilité d’ancrage des haubans.

Elle dépend aussi du mode de suspension du tablier :

Ou on peut faire les ancrages des haubans ?

a) suspension latérale, l’ancrage des haubans peut se faire dans l’intérieur du caisson

b) suspension axiale, l’ancrage des haubans peut se faire dans l’intérieur du caisson

c) suspension latérale, l’ancrage des haubans peut se faire à l’extrémité de la plateforme

En cas de suspension axiale une section tubulaire (caisson) est bien adaptée en raison de sa grande rigidité à torsion en assurant aussi une stabilité dynamique de l’ouvrage.

En cas de suspension latérale peut être composé :

-de poutre simple en cas de faible portée

-des caissons latérales rectangulaire ou triangulaire.

8. Rôle des haubans 

-il transmettent les charges du au tablier et de la surcharge au pylône.

– elles jouent un rôle important sur le plan économique :(les haubans présente 29% du cout d’ouvrage principal pour le pont BROTONNE en BP).

9. Les pylônes 

-le pylône ou mat des ponts à haubans est un des trois éléments essentiels.

-la hauteur du pylône est un facteur qui joue un rôle important pour le choix du système longitudinal d’haubanage, et sur consommation du matériau celui du pylône

-pour les grandes portée, M. Brignon a constaté que le cout : câble + Pylône, tous en métal, ne change pas beaucoup si on change la hauteur hp du pylône. Donc se sont les autres considérations comme :

-déformation du tablier

-Détermination de la charge dans les câbles

-section du câble avec surélévation du pylône

Qui interviennent sur le choix de la hauteur du pylône hp

-le rapport hp/L dépend essentiellement de la nature d’haubanage et de nombre de travées ;

-les pylônes sont fortement comprimé par ce qu’ils supportent la quasi-totalité des poids du tablier et des surcharges du pont.

-les pylônes peuvent être :

• Articulés ;
• Encastré dans les piles, ou dans le tablier

Dans le sens longitudinal, quel sont les formes des pylônes ?

Il y en a deux :

-rigide

-soupe

Dans le sens transversal ?

• Il prenne la forme : Les pylônes des tabliers à nappe unique de haubans

• • Les pylônes des tabliers à deux nappes

Le nombre des pylônes ?

Le nombre est strictement lié par la structure longitudinale retenue, suivant une étude en tenant compte toutes les contraintes imposées par la nature ou par les conditions techniques et réglementations fixées par le maitre d’œuvre.

-le pylône est souvent d’inertie variable.

Comportement statique des pylônes

A cause de son élancement d’une part, et des efforts verticaux et horizontaux, les pylônes sont susceptibles d’être instable, c’est pourquoi il est indispensable d’avoir la stabilité du pylône.

Pour vérifier la stabilité du pylône il faut connaitre et analyser :

-comment les haubans réagissent sur les pylônes

-d’adopter une méthode de calcul qui représente bien le comportement physique de la structure constituée par le pylône, les haubans et le tablier.

-il faut distinguer deux types de pylônes dont le comportement statique est différent :

pylônes de forme transversale ferme et pylône avec mat unique ou deux mats séparés.

-dans le cas d’haubanage en harpe, dans le sens longitudinal, ou les câbles sont répartie sur une grande hauteur de mât, les haubans assurent la stabilité longitudinale du pylône.

-dans le cas l’haubanage quasiment concentré au sommet du pylône (haubanage à éventail) la stabilité longitudinale n’est pas aussi bien connue dans le cas présent.

–dans le sens transversal

Les pylônes en forme fermé ne présentent pas des problèmes ils sont suffisamment rigides.

Les pylônes uniques ou double indépendants montre une tendance au flambement transversal. Ils sont obligés d’être encastré dans sa base.

Pratiquement : le pylône est encastré dans sa base dans le tablier en cas de mâts double-indépendants.

De quel matériaux les pylônes sont construit ?

On distingue deux cas :

-en béton ;

-en acier ;

Action du vent sur les mâts :

Les pylônes doivent être contrôlé sous l’action du vent pour les différentes phases de sa vie :

-pylône seul, en construction ;

-pylône lorsque l’ouvrage est en service.

Les actions sont :

-sur le mât

-sur les haubans (câbles)

Les pylônes des ponts à haubans et ponts suspendus sont des structures complexes qui méritent dans chaque cas une étude particulières dans laquelle doivent être discutées non seulement méthode de calcul, mais aussi les valeurs numériques, à donner au coefficient de sécurité, qui couvre en particulier des phénomènes encore mal appréhendés par le calcul tel que les vibrations sous l’effet de vent, du séisme et les déformations différées dans le cas du béton.

9. le tablier

On doit avoir des tabliers rigides pour résister aux moments de torsion. Mais les moments longitudinaux sont d’autant plus importants que le tablier est rigide le choix de la section d’un tablier n’est pas donc favorable à priori. La rigidité optimale dépend de l’écartement des haubans, du mode de suspension et de la longueur du pont :

Suspension centrale= caissons ou treillis spéciaux fermés en acier ou en béton

Suspension latérale= dépend de sa longueur en général

• Le choix des matériaux :

a-tablier en acier :

-grande portée 300 à 400 m

-Poids= 2.5 à 3.5 KN /m2

-plus économique r_acier=r_béton/5

-mais le coût est élevé

b-tablier en béton

-poids=10 à 15 KN /m2

-adopté à l’haubanage multiple

-bonne fondation à l’augmentation des charges

-l’épaisseur=0.5 m

-matériaux béton armé : petite et moyenne portée (90 à 200 m)

Béton précontraint : grande portée 200 à 400 m

c-tablier mixte

Mauvaise.