Technologie Et Montage Du Pont Suspendu

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TECHNOLOGIE ET MONTAGE DUN PONT SUSPENDU CAEMTP

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Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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exxv|xx Je remercie Allah Le misricordieux qui ma toujours ouvertes ses portes et qui ne ma jamais abandonn A mon pre Sadibou Ciss et ma mre Fatou Ndiaye pour leur soutien, conseils, encouragements et qui nont aucun mnag effort pour ma russite. A mes frres Pape T-mac, Badou, Cheikh (Shaqui), Samba, Mohamed Naby qui compte normment pour moi. A mon oncle Kader qui est comme un pre pour moi et que jadmire beaucoup Aux Inspecteurs de spcialits Boubacar Diallo et Khar Mbow pour ses 2 annes passes ensemble. A mon encadreur Mandir Diakhat pour les efforts consentis pour maider raliser ce mmoire Au doyen Joseph Pina qui ne mnage aucun effort pour satisfaire mes curiosits Aux professeurs Ibrahima Diop, Goumbala, Gomis, Augustin Ndiaye, Salif Sow, Ndoye qui sont une source de motivation A Mor Talla Diallo, ancien directeur de lENSETP, maitre de confrences en Sciences de lducation A Fathym, la palomita, source dinspiration Mes voisins de chambres, Alioune fan, Ndiaga Ndiaye, Djibril Diallo et Ismaila Kane Tous mes promotionnaires du Lyce Technique Maurice Delafosse, du G15 et de lENSETP Wa couloirou jump Mcanombed, Yague, Mawdo, Bous, Beuz, Demba Vibes, Weezy, grand Kane, Jean, Samba, Diouf A Makhou, Biggie, Guirane, Chriff Diouf, Badou Sonko, Mo Nestor, Wix, Franck, Rgis, Antoine, Aubin, Fatou, Laye Seck 44 Tous ceux qui de prs ou de loin et dont je nai pas pu citer les noms, big thanks vous. PEOPLE NEVER HOOT BAD PLAYERS

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Table des matiresCONTEXTE ............................................................................................................................... 8 INTRODUCTION....................................................................................................................... 9 I1Le pont suspendu ............................................................................................................... 11 Les deux grandes familles de matriaux ......................................................................... 13 1.11.22Ponts en bois ........................................................................................................... 13 Ponts en acier et en bton........................................................................................ 13

Typologie des ponts suspendus ....................................................................................... 13 2.12.2Selon la forme ......................................................................................................... 13 Selon la rigidit ....................................................................................................... 14

3-

Comportement structural .............................................................................................. 14 3.13.2Analyse de la structure ........................................................................................... 14 Fondations .............................................................................................................. 15

4-

Les pylnes ..................................................................................................................... 15 4.14.24.3Forme des pylnes .................................................................................................. 15 Hauteur des pylnes ................................................................................................ 16 Principe de construction de ces pylnes.................................................................... 17 4

5.

Cbles ............................................................................................................................ 17 5.15.25.35.4Gnralits .............................................................................................................. 17 Constitution des cbles ............................................................................................ 18 Socles d'ancrage ...................................................................................................... 19 La tension dans les cbles......................................................................................... 20

6. II1-

Tablier ........................................................................................................................... 21 Erection dun pont suspendu.......................................................................................... 22 Mthodes drection ....................................................................................................... 22 1.11.21.3Encorbellement ....................................................................................................... 22 Poutre de lancement ............................................................................................... 23 Le poussage............................................................................................................. 24

III123-

Actions sur le pont ......................................................................................................... 25 Bilan des forces .............................................................................................................. 25 Rsistance a la rupture ................................................................................................... 25 Actions sur les structures ............................................................................................... 27 3.1Valeurs caractristiques du poids propre................................................................ 27 Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

TECHNOLOGIE ET MONTAGE DUN PONT SUSPENDU CAEMTP 3.23.33.445Dispositions complmentaires particulires pour les ponts ..................................... 27 Poids propre des constructions (cas usuels) ............................................................. 27 Poids des quipements ............................................................................................ 27

Actions dues leau........................................................................................................ 28 Charges de construction ................................................................................................. 29 5.15.25.35.45.55.6Charges de construction Qca...................................................................................... 29 Charges de construction Qcb ..................................................................................... 30 Charges de construction Qcc ...................................................................................... 30 Charges de construction Qcd ..................................................................................... 30 Charges de construction Qce ..................................................................................... 30 Charges de construction Qcf ...................................................................................... 31

67-

Actions Accidentelles...................................................................................................... 31 Analyse arodynamique ................................................................................................. 31 7.17.27.37.47.5La rsonance ............................................................................................................ 31 Alle de tourbillons de Karman ................................................................................ 32 Flottement............................................................................................................... 33 Amlioration du design du pont ............................................................................... 35 Instabilit sismique .................................................................................................. 35 5

IV1-

Matriaux ncessaires .................................................................................................... 36 LAcier ........................................................................................................................... 36 1.11.21.31.41.5Acier Haute Performance..................................................................................... 37 Les aciers thermomcaniques ................................................................................. 37 Les tles profiles en long ....................................................................................... 37 Les aciers auto-patinables ....................................................................................... 38 Influence de la temprature .................................................................................... 38

V123-

Le soudage des aciers hautes performances ................................................................. 39 La soudabilit mtallurgique............................................................................................ 39 Leur comportement actuel vis vis du soudage................................................................ 40 Aciers S460M .................................................................................................................. 41 3.13.23.33.4Procds de soudage les plus utiliss ........................................................................ 41 Le risque de fissuration froid en Zone Fondue ........................................................ 41 Le risque de fissuration froid en Zone Affecte Thermiquement ............................. 41 Caractristiques mcaniques du joint ....................................................................... 41

3.4.1- Zone fondue .......................................................................................................... 41

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TECHNOLOGIE ET MONTAGE DUN PONT SUSPENDU CAEMTP 3.4.2- Zone Affecte Thermiquement ............................................................................... 42 3.5- Chaudes de retrait ........................................................................................................ 42 4Aciers S690 Q .................................................................................................................. 43 4.14.24.3Procds de soudage les plus utiliss ........................................................................ 43 Le risque de fissuration froid en Zone Affecte Thermiquement ............................. 43 Le risque de fissuration froid en Zone Fondue ........................................................ 44

4.4- Caractristiques mcaniques du joint ......................................................................... 45 4.4.1- Zone Fondue .......................................................................................................... 45 4.4.2- Points particuliers .................................................................................................. 45 4.4.3- Zone Affecte Thermiquement ............................................................................... 45 4.4.4- Chaudes de retrait ................................................................................................. 46 5VI1234Rsum ........................................................................................................................... 46 Les autres matriaux ....................................................................................................... 46 Le Bton :....................................................................................................................... 46 Le Bton arm ................................................................................................................ 47 Le Bton prcontraint .................................................................................................... 47 Autres Matriaux : ......................................................................................................... 48 6

CONCLUSION A LA PARTIE SCIENTIFIQUE ETCHNIQUE .............................................. 49 INTRODUCTION A LA PARTIE PEDAGOGIQUE ............................................................... 51 I12345II12345Proprits des mtaux ........................................................................................................ 52 Justification du thme par rapport au dossier documentaire et au programme ............. 52 Fiche pdagogique .......................................................................................................... 53 Fiche de droulement ..................................................................................................... 55 Document professeur ..................................................................................................... 60 Document lve .............................................................................................................. 66 Dsignation des aciers .................................................................................................... 72 Justification du thme par rapport au dossier documentaire et au programme ............. 72 Fiche pdagogique .......................................................................................................... 73 Fiche de droulement ..................................................................................................... 74 Document professeur ..................................................................................................... 76 Document lve .............................................................................................................. 78

CONCLUSION A LA PARTIE PEDAGOGIQUE .................................................................... 80 Bibliographies / Web graphie .................................................................................................... 81

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CONTEXTE

'est en Amrique que va natre le pont suspendu moderne. Un juge, James Finley, a l'ide d'un pont suspendu avec des chanes en fer forg. Le pont Jacob's Creek est achev en 1802, l'ouest de la Pennsylvanie. James Finley, devant le succs de cette formule qui permet un pont peu coteux et facile construire, va dposer un brevet. Une premire gnration de ponts voit le jour partir de 1810. La porte se situe entre 15 et 50 mtres maximum. Mais l'utilisation des ponts fait apparatre un problme d'oscillation : le pont entre facilement en rsonance, et la pression qui s'exerce sur les chanes le fait cder. En ralit, le savoir-faire amricain en ingnierie et dans la qualit du fer forg est bien trop faible. Le dveloppement des ponts est limit en taille, et en charge. De nombreux accidents interrompent le succs naissant du pont suspendu. La technique va alors franchir l'Atlantique, pour trouver de nouveaux adeptes chez les Britanniques, qui possdent une norme avance dans la mtallurgie. Les chanes sont considrablement amliores. En consquence, les ponts suspendus deviennent trs ambitieux. Les premiers ponts britanniques sont construits vers 1815, les dimensions ne cessent de crotre. En 1826, le clbre ingnieur Thomas Telford construit le pont suspendu de Menai (Menai Bridge), de 125 mtres de porte. C'est alors le plus grand pont du monde, la plupart des ponts de l'poque se situant entre 70 et 100 mtres de porte. Le pont suspendu est le seul moyen pour atteindre de telles longueurs, le pont devient monument la gloire du progrs, en pleine rvolution industrielle europenne. En 1823 est construit Genve la passerelle de Saint-Antoine, puis ds 1932 Fribourg le grand pont suspendu dont les cbles en fils trfils 87 kilos de rupture, et utiliss 27 kilos (fils parallles) permettent d'atteindre 273 mtres de porte. De nombreux ponts lgers sont ainsi construits : Bercy et Constantine Paris (101 mtres), Gray, Chteaulin, La RocheBernard, etc., mais ces ouvrages taient trs mobiles et les charges de circulation devaient y tre limites. Ils subirent une clipse en France jusqu'au moment o la cration de la poutre de rigidit permit de raliser des ouvrages d'une tenue comparable celle des ponts en charpente. Avec la rvolution Industrielle du 19e sicle, lacier n'avait pas la rsistance la tension pour supporter de grandes charges. Avec la venue d'acier au carbone qui a une haute rsistance la tension, beaucoup de grands ponts ont t construits en dveloppant les ides de Gustave Eiffel. Les dernires trois dcennies du 20e sicle ont vu une priode de construction de pont grande chelle en Europe et en Asie. La recherche se concentre en utilisant des ordinateurs, automatisation, et nouvelles matires pour amliorer la conception, la construction et lentretien.

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INTRODUCTION

vec le dveloppement des moyens de transport et de la socit industrielle, les ouvrages se sont multiplis travers le monde. Lutilisation des moyens maritimes ou arien pour le franchissement de rivires, fleuve, ou autres cours deaux nest plus quune alternative avec la construction des ponts. Des ponts sont construits pour permettre une liaison directe entre deux endroits distants. Chaque type de pont a une particularit propre diffrente lune de lautre. On note quatre grands types de ponts : le pont en poutre, le pont en arc, le pont haubans et le pont suspendus. Ce dernier fera lobjet de ce mmoire. La particularit dun pont en poutre est surtout construite dans le cadre des courtes distances environ 150 400 mtres. Le pont haubans nest diffrent du pont suspendu que dans son design, qui est plus beau du faites quil ncessite moins de cbles. Quant au pont en arc, qui peut avoir une porte pouvant aller jusqu' 750 mtres prsente linconvnient des tonnes de poutres que ncessite sa construction. A linstar du pont haubans, en poutre ou en arc, le pont suspendu peut avoir une longueur pouvant aller jusqu 4 km. De par son rapport qualit-prix et sa longueur, il se trouve que le pont suspendu mtallique prsente des avantages compars au pont en bton qui ncessite pour sa construction des tonnes de ciments et de bton. Et avec, le dveloppement de nouveaux types daciers de construction, moins lourds et ayant des caractristiques mcaniques trs levs, le pont suspendu se positionne comme un ouvrage dart de grande envergure. Le pont suspendu, ce grand inconnu au Sngal. Il nexiste pas de pont suspendu au Sngal. Mais cependant le seul pont mtallique que lon note ici, est un pont en poutre qui se trouve Saint louis 510 m. A noter quavec le dveloppement des infrastructures notes ces dernires annes dans la rgion de Dakar, des ponts suspendus auraient pu tre construit. Liaison Dakar-Gore (3,5 Km), un projet qui est aux archives depuis longtemps ou encore la liaison Dakar-Diamniadio (36 Km) o un viaduc peut tre construit sur toute la distance. Le principe du pont suspendu est simple ; sa plate forme est soutenue par des suspentes qui sont relies un cble de suspension accroch aux pylnes. Ce qui nous renvoie nous poser un bon nombre de questions sur sa technologie. Pourquoi le pont suspendu ? Quels sont les avantages et inconvnients quil prsente ? Comment viter la rupture des cbles ? Quels sont les types daciers que lon utilise ? Quels sont les charges qui entre en action dans sa construction ?... Dans ce mmoire, nous essaieront dapporter des rponses ces questions.

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PARTIE SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE10

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I-

Le pont suspendu

Figure 1 Le pont du Bosphore Istanbul, Turquie

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n pont suspendu est un type de pont o les lments porteurs principaux sont accrochs des cbles de suspension.

Suspendu deux endroits levs au-dessus d'un fleuve ou d'une gorge, les ponts suspendus simples suivent un arc de haut en bas. Lavnement des nouveaux matriaux et des nouvelles conceptions a mene au dveloppement dun pont suspendu dot dune plate forme, un pont moderne capable de porter les vhicules et le rail lger. Des cbles porteurs principaux (ou des chanes) soutiennent la structure, ces cbles sont suspendus entre les tours, et les cbles verticaux de bretelle supportent le poids de la trave, sur laquelle le trafic croise. Cet arrangement permet la structure dtre niveau ou de courber lgrement vers le haut. Les cbles de suspension doivent tre ancrs chaque extrmit du pont, puisque n'importe quelle charge applique au pont est transforme en tension en ces cbles principaux. Les cbles principaux continuent au del des piliers aux appuis de la structure, et continuent plus loin aux raccordements avec des ancres dans la terre. La chausse est soutenue par les cbles ou les tiges verticaux de bretelle, appels les cintres.

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Figure 2 Structure dun pont suspendu

Trave latrale: portion entre deux pylnes, situe aux extrmits du pont. Trave centrale: portion entre deux pylnes, situe au centre du pont. Pylne latral: construction verticale ressemblant une tour situe sur le ct, qui gnralement sert supporter les cbles d'un pont suspendu ou haubans. Base du pylne: partie infrieure trs rsistante du pylne. Suspente: cble de soutien. Tablier: plate-forme du pont. Cble porteur: ensemble de fils tresss qui supportent le pont. Pylne: construction verticale ressemblant une tour qui gnralement sert supporter les cbles d'un pont suspendu ou haubans. Poutre de rigidit: longeron raidisseur.12

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1- Les deux grandes familles de matriaux 1.1Ponts en bois

Cest principalement grce au chemin de fer que la construction de ponts en bois prit un nouvel essor. En effet, il sagissait de construire ces ponts rapidement, ce que les techniques de maonneries ne permettaient pas. 1.2Ponts en acier et en bton

Lusage de lacier, pour les membres verticaux de la structure du pont, marqua une volution fondamentale. On construisit donc des ponts en fonte (acier avec 2 4%de (acier carbone). Grce linvention de puddlage les constructions en fer forg permettaient une puddlage, conomie de matriel et de poids car cette matire est plus souple et plus mallable que la ie fonte.

2- Typologie des ponts suspendus 2.1Selon la forme

Les ponts suspendus se prsentent sous trois formes :13

Les ponts trave suspendue unique avec cble d'ancrage direct sur rive (trave de rive, si elle existe, franchie par des tabliers en charpente), donnant des traves de rives rduites

Figure 3 Pont suspendu trave unique, avec ancrage sur les rives par des cbles d'ancrage. Les ponts trois traves suspendues (traves centrale et de rives), forme normale du pont suspendu qui doit tre un ouvrage de grande porte, donc trave de rive importante et qu'il faut galement suspendre. ante

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Figure 4 Pont trois traves suspendues (pont du dtroit d'Akashi) Les formes avec l'une ou l'autre disposition de rive, mais traves multiples correspondant aux trs longs ponts, ou ceux permettant des appuis intermdiaires faciles

2.2

Selon la rigidit

Les ponts suspendus flexibles, soutenus par des cbles ou chanes parfaitement flexibles; Les ponts suspendus rigides o le cble flexible est remplac par deux poutres rigides articules chacune avec une cule.14

3- Comportement structural 3.1Analyse de la structure

Figure 5 Pont Severn

Les forces principales dans un pont suspendu sont la tension dans les cbles principaux et la compression dans les piliers. Elles sont galement stabilises par les cbles principaux, les pylnes peuvent tre rendus tout fait minces.

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Dans un pont suspendu, les cbles suspendus par l'intermdiaire des pylnes supportent la plate-forme de la route. Le poids est transfr par les cbles aux pylnes, qui transfrent leur tour le poids la terre. Assumant un poids ngligeable par rapport au poids de la plate-forme et des vhicules quil soutient, les cbles principaux d'un pont suspendu formeront une parabole. On peut voir la forme de l'augmentation constante du gradient du cble avec la distance linaire (de plateforme). Cette augmentation de gradient chaque raccordement avec la plate-forme fournie une force ascendante de soutien de filet. Combin avec les contraintes relativement simples places sur la plate-forme relle, ceci rend le pont suspendu beaucoup plus simple concevoir et analyser qu'un pont haubans, o la plate-forme est en compression.

3.2-

Fondations

L'tablissement du projet des fondations d'un pont est primordial sa construction. Il faut savoir que se sont sur ces fondations que va reposer la totalit du poids de l'acier, des cbles, des traves, du tablier, et des poutres de fondation elles-mmes. Ces fondations doivent tre encastres ou ancres solidement et profondment dans la roche sous l'eau. La mthode de fabrication des fondations du pont dpendra donc de l'environnement dans lequel il sera construit, c'est--dire sur terre ou sous l'eau, sur terrain meuble ou ferme, sur pente, crevasse. Sur terre ferme, peu de problmes sont craindre. La mthode la plus courante consiste creuser jusqu' la roche puis couler du bton. Les quelques problmes parfois rencontrs sont rsolus (infiltrations deau souterraines (oprations dtanchit) ou instabilits (apport de structures en bton supplmentaires). En ce qui concerne les constructions sous-marines les techniques sont beaucoup plus labores pour atteindre les fonds sans tre gner par la pression et les infiltrations. 4- Les pylnes 4.1Forme des pylnes

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Les facteurs intervenant dans la forme des pylnes sont la largeur du tablier, le tirant d'air dgag par celui-ci et le choix du mode de suspension : suspension latrale ou axiale. Les pylnes sont construits en bton l'aide de coffrages grimpants, car ils sont nettement plus conomiques que les pylnes en acier. De plus, le bton se prte plus facilement une recherche dans les formes.

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Figure 6 Double mt latral indpendant, double mt latral entretois, pylne en Y renvers et en V renvers. 4.2Hauteur des pylnes

La hauteur des pylnes varie d'un projet un autre. Elle a une influence sur la quantit de cbles et sur l'effort de compression induit dans le tablier par leur inclinaison.16

Figure 7 Vue d'en haut d'un pylne

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4.3-

Principe de construction de ces pylnes

Pour permettre une rection correcte des pylnes, il faut une fondation rsistante et parfaitement niveau. D'abord, le sommier des piles en bton a t prpar et nivel avec une grande prcision car les consquences seraient catastrophiques pour la suite des travaux. Sur ce support viennent des plaques d'acier denviron 12,5cm d'paisseur, soudes des goujons d'acier denviron 2cm de diamtre, eux mme ancrs dans le bton de la pile. La prcision est maintenant infrieure au millimtre. Une fois la partie infrieure fixe, on installe une plate forme d'acier comportant un mcanisme hydraulique qui lui permettait de grimper le long des jambes du pylne au fur et mesure que leur construction progressait. Elle est assez rsistante pour supporter deux grues destines hisser les lments d'acier ncessaires la construction de ses jambes par sections de 15m soudes sur place. Parfois, il n'y a qu'une seule grue. 5. Cbles Les cbles constituent l'lment porteur essentiel des ponts suspendus. Ils sont choisis car ils font travailler l'acier uniquement en traction, ce sont donc des lments conomiques compars aux autres modes de construction. 5.1Gnralits17

Figure 8 Vue d'ensemble d'un cble Un cble est gnralement constitu de plusieurs torons disposs rgulirement en hlice autour d'une me centrale, en une ou plusieurs couches superposes. Un toron est compos de plusieurs fils d'aciers disposs rgulirement en hlice autour d'une me centrale, en une ou plusieurs couches superposes. Un cble peut tre compos d'un seul toron. Il s'agit alors d'un cble mono toron ou d'un cble hlicodal.

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5.2-

Constitution des cbles

Figure 9 Coupe droite du collier et du toron porteur

Anciennement, et encore actuellement pour les ponts de grande taille, les cbles sont assembls sur le chantier. Les cbles sont raliss par simple juxtaposition des fils, ces fils son ensuite lis par t sont ligature afin de les serrer et essayer de fermer le cble contre les entres d'eau. La suspension (en acier non galvanis) est constitue de chaque ct de l'ouvrage d'un faisceau section hexagonale comprenant 37 torons de 72,6 mm de diamtre. Chacun des torons unitaires diamtre. comprend 6 couches de fils ronds de 4,1mm de diamtre (127 fils) recouvertes par 2 couches recouvertes de fils de 4,5 mm d'paisseur. Chaque toron est reli aux massifs d'ancrage par l'intermdiaire de 3 tiges d'ancrages aprs passage au travers du collier d'panouissement. passage Pour les grands ponts il est impossible ou trs difficile d'employer des cbles prfabriqus en usine cause de l'encombrement de ceux ci, en effet le diamtre de ces cbles peut atteindre plus d'un mtre sur une longueur de plus de 1000 mtres. Les cbles sont donc une assembls sur le chantier.

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Figure 10 Suspentes Chacun des faisceaux est enserr par 64 colliers supportant une suspente constitue par deux cbles double brins de 56 mm de diamtre. Ces cbles sont constitus de 139 fils ronds de 4,1 mm de diamtre. Les suspentes sont espaces de 9,95 m d'axe en axe. Les faisceaux des cbles s'appuient sur les pylnes par lintermdiaire de selles d'inflexion fixes. 5.3Socles d'ancrage

Pour viter l'allongement des cbles aprs leur mise en place, on pratique une opration appele prcontrainte qui consiste tirer sur les cbles plusieurs fois jusqu' ce qu'ils reviennent trois fois de suite la mme longueur

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5.4-

La tension dans les cbles

Figure 11 La tension dans les cbles Les forces de tension s'appliquant sur les cbles rsultent encore une fois du poids du tablier, mais aussi du fait que les cbles soient attachs aux pylnes (ainsi F' a une mme direction, une mme valeur mais un sens oppos F, ce qui tend tirer les cbles, tel l'longation de l'lastique, voir figure 11). La force de tension tant rpartie proportionnellement sur les cbles, plus il y a de suspentes, moins chacune d'entre elles doit supporter une force leve, et donc moins il y a de chance qu'il y ait rupture. Pour matriser les phnomnes de vibrations, Il existe des amortisseurs internes et externes placs la base des cbles

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Figure 12 Amortisseur interne

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Figure 13 Amortisseur interne IRD

6. Tablier Il existe deux moyens couramment utiliss pour monter le tablier. La premire mthode consiste amener les caissons par la route et de les mettre en place l'aide de grues. Dans le second cas, on amne les lments prfabriqus du tablier par pniches. Ces embarcations sont elles-mmes quipes de grues et apportent les caissons la bonne hauteur. Le reste du montage s'effectue de la mme manire dans les deux cas. On commence par les deux extrmits en mme temps afin que les efforts soient symtriques. Les caissons sont amens la bonne hauteur, embots dans ceux dj mis en place et enfin, suspendus. On progresse de cette manire pour arriver jusqu'au centre du pont o les deux parties se rejoignent. Le montage du tablier pose principalement deux problmes. Le premier est li au fait qu'on commence par les extrmits du pont. Lorsqu'on progresse de la sorte, les pylnes sont sollicits vers l'extrieur du pont (ce qui n'est pas leur but initial). Ce problme disparat lorsque le tablier est totalement termin. Cependant la rsistance des pylnes doit tre lgrement augmente afin de pouvoir supporter ces efforts latraux (mme si ceux-ci disparaissaient lorsque le tablier est totalement achev). Le second problme est n de ce que les raidisseurs du tablier ne peuvent tre monts que lorsque le tablier est totalement termin. De ce fait, pendant tout le montage du tablier, le pont est trs vulnrable aux oscillations provoques par le vent. Pour y remdier, on a recours des renforts temporaires qui sont dmonts ds que le tablier est en place. Les raidisseurs dfinitifs sont alors disposs tout au long du tablier. Le pont est alors capable de rsister au vent.21

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II-

Erection dun pont suspendu 1- Mthodes drection

Les mthodes de construction sont influences par la nature de l'ouvrage, le cot, le choix du constructeur, et surtout les caractristiques gographiques. Plusieurs mthodes peuvent tre utilises pour un mme ouvrage. Un viaduc est constitu par des piles et un tablier. Les lments constituant la pile d'un viaduc sont soit prfabriques dans une usine, soit coules successivement en place. Les piles doivent s'appuyer sur une couche gologique stable. Le tablier est constitu de voussoirs, l aussi prfabriqus ou couls en place. En gnral, lautoroute comporte un viaduc par sens de circulation. Une autre solution, permettant parfois de gagner du temps et de largent, consiste constituer un seul et mme ouvrage pour les deux sens de circulation grce un caisson bicellulaire. 1.1Encorbellement

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Figure 14 Vue schmatique d'un encorbellement Tous les voussoirs du viaduc sont presss les uns aux autres par des cbles de prcontrainte qui peuvent tre placs pendant lassemblage ou bien ds la fin de la construction. Des mesures sont faites tous les jours pour contrler que le tablier reste bien conforme ce quil devra tre une fois termin. Suite ces mesures, des corrections sont ventuellement faites. La rigueur du travail et des contrles permettent des erreurs infimes de trois ou quatre centimtres. Une fois construit et au fil des annes, les ouvrages dart font lobjet de mesures rgulires visant prvenir les mouvements de louvrage causs, enLamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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particulier, par les mouvements du sol. Si ces mouvements se confirment et que louvrage est en pril, des solutions peuvent tre apportes. On peut rajouter des cbles de prcontraintes au viaduc. Un viaduc peut galement tre conu pour rsister aux sismes.

1.2-

Poutre de lancement

Le premier voussoir est fix sur le sommet de la pile. Le deuxime voussoir vient ensuite se fixer provisoirement au premier avec des barres horizontales. Le troisime voussoir est lui fix de la mme faon, de l'autre ct de la pile pour rtablir lquilibre. Les voussoirs prsents de chaque ct du premier lment plac sur la pile vont tre fixs de manire dfinitive par des cbles de prcontrainte. Lopration, en rtablissant continuellement l'quilibre de chaque ct de la pile, est rpte jusqu' la jonction des chantiers voisins. Le dernier lment est fait sur mesure.

23

Figure 15 Vue schmatique d'une poutre de lancement La partie ralise soutient la partie en suspension dans le vide, tant que la pile suivante n'est pas atteinte. Le principe est rpt autant de fois que ncessaire, de pile en pile.

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1.3-

Le poussage

Le poussage consiste construire louvrage sur le rebord de plateau et pousser au fur et mesure le tablier du viaduc sur les piles. Des vrins soulvent le tablier pesant plusieurs centaines de tonnes puis dautres vrins le poussent sur une vingtaine de centimtres. Les vrins de soulvement se dplacent avec le tablier en glissant sur une semelle spciale. Les vrins horizontaux arrivs en bout de course font revenir les vrins de soulvement. Lopration est rpte autant de fois que ncessaire

24

Figure 16 Vue schmatique du poussage

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III-

Actions sur le pont

1- Bilan des forces La rsistance la rupture dun cble dun pont suspendu est peu prt gale 170 daN/mm2. Si ce cble a un diamtre de 20 cm environ :

Rg = Rg = Fmax = Rg x surface Fmax = Rg x x ( ) 2 Fmax = 170 dan x x (

)2

Fmaxt = 5.3407075111 x 107 Newtons

2- Rsistance a la rupture Un corps devient instable si son tat dquilibre subit une perturbation. Dans le cas de linstabilit des ponts suspendus, les interactions entre les forces arodynamiques oscillantes et les structures peuvent provoquer des vibrations importantes et dsastreuses. La largeur du tablier est un lment essentiel quant la stabilit du pont. Le vent engendre des effets trs importants sur le tablier des ponts suspendus qui offrent une surface portante relativement consquente au vent. Il est donc ncessaire dans ce cas damliorer la rigidit du tablier. Une grande activit de recherche dans le domaine de la stabilit aro-lastique des ponts suspendus a pris naissance, suscitant ainsi lattention de nombreux ingnieurs. Il a t constat que certains ponts suspendus se mettent vibrer dans certains vents, alors que dautres sont parfaitement insensibles ces forces arodynamiques. Ces vibrations spciales ne sont excites que dans une gamme de vitesses troite. Le vent peut entraner deux type de forces : les forces de portances (qui sont diriges suivant la verticale) et les forces de tranes (qui sont diriges suivant une horizontale parallle au vent et dans le mme sens que ce dernier). La forme des tabliers tant relativement grossire (formes non profiles), lair ne peut pas scouler de manire laminaire, formant une couche dair autour du tablier (cette couche sappelle couche limite ), qui se dcolle de manire priodique et provoque desLamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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tourbillons en aval du pont. Il en rsulte des oscillations, qui peuvent provoquer des oscillations, instabilits o lamplitude de vibr vibration crot jusqu la rupture. .

Figure 17 oscillations d'un pont26

De ces dplacements naissent trois dformations : Une torsion du tablier. Une flexion verticale due au soulvement du tablier. Une flexion latrale due au recul du tablier dans le sens du vent. Par calcul, on peut dterminer la frquence et l'amplitude des oscillations et on dispose de suffisamment d'informations pour configurer le pont afin qu'il rsiste au vent. afin La thorie pure ne suffit plus faire des prvisions du comportement des ponts dans le a vent. De plus, aucun des divers phnomnes darodynamique in stationnaire ne se prte une mise en quation exacte et les coefficients ncessaires des calculs prvisionnels ne ncessaires peuvent donc tre obtenus qu laide dexprience en soufflerie. En effet, plus la longueur du pont est importante et plus on peut craindre des problmes dinstabilit au vent. Cest pourquoi, des expriences en soufflerie sur des maquettes de ponts permettent de complter soufflerie efficacement les tudes thoriques. Par ailleurs certains paramtres du pont suspendu sont importants du point de vue constructif mais le sont moins si on sintresse son comportement dynamique. Le modle rduit qui permettra dtudier le comportement du pont e dans le vent au moyen dune soufflerie pourra tre nettement simplifi par rapport au pont en rel. Ce sont des tudes exprimentales qui permettent de dtecter dventuels problmes face aux forces arodynamiques. D tudes ont montr la sensibilit aux vents tourbillonnants Des autour des extrmits suprieurs des pylnes. Les ingnieurs ont donc mis en place desLamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP me

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pylnes de sections cruciformes quips damortisseur de vibration (dispositifs comportant des pendules qui oscillent dans une direction oppos celle du pylne). Les spcialistes ont trouv qu'un type particulier de torsions du tablier (li certains vents) peut provoquer lcroulement dun pont s'il ne possdait pas d'amortissement. C'est nouveau grce une tude en soufflerie que les ingnieurs ont dcid de concevoir une trave renforce qui ne prsente pas de rsonance. Des plaques de stabilisation verticales sont installes. Elles permettent d'amortir les oscillations. Les risques de rsonance sont encore rduits par des grilles poses sur la partie centrale et sur les deux cts du pont.

3- Actions sur les structures IL concerne le poids volumique, le poids propre, les charges d'exploitation des btiments 3.1Valeurs caractristiques du poids propre

Les valeurs caractristiques du poids propre (P), des dimensions et du poids volumique doivent tre dtermines conformment l'EN 1990, 4.1.2. 3.2Dispositions complmentaires particulires pour les ponts

Pour les parties non structurales, telles que le ballast sur les ponts-rails, ou le remblai sur les structures enterres telles que les buses, et si le matriau est prsum se consolider, se saturer ou changer par ailleurs de proprits en cours d'usage, il convient de prendre en considration les valeurs caractristiques infrieure et suprieure du poids volumique. 3.3 3.4 Poids propre des constructions (cas usuels) Structures en bton arm et prcontraint : dimensions nominales, 25kN/m3. Structures mtalliques : dimensions nominales, 77 78,5 kN/m3 Adopter 78 kN/m3 Poids des quipements Pour la plupart des quipements, poids moyens ou nominaux. Pour les revtements des ponts routiers, fourchette de : 20% si rechargement prvu, + 40% ;- 20% si rechargement non prvu. Le poids nominal des rseaux de conduites est tolranc de 20%. Les valeurs caractristiques du poids de ballast pour un pont ferroviaire sont obtenues en ajoutant ou retranchant 30% l'paisseur totale nominale, spcifier.

27

LEurocode donne une information pratique sur les poids volumiques, de telle sorte que le produit du poids volumique indiqu par la hauteur de stockage donne pour les matriaux en vrac une valeur unitaire de la charge avant toute redistribution. Pour certains produits, comme les mtaux et les liquides, il y a une forte influence des conditions de stockage.Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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La charge doit alors tre value en tenant compte pour les mtaux des vides effectifs et pour les liquides de leur conditionnement et de leurs conditions de stockage.

4- Actions dues leau Intensit de la force horizontale totale Fwa (N) exerce par les courants sur la surface verticale :

F wa =

1 2 k wa h b v wa 2

28

vwa : rwa :

vitesse moyenne de l'eau rapporte sa profondeur, exprime en m/s masse volumique de l'eau, exprime en kg/m3

h: profondeur de l'eau, sans prendre en compte la profondeur d'affouillement local, exprime en m b: k: largeur de lobstacle, exprime en m coefficient de forme

k = 1,44 pour un obstacle de section carre ou rectangulaire en plan, k = 0,70 pour un obstacle de section circulaire en plan. NOTE : Fwa peut tre utilise pour vrifier la stabilit des piles de ponts et des batardeaux, etc. Une formulation plus prcise peut tre utilise pour Fwa pour le projet individuel. Le cas chant, il convient de reprsenter l'accumulation potentielle de dbris par une force Fdeb (N) et de la calculer pour un obstacle de forme rectangulaire par exemple, partir de l'expression :2 Fdeb = kdeb Adeb vwa

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kdeb : vwa :

paramtre de masse volumique des dbris, exprim en kg/m3 vitesse moyenne du dbit d'eau, exprime en m/s

Adeb : aire d'obstruction cre par les dbris pigs et le cintre, exprime en m2 La valeur recommande de kdeb est gale 666 kg/m3.

5- Charges de construction Il y a lieu de reprsenter les charges de construction dans les combinaisons dactions par une action variable unique Qc comprenant, lorsquil y a lieu :

Qca Qcb Qcc Qcd Qce QcfLe groupe de charges prendre en compte dpend du projet particulier. 5.1Charges de construction Qca Charges dues au personnel dexcution, lencadrement et aux visiteurs, avec un quipement de chantier lger29

6 catgories de charges

Reprsentes par une charge uniformment rpartie Valeur recommande : qca, k = 1,0 kN/m2 Charges de construction Qca (+ Qcf) en cours de btonnage

Charges dues au personnel dexcution, lencadrement et aux visiteurs, avec un quipement de chantier lger, en cours de btonnage. Les actions prendre en compte simultanment en cours de btonnage peuvent comprendre, sil y a lieu, le poids du personnel dexcution avec quipement de chantier lgerLamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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(Qca), des coffrages et des lments porteurs (Qcc) ainsi que le poids du bton frais (qui est un exemple de charge Qcf).

5.2-

Charges de construction Qcb

Stockage dlments dplaables (par ex. matriaux pour les btiments et de construction, lments prfabriqus, et quipements)

Reprsentes par une charge uniformment rpartie et une charge concentre. Les valeurs caractristiques recommandes sont : qcb, k = 0,2 kN/m2 Fcb, k = 100 kN 5.3Charges de construction Qcc

Matriels non permanents en position de fonctionnement en cours dexcution, soit fixes (par ex. panneaux de coffrage, chafaudages, cintres, machines, conteneurs) soit dplaables (par ex. quipages mobiles, poutres de lancement et avant-becs, contrepoids).

30

En labsence de toute information pour le projet considr, le modle recommand est une charge uniformment rpartie de valeur caractristique recommande : qcc, k = 0,5 kN/m2 5.4Charges de construction Qcd

Machines et quipements lourds dplaables, gnralement roues ou chenilles (par ex. grues, ascenseurs, vhicules, chariots lvateurs, gnrateurs, vrins, dispositifs de levage lourds) 5.5Charges de construction Qce

Accumulation de matriaux de rebut, par exemple excdent de matriaux de construction, dblais ou matriaux de dmolition (ne concerne que les btiments)

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5.6-

Charges de construction Qcf

Charges dues des parties d'une structure en phases provisoires (en cours d'excution) avant que les actions de calcul finales ne dveloppent leurs effets, telles que les charges dues aux oprations de levage. 6- Actions Accidentelles Les actions accidentelles telles que les chocs dus des vhicules de construction, grues, quipements ou matriaux de construction en cours de dplacement (par exemple benne de bton frais), et/ou la dfaillance locale dappuis dfinitifs ou provisoires, y compris les effets dynamiques, pouvant entraner l'effondrement des lments structuraux porteurs, doivent tre prises en compte lorsquil y a lieu. Il est recommand de dfinir et de prendre en compte, le cas chant, l'action due aux chutes d'quipements sur ou partir d'une structure, y compris les effets dynamiques. Il faut valuer les effets des actions dcrites dans les paragraphes ci-dessus afin de dterminer la possibilit de dclencher un mouvement de la structure ; il faut aussi dterminer l'ampleur et l'effet de tout mouvement de ce genre, et dvaluer la possibilit d'un effondrement progressif. 7- Analyse arodynamique31

Il est ncessaire de commencer par tudier le comportement des vents l'endroit o le projet prend place. Les donnes ncessaires sont :

l'intensit du vent sa direction sa frquence

Ces donnes ne sont cependant par rcoltes l'endroit mme o se tiendra le pont, mais dans les stations mtos, aroports,... environnants. Elles sont ensuite approximes sur le site prcis. Le choix des conditions de vent pour l'tude arodynamique du pont est donc fortement dpendant de cette approximation. 7.1La rsonance

L'tude du phnomne de rsonance est trs importante lors de la construction d'un pont. Une maquette sera ncessaire pour chaque pont afin de dterminer les ventuelles instabilits dues notamment aux vents. La rsonnance est l'tat dans lequel se trouve un systme mcanique qui, en rponse une force applique, vibre une frquence voisine ou gale la frquence naturelle du systme. La frquence naturelle, ou frquence de rsonance, est celle laquelle le systme vibrerait s'il tait excit ponctuellement.Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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Un pont suspendu, dont le tablier est maintenu par des cbles, peut effectuer des oscillations verticales, transversales ou de torsions. chacun de ces types d'oscillations, correspond une priode propre. Si le pont oscille la mme frquence qu'une de ses frquences propres, il entre en rsonance. La force excitatrice (ici le vent, ou le trafic) fournit continuellement de l'nergie la structure au moment prcis pour que l'oscillation soit renforce. Alors, l'amplitude de l'oscillation augmente thoriquement indfiniment, mais la rupture (dans notre cas) intervient bien avant. Dans d'autres cas, de l'nergie peut tre perdue comme chaleur, son, lumire,... de manire ce que l'nergie reue par le systme soit gale celle qu'il dissipe ou la structure peut changer de dynamique, ce qui entrane une diffrence entre la frquence de rsonance et la frquence de la force excitatrice (donc on vite la rsonance). En revanche, si elles ne sont pas la frquence de rsonance ou l'une de ses harmoniques, les vibrations d'un systme ont tendance s'amenuiser rapidement et finissent par disparaitre (amortissement). Pour viter que la structure entre en rsonance, on en modifie sa masse et sa rigidit. Accrotre sa rigidit permet d'augmenter sa frquence de rsonance tandis qu'une augmentation de sa masse a pour effet de rduire cette mme frquence. On peut galement installer divers dispositifs d'amortissement. 7.2Alle de tourbillons de Karman

32

Figure 18 Alles de tourbillons da Karman Une alle de tourbillons de Karman est un motif priodique de tourbillons causs par la sparation instable d'un coulement autour de corps peu profils. Une alle de tourbillons ne peut s'observer qu' l'intrieur d'un intervalle donn. Gnralement entre un systme de tourbillons attach l'obstacle et la turbulence. Lorsqu'un tourbillon se dtache, un coulement dissymtrique se forme autour du corps, ce qui modifie la distribution des pressions. Cela signifie que la sparation alterne des tourbillons peut crer sur ce corps une portance priodique, cause de vibrations. Si la frquence de sparation est voisine de la frquence propre d'une structure, cela cre uneLamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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rsonance. C'est cette vibration force qui, la frquence correcte, fait chanter les lignes lectriques ou celles de tlphone, augmente certaines vitesses les vibrations des antennes des voitures. Dans divers problmes techniques, ce phnomne peut avoir des consquences beaucoup plus dommageables (rupture de ponts suspendus, croulement de chemines. L'exprience montre que la frquence f de dtachement des tourbillons dpend essentiellement des grandeurs suivantes :

une dimension D caractristique de l'obstacle, la vitesse V de l'coulement loin de l'obstacle, la masse spcifique du fluide, sa viscosit dynamique . Flottement

7.3-

Le flottement est une vibration spontane qui a lieu quand une surface de portance plie sous une charge arodynamique. Les forces fournissant l'nergie au mouvement sont dans ce cas contrles par le mouvement lui mme. Le vent cre une force de portance qui agit excentriquement, ce qui provoque un moment de torsion, qui, lui, modifie l'angle d'attaque et donc la force de portance cre par le vent augmente (figure 19). Une fois que la charge se rduit, la dflection se rduit, la structure reprend sa forme originale, la charge initiale rapparait et le cycle recommence. Les mouvements qui apparaissent sont des mouvements de flexion et de torsion. Si ces deux mouvements agissent des frquences semblables et en concordance de phases, la raction devient catastrophique. Les amplitudes augmentent rapidement sans aucune autre limite que la destruction de l'ouvrage, soit par fatigue, soit cause d'une oscillation trop importante. Ces deux modes de rupture sont lis. En effet, l'accumulation de fatigue tend diminuer le point de rupture de la structure. Dans des cas extrmes, la structure tant lastique, elle revient plus loin que son point de dpart lorsque la charge initiale se rduit, causant alors une nouvelle charge dans une direction oppose celle de dpart (figure 21).

33

Trave dans sa position initiale

Vent Figure 19

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Trave tournant dans le sens des aiguilles dune montre

Vent Figure 20

34

Trave tournant dans le sens Contraire des aiguilles dune montre

Vent Figure 21 Pour viter ce phnomne, il faut que la vitesse critique de flottement du pont soit suprieure toute vitesse de vent possible sur le site, avec une scurit suffisante. Un moyen d'y parvenir est de choisir un tablier aussi rigide que possible la torsion. D'autre part, plus un aussi tablier sera large, plus son comportement au flottement sera favorable. Le flottement n'est pas un phnomne de rsonnance car le vent n'a pas la mme e frquence que celle de torsion du tablier.

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7.4-

Amlioration du design du pont

Le tablier adopte diffrentes formes selon les poques, les pays et les portes. En Europe, l'volution s'est faite vers des formes profiles en caisson offrant une faible prise au vent et garantissant une bonne stabilit aux effets arodynamiques. En revanche, au Japon comme en Amrique, la poutre de rigidit de type triangule conserve la faveur. D'une manire gnrale, il faut viter les tourbillons susceptibles de provoquer l'effet Karman et il faut qu'il y ait un minimum ou pas de force de soulvement ni de moment provoquant des oscillations de torsion. Une section fine, prsentant une faible surface au vent est toujours meilleure. Pour limiter les phnomnes de rsonance, il faut veiller donner au tablier une forme profile avec des bords dattaques aigus (ce qui permet de diminuer l'intensit des tourbillons) et se prmunir contre le phnomne de flottement (Flutter) Tout dispositif capable de dtruire luniformit des vents est favorable. Il faut essayer d'augmenter la frquence naturelle de vibration pour une section de pont donne. Pour les ponts de petites et moyennes portes, cela peut tre ralis en augmentant la raideur de la section. Ce n'est pas le cas pour les longues portes o, pour des raisons conomiques, on ne peut pas obtenir une augmentation de la frquence avec un quelconque matriau. Une augmentation de la raideur due une augmentation du poids augmente la capacit qu'a la structure d'emmagasiner de l'nergie sans augmenter proportionnellement la vitesse laquelle le vent peut lui apporter de l'nergie. En consquence, le temps ncessaire pour crer une vibration d'amplitude inadmissible est considrablement agrandit. On cherche amortir les oscillations de la structure l'aide de plaques de stabilisation par exemple. Les effets ngatifs de certains vents, dcouverts en soufflerie, sont limins en modifiant la partie soumise ces contraintes Les recherches ont indiqu qu'un pont est dautant plus stable dans le vent quand il est large car son comportement au flottement est meilleur. Il faut donc viter les ponts longs et troits. Outre le tablier dont on a vu l'intrt le profiler, les suspentes sont galement un terme important dans le comportement de l'ensemble. Les formes voluent vers des dispositions inclines en V ou croises en X qui amliorent l'effet de rpartition des surcharges sur les cbles porteurs et augmentent l'amortissement de la structure. 7.5Instabilit sismique

35

Les sismes provoquent des oscillations sur le tablier et sur le pont dans son ensemble. Pour les faibles portes, il est d'usage d'admettre que le mouvement du sol agit simultanment sur toute la structure. En d'autres mots, la longueur d'onde des vibrations du sol sont longues en comparaison avec la dimension de la structure. Pour les longues portes, comme les ponts suspendus ou haubans, la structure peut tre sujet des mouvements diffrents chacune de ses fondations.Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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Ici aussi, des tudes prliminaires sont ralises. Il est ncessaire dutiliser les ressources historiques afin dlargir la fentre dobservation. Des informations nous sont galement donnes par des acclrogrammes: ce sont des graphiques qui reprsentent l'volution de l'acclration au cours du temps, en g/sec. On synthtise ces donnes sismologiques connues puis on value les paramtres caractristiques du mouvement sismique au site du pont par des approches probabilistes et dterministes.

IV-

Matriaux ncessaires

Les principaux matriaux de construction des ponts suspendus et leurs caractristiques physiques. Les principales innovations de la sidrurgie qui ont permis le succs des aciers dans la construction des ponts sont les suivantes :

Des nuances au ratio rsistance/masse toujours plus lev, do un allgement des structures. Des aciers capables de couvrir des portes plus grandes. De supporter des charges plus importantes. De crer des formes indites. Des aciers soudables sans prcautions particulires ou autorisant des assemblages de nuances diffrentes. Des aciers rsistant mieux la corrosion36

La sidrurgie sest concentre galement sur :

Lamlioration du rapport qualit/prix des aciers. Sur llargissement des gammes dimensionnelles des tles. Sur lamlioration des tolrances sur paisseur et la ralisation de tles paisseur variable. Et enfin sur le dveloppement des tles thermomcaniques en fortes paisseurs et soudabilit exceptionnelle.

1- LAcier Cet alliage de fer et de carbone supporte trs bien les efforts soumis la structure des ponts suspendus. Ce matriau possde malheureusement des inconvnients importants. En effet lacier est peu rsistant aux faibles tempratures, il devient fragile ; de plus il est souvent victime la fatigue. Les aciers suivant leur constitution sont utiles de nombreux usages. On les diffrencie grce leur limite dlasticit : il sagit de la limite dune force, exerce sur un matriau, audessus de laquelle ce matriau subit des dgts irrversibles. Ainsi un matriau subissant une force suprieure sa limite dlasticit est dform dfinitivement. Une autre limite caractrise les aciers : la limite de rupture. Cette fois-ci le matriau ne subi pas des dformations irrversibles mais il se rompt littralement.

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1.1-

Acier Haute Performance

Dveloppement

La rsistance, la soudabilit, la rsilience basse temprature (tnacit) et les proprits anticorrosion sont amliores de manire importante par rapport aux aciers conventionnels. De plus, la ductilit des aciers haute performance est comparable celle des aciers conventionnels. Lamlioration des proprits des aciers haute performance est rendue possible par la diminution du pourcentage de carbone et dquivalent de carbone (augmentation de la soudabilit), par la diminution du pourcentage de souffre (augmentation de la rsilience), par la diminution de certains autres lments dalliage ainsi que par lutilisation de procds de fabrication utilisant des traitements thermiques de lacier (augmentation de la rsistance). Des pratiques recommandes de soudure et des produits dapport ont pu tre dvelopps pour utilisation avec ce nouveau type dacier. Les diffrents types dacier existants sur le march possdent tous une certaine combinaison de proprits chimiques et mcaniques qui dterminent quel point un acier particulier pourra bien remplir les fonctions escomptes pour une application donne. La rsistance, la soudabilit, la rsilience, les proprits anticorrosion et la ductilit sont toutes les caractristiques importantes pour dterminer quel point un acier est performant. Pour le cas qui nous intresse, un acier haute performance peut tre dfini comme possdant un ensemble de caractristiques lui permettant dobtenir des performances optimales amliores par rapport aux aciers conventionnels, tout en demeurant conomiquement rentable pour la construction de ponts en acier. 1.2Les aciers thermomcaniques

37

Ils sont obtenus lors de lopration de laminage par un processus thermomcanique. Ces nuances prsentent de hautes limites dlasticit tout en conservant une bonne aptitude au soudage, y compris pour de fortes paisseurs (150 mm), et ce gnralement sans prchauffage. Le laminage est un procd de fabrication par dformation plastique. C'est lors du laminage froid que le mtal voit ses caractristiques mcaniques changes, en effet l'crouissage local (dformation plastique) augmente la zone de dformation lastique. La limite d'lasticit est repousse, mais la rsistance la rupture est constante (il s'agit d'une proprit interne du matriau). 1.3Les tles profiles en long

Les tles profiles en long sont des tles qui sortent directement du laminoir avec une paisseur qui varie dans sa longueur. On les appelle aussi les tles paisseurs variables. En ce qui concerne les ponts, les diffrentes sections du tablier d'un pont ne sont pas soumises aux mmes contraintes. Ainsi donc en utilisant des tles PL, lpaisseur du mtal estLamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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exactement adapte aux contraintes auxquelles sera soumise cette partie de tle une fois le tablier en service. On peut imaginer alors aisment l'importance de cette technique dans la construction des ponts en acier. Voici ci-dessous les principaux avantages du procd :

Economie de poids Economie de temps et de cots de fabrication Cots dentretien rduits Evite des jonctions boulonnes Onreuses Poids de transport et de montage rduit Amlioration de la scurit des lments de structure, en particulier en cas defforts alterns Dplacement des soudures dans des secteurs moins sollicits Rduction du nombre de soudures Ajustement optimal de la coupe transversale au trac rel de tension

38

Figure 22 Conception d'une PRS: 2 solutions 1.4Les aciers auto-patinables

Il s'agit d'aciers rsistance amliore la corrosion atmosphrique : ces aciers faiblement allis ont, dans certaines conditions dexposition, la facult de se recouvrir dune couche protectrice dite patine . Lintrt : diminuer les contraintes de maintenance ou de remise en peinture et assurer la prennit de louvrage.

1.5-

Influence de la temprature

Un des inconvnients des ponts mtalliques, c'est leur sensibilit aux diffrences de temprature. Ainsi le pont peut s'agrandir ou diminuer suivant l'heure et la saison. Pour information, le coefficient de dilatation de l'acier est de 12,0106.Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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Mme si le mouvement est faible, la force est absolument considrable et malgr les ancrages, le pont risque de se dplacer. Voici quelques solutions pour viter de forts mouvements de dilatation et rtractation dans les ponts :

Soit La dilatation thermique est compense par des rainures : Les diffrentes parties du pont ne sont pas exposes au soleil et la chaleur atmosphrique de manire uniforme. Sans l'espace laiss par les rainures, le pont se dformerait. Soit La dilatation est compense par des joints de dilatation. Les joints de dilatation permettent aussi de compenser de forts mouvements de dilatation et rtractation d une intensification du trafic, un alourdissement des vhicules et de nouvelles exigences de confort de conduite.

39

V-

Le soudage des aciers hautes performances 1- La soudabilit mtallurgique

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La soudabilit mtallurgique est dfinie par : Le niveau de prcautions prendre pour viter la fissuration froid en ZAT (Zone Affecte Thermiquement) et en ZF (Zone Fondue): Choix des apports, ncessit ou non du prchauffage et du post chauffage Les caractristiques mcaniques (traction -rsilience) du joint (ZAT et ZF) Les aciers concerns -Les aciers thermomcaniques S460M -Les aciers tremps revenus S460 Q S690 Q 2- Leur comportement actuel vis vis du soudage -les aciers S460M et S460Q: soudabilit bien meilleure que celle des aciers normaliss de grade quivalent, voire meilleure que celle des aciers S355 -Cependant ncessit de certaines prcautions spcifiques, notamment du fait de la zone fondue -les aciers tremps revenus S500Q S690Q : soudabilit des meilleurs aciers actuels trs suprieure celle des premiers aciers de ce type. Ils demandent toutefois quasi systmatiquement la mise en uvre de prchauffage, voire de post chauffage, mais des tempratures modres. Il ncessite un contrle rigoureux de tous les paramtres de soudage (T entre passes, taux H2)40

Figure 23 Comparaison des carbones quivalent max. autoriss pour diffrentes nuances thermomcaniques et trempes revenues

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3- Aciers S460M 3.1- Procds de soudage les plus utiliss -Electrode enrobe basique -sous flux en poudre -soudage MAG avec fil fourr de poudres mtalliques -soudage MAG avec fil fourr sans gaz de protection Large choix de produits d'apport prsentant les caractristiques mcaniques (traction, rsilience) requises. Impratif particulier: malgr la trs bonne soudabilit mtallurgique de ces aciers il est impratif de choisir des produits d'apport prsentant des taux d'hydrogne trs bas (H5), pour viter le risque de fissuration en zone fondue 3.2Le risque de fissuration froid en Zone Fondue

Il est fonction de la composition chimique de la zone fondue et du taux d'hydrogne diffusible du produit d'apport. Ncessit d'un taux de Mn suffisant pour obtenir les caractristiques mcaniques requises en Zone Fondue. Il y a obligation d'utiliser des produits de classe H5 pour viter le risque de fissuration en zone fondue. H5 : Structures dont la sollicitation prpondrante est statique, paisseur de matriau 16 mm41

3.3-

Le risque de fissuration froid en Zone Affecte Thermiquement

Faibles valeurs de Carbone quivalent plus ncessit d'utiliser des apports faible taux d'hydrogne diffusible, du fait de la zone fondue = absence de risque fissuration froid en Zone Affecte Thermiquement ds que les nergies de soudage sont suprieures 10 kJ/cm le prchauffage n'est gnralement pas ncessaire (dgourdissage, en fonction des conditions climatiques) 3.4Caractristiques mcaniques du joint

3.4.1- Zone fondue Loffre du fournisseur est telle qu'il est assez ais de trouver des apports prsentant des caractristiques mcaniques de traction et de rsilience en rapport avec celles du mtal de base.

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Les caractristiques mcaniques sont peu dgrades par les nergies de soudage et les tempratures entre passes leves, tant que l'on reste dans le cadre des pratiques usuelles relatives aux aciers normaliss de grade quivalent

3.4.2- Zone Affecte Thermiquement Par rapport aux aciers normaliss de grade quivalent, la rduction des teneurs en carbone, silicium, niobium, et l'ajout de titane, permettent d'utiliser des nergies de soudage leves sans dtriorer la rsilience en Zone Affecte Thermiquement Un adoucissement localis peut survenir en Zone Affecte Thermiquement, mais sauf mise en uvre d'nergie extrmement leves vis vis de l'paisseur soude, cette zone est suffisamment troite pour ne pas dgrader les proprits de traction du joint

3.5- Chaudes de retrait Dfinition La pratique des chaudes de retrait consiste chauffer localement le mtal en vue de rduire les dformations rsultant d'oprations antrieures telles que le soudage, ou de produire volontairement des dformations impossibles obtenir par un moyen mcanique, par exemple la courbure progressive d'une grosse poutre. Les chaudes de retrait gnrent des cycles thermiques et imposent des gradients de temprature susceptibles de modifier la structure mtallographique du mtal et de dgrader ses caractristiques initiales. L'objectif essentiel de l'oprateur est d'obtenir une dformation satisfaisante sans pour autant dpasser une temprature maximale, variable selon la nuance de l'acier. Les tempratures maximales de la surface doivent tre comprises entre 800 et 1 200 C, selon la nuance et l'paisseur afin de n'entraner ni dgradation de la rsistance mcanique ou de la tenue la corrosion, ni augmentation de la fragilit. Globalement, ces aciers permettent l'utilisation de chaudes de retrait efficaces Impratif particulier : il est ncessaire de contrler et de limiter les tempratures maximales atteintes: chaudes en ligne : Tmax= 900C La pice est chauffe dans le sens longitudinal de la soudure mais de lautre ct de la soudure de sorte que la pice est redresse par les tensions de retrait. chaudes triangulaires : Tmax= 650C Pour corriger une dformation dans des constructions plus importantes et plus complexes, il est ncessaire de chauffer de plus grandes parties en combinaison avec des chaudes de retrait linaires. Cette faon de faire a pour objectif de faire rtracter une partie de la construction et de faire revenir le matriau dans sa forme exacte. Il faut appliquer des chaudes de retrait triangulaires afin davoir une temprature uniforme sur toute lpaisseur de la tle. Pour des

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paisseurs plus importantes, il peut tre ncessaire dutiliser deux chalumeaux, un de chaque ct de la tle.

4- Aciers S690 Q 4.1Procds de soudage les plus utiliss

-Electrode enrobe basique -sous flux en poudre -soudage MAG avec fil massif -soudage MAG avec fil fourr de poudres mtalliques choix de produits d'apport assez large, bien que moins large que pour les aciers S460 Impratifs particuliers: choisir des produits d'apport prsentant des taux d'H2 trs bas (H5), pour minimiser les prcautions requises vis vis du risque de fissuration froid en Zone Affecte Thermiquement et Zone Fondue prendre garde au risque "d'undermatching", le mtal de base ayant souvent un Re nettement suprieur 690MPa43

4.2-

Le risque de fissuration froid en Zone Affecte Thermiquement

Point particulier

Les conditions de soudage tablies pour un approvisionnement donn ne peuvent tre transposes sans vrifications un autre approvisionnement "quivalent selon norme" en regard des caractristiques mcaniques leves, les tempratures de prchauffage ncessaires restent relativement limites.

Figure 24 Conditions de soudage

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4.3-

Le risque de fissuration froid en Zone Fondue

La composition chimique de l'apport est souvent "plus charge" que celle du mtal de base. Dans ce cas, tablir les conditions de soudage en fonction de l'apport (essais TEKKEN par ex.), et choisir un apport bas taux d'H2. Le type dessais est choisi en fonction de la configuration de lassemblage. Les essais dimplants conviennent ainsi ltude du risque de fissuration en zone thermiquement affecte (ZAT). Pour les assemblages en aciers de construction thermomcaniques, le risque de fissuration froid se dplaant parfois de la Zone Affecte Thermiquement vers la zone fondue, ltude du risque de fissuration longitudinale en premire passe se fait plutt au moyen dessais Tekken. Lessai UGroove permet, quant lui, dvaluer le risque de fissuration en zone fondue dans le cas des soudures multi-passes. Il permet galement dtudier une forme de fissuration froid particulire : la fissuration en chevron. Ces essais permettent de dfinir les conditions de soudage : procd, nergie de soudage, tempratures de pr et post chauffage, permettant, pour un matriau donn, de limiter le risque de fissuration froid.

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4.4- Caractristiques mcaniques du joint 4.4.1- Zone Fondue Possibilit de trouver des produits alliant bonnes caractristiques de traction et bonnes rsiliences. 4.4.2- Points particuliers -Risque d'undermatching (Un undermatching correspond une Zone Fondue plus faible en duret que le mtal de base) lors des essais de traction travers (la limite dlasticit Re du mtal de base souvent trs suprieure au mini de la norme) -Ncessit de limiter les nergies de soudage et les tempratures de prchauffage entre passes pour prserver les caractristiques de traction de la Zone Fondue.

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Figure 25 Effet de l'nergie de soudage sur Re et Rm en zone fondue

4.4.3- Zone Affecte Thermiquement -Possibilit d'obtenir de trs bonnes caractristiques de rsilience en ZAT -Ncessit de limiter le Tr800-500 pour conserver ces bonnes caractristiques (Tr800-500 < 15 20s)

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4.4.4- Chaudes de retrait Globalement, ces aciers permettent l'utilisation de chaudes de retrait efficaces impratif particulier : il est ncessaire de contrler et de limiter les tempratures maximales atteintes: chaudes en ligne : Tmax= 800C chaudes triangulaires : Tmax= 600C -650C 5- Rsum Aciers S460 (M ou Q) trs bonne soudabilit : en gnral, pas de ncessit de prchauffage (dgourdissage ventuel) prcaution particulire: mettre en uvre des produits d'apport bas ou trs bas taux d'hydrogne: choix du produit (H5 et mieux)

Aciers S500 S690 Q soudabilit trs correcte au regard des caractristiques mcaniques offertes. Cependant ncessit d'un prchauffage des tempratures de l'ordre de 100C 180C, voire d'un postchauffage pour les nuances limite d'lasticit les plus leves, pour les paisseurs moyennes et fortes. Points particuliers -Bien choisir le mtal de base : la soudabilit peut varier fortement d'un produit commercial un autre -Bien choisir le mtal dapport : caractristiques mcaniques adaptes, et surtout taux d'H2 diffusible bas trs bas (H5 ou mieux) -Bien dfinir le rgime thermique de soudage, en terme de temprature de pr (post) chauffage, d'nergie de soudage et de temprature entre passes minimum, mais galement en terme d'nergie de soudage et de temprature entre passes maximum-attention, ceci dfini un domaine de soudabilit relativement troit. -Ncessit d'une grande rigueur pour veiller au respect scrupuleux des points ci dessus lors de toutes les tapes de la fabrication

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VI-

Les autres matriaux

1- Le Bton : Le Bton est un mlange de ciment, de sable et de pierre concass. Le ciment utilis est le portland : un matriau obtenu par le broyage des clinkers rsultat de la calcination (1500C)Lamine CISSE, 4me Anne STI/Structures Mtalliques | Dossier Documentaire ENSETP

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dun mlange de calcaire (80%) et dargile (20%). On ajoute ce broyat du gypse. Il a la proprit de durcir et de devenir trs rsistant lorsquon le mlange de leau. Le ciment en durcissant, lair, prsente lavantage de pouvoir sutiliser ltat quasi liquide. On peut donc obtenir une structure similaire de la roche modele en utilisant des moules. Le bton peut subir des charges de compression allant jusqu 45 kg/cm. Pour raliser du bton on peut aussi utiliser un autre type de ciment : le ciment alumineux qui contient de lalumine avec une rsistance mcanique suprieure et une rsistance la corrosion plus importante.

2- Le Bton arm Le bton possde une bonne rsistance la compression mais qui est fragile la traction contrairement justement lacier. Ces deux matriaux possdant de mmes coefficients de dilatation on utilise des barres dacier, noye dans le bton, lendroit particulirement tir. Ainsi pour lutter contre les principales contraintes, on a lacier contre la tension et le bton contre la compression.

3- Le Bton prcontraint Malgr des coefficients de dilatation semblables le bton arm pose un problme : lors dune traction lacier stire mais le bton se fissure. Pour viter ces fissures on peut penser mieux rpartir les forces subies par le bton arm. On peut ainsi augmenter le nombre de barres de fer noyes dans le bton. De ce fait, les forces de tension sont diminues pour chacune des barres et ainsi elles stirent moins, limitant les risques de fissure dans le bton. Mais on aboutit alors un bton arm qui est renforc par plus dacier quil nen est ncessaire do un cot de production qui nest plus comptitif. Pour palier ce problme on peut imaginer cette solution suivante : on tire la barre dacier, avant de lintroduire dans le bton, suivant une certaine force. Lorsque lon relchera lacier une fois le bton pris, ce dernier subira une force de compression gale la force pour tirer. De par cette mthode on peut facilement rduire larmature dacier, prsente dans le bton, suffisante pour que le bton arm rsiste aux contraintes. On note deux mthodes de prcontraintes. Lune consiste en suivant les tapes prcdemment dcrites : le bton est coul autour des barres dacier prcdemment tendu et on relche leur tension une fois le bton pris. Cette impose des renforcements rectilignes. Lautre mthode consiste construire le matriau bton avec des canaux permettant dy passer des barres dacier. Les barres sont alors introduites, tendues, fixes pour quelles gardent leur nergie et enfin les canaux sont bouchs avec un mortier. Cette mthode permet47

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quant elle de renforcer le bton suivant des lignes courbes o les contraintes se ralisent sous cette forme. Ces mthodes de prcontraintes permettent ainsi de grosses conomies.

4- Autres Matriaux : Dautres mtaux prsentent des intrts pour la construction des ponts suspendus : -Les alliages base daluminium prsentent lintrt davoir un bon rapport rsistance/poids souvent meilleure que certains aciers en effet il possde une densit infrieure celle de lacier (2.80 et 7.85 pour lacier). De plus il est trs rsistant aux actions chimiques de latmosphre et se corrode moins que lacier. Mais il cote encore trop cher.

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CONCLUSION A LA PARTIE SCIENTIFIQUE ETCHNIQUE

ouvelles matires, nouveaux concepts du dessin, et une meilleure comprhension de l'change entre prcision structurelle et rapport qualit-prix font de notre millnaire un temps passionnant pour la technologie de l'acier. Pour valuer l'change entre prcision structurelle et rapport qualit-prix, les ingnieurs ont besoin de repenser les structures de l'acier avec tous les avantages potentielles quils peuvent offrir. Les avantages sont nombreux dans les ponts suspendus : une trs grande porte, flexibilit de louvrage, poids plus lger que le bton pour les structures de longueurs comparables, facilit de rparations des parties endommages, attnuation des vibrations, la ductilit et la duret de la matire. Certes, malgr ses avantages, le pont suspendu prsente des inconvnients que nous devons prendre en considrations et tenter dapporter dventuelles solutions : Il ncessite la prsence de massifs d'ancrage imposants et lourds, indispensables pour retenir les forces considrables qui s'exercent, ce qui le lie fonctionnellement la gologie du sol qui va le supporter. Le remplacement des cbles devient un travail trs dur et fastidieux demandant plusieurs mois ainsi que la fermeture du pont durant ce dlai. La rigidit considrable ou le profilage arodynamique peut tre exige pour empcher la plate-forme du pont de vibrer sous la force des vents. La prise au vent mal tudie peut provoquer un effondrement. La rigidit relativement basse de plate-forme compare d'autres types de ponts le rend plus difficile supporter le trafic ferroviaire lourd o les hautes charges concentres par endroit. Laccs sous pont peut tre exig pendant la construction, pour soulever les cbles principaux ou pour soulever des units de la plate-forme.

N

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INTRODUCTION A LA PARTIE PEDAGOGIQUE50

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INTRODUCTION A LA PARTIE PEDAGOGIQUE

E

tude de lvolution des thories, des mthodes et des systmes propres assurer la transmission des connaissances de manire structure travers les socits ont mis en uvre diffrents moyens pour assurer lducation de leurs membres et pour favoriser

le passage dun certain nombre de valeurs culturelles entre gnrations ; la connaissance des mthodes denseignements et de leurs priorits rvle en fait les proccupations profondes des socits humaines. Lducation doit permettre de faire acqurir, tout au long de la vie dun lve, diffrents registres qui sont : Apprendre connatre Cest Le Savoir. Apprendre faire Cest Le Savoir-faire. Apprendre vivre ensemble Cest Le Savoir-vivre. Apprendre tre Cest Le Savoir-Etre. Apprendre devenir Cest Le Savoir-Devenir.51

En outre, les agents conomiques souhaitent des garanties quant aux comptences des individus qui sortent du systme ducatif. Nous les futurs formateurs ont besoin de contrler en permanence les ractions des apprenants cest mme lune des conditions de lefficacit de lenseignement en identifiant les difficults individuelles ou collectives souleves par un apprentissage. Pour russir lensemble de ces actions ducatives travers les diffrents registres il faudrait une prparation au pralable. Cette prparation se fait diffrentes tapes qui sont : La prparation des fiches de la leon qui comportent les objectifs gnraux et spcifiques. Elle trace la feuille de route qui droule lexcution du cours en fixant les taches du professeur et des lves et donne le contenu du cours. La prsentation du cours est faite par le biais des fiches. La russite de cette partie permet de gagner du temps sur lexcution du cours.

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I-

Proprits des mtaux 1- Justification du thme par rapport au dossier documentaire et au programme

Les structures mtalliques ont leur fondement bas sur les proprits mcaniques et physiques des aciers. Dans le choix de matriaux pour nimporte quel type de construction que ce soit, il est indispensable de connaitre certaines proprits du mtal afin de ladapter au type de construction. Dans ce mmoire, la construction dun pont suspendu ncessite une connaissance de ces proprits pour le choix des aciers de constructions.

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2- Fiche pdagogiqueFiche : n10 Matire TECHNOLOGIE GENERALE Dure : 2 heures Effectif : 13 Niveau : 2me BT/OM Professeur : Mr CISSE

FICHE PEDAGOGIQUE TITRE DE LA LECON : LES PROPRIETES DES METAUX OBJECTIF PEDAGOGIQUE : A la fin de la leon, llve sera capable de dfinir les proprits physiques des mtaux avec prcision. MICRO OBJECTIF 1 : Dfinir la fragilit MICRO OBJECTIF 2 : Dfinir la ductilit MICRO OBJECTIF 3 : Dfinir llasticit MICRO OBJECTIF 4 : Dfinir la duret MICRO OBJECTIF 5 : Dfinir la mallabilit MICRO OBJECTIF 6 : Dfinir la tnacit MICRO OBJECTIF 7 : Dfinir la rsistance la corrosion MICRO OBJECTIF 8 : Dfinir la rsistance labrasion MICRO OBJECTIF 9 : Dfinir la dilatation et contraction thermiques MICRO OBJECTIF 10 : Dfinir le magntisme MICRO OBJECTIF 11 : Dfinir la fatigue 53

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TECHNOLOGIE ET MONTAGE DUN PONT SUSPENDU CAEMTP MICRO OBJECTIF 12 : Dfinir le point de fusion MICRO OBJECTIF 13 : Dfinir la conductivit DOMAINE TAXONOMIQUE : Cognitif NIVEAU TAXONOMIQUE : Connaissance PRE REQUIS : Notions gnrales de lacier SUPPORTS PEDAGOGIQUES : Polycopies, tableau, craie, ponge SOURCE DOCUMENTAIRE : Sciences de matriaux, Michel Dupeux Technologie Gnrale, J.Pina 54

JUSTIFICATION PEDAGOGIQUE : Cette leon sur les proprits des mtaux pour but de permettre aux lves davoir une connaissance sur les diffrentes caractristiques physiques que lacier peut avoir.

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3- Fiche de droulementFiche : n10 Dure : 2 heures Matire TECHNOLOGIE GENERALE PROPRIETES DES METAUX Effectif : 13 Niveau : 2me BT/OM Professeur : Mr CISSE

Etapes

Objectifs

Contenus Cls Professeur Les proprits physiques des mtaux -Apres les salutations, le professeur fait lappel

Activits Elve -Llve rpond la salutation et lappel

Evaluation

Support

Dure

Dductive

INTRODUCTION

Assurer les pralables la russite de la leon

-Le professeur vrifie les pr -Les lves rpondent aux requis en posant des questions questions poses sur les notions gnrales sur les diffrents types de matriaux -le professeur tire le titre de la Les lvent prennent leur leon et distribue la polycopie document et suivent

Tableau, craie, ponge, liste de prsence,

10

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Dfinir la fragilit

Un mtal fragile est un mtal qui se rompt au lieu de se dformer

-Le professeur interroge un -Les lves font la lecture et lve pour faire la lecture et prennent note demande aux lves de remplir les parties vides au fur et a mesure -Le professeur pose des questions ventuelles -Rpondent aux questions

Formative

Tableau, craie, ponge, polycopie

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MO 1

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TECHNOLOGIE ET MONTAGE DUN PONT SUSPENDU CAEMTP Etapes Objectifs Dfinir la ductilit MO 2 Contenus cls Professeur Activits Elve Formative Tableau, craie, ponge, polycopie 8 -Le professeur interroge un -Les lves font la lecture et lve pour faire la lecture et prennent note demande aux lves de remplir les parties vides au