Essai de chargement sur le pont au-dessus de la rivière Watopeka, à Windsor
Mise en contexte
Le pont à l’étude est situé à Windsor au-dessus de la rivière Watopeka. Le pont a été construit en 1980. Il est constitué d’une travée de ± 23,1 m de portée et de 5,49 m de largeur. Le système structural est composé de trois poutres préfabriquées en béton précontraint simplement appuyées et espacées de 1,83 m. Le pont a fait l’objet, en 2012, du remplacement de la dalle ainsi que de la réparation de certains éléments de la structure. La photo 1 montre une vue générale du pont. Durant ces travaux de réhabilitation, il a été possible de constater que les poutres en place sont en bon état et ne montrent pas de signe de détérioration.
Les plans d’origine ne donnent aucun détail sur l’armature à l’intérieur des poutres, ce qui rend impossible une évaluation analytique de la capacité portante du pont selon la méthodologie classique du Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CAN/CSA-S6-06) et selon le manuel d’évaluation de la capacité portante des structures du ministère des Transports du Québec. Pour cette raison, le pont a été limité à une charge de 15 tonnes, ce qui forçait les véhicules de plus grande charge à faire un détour. Cependant, la section 14.16 dudit code CAN/CSA-S6-06 permet, dans le cas où les plans sont incomplets, de réaliser un essai de chargement afin d’évaluer la capacité portante du pont.
L’objectif de ce projet est de réaliser des essais de chargement utilisant des camions de charge connue, pour relever les données de déformations sur les éléments de la structure afin d’évaluer la capacité portante du pont. Selon les plans d’origine, la charge vive de conception est équivalente à un camion MS 250 de 45,5 tonnes ou un camion-grue de 56 tonnes.
Instrumentation et paramètres mesurés
L’instrumentation installée sur le pont répond au besoin de connaître les déformations et les flèches des poutres du pont. Au total, cinq capteurs à fibres optiques, à base longue de 2 m, ont été installés sur les trois poutres du pont. Pour les besoins de l’essai de chargement, nous avons aussi utilisé un accéléromètre pour évaluer la fréquence naturelle de la structure. De plus, les déflexions des poutres ont été mesurées en utilisant un système de théodolite. L’instrumentation et les paramètres mesurés sont résumés dans le tableau 1.
Essais de chargement
Dans le cadre de ce projet, les essais de chargement ont été réalisés à la suite de l’installation de l’instrumentation. Ces essais sur le pont ont eu lieu le 14 novembre 2012. Durant ces essais, nous avons utilisé trois types de camions préalablement chargés et pesés sur une balance de la SAAQ avant l’arrivée au site. Les charges pour chaque camion étaient de 17,4 tonnes pour le camion de type compact à 10 roues, de 45,6 tonnes pour le camion à remorque de type Trailer et de 44,2 tonnes pour le camion grue.
Chargement statique
L’essai de chargement statique consiste à immobiliser les trois types de camions d’essai (un à la fois) sur des emplacements spécifiques sur le pont et à mettre le centre de gravité du camion au droit du centre du pont, afin de générer l’effet maximum sur la déformation de la structure. L’arrêt du camion d’essai devait durer deux minutes pour permettre au système d’acquisition de prendre une mesure stable.
Chargement dynamique
L’essai de chargement dynamique a été effectué avec le camion-grue utilisé lors des essais statiques. Il consiste à prendre des enregistrements en mode dynamique lors du passage du camion-grue sur le pont. Cet essai permet d’évaluer le facteur d’amplification dynamique.
Résultats des essais de chargement
Évaluation de la fréquence naturelle de la structure
L’article 3.4.4 du Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CAN/CSA-S6-06) définit une limite de flèche statique due à la surcharge routière pour l’état limite d’utilisation en fonction de la fréquence de vibration de la structure. Nous nous sommes basés sur cette approche pour établir une limite de flèche pour nos mesures prises lors des essais de chargement.
Par conséquent, avant de commencer les essais de chargement avec les camions, nous avons pris des mesures de vibration avec un accéléromètre pour définir la première fréquence de la structure. Nous avons obtenu une fréquence de 5,5 Hz. D'après le graphique de la figure 1, la limite de la flèche devait être de 13,6 mm.
Résultats des essais statiques
La figure 2 montre un exemple graphique des enregistrements effectués lors des essais statiques avec le camion-grue. Nous remarquons qu’il existe une bonne réversibilité dans les lectures. Les résultats des essais statiques nous ont permis d’évaluer les paramètres suivants :
Résultats des essais dynamiques
La figure 3 montre un exemple graphique des enregistrements effectués lors des essais dynamiques lors du passage du camion-grue (aller et retour). Nous remarquons un retour élastique après le passage du camion sur le pont.
Les résultats des essais dynamiques nous ont permis d’évaluer les paramètres suivants :
Analyse des résultats des essais de chargement
Les résultats des essais de chargement nous ont permis de valider le comportement élastique de la structure. Sous l’effet des trois camions de charge, nous avons validé l’absence de déformations résiduelles. De plus, les flèches mesurées sont inférieures à la valeur limite de 13,6 mm définie selon l’article 3.4.4 du Code canadien sur le calcul des ponts routiers (CAN/ CSA-S6-06) et qui correspond à une fréquence naturelle de vibration mesurée de 5,5 Hz.
Les déformations en flexion relevées démontrent une bonne répartition des charges sur chaque poutre, ce qui traduit un bon effet composite du tablier. La déformation maximum en flexion relevée lors des essais de chargements était de 73,5 μe lors du passage du camion-grue sur le pont (effet dynamique compris).
Le relevé de la déformation dans la zone en cisaillement lors du passage du camion-grue démontre l’absence de déformations résiduelles et un comportement parfaitement élastique.
Après la fin des essais de chargement, nous avons procédé à une inspection visuelle des trois poutres sous le pont. Nous avons noté l’absence de fissures apparues à la suite de ces essais, que ce soit dans la zone en flexion ou dans la zone en cisaillement.
Afin de nous permettre d’établir le rapport entre les résultats de déformations du pont évaluées par les essais de chargements statiques et dynamiques, et les déformations dues aux charges évaluées théoriquement avec les camions de conception figurant sur les plans d’origine, nous avons commencé par construire une modélisation avec les données des plans d’archives. Par la suite, nous avons utilisé les résultats provenant des essais de chargement, soit la distribution transversale des déformations sur les trois poutres du pont, la fréquence naturelle, le facteur d’amplification dynamique ainsi que les valeurs des flèches relevées.
La modélisation numérique a été réalisée à l’aide du logiciel SAP2000, version 15.1.0. La figure 4 illustre le modèle en trois dimensions.
Les analyses réalisées montrent que l’effet maximum produit par la charge de conception (camion-grue de 56 tonnes défini sur les plans d’origine) génère une flèche maximum pondérée (en considérant un facteur de pondération de 1,7 et un facteur d’amplification de 1,1) évaluée à 11,0 mm. Cette valeur de la flèche reste inférieure à la limite de 13,6 mm.
Conclusions
La présente évaluation de la capacité du pont de la rivière Watopeka est un excellent exemple où l’application d’un essai de chargement et d’un monitoring de la structure a permis d’en établir la capacité dans un contexte où l’information disponible ne permettait pas d’en évaluer la capacité théorique.
Sur la base des résultats de cette étude, nous avons pu vérifier que le pont est apte à reprendre les surcharges de conception, tel que défini sur les plans d’origine, ainsi que les surcharges du trafic normal (CL-625), tel que défini par le code CAN/CSA-S6-06. Par conséquent, nous avons fait passer la limite de charge sur le pont de 15 tonnes à 56 tonnes pour un camion-grue. Les limites de charge pour chaque type de véhicule sont présentées sur les panneaux ci-dessous.
