Ce documentaire est un reportage sur la structure d'un caisson de viaduc. Merci à monsieur Lecomte pour l'autorisation de publication. Ce viaduc n'est pas nommé pour des raisons de préservation du patrimoine. Il n'est pas utile que des dizaines de personnes s'y rendent dans le but d'y boire une canette de bière. De toute façon, que ce soit à Millau ou le Jules Verne d'Amiens, la structure est quasiment la même. Il y a deux grandes catégories de techniques mises en oeuvres, les viaducs à caissons métalliques et ceux à caissons béton précontraint ; les deux catégories se déclinent en viaduc à hauban, à arc, les bow-string, etc. Nous présentons ici ceux en acier avec dalle participante. Le but de cette page est de faire comprendre de manière simple la structure d'un grand ouvrage d'art : un viaduc à caisson, tout en se focalisant sur le caisson, la partie la moins connue du public.

Vous pouvez écouter l'ambiance sonore de ce lieu ci-dessous, en cinq enregistrements sonores semblables. Si cela se ressemble beaucoup (piochez au hasard), vous découvrirez que cette ambiance de vrombissements et de chocs est celle d'une certaine violence. Vu la vitesse des véhicules, les contacts se trouvent augmentés de manière exponentielle. Le bruit est tel, le bourdonnement intense de basses est si prenant, que la plupart des enregistrements sont saturés.

Qu'est-ce qu'un viaduc ?
D'après Wikipedia, un viaduc est un ouvrage d'art routier ou ferroviaire qui franchit une vallée, une rivière, un bras de mer ou tout autre obstacle et qui présente une hauteur ou une longueur, plus grande que celle qu'exigerait la seule traversée de la rivière ou de la voie à franchir. Une confusion est souvent faite avec le mot « pont ». On parle de pont et de ses viaducs d'accès. Néanmoins une extension s'est faite dans le temps de la notion de « viaduc » à tout ouvrage ayant un grand nombre de travées. Ainsi certains ouvrages peuvent avoir deux dénominations on parle de pont de l'île d'Oléron mais aussi de viaduc d'Oléron.

Est-ce qu'un viaduc est plein ?
Non. Les viaducs sont tous creux, que ce soit à grande ou petite échelle. Il y a des vides dans les piliers, qu'on appelle des piles. Il y a des vides dans les goulottes quand c'est de petits espaces horizontaux dans lesquels passent des câbles. Il y a des vides dans les grands espaces horizontaux, qui sont les caissons. On parle beaucoup de caissons ici, parce que c'est ce qui est représenté sur les photos. Le but est de montrer ce que peu de gens connaissent : un viaduc c'est creux.
Un caisson ou une pile seraient pleins, ça pèserait des millions de tonnes. Ca serait très coûteux en achat de matériaux, en mise en oeuvre, ce serait immensément lourd. Faire des structures creuses permet de s'affranchir de ces problèmes.
A quoi sont utilisés ces vides ? Principalement à la circulation d'un être humain, pour vérifier s'il y a de la fissuration ou de la déformation, éventuellement au passage d'un robot équipé d'une caméra, bien que ça soit plus rare. C'est donc pour cela que dans une pile, on trouve des échelles. Dans les caissons, on trouve une foule de choses : des canalisations d'évacuation des eaux de pluie, des boîtiers électriques pour l'éclairage, une alarme, etc.
Est-ce que vous pouvez visiter un caisson ? Non, ce n'est pas fait pour. Seuls des techniciens des directions des routes et des autoroutes peuvent y aller. Pour se prémunir des tags et autres dégradations, les caissons sont équipés d'alarmes aux portes de culées, ce sont des alarmes de contact. Un dispatching qui tourne 24/24, est prévenu si une porte est ouverte.

Pourquoi fabrique-t'on un caisson ?
C'est une grande question, toute la page en parle ! Un pont se constitue d'un grand nombre d'éléments. On a tout d'abord un tablier. C'est en quelque sorte la couche de roulement sur laquelle roulent les voitures, même si en réalité le mot tablier concerne toute la dalle horizontale constituant la base de roulement des véhicules. Les piliers sont comme on l'a dit des piles. Le tablier repose sur les piles. Entre le tablier et les piles, il y a une couche d'élastomère, un caoutchouc à très haute résistance, qui absorbe les déformations, ce qui évite que les piles encaissent un nombre important de chocs et de vibrations. Ce sont des amortisseurs. Sous le tablier, on place un ou deux caissons. Pourquoi fait-on ça ? La réponse va être très simple. Prenez une feuille de papier et pliez là en quatre, de manière à faire un petit immeuble. Vous la disposez verticalement, donc comme pour faire une tour d'appartement. Maintenant, essayez de l'écraser. Vous allez remarquer que la feuille résiste vaillamment avant d'être aplatie. Imaginez maintenant que cette feuille soit en plaques d'acier très épaisses... Un caisson, c'est un élément de raidisseur. Ca permet de durcir la structure du pont.

L'intérieur d'un caisson.

Les bracons
A l’extérieur du caisson, on voit assez souvent des pièces métalliques qui ressemblent à de grosses tiges. Ce sont des barres qui partent du bas du caisson, vers l’extrémité du tablier. Ce sont en quelque sorte des pièces de soutènement, depuis un axe central, les pièces tiennent les extrémités du tablier. Ces éléments s’appellent des bracons. L'emploi de ces pièces métalliques permet d'alléger de 30 % la dalle supérieure du tablier en béton. Le caisson central peut être ramené à un tiers contre deux tiers pour les encorbellements latéraux. L’utilisation de bracons comme soutènement permet donc :
-De diminuer la largeur de caisson.
-De soutenir le tablier par un système de poutrelles enchevêtrées légères.
-D’éviter du poids de matériau à mettre en œuvre et à porter, ce qui implique donc une structure plus facile à mettre en œuvre.
Les bracons sont des pièces qui subissent de la compression et surtout des efforts de flexion. Imaginez la barre utilisée lors d’un saut à la perche, lorsqu’elle se tord, c’est de la flexion. Ces bracons peuvent aussi bien être en métal qu’en béton. S’ils sont en béton, ils ont tendance à être monumentaux et placés longitudinalement (viaduc de la Grande Ravine). Dans le cas de notre ouvrage, ils sont en métal, tubulaires, et placés latéralement. S'ils sont placés longitudinalement, on a tendance à les dénommer des béquilles.

Les fissures typiques du cisaillement sont à 45 degrés. Cela s'observe sur du béton, ce qui n'est pas notre cas puisque nous sommes en acier. L'intérêt des pièces d'acier, c'est qu'elles peuvent subir une certaine déformation sans aller directement à la fin de service. Les ouvrages sont sur-dimensionnés dans le but de se prémunir des déformations et des ruptures. Si cela peut paraître un peu compliqué, on peut conclure que les bracons ont pour but de soutenir les bords des tabliers.

Le tablier
De manière simplifiée mais juste, c'est la dalle horizontale sur laquelle roulent les voitures. Cette dalle est constituée d'une certaine épaisseur de béton. Cette dalle est renforcée par une structure métallique, elle s'appelle alors une dalle orthotrope. A l'intérieur du béton, on place une surarmature en plaques d'aciers spéciaux, qui forment des trapèzes. Cette armature permet de renforcer la dalle au niveau des efforts de cisaillement et de traction. Le béton est quant à lui excellent en matière de compression. La dalle de béton est recouverte de plusieurs couches d'enrobés hydrocarbonés (en principe trois), ou d'une seule à haute performance. Ce sont des enrobés spéciaux, qui sont drainants et qui surtout ont une capacité à absorber les déformations. On calcule la déformation du pont dans ce qu'on appelle en résistance des matériaux les règles neige et vent. Les enrobés sont fabriqués à la centrale en fonction des contraintes. Cela peut être un RMB, un spiltmastixasphalt, etc.

Les tabliers sont posés par travées. Une travée, c’est un bloc entre deux piles. C’est pour ça que lorsqu’on roule sur un viaduc, on a des joints dans la voirie, ce sont les joints de dilatation qui sont situés soit aux culées soit aux jonctions de tabliers. Un tablier est posé soit par grutage, soit par lançage. Le lancement d’un tablier de viaduc est l’une des opérations les plus délicates. Les tabliers peuvent peser 36.000 tonnes (viaduc de Millau par exemple) et sont à placer au millimètre près. Le tablier est lancé grâce à des translateurs, qui sont de véritables muscles d’acier. Le tablier se retrouve suspendu dans le vide, parfois à plus de cent mètres de hauteur. Le translateur doit lever le tablier de 2cm. Ensuite, le translateur doit pousser le tablier, cela se fait par portions de 600mm, chaque opération dure environ 4 minutes. Le translateur repose le tablier sur la pile, le bout est retenu par un avant-bec et d’un pylône avec haubans. Pour des viaducs de grande dimension, le placement peut prendre 3000 cycles de poussée. A un moment précis, le tablier est suspendu dans le vide sans sa pile, c’est très impressionnant. Dans notre cas, les tabliers ont été lancés, soutenus par des mats de levage. Le caisson a été monté en premier, les encorbellements ensuite, la dalle orthotrope en dernier. Il y a six travées existantes dont la plus longue fait 150 mètres. La technique de montage utilisée donnait lieu à des déformations importantes de l'ouvrage dues au poids propre. Dès lors, il a été nécessaire de prévoir le montage du pont sur des appuis provisoires, plus haut. Après l'assemblage, l'ouvrage a été abaissé au moyen de vérins.

Les dalles de béton d'un tablier sont en éléments précontraints. Le béton possède des propriétés mécaniques intéressantes en compression alors que la résistance en traction est limitée et provoque rapidement sa fissuration et sa rupture. La précontrainte consiste à tendre les aciers constituant les armatures du béton, et donc à comprimer, au repos, ce dernier. Ainsi, lorsque la structure est sollicitée, ces armatures s'allongent et le béton a tendance à se décompresser sans toutefois se mettre en traction, puisqu'il était déjà en partie comprimé. Selon que cette tension appliquée aux armatures (appelé câble de pré-contrainte ou toron de pré-contrainte) est effectuée avant la prise complète du béton ou postérieurement à celle-ci, on distingue la précontrainte par pré-tension et la précontrainte par post-tension.

La dalle orthotrope possède donc, comme nous l’avons vu, des encorbellements, soutenus par des bracons. La dalle orthotrope a été assemblée par soudure, les assemblages des âmes des caissons, de la semelle inférieure, des raidisseurs et des plats à bulbe ont été réalisés par boulons à haute résistance. La dalle de béton a une épaisseur de 25 centimètres, recouverte d'une couche d'enrobés, dite couche de roulement, de faible épaisseur. Ces enrobés, dans les meilleurs des cas, sont des enrobés à module élevé (EME et BBME). Ce genre de bitume peut s'appeler une orthochape si elle est de grande performance.

Un matériau est dit orthotrope s'il a deux plans de symétrie de comportement mécanique. A l'intérieur de la dalle en béton se trouve une structure métallique. Le tablier comporte des plaques portantes en acier raidies, soit longitudinalement, soit transversalement, voire dans les deux directions. Cette structure permet au tablier de reprendre directement les charges de trafic, tout en participant à la capacité portante et à la résistance globale du pont. La dalle orthotrope peut être autoportante, posée sur une grille de traverses et longerons, ou sur un treillis d'entretoises et de raidisseurs. Les éléments raidisseurs jouent plusieurs rôles à la fois : ils améliorent la résistance de la dalle à la flexion en reprenant le poinçonnement des charges localisées qui sont redistribuées dans les raidisseurs principaux. Ils augmentent aussi la section résistante d’acier dans l’épaisseur de la dalle, ce qui accroît naturellement la capacité portante en flexion du tablier.

Vous pouvez vous amuser avec une dalle orthotrope ici (tant qu'à faire, autant que ça soit ludique !)

Le caisson
De manière simplifiée, le caisson est un raidisseur. Il intervient essentiellement afin de contrer les efforts de flexion, plus précisément de fléchissement ou de flambement. Il agit aussi dans les efforts de torsion, dans les cas de grands vents. Ce sont des effets dynamiques qui ont déjà démoli des viaducs, le pont sur le détroit de Tacoma le 7 novembre 1940 par exemple, entré en résonance.

Le caisson fait 9 mètres de largeur. C’est en fait un double demi-caisson soudé en son centre. L’âme du caisson n’est pas inclinée. L’intrados du viaduc est rectiligne. Par contre, on note sur les photos une certaine courbure des poutres du caisson au niveau du toit. En effet, les deux tabliers (voie aller et voie retour), sont chacun inclinés latéralement de 2,0%, afin de permettre l’écoulement des eaux. L’ouvrage possède une pente longitudinale, légère. Le fond de caisson est raidi sur toute la longueur par des rangées de raidisseurs, entretoises constituées en fonction des sollicitations d’augets en travées de rive, de caissons rectangulaires sur appuis principaux et d’aciers plats en zone à traction prépondérante en milieu de travée centrale.

La structure est raidie par des augets.

Les augets
Les augets sont les barres transversales à l'intérieur du caisson. Ce sont principalement des raidisseurs. On les voit parfaitement sur l'image ci-dessus, ce sont les éléments inclinés. Ils sont de bons accessoires pour minimiser les efforts de traction. En effet, le caisson peut subir de l'écrasement, les parois s'ouvrent vers l'extérieur. Comme l'acier est très bon en traction, les augets permettent que le caisson reste à sa forme définie. Il est bien évident que jamais à ma connaissance n'a été observé un caisson éventré par un effort de traction, c'est un cas d'école.

La structure du caisson n'est pas homogène et c'est volontaire. On appelle souvent ce type de lieu un caisson à poutres et augets. Les poutres constituent les éléments assurant la rigidité, tandis que les plaques de tôles ont des épaisseurs variables, destinées à reprendre les efforts de traction. Les lieux les plus sollicités, soit les appuis sur piles ou les longues travées sont renforcées en tôles 15mm plutôt que 10 ou 12.

Cinématique des appuis
Les joints de dilatation ont pour but de ponter les joints du pont dans la zone située à la jonction du tablier et de la culée. Ils doivent pouvoir absorber les mouvements du pont sans provoquer trop de contraintes. De même, la sécurité du trafic et l’étanchéité doivent être garantis. Les joints de dilatation sont constitués d'une partie fixe, c'est une pièce profilée en acier moulé, boulonnée sur la culée, puis d'une partie mobile, un volet métallique articulé, solidaire de la superstructure du pont. Il glisse au cours du mouvement sur la pièce fixée à la culée. Les plaques précontraintes et articulées permettent également des mouvements verticaux et des torsions des éléments du tablier.

Au bout du compte, un viaduc n'est rien d'autre qu'une merveille de résistance des matériaux, qui se résume parfaitement par cette équation, base fondamentale de la RDM, l'équilibre des translations en milieu déformable :

Si le tablier appuie sur la pile, il applique une force de compression. L'équilibre des translation, c'est que la pile répond par une force équivalente ; force qui est la résistance opposée par le béton en compression. Si les translations sont équilibrées, vous avez le viaduc que je vous présente. S'il n'y a plus d'équilibre, il y a rupture. Tout ce que je présente ici est complètement théorique, parce que dans un bracon, il n'y a pas que de la flexion, il y a un mélange de compression, d'efforts tranchants, éventuellement un peu de tout à la fois. Pour calculer ces forces en présence, on utilise des logiciels de modélisation. On impose généralement plusieurs niveaux de modélisations. En particulier, un modèle tri-dimensionnel avec calcul aux grands déplacements est systématiquement réalisé pour la vérification de l’ouvrage dans le cas de charges accidentelles. On vérifie aussi l'ouvrage en laboratoire, en faisant des effets de vorticité avec des ventilateurs, sur des maquettes de diverses échelles, comme expliqué plus loin. La vorticité est tout simplement la formation de tourbillons, ce qui en dynamique des fluides créée des efforts de traction redoutables ainsi que des mises en résonance des ouvrages.

Pour réaliser les essais, on réalise une maquette dynamiquement semblable au pont et on reproduit ensuite les vents dominants pour mesurer les déformations occasionnées sur le viaduc. Avec des essais de vorticité, on peut mesurer les écart types de déplacement des piles du pont en fonction de l’incidence des vents dominants. Les études de déformations s'effectuent par exemple sur Femlab (aujourd'hui appelé Comsol).

Après ces étapes préalables, on réalise des tests de mise en service en état limite. Ainsi, on fait venir 1000 camions sur les tabliers, par exemple, afin de valider l'ouvrage et simuler les pires embouteillages à jamais imaginables. L'ELU est très au-delà du test imposé à l'ouvrage.

Les ponts vivent
et meurent. C'est ainsi que s'observent, après des années d'utilisation, ce qu'on appelle une fatigue de l'ouvrage. Ce n'est pas qu'il n'arrive pas à se lever le matin, c'est une usure des pièces soumises aux contraintes les plus importantes. On observe principalement de la fissuration, de la désagrégation et de la délamination des structures. C'est pourquoi les ouvrages sont inspectés très régulièrement. D'après la définition, la délamination ou délaminage, arrive quand un matériau composite formé par quelques couches est séparé, thermiquement ou par un autre processus. C'est le cas par exemple dans un tablier, quand la dalle orthotrope se trouve désolidarisée, et que cette dalle en acier se promène dans la structure. Un nid de poule provoquera alors un trou, avec éventuellement (en exagérant un peu), un plongeon dans le fleuve. Le trou est un état ultime. Il faut bien reconnaître que la délamination est rare et récente dans l'histoire des ouvrages. Le symptôme le plus évident est une baisse catastrophique des résistances à la traction : 1 à 4 N/mm². Les alternances de gel-dégel sont les principales causes de dégradation des structures. on repère ces problèmes à l'apparition de taches d'humidité, de faïençage, de tâches de fleurs de salpêtre, de craquelures.

La structure du caisson est peinte. Ce n'est pas pour faire joli. On s'en moque, on est à l'intérieur d'une structure qui n'est pas publique. La peinture époxy est particulière, elle répond à des besoins de protection contre la corrosion. En effet, la corrosion du métal fragiliserait le caisson.

Le caisson est parcouru par un chemin en caillebotis, qui permet d'inspecter la structure.

Au dessus de chaque pile, la structure change. En dessous, ce sont les appuis sur piles, qui ont été
calés avec des vérins. L'escalier enjambe la pile.

L'installation est parcourue par un vaste ensemble de câblages électriques, qui alimentent l'éclairage, la surveillance électronique des vibrations, le système d'alarme. Les déplacements du tablier au niveau des culées sont ainsi surveillés au millimètre près, de même que les déplacements des semelles par rapport aux puits marocains. Le tablier métallique est doté de plusieurs accéléromètres qui contrôlent les phénomènes oscillatoires. Les piles, soumises à d’importants efforts mécaniques, sont équipées d’extensomètres pouvant mesurer des mouvements au micromètre près.

Les coins sont renforcés, ce sont les éléments les plus importants du caisson.

Au sol, on voit des lignes. Ces renforts d'armatures ont pour but de rigidifier l'ouvrage. En effet, ces poutrelles ont une forme de I, un peu comme un IPN. L'addition de parties horizontales aux verticales permet d'éviter les flexions, ces structures peuvent s'appeler des platelages.

A la culée, c'est la fin du caisson. L'escalier derrière la petite porte monte sur l'autoroute.