Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de la construction métallique ICOM)

Connexions par adhérence pour les ponts mixtes acier-béton

Thomann, Michel ; Lebet, Jean-Paul (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3381.

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    Summary
    When building new bridge structures, or widening or replacing existing bridges, the duration of on site work has a significant influence not only on the costs, but also on the potentially harmful effects (noise, pollution, traffic jam, deviation) of the construction work. Thus, it is of interest to design structures in such a way as to minimize the construction time. Steel-concrete composite bridges are ideal for this purpose: the steel beams may be welded and the concrete slab precast in the shop, leaving only the erection and assembly work to be performed on site. Currently, however, the steel-concrete connections used in composite bridges are not well adapted for the use with precast slabs, as they tend to slow down the assembly work and decrease the durability of the slab. Consequently, there is a need to develop new types of connections. Connections by adherence, whose resistance is due to friction between the various interfaces, constitute a very promising solution to this problem. The current state of knowledge is incomplete, however, and should be improved in order to make the use of connections by adherence possible in practice. The goals of the research presented herein are to evaluate the practical value of connections by adherence, to develop analysis method and tools making it possible to predict their behaviour and to propose a design method for composite beams employing connections by adherence. To achieve these goals, the requirements that must be met by connections in steel-concrete composite bridges are first defined. Then, the behaviour of connections by adherence is studied in the following steps: - model the behaviour of confined interfaces loaded in shear with the help of experimental and analytical studies, - study the mechanical behaviour of connections by adherence, and especially their deformation behaviour, with the help of push-out tests, - create and validate an analysis tool that makes it possible to predict the behaviour of connections by adherence, - use this model in a parametric study to obtain results to be used in the development of a simplified design method capable of predicting the ultimate shear resistance, - develop and validate a design method for steel-concrete composite beams with connections by adherence. Finally, a comparison between the requirements defined at the beginning of the study and the calculated or measured characteristics of connections by adherence is performed. This makes it possible to evaluate the practical value of these connections and to define the needs for further research. Several important conclusions are drawn from this work. First, it is shown that connections by adherence meet the specified requirements of robustness, economy and reliability. Their high longitudinal shear resistance and stiffness ensure excellent static behaviour, both under service and ultimate loads. Secondly, it is demonstrated that the behaviour of these connections may be explained and modelled with the help of laws governing the behaviour of confined interfaces loaded in shear. The confinement is due partially to the strong interaction existing between the different interfaces and partially to the effect of the concrete slab around the connector. Finally, it is shown that, although a plastic calculation of the shear forces along the bridge axis can not be performed with these connections, it is possible to perform a plastic design of the cross section provided that the consequences of this calculation on the elastic longitudinal shear force distribution are taken into account. The work carried out in this thesis has made it possible to propose design tools for composite beams with a connection by adherence. Those tools, scientifically founded, should help to increase the use of such connections in practice.
    Résumé
    Lors de la construction de nouveaux ouvrages d'art ainsi que lors de travaux de rénovation ou de remplacement de ponts existants, la durée des travaux influence considérablement non seulement les coûts mais également les nuisances générées par le chantier (bruit, pollution, embouteillages, déviations de trafic). Il est donc intéressant de projeter des ouvrages permettant une durée de construction aussi courte que possible. Les ponts mixtes acier - béton répondent très bien à ce besoin: les poutres en acier et la dalle en béton peuvent être préfabriquées en atelier et assemblées dans les meilleurs délais sur le chantier. Toutefois, les connexions utilisées actuellement pour lier la dalle aux poutres sont mal adaptées aux dalles préfabriquées: elles ralentissent notablement la construction et réduisent la durabilité de la dalle. Il est donc utile de développer de nouveaux types de connexions. Les connexions par adhérence, dont la résistance est due au frottement dans plusieurs interfaces, constituent à cet égard une solution particulièrement prometteuse. Les connaissances actuelles à leur sujet sont toutefois lacunaires et se doivent d'être complétées pour permettre leur mise en œuvre dans la pratique. Les buts de la présente recherche sont d'évaluer l'intérêt pratique des connexions par adhérence, de développer des outils d'analyse et de calcul permettant de prédire leur comportement et de proposer une méthode de dimensionnement des poutres mixtes avec connexion par adhérence. Pour atteindre ces objectifs, les exigences auxquelles doivent répondre les connexions des ponts mixtes acier - béton sont définies dans un premier temps. Ensuite, le comportement des connexions par adhérence est étudié selon les étapes suivantes: - modélisation du comportement des interfaces confinées et cisaillées au moyen d'une étude expérimentale et analytique, - étude du comportement mécanique des connexions par adhérence, et en particulier de leur cinématique de déformation, à l'aide d'essais de type push-out, - création et validation d'un modèle de calcul permettant de prédire le comportement des connexions par adhérence, - exploitation de ce modèle dans une étude paramétrique dont les résultats servent en particulier à proposer une méthode de calcul simplifiée de la résistance ultime à l'effort rasant, - développement et validation d'une méthode de dimensionnement pour les poutres mixtes acier - béton avec connexion par adhérence. Enfin, une comparaison entre les exigences définies en début d'étude et les caractéristiques calculées ou mesurées des connexions par adhérence est effectuée. Cela permet d'évaluer l'intérêt pratique des connexions par adhérence ainsi que les besoins de recherche complémentaire. Plusieurs conclusions importantes sont tirées de ces travaux. Tout d'abord, il est démontré que les connexions par adhérence possèdent les caractéristiques requises pour répondre aux exigences de robustesse, d'économie et de fiabilité. En particulier, leur résistance à l'effort rasant et leur rigidité élevées assurent un excellent comportement tant sous charges de service qu'à l'état limite ultime. Deuxièmement, il est démontré que le comportement des connexions par adhérence peut être expliqué et modélisé par les lois de comportement des interfaces cisaillées et confinées. Le confinement est dû d'une part à la forte interaction qui existe entre les différentes interfaces constituant les connexions par adhérence et d'autre part à l'effet de la dalle en béton située autour du connecteur. Enfin, il est montré que si un calcul plastique de la distribution de l'effort rasant dans une poutre mixte ne peut pas être effectué avec les connexions par adhérence, il est en revanche possible d'effectuer un dimensionnement plastique en section à condition de tenir compte des effets de la formation de cette rotule sur la distribution élastique de l'effort rasant le long de l'axe de la poutre. Le travail effectué dans cette thèse a permis de proposer des outils de dimensionnement pour les poutres mixtes avec connexion par adhérence. Ces outils, scientifiquement fondés, doivent aider à développer l'utilisation de telles connexions en pratique.