Remplacer les bétons précontraints

publié le 12.02.2014

S’il est possible d’intervenir sur des ouvrages précontraints coulés sur cintre datant des années 1950-1960, le projet doit être préparé en profondeur. Dans l’exemple de la rénovation du pont-rail SNCB de Clabecq, la précontrainte du béton a été entièrement remplacée, câble par câble. Fig4e-4© Pierre-Marie Dubois
Brève histoire de la conception de l’ouvrage
Le pont SNCB de Clabecq est situé sur le canal modernisé de Bruxelles à Charleroi. Il a été construit en 1960 par l’entreprise CFE sous la direction de l’ingénieur J.M. Pappaert. Sa portée est de 60,26 m et le tablier est constitué d’un caisson trapézoïdal de 4 m de hauteur (fig. 1). Le système de précontrainte choisi a été une des dernières applications du ‘Câble Sandwich’ développé par l’entreprise Blaton-Aubert (réf. ‘Le béton précontraint)’ durant la Seconde Guerre mondiale. Malgré sa première mondiale au pont de la rue du Miroir (Bruxelles) en 1942, la SNCB n’a pris le parti de réaliser des tabliers de ponts-rails en béton précontraint par post-tension que très tardivement (1959) moyennant de sévères impositions concernant le niveau de contraintes à respecter (précontrainte totale sans décompression: minimum 0,5 MPa et maximum 16 MPa). C’est le deuxième pont-rail SNCB (avec le pont de Chercq) en béton précontraint de cette importance exécuté en Belgique (réf. ‘Les ouvrages en béton précontraint aux chemins de fer’).

L’application du système Blaton-Magnel implique la mise en œuvre de dispositifs technologiques complexes (grilles de classement, peignes, déviateurs). Un soin tout particulier a été apporté aux gaines métalliques nervurées (ép. 0,6 mm) constituant un coffrage perdu pour le passage légèrement divergent des câbles dans les blocs d’about. La mise en précontrainte progressive a débuté en décembre 1960 et duré 3 mois. Les câbles (au nombre de 30) comprennent chacun 72 fils de 7 mm de diamètre introduisant à la mise en tension une force d’environ 80 MN avant pertes. Ils sont externes à la structure (c’est-à-dire que les câbles sont apparents dans le caisson) et protégés contre la corrosion par un cimentage. Le tracé des câbles proposé est brisé au droit du diaphragme central et aux deux diaphragmes situés près des appuis nécessitant ainsi de renforcer assez fortement les trois voiles transversaux (épaisseur 45 cm) où sont concentrés les déviations et les efforts verticaux (réf. ‘Quelques constructions en béton précontraint exécutées en Belgique de 1959 à 1961’).

Fig4e-1

Plans de l’ouvrage: élévations (réf. ‘Les ouvrages en béton précontraint aux chemins de fer’) et coupes (réf. Quelques constructions en béton précontraint exécutées en Belgique de 1959 à 1961′)

Etapes de la rénovation du pont
Les inspections de contrôle ont révélé à la fin des années 1990 une corrosion généralisée (fig. 2) et évolutive des fils pouvant mettre la sécurité du pont en danger dans un futur proche. La SNCB a donc décidé de procéder au remplacement de toute la précontrainte existante.
Les auteurs du projet de rénovation ont calculé les efforts de l’époque avec les connaissances d’aujourd’hui. L’effort de précontrainte (réf. ‘Rapport relatif aux essais de mesure de précontrainte résiduelle du pont de Clabecq’) à long terme recalculé revient ainsi à 55,8 MN, qui est à comparer avec la prévision SNCB de l’époque à 67 MN, soit une différence de 16%. Les contraintes dans le béton ont été calculées avec la formule de la flexion composée classique (effort normal + moment de flexion). Sous convoi Union Internationale des Chemins de Fer (UIC) et charges permanentes, une compression en fibre supérieure de 14,2 MPa et une traction en fibre inférieure de 1,8 MPa se développent. On peut en déduire que le manque de connaissances scientifiques concernait principalement les pertes différées par retrait et fluage du béton et celles dues à la relaxation de l’acier.
Les 24 nouveaux câbles composés de 15 torons T15S (15,7 mm de diamètre et 150 mm2, livrés par Freyssinet) gainés et graissés sont logés dans des tubes en PEHD (polyéthylène haute densité) de 125 mm de diamètre et 3,9 mm d’épaisseur. L’espace entre les torons gainés graissés et la gaine PEHD est injecté d’un coulis de ciment préalablement à la mise en tension. Ce type de câbles permet le remplacement éventuel d’un toron. Des nouveaux blocs d’about de 120 cm d’épaisseur ont été réalisés avec en empreinte les logements d’appuis (par groupe de trois câbles, avec les inclinaisons requises) pour les plaques d’ancrage en acier (340 mm de côté et de 80 mm d’épaisseur, percé d’un trou de 125 mm de diamètre).
Les entretoises (diaphragmes) qui supportent les déviateurs sont maintenues dans leur fonction et épaissies de manière à loger les nouveaux déviateurs constitués de tubes courbés en acier. Les passages des nouveaux câbles dans les abouts sont forés en 142 mm de diamètre sur une longueur d’environ 5 m. Des tubes prolongateurs 133 mm de diamètre et 4 mm d’épaisseur sont introduits dans les forages et le vide entre les forages et les tubes en acier est injecté. Les câbles sont ensuite mis en place dans les gaines. Les blocs d’ancrages sont placés sur les plaques d’appuis avec les clavettes; les câbles sont ensuite mis en tension. L’effort total au vérin est calculé à 80% de la contrainte de rupture garantie (1860 MPa), soit 80,4 MN. L’étude de l’ouvrage supposait la réalisation d’une force de précontrainte totale de minimum 75,3 MN dans la section à mi-portée, après blocage de tous les ancrages et pertes par frottement. Le phasage est résumé en figure 3: les files verticales d’anciens câbles sont remplacées une à une et alternativement dans chaque alvéole du caisson.
Après dégagement des anciennes ‘culasses’, les nouveaux blocs d’about ont été ferraillés (barres de 32 mm de diamètre), coffrés et bétonnés. Ensuite la carotteuse est positionnée sur un échafaudage avec matérialisation des axes de forage. Parallèlement au travail à l’extérieur, le bétonnage des renforcements des diaphragmes de déviations (passage de 45 à 75 cm d’épaisseur) est réalisé, ainsi que la percée des autres diaphragmes. Les carottes sont extraites par morceaux successifs. Les nouvelles plaques d’appuis sont posées dans les logements inclinés réservés dans le coffrage, ainsi que les tubes prolongateurs; après quoi, le vide annulaire entourant les tubes est injecté. Les gaines PEHD sont posées, ainsi que les déviateurs dans les trois diaphragmes épaissis. Les nouveaux torons gainés et graissés sont introduits dans les tubes. Après vérification de l’étanchéité des gaines, on procède à l’injection. Les mises en tension sont effectuées dans un environnement très confiné.
Enfin, les torons sont recoupés avec une longueur résiduelle suffisante pour permettre de replacer un vérin pour reprise éventuelle de tension et les têtes sont protégées par un capotage injecté de graisse.
 
Particularités de ce chantier délicat
Sur les 48 forages en 142 mm de diamètre au travers des blocs d’about (5,2 m), 12 forages ont connu des aléas retardant le chantier. Il s’agit principalement des lits de câbles dont on peut constater sur le plan d’implantation la grande proximité avec les anciens câbles. Il en a résulté des entortillements de câbles, des interceptions soit de gaines en acier soit également d’anciens blocs d’ancrage ‘Sandwich’ provoquant des blocages de carottier. Il a donc été nécessaire de faire preuve d’une grande imagination pour tenter de déloger les morceaux de carottes bloquées. Un autre incident a eu lieu lorsque quelques forages ont endommagé le ferraillage des nouveaux blocs d’about en raison de la précision insuffisante des forages. Sur 5 m de longueur, la position moyenne des carottages s’écarte de la position théorique de 4 mm sur l’axe horizontal et de 32 mm sur l’axe vertical. Cependant, la dispersion des écarts par rapport à la valeur moyenne est importante: en supposant une distribution normale, l’écart-type par rapport à la moyenne est de 37 mm selon l’axe horizontal et de 26 mm suivant l’axe vertical. La raison principale de ces incidents est la grande difficulté à mesurer la géométrie réelle de l’ouvrage après fluage et retrait, en tenant compte de la précision de réalisation de l’époque. Des mesures topographiques ont été effectuées, montrant des déviations de l’ordre de 10 cm, ainsi qu’une importante contreflèche.
L’exécution des forages est donc une opération très délicate, et leur implantation réserve souvent quelques surprises malencontreuses (réf. ‘Maintenance et réparation des ponts’). L’utilisation de techniques d’investigations non destructives ou de petits forages de reconnaissance et des techniques d’endoscopie doit être maîtrisée et facilement disponible. Le fait de remplacer la précontrainte câble par câble permet de s’affranchir d’une série de pertes de précontrainte et ainsi d’améliorer son ‘rendement’: le raccourcissement en cours de mise en tension et les pertes différées par fluage et retrait sont quasi annulés; la relaxation des aciers est plus faible compte tenu de la qualité des aciers modernes; l’encombrement des nouveaux câbles est généralement plus faible.Fig4e-2© Yves RammerFig4e-3© Pierre-Marie Dubois

Conclusion
L’expérience de quatre ponts renforcés en Belgique (Chercq, Clabecq, Ittre et Sclayn) démontre qu’avec quelques précautions et une préparation sérieuse, il est possible d’intervenir de manière économique sur des ouvrages précontraints coulés sur cintre dans les années 1950-1960. La solution par mono-torons gainés et graissés placés dans des conduits PEHD continus et enfilés dans les tubes métalliques coudés au droit des déviateurs permet, après injection de coulis, d’isoler les mono-torons et d’empêcher leur écrasement dans les déviations. Les techniques d’expertise actuelles laissent néanmoins une question essentielle en suspens: est-il possible d’estimer la précontrainte résiduelle?
Ce texte est extrait de l’ouvrage ‘Histoires de béton armé. Patrimoine, durabilité et innovations’, publié sous la direction de Jean-François Denoël, Bernard Espion, Armande Hellebois et Michel Provost, coédité par FEBELCEM et le Comité Patrimoine et Histoire de la FABI.
isbn 978-2-9600430-9-9
www.febelcem.be

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A+244
pages 56-58

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