Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Département de génie civil, Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS (Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS)

Comportement dynamique des dalles de roulement des ponts en béton sollicités par le trafic routier

Broquet, Claude ; Brühwiler, Eugen (Dir.)

Thèse sciences techniques Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 1999 ; no 1964.

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    Summary
    The management of a network of existing road bridges involves interventions in order to maintain safety and the priority of these interventions is often determined by safety criteria. During the evaluation of safety, the dynamic effect of traffic actions is considered using equivalent static loads determined by multiplying the effect calculated using traffic load models by a dynamic amplification factor. During the evaluation of a deck slab, the application of inappropriate dynamic amplification factors could have significant financial implications, all the more since the local dynamic effects of overloaded trucks are determinant for this type of structural element. Dynamic amplification factors defined in codes have usually been derived from the measurement of global traffic action effects in the main structural elements of bridges. Unfortunately, local dynamic effects in deck slabs have not been studied in detail until now. A better understanding of the dynamic behaviour of deck slabs will lead to the definition of more accurate dynamic amplification factors and avoid the use of values that are too conservative. The behaviour of deck slabs of six typical Swiss highway bridges has been simulated in order to study their dynamic response during the passage of trucks. The structural arrangement of the deck slab was different for each of the six bridges. A parametric study was based on the simulation of various scenarios involving the passage of trucks for various combinations of speed, path and road surface roughness. Deck slab response was obtained by numerical simulation based on models of the bridge, truck and road surface. This system was resolved using a prediction - correction algorithm that considers the dynamic interaction between a bridge and trucks. Dynamic amplification factors were subsequently calculated from strains and deflections obtained from independent static and dynamic simulations. The simulation of numerous scenarios enabled the evaluation of the influence of different parameters on the dynamic response of a deck slab: The road surface roughness was found to be one of the most important parameters, with an increase in roughness leading to an increase in dynamic amplification factors. An overloaded truck produces a lower dynamic amplification factor in a deck slab than an empty truck. The truck speed influences the dynamic interaction, but a clear relationship between speed and dynamic amplification factor could not be identified. The maximum dynamic amplification factor does not vary significantly from one point to another over a deck slab in a girder bridge. The structural arrangement of a deck slab in a girder bridge has little influence on dynamic amplification factors. Overall, the different deck slabs on the girder bridges studied were all equally sensitive to the dynamic effects of road traffic. In many cases considered for the framed slab bridge, the maximum dynamic amplification factor was found to occur over the supports. For such bridges, the sensitivity of the deck slab to the dynamic effects of road traffic is not uniform. Finally, two approaches to evaluating deck slabs of existing road bridges are proposed. The first approach is only applicable in certain situations and involves a simplified evaluation using an updated traffic load model and a dynamic amplification factor. In situations where a simplified evaluation is not applicable, the second approach is to evaluate a deck slab using numerical or experimental analyses.
    Résumé
    La gestion du parc des ponts existants nécessite des interventions destinées à rétablir la sécurité structurale des ponts-route. Les priorités dans ces interventions sont souvent déterminées par des critères de sécurité. Pour l'évaluation de la sécurité, les actions dynamiques du trafic sont remplacées par des charges statiques équivalentes normalisées correspondant à des modèles de charge de trafic majorés par un facteur d'amplification dynamique. Lors de l'évaluation des dalles de roulement, l'utilisation de facteurs d'amplification dynamique inadéquats peut avoir des conséquences financières importantes, d'autant plus que les efforts dans ces éléments sont principalement dus aux charges locales des camions lourdement chargés qui provoquent des vibrations importantes. Les facteurs d'amplification dynamique normalisés sont fixés, la plupart du temps, sur la base de résultats d'essais réalisés sur des ponts et sont dérivés des effets globaux dans les éléments porteurs principaux de la structure. Malheureusement les effets dynamiques locaux dans les dalles n'ont jamais été étudiés en détail. Une meilleure connaissance des facteurs d'amplification dynamique pour les dalles améliorerait la précision de l'évaluation et éviterait d'utiliser des valeurs trop conservatrices. Le comportement dynamique de la dalle de roulement de six ponts représentatifs du parc des ponts autoroutiers suisses a été analysé pour déterminer les réponses provoquées par le passage d'un camion. Ces ponts se différencient principalement par le système statique de leur dalle de roulement. Différentes situations de risque faisant intervenir des camions circulant sur des profils de chaussée à différentes vitesses en suivant plusieurs trajectoires ont été simulées dans le cadre d'une étude paramétrique. Pour obtenir les réponses dans la structure, une approche numérique est utilisée dans laquelle le pont, le véhicule et le profil de la chaussée sont modélisés. L'algorithme de résolution du système est basé sur un schéma de prédiction - correction qui considère l'interaction dynamique entre le pont et les véhicules. Les réponses statiques et dynamiques de différents efforts et déplacements provoqués dans la dalle de roulement par le passage d'un camion sont calculées lors d'analyses statiques et dynamiques indépendantes et permettent de déterminer les facteurs d'amplification dynamique. Les différentes situations de risque simulées permettent d'évaluer l'influence de chaque paramètre dans les réponses dynamiques des dalles de roulement: La planéité de la chaussée apparaît comme un des paramètres qui affecte le plus les facteurs d'amplification dynamique. Une détérioration de la planéité due à l'usure du revêtement augmente les réponses dynamiques. La masse du camion influence favorablement les facteurs d'amplification dynamique puisque le véhicule chargé produit des facteurs d'amplification dynamique plus faibles que le camion vide. Les vitesses de passage du camion jouent un rôle dans l'interaction dynamique, mais aucune tendance entre les facteurs d'amplification dynamique et la vitesse ne peut être dégagée. Aux différents points répartis sur la dalle de roulement des ponts-poutre, les valeurs maximales atteintes par les facteurs d'amplification dynamique, pour les diverses situations de risque simulées, sont uniformes. Les différents systèmes statiques des dalles de roulement des ponts-poutre influencent peu les facteurs d'amplification dynamique des effets déterminants. Globalement les différentes dalles de roulement des ponts-poutre ont une sensibilité uniforme vis-à-vis des sollicitations dynamiques provoquées par le trafic routier. Pour diverses situations de risque simulées sur un pont-cadre, des facteurs d'amplification dynamique plus importants sont observés dans les sections sur les appuis. Dans ces cas particuliers, la sensibilité de la dalle n'est pas uniforme. Finalement une évaluation des dalles de roulement des ponts existants est proposée en deux volets. Le premier propose, à certaines conditions, une évaluation simplifiée basée sur une analyse statique dans laquelle les effets sont déterminés par l'application d'un modèle de charge actualisé majoré par un facteur d'amplification dynamique. Si l'évaluation simplifiée ne peut pas être appliquée, le deuxième volet propose une évaluation de la dalle de roulement basée sur une analyse dynamique dans laquelle intervient une approche numérique ou expérimentale.