Ponts et fatigue – Comment vérifier à la fatigue une attache souple

Introduction – Définition

Dans certains ouvrages, l’ingénieur concepteur de ponts se trouve dans une situation où la difficulté d’accès (cas de tubes et caissons de faibles dimensions) empêche la mise en place de raidisseurs pour assurer une transmission des efforts sans fléchir hors plan les parois : semelle d’une poutre caisson ou côté d’un profil creux.

Une attache souple résulte généralement de la soudure d’un plat ou gousset sur une tôle déformable. On trouve ce cas couramment dans les petits et moyens ponts suspendus pour lesquels les dimensions des éléments métalliques ne permettent pas de mettre des raidisseurs et l’attache des oreilles des suspentes (goussets) se fait directement sur les semelles non radies. À titre d’exemple, on montre ci-dessous, l’attache d’une suspente directement sur la semelle d’un caisson.

L’attache souple est sensible à la fatigue et englobe plusieurs détails ou en d’autres termes plusieurs défauts. Par défauts on entend des fissures potentielles dont il faut éviter la propagation pour assurer une durée de vie adéquate vis-à-vis des charges de trafic.

Dans le présent article on recense les zones potentielles de propagation à vérifier à la fatigue pour ce type d’attache et on donne les catégories ou classes de ces détails à prendre en compte pour la justification à la fatigue en conformité avec les euronormes citées dans les références [1, 2, 3] à la fin de l’article.

Données et limitations

La figure 1 montre la situation à traiter :

Par référence à la figure 1, les limites d’application de l’article sont :

• Épaisseur de la semelle t_semelle inférieure ou égale à 150 mm
• Épaisseur du gousset t_gousset inférieure ou égale à 80 mm
• Longueur du gousset L_gousset supérieure à 100 mm
• La hauteur du gousset h_gousset est supérieure à son épaisseur surtout pour fixer la suspente.

Pour garder le caractère concis de l’article, nous avons fait le choix de couvrir un domaine assez large d’ouvrages d’art. Un domaine avec des variations importantes d’épaisseurs est donné dans la norme EN 1993-1-9 :2005

Fissures à éviter et classe de détail

Fissure dans la semelle

Il s’agit de vérifier le détail n°1 où l’initiation de la fissure est dans la semelle au pied du cordon de soudure comme le montre la figure 2.

La contrainte à prendre en compte pour la vérification à la fatigue est la contrainte nominale Ds semelle. La classe de détail est égale à 56 si l’angle α est supérieur ou égal à 45°. En revanche, une classe de 71 est à adopter si l’angle α est inférieur à 45°. On constate que la référence [1] ne tient pas en compte l’effet de l’épaisseur du gousset. L’ingénieur doit être averti que pour des semelles de faible largeur, plus l’épaisseur du gousset est importante plus il y aura une modification de la distribution uniforme des contraintes nominales.

Fissure dans le gousset

Les fissures de type 2 sont schématisées dans la figure 3.

La variation des contraintes à prendre en compte pour la vérification à la fatigue est celle dans le gousset au pied du cordon de soudure : Δσ gousset (2a), Δσ gousset (2b) et  Δσ gousset (2c)

Cette variation doit prendre en compte l’effet de la souplesse de l’attache ou, en d’autres termes, l’effet de la flexion locale de la semelle non raidie.

Il est très important de noter aussi que la vérification à la fatigue des fissures n°2 exige de prendre en compte le facteur kf de concentration des contraintes pour le calcul de la variation des contraintes dans le gousset au pied du cordon de soudure.

Les variations des contraintes à prendre en compte sont :  kf (2a) Δσ gousset (2a) ; kf (2b), Δσ gousset (2b) et kf (2c) Δσ gousset (2c).

Le facteur kf de concentration des contraintes est à calculer indépendamment de la flexion locale de la semelle [4, 5] en fonction de la géométrie du gousset, de la présence de trou et fixation de la barre ou du câble de la suspente et de la hauteur de diffusion, etc.

La catégorie de détail à prendre en compte en fonction des épaisseurs est donnée dans ce tableau :

In fine, pour les fissures n°2 il y a une seule catégorie de détail à prendre en considération à partir du tableau 1 et la variation des contraintes sera égale à max [(k_f (2a) Δσ gousset (2a) ; k_f (2b), Δσgousset (2b) et k_f (2c) Δσ gousset (2c).

Fissure dans le cordon

La fissure à éviter au regard de la propagation est la fissure n°3 dans le cordon. Elle est schématisée sur la figure 4.

Pour vérifier et justifier à la fatigue la non-propagation de cette fissure la démarche suivante est à appliquer.

On calcule la variation des contraintes qui sollicitent le plan de la gorge comme le montre la figure 5. Il est à noter que la variation des contraintes Δσ_// soudure n’entre pas dans les vérifications à suivre et il n’est pas nécessaire de la calculer.

Deux vérifications sont à faire :

Les contraintes dans le cordon sont à calculer en considérant les contraintes dans le gousset avec les facteurs de concentrations de contraintes.

Références

[1] NF EN 1993-1-9 Calcul des structures en acier – Partie 1-9 – Fatigue – 2005:

[2] NF EN 1993-1-9/NA – Annexe nationale française à la norme NF EN 1993-1-9 -2007

[3] NF EN1993-2 Calcul des structures en acier – Partie 2 : ponts métalliques – 2007

[4] D. BITAR : Conception avancée des ponts métalliques – Cours de ponts métalliques – CHEM & ENPC.

[5] CETIM : Mémento – Guide du dessinateur – les concentrations de contraintes

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Daniel Bitar, directeur du département études , CTICM