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Méthodes courantes d'évaluation - Annexe A.3 – Évolution des règlements des pon

Méthodes courantes d'évaluation - Annexe A.3 – Évolution des règlements des ponts métalliques ou mixtes version 2.0 du 17 août 2010 1 3 ANNEXE A.3 : ÉVOLUTION DES RÈGLEMENTS DES PONTS MÉTALLIQUES OU MIXTES Ce chapitre est constitué d'un document rédigé par le CETE de l'Est et d'un document rédigé en 2002 par Daniel Poineau. Voir également l'article Jacques Roche et Joël Raoul dans la revue "Ponts métalliques" n°20 de 2000 qui résume en 9 pages les principaux textes relatifs aux ouvrages métalliques et mixtes. Voir également le guide du STRRES : FAME I - Réparation et rénovation des structures métalliques. ________________ 3.1 DOCUMENT DU CETE DE L'EST 3.1.1 Historique des aciers Jusque vers 1860, la production de fer était très limitée. A titre indicatif, on dénombrait en 1866 plus de 866 forges assez bien réparties sur l'ensemble du pays. Chaque forge produisait en petite quantité, à partir de méthodes basées sur l'empirisme, de petites tôles et de petits plats. Le four à puddler a été inventé en 1784, le revêtement réfractaire datant de 1825. Ce four permettait de fabriquer des masses de métal d'environ 200 kg, ce qui était déjà un grand progrès. Dans ces fours, combustible et métal étaient séparés, l'affinage consistait à recouvrir la fonte en fusion de scories provenant de l'affinage précédent, ce qui permettait l'oxydation du carbone, du silicium, du manganèse et du phosphore. Selon l'OTUA [4], ce four, très bien réglé, permettait d'obtenir exceptionnellement un acier « naturel » à 0,5 % de carbone. Le procédé Bessemer a été introduit, selon Sotterlin[, en 1858 par Jackson dans une forge de Bordeaux. Dans ce procédé, le carbone et le silicium brûlent sous l'action d'un vent violent. En 1878, Thomas perfectionne le système Bessemer en un convertisseur permettant de traiter les fontes phosphoreuses lorraines. Par l'emploi d'un revêtement réfractaire basique et l'introduction de chaux dans la fonte liquide, l'élimination du phosphore devient possible. La production d'acier, en plus grosses masses, nécessitait des regroupements industriels et permettait d'obtenir des longueurs plus importantes que précédemment. Vers 1900, l'acier commence à concurrencer le fer puddlé. La production d'acier par rapport à l'ensemble de la production fer, fonte, acier évolue de la manière suivante : 1855: 4 %, 1880 : 28 %, 1913 : 86 %, et on relève beaucoup d'ouvrages en acier dès 1896-1897. Les matériaux métalliques utilisés dans la construction des ponts ont beaucoup évolué. Ils peuvent être classés en quatre grandes familles : - Le fer pur ou quasi pur Le fer pur été utilisé occasionnellement. Ses caractéristiques mécaniques sont les suivantes : - limite élastique σe = 180 MPa - contrainte de rupture σr = 300 MPa - allongement à la rupture εr = 30% - bonne soudabilité, non fragile - La fonte La fonte a été utilisée jusqu’au début du XIXe siècle pour réaliser des ponts en arc suivant un principe proche des ponts en maçonnerie. Les voussoirs moulés étaient assemblés par boulonnage et travaillaient essentiellement en compression. La fragilité de la fonte utilisée a conduit à la ruine de nombreux ouvrages. Actuellement la fonte n’est plus utilisée en ouvrages d’art. Les caractéristiques mécaniques des fontes qui ont été utilisées en ouvrages d’art sont les suivantes : - limite élastique 50 MPa < σe < 100 MPa - contrainte de rupture 100 MPa < σr < 150 MPa - allongement à la rupture 1 % < εr < 8 % - non soudable, fragile - Le fer puddlé Le fer puddlé a largement été utilisé au XIXe siècle pour les grandes constructions métalliques (tour Eiffel, Viaduc de Garabit, Viaduc du Viaur, charpente métallique du grand palais..). Il présente de bonnes caractéristiques mécaniques comparables aux aciers doux type E24 et E28, mais peut parfois présenter une structure en feuillets due à des impuretés non éliminées lors du laminage. Il devient alors sensible à une Méthodes courantes d'évaluation - Annexe A.3 – Évolution des règlements des ponts métalliques ou mixtes version 2.0 du 17 août 2010 2 corrosion en feuillets. Il a définitivement disparu au début du XXe siècle. Ses caractéristiques mécaniques sont les suivantes : - limite élastique 200 MPa < σe < 300 MPa - contrainte de rupture 300 MPa < σr < 400 MPa - allongement à la rupture 5 % < εr < 25 % - soudabilité à définir par essais, parfois fragiles - Les aciers Les aciers se distinguent des fers puddlés par une plus grande régularité de leurs caractéristiques. Ils ont été mis au point au milieu du XIXe siècle (convertisseur Bessemer en 1856, procédés Siemens-Martin en 1867),. grâce à l’élimination des impuretés notamment du phosphore. - Les aciers doux Apparus vers 1860 ils sont encore utilisés aujourd’hui sous forme de profilés pour les charpentes légères. Les caractéristiques mécaniques sont les suivantes : - limite élastique 240 MPa < σe < 280 MPa - contrainte de rupture 420 MPa < σr < 450 MPa - allongement à la rupture εr > 23 % - bonne soudabilité, ductiles - Les aciers mi-durs Apparus vers 1930 ils sont les plus utilisés pour la construction des ponts. Leurs caractéristiques sont demeurées longtemps quasiment constantes mais leur ductilité et leur soudabilité ont été améliorées. Les caractéristiques mécaniques sont les suivantes : - limite élastique σe = 360 MPa - contrainte de rupture σr = 520 MPa - allongement à la rupture εr > 20 % - bonne soudabilité sauf qualités anciennes Limites élastiques à prendre pour les projets de réparation - Fer puddlé : σe = 200 MPa - Acier doux : - avant 1930 : σe = 220 MPa - après 1930 : σe = 240 MPa - Acier mi-dur : - avant 1960 : σe = 340 MPa - après 1960 : σe = 360 MPa A partir de 1947 Méthodes courantes d'évaluation - Annexe A.3 – Évolution des règlements des ponts métalliques ou mixtes version 2.0 du 17 août 2010 3 3.1.2 Historique des profilés Bien souvent, l'ingénieur se trouve confronté à des profilés métalliques dont il ignore les caractéristiques géométriques et mécaniques car leur appellation, leur forme ne correspondent pas aux normes actuelles et, s'il est aisé de retrouver quelques éléments à partir d'un relevé dimensionnel quand le profilé est accessible sur toutes ses faces, il n'en est pas de même pour les structures composites (voûtains, poutrelles enrobées...) pour lesquelles une seule face du profilé peut être atteinte. Comment, à partir de quelques relevés dimensionnels, retrouver les caractéristiques géométriques (section, iner- ties...) d'origine du profilé métallique ainsi que sa date approximative de laminage (qui renseignera grossièrement sur les qualités du métal) ?Comment, à partir du seul accès à une aile, définir l'ensemble du profilé? Historique de la production des profilés Dès 1859, il était possible d'obtenir des profilés en fer d'une longueur de 4 m, ceux-ci présentant des caractéristiques insuffisantes en torsion et au déversement du fait de la difficulté de repousser le métal vers les extrémités d'ailes. Celles-ci étaient réduites en largeur, et d'épaisseur voisine de celle de l'âme, ce qui amenait un rendement mécanique (ratio inertie/poids) faible. De ce fait, on assistera dès cette époque au développement des fers Zorès qui, avec des procédures de laminage voisines, permettaient de par leur forme (en oméga à âme plane ou en demi-circonférence) de pallier ces insuffisances et pouvaient, par assemblages successifs, constituer des membrures de fortes poutres. En 1888, la hauteur maximale des profilés produits était de 500 mm En 1863, les forges de Saint-Chamond proposent des rails en acier Bessemer. Le succès de ceux-ci est immédiat du fait de l'ampleur de la demande globale et de la résistance à l'usure de ces profilés. L'évolution de la géométrie des profilés est entièrement liée à celle des conditions de laminage. Ainsi, les premiers profilés de construction métallique 'ont une forme assez proche du rail double champignon (forme quasi symétrique par rapport au plan horizontal médian, et voisine de celle dite en « os de chien » issue des premières ébauches de laminage). Le simple écartement des cylindres de laminage permettait d'obtenir différents profilés par une augmentation uniforme de l'épaisseur, ce qui n'est pas très performant vis-à-vis du rendement mécanique de la section. Cette procédure était très courante. A titre d'exemple, le catalogue des productions de Longwy de 1928 propose, autour de la configuration standard, deux configurations possibles ne différant entre elles que par l'épaisseur. (Il était d'ailleurs possible de commander expressément la réalisation d'une épaisseur quelconque entre les extrêmes possibles !) Pour mémoire, signalons que des cornières à ailes inégales ont été laminées avec des angles obtus (120°) ou aigus (60°) ou quelconques (angle à la commande ! en 1878). En 1905, aucune usine française n'était encore capable de produire des profilés de 475 ou 500 mm de haut, Descours-Cabaud devant en réaliser l'importation. Méthodes courantes d'évaluation - Annexe A.3 – Évolution des règlements des ponts métalliques ou mixtes version 2.0 du 17 août 2010 4 En juin 1911, les laminoirs de Differdange produisent leur premier profilé Grey de 1 m (Grey 1000). L'installation au cours du temps de trains de laminage uploads/Ingenierie_Lourd/ historique-ponts-metalliques-cle142e45-1.pdf