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AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 1 Documents scientifiques et techniques Guide pour la conception des Ouvrages d’Art en Bois Février 2013 AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 2 AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 3 AVANT-PROPOS Le bois est un excellent matériau de structure. Sa performance tient en partie au rapport très élevé de sa résistance à sa densité. C'est aussi un matériau de construction renouvelable, c'est à dire potentiellement disponible à l'infini, notamment en Europe grâce à une gestion équilibrée des ressources. Il est le matériau par excellence capable de stocker du carbone en quantité, et sa matière peut être valorisée de plusieurs manières en fin de vie. L'histoire montre enfin que les constructions en bois peuvent franchir les siècles sans atténuation des propriétés. En matière de calcul, la norme EN 1995 est une avancée essentielle qui permet d’appréhender le dimensionnement en prenant en compte les particularités de comportement du matériau, comme l’anisotropie, et ce dans le cadre général cohérent des Euronormes. Concernant les structures de franchissement, deux publications existantes font déjà référence en France : le guide du Sétra qui traite de la question de la durabilité, et celui de l’Ifsttar qui porte sur l’inspection des ouvrages. Le présent guide vient compléter ces documents sur le thème de la conception des ouvrages d’art en mettant l’accent sur les possibilités qu’offrent le matériau en termes d’ingénierie et d’architecture. Il a pour ambition de tenter de tisser un lien entre typologies, dimensionnement, ingénierie du matériau et détails de conception. On y trouvera la description des caractéristiques du matériau et leur prise en compte dans l'Eurocode 5, celle des assemblages, ainsi qu’un rappel sur la durabilité. Dans le chapitre 5 est abordée la conception des ouvrages d’art. Ce chapitre central propose une réflexion sur les choix de conception au travers de la description d’ouvrages existants classés par typologies. Pour chacune d’elles le guide présente plus en détails un pont route et une passerelle. Des détails constructifs viennent enrichir ces présentations. Enfin, la dernière partie, consacrée aux recherches en cours ou récentes, présente les améliorations à venir sur les plans théorique ou de l’innovation. Les auteurs espèrent que ce guide, qui s’adresse à un public large, donnera aux lecteurs un regard nouveau sur les ouvrages d'art en bois, mais aussi qu'il suscitera l’envie d’en concevoir bien d’autres. Robert Le Roy, animateur AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 4 Liste des auteurs : Nicolas Didier (EGIS JMI), Robert Le Roy (ENSAPM-Laboratoire NAVIER/IFSTTAR), Jean-Marc Tanis (EGIS JMI) Liste des membres du comité de relecture : Paul Allègre (LR Nancy), Vincent Barbier ( DDT 25), Jacques Berthellemy (Sétra), Jean François Bocquet (ENSTIB), Dominique Calvi (BET Calvi) , Pierre Corfdir (DIRE est), Guillaume Cruzille (Entreprise Fargeot), Patrick Guiraud (AFGC), Jocelyne Jacob (AFGC), Thierry Kretz (SETRA), Serge Le Nevé (FCBA), Dominique Millereux (FIBC), Boumediene Nedjar (ENPC), Patrick Racher (Aubrilam). Remerciements : Les auteurs remercient les membres du groupe de relecture pour leur aide précieuse ainsi que toutes les personnes qui ont fourni les documents techniques et supports photographiques indispensables à la réalisation de ce guide. AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 5 SOMMAIRE AVANT-PROPOS 3 1. INTRODUCTION 7 1.1 Un matériau universel 1.2 Atouts et particularités du bois pour la construction 1.3 Aperçu historique des ouvrages d’art en bois 2. LE MATERIAU BOIS 25 2.1 Anatomie du bois 2.2 Composition chimique et propriétés physiques 2.3 Caractéristiques mécaniques 2.4 Matériaux dérivés 2.5 Classification des bois de structure 3. DIMENSIONNEMENT D’ELEMENTS EN BOIS 49 3.1 Bases de calcul à l’Eurocode 5 3.2 Eléments tendus 3.3 Eléments comprimés 3.4 Eléments fléchis 3.5 Eléments cisaillés 3.6 Eléments soumis à une interaction flexion/effort normal 3.7 Comportement différé et fatigue 3.8 Comportement dynamique 4. ASSEMBLAGES 77 4.1 Conception générale des assemblages 4.2 Transmission d’efforts de compression 4.3 Transmission d’efforts de traction 4.4 Transmission d’efforts de cisaillement 4.5 Transmission d’efforts multiples 5. CONCEPTION ET TYPOLOGIES STRUCTURELLES 101 5.1 Démarche de conception 5.2 Ponts à poutres simples 5.3 Ponts à poutres treillis 5.4 Ponts à poutres sous-tendues 5.5 Ponts à fermes et bow-string AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 6 5.6 Ponts à béquilles 5.7 Ponts en arc 5.8 Ponts haubanés et suspendus 5.9 Etude du tablier 6. DURABILITE 219 6.1 Dégradation du bois 6.2 Pathologies des ouvrages en bois 6.3 Dispositions constructives 6.4 Traitements de préservation 6.5 Maintenance et réparation des ouvrages 7. RECHERCHE ET DEVELOPPEMENTS 237 7.1 Les systèmes de connexion dans les tabliers mixtes 7.2 Raideur structurelle en fonction de la rigidité des connecteurs 7.3 Problèmes associés à la mixité du tablier bois 7.4 Renforcement du matériau bois 7.5 Transfert d’eau dans le bois 7.6 L’analyse du cycle de vie des ponts en bois 7.7 Conclusions 8. MONOGRAPHIE SOMMAIRE 277 AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 7 Photo RLR AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 8 1 INTRODUCTION 1.1 Un matériau universel 1.1.1 La symbolique de l’Arbre Le lien qui unit l’homme à l’arbre s’exprime partout dès l’origine des peuples, des cultures et des religions. Par exemple, le fait de « toucher du bois » pour conjurer le mauvais sort est vieux de quelques millénaires : selon les peuples, cela permettait de se mettre sous la protection du génie du feu, ou bien de recueillir une partie de l’énergie terrestre que puise l’arbre par ses racines et qu’il diffuse par ses veines. L’arbre a conservé jusqu’aujourd’hui un caractère allégorique : il est notamment symbole de liberté et de renouveau (tels les arbres plantés pendant la Révolution), ou de vie et de foyer (tel le sapin de Noël). Par ailleurs, il garde un fort pouvoir évocateur en ce qu’il peut représenter une région selon son essence : le cocotier pour les îles tropicales, le palmier pour les pays chauds, l’olivier pour la Méditerranée, le platane pour Paris… A chaque lieu son arbre. 1.1.2 Le bois dans tous ses états Partout, le bois a servi et sert à faire des outils, des jouets, des instruments de musique, des meubles, des tonneaux, des bateaux, des maisons, des ponts, etc. (Figure 1-1 à Figure 1-10). Facile à travailler, le bois s’associe souvent très bien à d’autres matériaux, tant pour de petits objets que pour de grandes constructions. D’une polyvalence étonnante, le bois est choisi non seulement pour ses propriétés physiques (mécanique, thermique, acoustique…) mais aussi sensitives : on aime le voir, le toucher, le sentir. Figure 1-1: Charpente à chevrons formant ferme de l'Abbaye de Noirlac. Photo : RLR AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 9 Figure 1-2: Chaise Paimio Alvar Alto 1930 ©DR Figure 1-3 : Mobilier Gaudi banc et chaise Casa Calvet 1902 ©DR Figure 1-4 : Temple suspendu, province Shanxi, Chine. Photo : RLR Figure 1-5 : Pavillon russe de l'exposition universelle de 1900 (remonté à Nogent sur Marne). Photo : RLR AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 10 Figure 1-6 : Avion S.E.5 de 1917. Longeron en épicéa et frêne, contreplaqué, toile et corde à piano. Photo : RLR Figure 1-7 : Reconstitution d'un navire égyptien (Cheryl Ward, Florida State University, reproduit avec l'autorisation de la fondation du patrimoine maritime et fluvial) AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 11 Figure 1-8 : Eglise de Kiji (Russie, XVIIIème) inscrite au patrimoine mondial de l'Unesco. Photo : Matthias Kabel Figure 1-9 : centre Beaubourg Metz. Photo : RLR AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 12 Figure 1-10 : Arche du pont de Kintai (Japon). Photo : Pastaitaken 1.1.3 Idées reçues Quelques idées reçues méritent d'être éclaircies. « Utiliser du bois tue la forêt » L'exploitation des forêts secondaires, réalisée dans le cadre d'une gestion durable, est bénéfique à l'environnement. La gestion durable des forêts et des surfaces boisées consiste à maintenir, selon la déclaration de la FAO (Food and agriculture organization), "leur diversité biologique, leur productivité, leur capacité de régénération [...]" , Les systèmes de certification tels que FSC (Forest Stewardship Council), PEFC (Program for the Endorsement of Forest Certification shemes), etc., permettent un contrôle du respect de ces principes. En Europe (données incluant la Russie), les surfaces des forêts sont, d’après le rapport 2010 de la FAO, en croissance, à un rythme de 700 000 ha par an sur la période 2000-2010 (Figure 1-11). L’utilisation du bois européen pour la construction ne pose donc pas de problème de baisse de la ressource et est bénéfique sur le plan socio économique et environnemental. Cependant, dans d’autres régions du monde, notamment pour les forêts tropicales, qui représentent 36% de la surface forestière mondiale, un recul des surfaces est observé, avec une perte de 4 millions d’hectares par an pour l’Amérique du sud sur la période 2000-2010, et de 3,4 millions d’hectares par an pour l’Afrique sur la même période (Figure 1-11). La surface mondiale des forêts est évaluée (FAO 2010, Pan et al. 2011) à 4050 millions d’hectares en 2007. AFGC Les Ouvrages d’Art en Bois 13 Figure 1-11 : évolution de la surface boisée mondiale entre 2005 et 2010. Extrait du rapport de la FAO " évaluation des ressources forestières mondiales 2010" « Il n’existe pas de traitement satisfaisant du bois » Bien uploads/Ingenierie_Lourd/ les-ouvrages-art-en-bois-final-fevrier-2013-pour-site-pdf.pdf