Les joints ouverts (open joints)

Les joints ouverts (open joints)

Les joints ouverts laissent la possibilité à l’eau de pénétrer le tablier du pont et d’attaquer ainsi les composants vulnérables du pont sous le tablier comme les poutres métalliques ou les appuis. Les joints sont donc considérés comme efficaces si l’eau et les débris sont entraînés par drainage loin de la structure. La question du drainage est donc d’une importance capitale, particulièrement dans les régions nordiques où l’utilisation de sels et de produits de déglaçage est pratique courante pendant l’hiver. D’une part, l’eau provenant du tablier est très corrosive et s’attaque essentiellement aux composantes métalliques, causant une dégradation rapide de leur résistance. Par conséquent, la corrosion des armatures peut conduire à l’éclatement du béton (voir figure 1 ).

D’autre part, l’accumulation des débris autour des appuis est susceptible de causer une altération importante de leur comportement tel que l’augmentation du coefficient de frottement et l’abrasion de l’interface de mouvement ce qui engendre des forces plus élevées dans certains éléments structuraux du pont et peut entraîner leur endommagement. En somme, la non étanchéité du joint conduit à un abaissement du niveau de sécurité et de performance de tout l’ouvrage réduisant ainsi sa durée de vie avec tout ce que cela comporte comme conséquences économiques.

Joint à dents (finger-plate joint)

Les joints à dents consistent en des plaques d’acier dont les doigts s’interpénètrent lors du fonctionnement du joint. Historiquement, les joints à doigts ont donc été installés sur la plupart des structures qui nécessitait une capacité de mouvement supérieure à 150 mm. Ces joints sont efficaces et structurellement sûrs, cependant le passage de débris et d’eau à travers le tablier ainsi que leur déversement sur la structure peut poser des problèmes. Ce drainage défectueux contribue alors à la détérioration des composantes de la structure du pont, change le comportement du système et est responsable de fissurations par fatigue et même de rupture de la structure (Burke et al., 1989). Ces joints possèdent des goulottes (dalots) pour recueillir l’eau et les débris qui ont traversé le joint afin de les conduire loin de la structure. Cependant, le manque de maintenance et l’accumulation de débris peut obstruer le système de drainage et les mêmes problèmes décrits plus tôt apparaissent alors (Bush et al., 1986). Plusieurs études ont été conduites pour aboutir à des recommandations et des suggestions pour ce type de joints. C’est le cas de l’avis technique émis par le Federal Highway Administration (FHWA, 1980) qui commente et fait des suggestions sur cetype de joint à la suite d’une étude sur 825 joints à travers 40 états américains. Ce rapport souligne le mauvais comportement à la fatigue des détails soudés et demande des spécifications de design au niveau de la résistance des ancrages.

Joint avec scellement coulé (poured joint seal)

Les matériaux d’étanchéité coulés à froid pour fournir un scellement de joint étanche ont été utilisés aussi bien dans des nouvelles constructions que dans desprojets de réhabilitation.Les propriétés et les procédures d’application varient suivant les produits. Ainsi, le silicone possède une bonne performance élastique sur une grande échelle de température et résiste bien aux dégradations dues à l’ozone et aux ultraviolets. Dans le cas de réhabilitation, un produit à prise rapide est idéal. Les autres qualités d’un produit sont ses capacités à se niveler et à se fixer tout seul. La plupart des produits d’étanchéité peuvent se placer contre du béton ou de l’acier. Au niveau de l’application, le substrat (béton ou acier) doit être correctement nettoyé. Enfin, décoller un scellement de son substrat compromet l’étanchéité du joint. Les derniers produits ont démontré de bonnes performances à court terme et ont été utilisés dans le cadre de réhabilitation de ponts. Cependant, leur durabilité à long terme déterminera l’extension de leur application. Les manufacturiers recommandent un retrait minimum entre le haut de la surface de roulement et le haut du scellement afin d’empêcher le décollement du scellement sous le trafic.

FACTEURS DE PERFORMANCE DES JOINTS MODULAIRES

Dès leur installation, les joints ne sont pas seulement attaqués par les éléments naturels comme l’eau, les poussières, les ultraviolets et l’ozone mais aussi par des éléments introduits par les hommes comme les produits chimiques de déglaçage, les chasse-neige, ou les impacts dus au trafic. Chaque défectuosité est un facteur qui contribue à la détérioration du joint. Les rapports 402 (Dexter et al., 1997) et 467 (Dexter et al., 2002) du NCHRP donnent pour la première fois aux Etats-Unis des spécifications pour le design, les performances, la construction et l’installation des joints modulaires d’expansion. Auparavant, bien que certains états aient développé des spécifications, comme l’État de Washington (WSDOT, 1993), il n’existait pas encore de tels guides aux Etats-Unis. Or, sans spécifications, le procédé d’attribution du contrat au plus bas soumissionnaire contribue à augmenter les problèmes de durabilité. En effet, les manufacturiers conçoivent et fabriquent les joints au coût le plus bas.

De plus, une mauvaise installation des MBJS est parfois la cause d’une mauvaise durabilité et de problèmes fonctionnels. Ainsi, de nombreux MBJS (Modular Bridge Joint System) installés avant la parution de ces spécifications affichent de mauvaises performances, et ont des défaillances au niveau des supports, des systèmes de mouvements et des scellements. Une maintenance importante est généralement nécessaire pour permettre à ces MBJS de fonctionner correctement. Dans certains cas, les performances des MBJS sont tellement médiocres que leur remplacement anticipé s’avère obligatoire.

Historique des recherches

Le rapport final du projet 11 du NEEP (NEEP, 1977) analyse le comportement des premiers joints modulaires. Il en résulte que les systèmes d’équidistance ne permettent pas une répartition égale de la compression dans les différentes cellules, ce qui conduit à des problèmes d’étanchéité. Les contrats de MBJS sont obtenus par soumission du plus bas soumissionnaire, ce qui entraîne inévitablement une diminution de la marge de sécurité par rapport à la résistance à la fatigue pour rendre les MBJS plus économiques (NCHRP report 204, 1979). L’inspection de Azevedo pour le département de transport du Kentucky (Azevedo, 1981) a couvert 50 installations récentes (un à quatre ans) de joints modulaires. Le seul problème a été l’accumulation de débris. Pour Azevedo, ce type de joint est bien supérieur aux autres joints à grande capacité de mouvement, malgré le coût élevé d’une installation. Une enquête conduite par le Federal Highway Administration (FHWA) (Fincher, 1983) a montré que sur une période d’évaluation de cinq ans, plus de 60 % des joints laissaient passer l’eau et les 40% restant étaient soumis à des problèmes raccourcissant leur durée de vie en service. L’étude de Frederick (Frederick, 1984) sur 15 systèmes de joints (âgés de moins de deux ans) à New York a montré des performances satisfaisantes de la part des joints modulaires, excepté deux joints comprenant des membrures en aluminium. Plusieurs spécifications exigent explicitement des membrures en acier, ce qui exclut le recours à des membrures en aluminium. Le Transport Road and Research Laboratory (TRRL) (Priee, 1984) au Royaume Uni a enquêté sur les facteurs de performance des joints, incluant les joints modulaires. Les performances en service de joints sont variables, et ce pour des raisons qui ne sont pas toujours apparentes (Lee, 1994). De nombreux facteurs peuvent être à l’origine de ces défectuosités. Les enquêtes conduites par le Transport and Road Research Laboratory (Priee, 1984) montrent que les performances du joint sont influencées par les facteurs suivants :
• Mouvements structurels du joint
• Chargement dû au trafic
• Design du joint
• Matériaux utilisés
• Débris, et corrosion
• Adhérence et ancrage
• État du substrat
• Météo et température lors de l’installation et du service
• Préparation du site et main d’œuvre
• Performance des appuis .

Chaque facteur peut être responsable d’un mauvais fonctionnement des joints, et les facteurs peuvent s’influencer entre eux et combiner leurs effets sur les performances d’un joint. Par exemple, la densité du trafic et l’axe du chargement peuvent influencer la performance des appuis, aussi la préparation du site et la main d’œuvre peuvent influencer la qualité de l’adhérence et de l’ancrage, tous ces facteurs influençant les performances des joints. Cette étude montre que le trafic, les défauts d’installation, les détails de mauvaise qualité, ou des mouvements causent des défaillances au joint plus tôt que le design l’indiquait. La conclusion de ce rapport est que les coûts initiaux d’un MBJS sont insignifiants comparés au coût de maintenance spécialement lorsque les coûts d’une fermeture sont inclus. De plus, le rapport note que les joints modulaires ont de meilleures performances que les autres types de joints.

Spécifications du Florida Department of Transportation

L’État de Floride a conduit des recherches sur différents systèmes de joint (On site evaluation of bridge deck expansion joints Florida department of transportation structures research center). Bien que les MBJS ne soient pas inclus, beaucoup de facteurs de performances relevant d’autres types de joints peuvent être appliqués aux joints modulaires. Ce rapport consiste à évaluer l’installation, la maintenance et les performances des joints testés, ainsi que les tests de chargement. Douze fournisseurs de joint ont participé au programme et 17 joints ont été installés sur huit ponts. Les problèmes observés vont des fissures, des perforations, et de la séparation du scellement à la rupture totale du joint.

Des critères pour l’évaluation des performances des joints modulaires sont donnés:
• Reprendre en totalité les mouvements de la structure
• Fournir un ancrage adéquat et une capacité structurale pour résister aux charges prévues
• Posséder une surface de roulement acceptable
• Être silencieux et sans vibrations excessives
• Faciliter l’inspection, la maintenance, la réparation et le remplacement
• Fournir l’étanchéité le long de l’élément de scellement sur la largeur de la structure
• Être résistant à la corrosion

De plus, les joints modulaires ne doivent pas :
• Gêner l’expansion ou la contraction de la structure, ce qui pourrait introduire des contraintes dans la structure
• Être un catalyseur ou mener à une action électrolytique .

La solution pour les problèmes des joints d’expansion (étanchéité, accumulation de débris et ancrage) ne consiste pas en la seule amélioration du joint. Plusieurs facteurs doivent être pris en compte, comme la conception, l’installation, les phases demaintenance d’un système de joint d’expansion. Ainsi, ce rapport recommande au fabricant d’établir une procédure claire et détaillée de l’installation d’un système.De plus, cette installation doit se faire par le fabricant ou par un entrepreneur qualifié.Le Florida Departement of Transportation, après deux ans de tests et d’observation a fourni une liste de produits dont les performances sont les plus satisfaisantes pour l’état de Floride.

Facteurs de performance

La durabilité d’un joint de type fermé est le facteur le plus important affectant sa performance et son coût d’entretien. La durabilité d’un joint peut être définie comme étant la durée pendant laquelle un joint en service continue à fonctionner efficacement avec un entretien nominal. Les problèmes de durabilité peuvent être groupés en quatre catégories d’après le rapport NCHRP 467 (Dexter et al., 2002) :
• Mauvais design de joint
• Installation défectueuse
• Usure et déchirement des composants en élastomère
• Fissure en fatigue des parties en acier et de leur connexion .

Des recherches considérables ont été effectuées sur les performances des joints, en particulier au niveau des quatre types de problèmes précédemment cités. Les problèmes de construction peuvent être résolus par des spécifications adéquates au niveau de l’installation et des inspections (Osberg et al, 1999). Les problèmes d’usure des parties en élastomère sont résolus par l’amélioration des matériaux (Dexter et al.,2002). Le joint doit être conçu selon les recommandations de calcul en fatigue indiquées dans le rapport NCHRP 402 (Dexter et al., 1997) (voir chapitre 3). Les différentes recherches effectuées ont permis d’établir une liste de facteurs de performance. Ces facteurs sont résumés dans le tableau suivant. Chaque point sera examiné par la suite.

Les composants métalliques

Cette section porte sur les performances en fatigue des composantes en acier et sur leurs connexions. Tous les composants métalliques doivent être conçus en fatigue selon le rapport 402 du NCHRP (Dexter et al., 1997). La résistance en fatigue, plutôt que la résistance ultime gouverne le design d’un MBJS (voir chapitre 3). Tous les composants doivent aussi posséder leur propre résistance à la corrosion. Les composants structuraux des MBJS sont en acier ordinaire avec des détails soudés ou boulonnés. Les propriétés des matériaux ou la qualité des soudures ne sont pas des problèmes particuliers, puisque la résistance à la fatigue est considérée comme indépendante du type ou du niveau de résistance de l’acier structural. Les contraintes appliquées sont le facteur de performance le plus critique pour la résistance à la fatigue d’un MBJS. L’intervalle de contrainte (stress range) est déterminé pour une charge nominale donnée, par le module de section et la portée de la poutre centrale ou de la barre de support. La plupart des fabricants choisissent une section de poutre centrale avec le module de section le plus grand, tout en respectant les restrictions de largeur et de hauteur pour le profilé. Comme la section est la même, le facteur affectant la résistance à la fatigue est la portée de la poutre centrale.

Les manufacturiers choisissent la plus grande portée pour réduire le nombre de boite de support et donc les coûts. Cependant, le moment et donc les contraintes dans la poutre augmentent en proportion avec l’allongement de la portée. En plus d’augmenter le moment, les portées de poutre centrale de plus de 1 220 mm ont un facteur d’impact plus important (amplification dynamique)(Tschemmernegg et al., 1979). A cause de ces effets divers, des spécifications ont été élaborées en Europe (Tschemmernegg, 1991) pour limiter la portée des poutres centrale à 1 220 mm. Les joints d’expansion sont conçus d’après I’AASHTO standard Specifications for Highway Bridges (AASHTO, 1998). Des ruptures par fatigue dans l’état de Washington ainsi que sur le Burlington Bay Skyway sur la Queen Elizabeth Way en Ontario se sont produites après un court temps d’exploitation (moins de cinq ans). Si la rupture auniveau de la connexion a été causée par un chasse-neige, des fissures au niveau des connections soudées indiquent la présence d’une rupture progressive par fatigue. Des analyses statiques utilisant des charges de service ne permet pas d’assurer une longuevie en service. Le problème d’une rupture progressive par fatigue ne peut pas être résolu en choisissant de plus grandes charges ou en augmentant les facteurs d’impact sans considérer les effets des dommages cumulatifs causés par la fatigue.

Table des matières

ABSTRACT
REMERCIEMENTS
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET DES SIGLES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Les joints ouverts (open joints)
1.1.1 Joint formé (formed joint)
1.1.2 Joint à dents (finger-plate joint)
1.2 Les joints fermés (closed joints)
1.2.1 Joint avec scellement coulé (pou red joint Seal)
1.2.2 Joint compressible (compression seal)
1.2.3 Joint asphaltique (asphaltic joint)
1.2.4 Joint à plaque coulissante (sliding-plate joint)
1.2.5 Joint à garniture en élastomère préfabriqué (prefabricated elastomeric seal)
1.2.6 Joint modulaire (modular joint)
CHAPITRE 2 FACTEURS DE PERFORMANCE DES JOINTS MODULAIRES
2.1 Revues des recherches effectuées sur les facteurs de performance 
2.1.1 Historique des recherches
2 .1.2 Spécifications du Florida Department of Transportation
2.1.3 Spécifications du Washington State Department of Transportation
2.1.4 Rapport NCHRP 402, (Dexter et al., 1997)
2.1.5 Rapport NCHRP 467, (Dexter et al., 2002)
2.2 Facteurs de performance
2.2.1 Coût total en service
2.2.2 Durée de vie en service
2.2.3 MBJS et design de pont
2.2.4 L’installation
2.2.5 Les composants métalliques
2.2.6 Les composants en élastomère
2.2.7 Trafic et dommages dû aux chasse-neige
2.2.8 Maintenance
2.3 Conclusions
CHAPITRE 3 FATIGUE DES JOINTS
3.1 Généralités
3.1.1 Définition
3.1.2 Influence de la résistance du matériau de base
3.1.3 Influence des contraintes résiduelles
3.2 Catégories de détail
3.3 Détermination de la résistance à la fatigue
3.3.1 Comparaison entre I’AASHTO et I’Eurocode
3.4 Application au design en fatigue des MBJS
3.4.1 Introduction
3.4.2 Revue des recherches
3.4.3 Facteurs de performances à la fatigue
3.4.4 Spectre de chargement et nombre de cycles
3.4.5 La réponse dynamique du joint
3.4.6 Les méthodes de design
3.4.7 Règle de Miner
CHAPITRE 4 LES TESTS SUR LES JOINTS
4.1 Présentation
4.2 Tests des composants en élastomère
4.2.1 Test de vibration du mouvement d’ouverture (Opening Movement Vibration test)
4.2.2 Test du décollement du scellement (Seal Push Out test)
4.3 Test des composants métalliques (rapport NCHRP 402)
4.4 Conclusions
CHAPITRE 5 PRESENTATION DES ESSAIS Z-TECH
5.1 Introduction 
5.1.1 Définition du problème et contexte
5.1.2 Les objectifs
5.1.3 Disposition de la recherche
CHAPITRE 6 PROGRAMME EXPÉRIMENTAL
6.1 Description du spécimen et instrumentation
6.1.1 Spécimen
6.2 Programme de test et procédure
6.2.1 Programme
6.2.2 Le chargement
6.2.3 Tests de Calibration statique
6.3 Critère de rupture et calcul des intervalles de contrainte
6.3.1 Définition de rupture
CHAPITRE 7 MODÈLES ET ANALYSE DES SPÉCIMENS
7.1 Objectifs
7.2 Présentation des modèles structuraux et du chargement
7. 3 Courbes de fatigue selon AASHTO LRFD
7.4 Évaluation de l’intervalle de contrainte aux connexions soudées
7.4.1 Fissure de Type A
7 .4.2 Fissure de type B
7 .4.3 Fissure de Type C
7.4.4 Évaluation du nombre de cycles
7.5 Déformations calculées aux emplacements des jauges
CHAPITRE 8 RÉSULTATS ET OBSERVATIONS
8.1 Résumé des résultats
8.1.1 Tests de répétabilité et de calibration
8.1.2 Résultats des tests de fatigue
8.1.3 Comparaison avec les Catégories C et C’ de I’AASHTO
8.2 Résultats détaillés du test du spécimen MJ-1
8.2.1 Vérification de la répétabilité
8.2.2 Tests de calibration
8.2.3 Résultats du test en fatigue
8.2.4 Comparaison avec les catégories C et C’ de I’AASHTO
8.3 Résultats détaillés des tests du spécimen MJ2
8.3.1 Vérification de la répétabilité
8.3.2 Tests de calibration
8.3.3 Résultats du test en fatigue
8.3.4 Comparaison avec les catégories C etC’ de I’AASHTO
8.4 Résultats détaillés des tests du spécimen MJ-3
8.4.1 Vérification de répétabilité
8.4.2 Tests de calibration
8.4.3 Tests en fatigue
8.4.4 Comparaison avec les catégories C et C’ de I’AASHTO
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS
BIBLIOGRAPHIE

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