Influence of topping layer on fatigue behaviour of orthotropic steel bridge deck : study of an UHPFRC solution
Influence du revêtement sur le comportement en fatigue des dalles orthotropes : étude d'une solution en BFUP
Résumé
Orthotropic steel bridge decks are sensitive to fatigue damage induced by live heavy traffic loads. This behaviour is not precisely predicted by Eurocode 3, because of the complexity of local effects. The pavement overlay is not taken into account for calculating the fatigue resistance because of the lack of knowledge concerning its mechanical behaviour (loads diffusion and participation in the local deflection) and the behaviour of the composite structure. Moreover, the increase in heavy traffic and potential regulations evolution in Europe – towards an increase of acceptable loads of truck axles - tend to render the orthotropic decks fatigue behaviour an even more critical issue. The reinforcement of these steel decks is therefore crucial to extend the service life of existing bridges, and also increase the durability of new bridges. Ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC) has been chosen as a possible alternative topping layer considering its remarkable durability, flowability and mechanical properties. The purpose of this thesis, carried out within the framework of a joint R&D project called Orthoplus, is to quantify experimentally the mechanical contribution of topping layers currently used in orthotropic steel bridge decks and validate an alternative concept using UHPFRC coating. Static and dynamic tests of large scale panels (2,40x4,00) m2 were carried out at the IFSTTAR Structures Laboratory. Four prototypes have been tested: a 14 mm thick deck plate without surfacing, the same deck plate associated with 80 mm of bituminous concrete surfacing, a 10 mm thick deck plate topped with 35 mm of UHPFRC and a panel with the same UHPFRC topping layer and a 12 mm thick deck plate. The influence of different centered load types and configurations has been analyzed: rectangular steel plates according to Eurocode 1 and real truck wheels. The experimental programme has been focused on the rib-to-deck welded joints at mid-span between two transverse crossbeams. The fatigue geometrical stresses in the deck and the trough, respectively denoted as σD and σT, have been derived from two linear extrapolations of measured strains next to the toe of the welded joint: the extrapolation schemes from the ECSC report and from the IIW document. Consistency between quasi static strains and deflections estimate and behaviour under fatigue cycles has been verified, as well as the significant additional stiffness provided by the UHPFRC overlay, although its contribution does not correspond to a perfectly connected composite section. The experimental results have been compared to simple and more complex models which still need empirical calibration for predicting the geometrical stresses. Using the experimentally obtained fatigue geometrical stresses the service life of the tested prototypes were calculated using Miner's rule. Finally a life cycle assessment study of an orthotropic steel bridge deck was carried out to verify the environmental relevance of the alternative topping layer solutions. The numerous experimental data obtained from this work shall make it possible to significantly improve the rational design method of orthotropic slabs and their associated deck overlay, in view of a better accounting of their long term and sustainable structural management
Les tabliers métalliques à dalle orthotrope sont sensibles au phénomène de fatigue produit par les charges des poids lourds du trafic. Ce comportement n'est pas précisément prédit avec les méthodes de l'Eurocode 3, compte tenu de la complexité des effets locaux et de la connaissance insuffisante du rôle mécanique du revêtement (diffusion des charges et participation à la flexion locale). De plus l'augmentation du trafic des camions et éventuellement celle des charges admissibles par essieu en Europe tend à rendre ce problème bien plus critique. Le renforcement de ces tabliers est donc souhaitable de façon à prolonger la durée de vie des ponts existants, et aussi augmenter la durabilité des nouveaux ponts. Le béton fibré à ultra hautes performances (BFUP) a été envisagé comme nouvelle solution de revêtement, étant donné ses propriétés mécaniques, ses possibilités de mise en œuvre et sa durabilité. L'objectif de cette thèse, réalisée dans le cadre du projet ANR Orthoplus, est de quantifier expérimentalement l'apport des revêtements couramment utilisés dans les structures à dalle orthotrope et de valider la solution innovante en BFUP. Des essais statiques et dynamiques sur corps d'épreuve à grande échelle (2,40x4,00) m2 ont été réalisés sur la plate-forme d'essai des structures de l'IFSTTAR. Quatre corps d'épreuve ont été testés : tôle de platelage de 14 mm non revêtue et revêtue de 80 mm de béton bitumineux, tôle de 10 mm revêtue de 35 mm de BFUP et tôle de 12 mm revêtue de 35 mm de BFUP. L'influence des différents types de chargement positionnés au centre des corps d'épreuve a été analysée : plaques métalliques type Eurocode 1 et vraies roues de camion. L'étude a porté sur le détail de fatigue: liaison auget-tôle de platelage entre pièces de pont. La contrainte géométrique de fatigue (extrapolation au point chaud) a été évaluée expérimentalement en utilisant deux schémas d'extrapolation linéaire des déformations à proximité du cordon de soudure du détail étudié, le schéma du rapport CECA et celui proposé par l'Institut International de Soudure, à partir des mesures réalisées au-dessous de la tôle de platelage (σT) et sur l'âme de l'auget (σA).La cohérence entre estimation quasi-statique des déformations et comportement sous cycles de fatigue a été vérifiée, ainsi que la rigidification importante apportée par le BFUP, bien que ce dernier ne participe pas avec une connexion totale. Les résultats expérimentaux ont été confrontés à des modèles de différents niveaux de complexité qu'il reste nécessaire de calibrer empiriquement pour prévoir les contraintes géométriques. A partir des contraintes de fatigue obtenues expérimentalement, nous avons calculé la durée de vie des dalles orthotropes testés à l'aide de la règle du cumul linéaire de l'endommagement. Enfin nous avons mené une étude par analyse de cycle de vie d'un pont à dalle orthotrope pour vérifier la pertinence environnementale des différentes solutions de revêtement. Les nombreuses données expérimentales acquises dans ce travail sont de nature à permettre une amélioration significative du dimensionnement rationnel des tabliers à dalle orthotrope et de leur revêtement pour une meilleure prise en compte de leur gestion durable
Origine : Version validée par le jury (STAR)