Rupture de poutres longues en béton préfabriqué précontraint

La flexion ou une flèche excessive autour de l'axe faible d'une poutre préfabriquée précontrainte élancée, voire l'effondrement d'un pont à poutres en béton préfabriqué précontraint sur un chantier lors de la phase de levage, n'est pas un accident rare. Mais cela se produit-il vraiment encore de nos jours avec tous les codes de sécurité, les recommandations et l'expérience d'ingénierie antérieure ? Oui, c'est le cas. Comment est-ce possible ? Quel est le problème ?

Instabilité latérale des poutres précontraintes de grande longueur

Les poutres en béton préfabriqué, ou poutres-caissons, sont utilisées dans une grande variété de projets, notamment les halls industriels, les grandes surfaces, les entrepôts ou les ponts à poutres en béton préfabriqué précontraint. Plusieurs avancées technologiques, telles que les matériaux utilisés, des formes de section transversale plus efficaces et des torons de précontrainte plus importants, permettent d'atteindre de plus grandes portées. En raison de l'augmentation des portées, le poids total de ces poutres augmente également, faisant parfois des phases de transport et de manutention les cas de charge critiques dans la conception structurelle, comme illustré à la figure [3].

La stratégie courante pour surmonter ce problème consiste à minimiser le poids propre des poutres en réduisant la largeur des semelles. Néanmoins, cela réduit également la rigidité selon l'axe faible et la rigidité en torsion de l'élément, amplifiant le risque d'instabilité latérale. [1]

Les accidents et dommages signalés dus à l'instabilité latérale sont généralement associés à des excentricités qui activent des effets du second ordre lors de situations de chargement transitoires (levage, transport et appui sur paliers). Les sources typiques de ces excentricités sont les tolérances de fabrication, les variations du positionnement latéral des torons, la fissuration locale, le fluage et le retrait, ainsi que l'échauffement solaire d'un côté, provoquant le cintrage de la poutre. Étant donné que les poutres en béton précontraint étaient supposées disposer d'une marge suffisante de rigidité selon l'axe faible, une attention limitée a traditionnellement été accordée à ce phénomène. [1]

Accidents de poutres longues en béton préfabriqué précontraint

Le pont Dehtiarivskyi de Kiev, construit en 1965 et fermé pour rénovation le 13 juin 2023, s'est effondré [2]. Apparemment, après que six poutres avaient déjà été montées, les ouvriers ont commencé à installer la septième, et la poutre a perdu sa stabilité, poussant le reste des poutres, et tout s'est effondré. Heureusement, il n'y a pas eu de victimes, mais les dommages financiers ont bien entendu été considérables.

Un autre exemple est une rupture lors de la phase de levage. Une poutre en béton préfabriqué précontraint de 45,6 m de long avec une section transversale constante en forme de I, d'une hauteur de 2 m et d'une largeur de semelle supérieure de 1,2 m. Imaginez : une forme déformée après la première opération de levage et une augmentation drastique du déplacement latéral allant jusqu'à 300 mm (L/150). La poutre a été reposée au sol pour évaluer les dommages éventuels. Après inspection, des fissures verticales ont été observées à la semelle supérieure gauche. Les largeurs de fissures dépassaient 0,4 mm, ce qui aurait dû être réparé afin de satisfaire aux exigences de durabilité si l'élément devait être finalement accepté.

Une deuxième tentative de levage a ensuite été effectuée. Cependant, elle a montré un dévers latéral de plus de L/400, ce qui signifiait que cette poutre était incapable de retrouver sa forme initiale. Cela était probablement dû à une déformation plastique survenue lors des opérations de levage. Ainsi, cette poutre a été rejetée, et une nouvelle poutre a été produite et transportée sur le chantier. [1]

Conception sûre de poutres élancées en béton préfabriqué précontraint

Comment pouvons-nous prévenir de tels accidents et dommages ? Arrêtons-nous de concevoir des poutres longues en béton précontraint ? Bien sûr que non, ce serait un pas en arrière et une véritable honte (l'auteur est un grand fan du béton précontraint) ! Pour un ingénieur structure, il n'est pas facile de produire une conception sûre et économique en quelques minutes.

Et dans ce cas, je crains que le crayon et le papier ne suffisent pas. Dans ma pratique récente de l'ingénierie, j'ai toujours souhaité qu'il existe un logiciel capable de m'aider dans les calculs complexes liés au déversement des poutres précontraintes élancées. Naturellement, je ne voulais pas passer ma jeunesse à saisir des valeurs d'entrée et à interpréter les résultats dans des programmes à moitié aboutis.

La solution pour le déversement

Bonne nouvelle, IDEA StatiCa propose une analyse complexe pour le déversement des poutres longues en béton préfabriqué précontraint. Tout cela est disponible dans un seul outil qui est facile à utiliser, présente des résultats clairs et génère automatiquement des rapports. Il suffit de suivre le flux de travail typique d'IDEA StatiCa Beam :

• Géométrie : la section transversale, les informations sur la portée, les câbles de précontrainte et l'historique des phases de construction sont déjà définis dans l'application Beam pour l'analyse globale et la conception. Toutes les données sont automatiquement prises en compte.
• Onglet Stabilité latérale : définissez les données d'entrée détaillées concernant le levage, le transport et les autres phases de construction, telles que l'imperfection initiale, les détails des élingues, les types d'appuis finaux, etc.  Tous ces éléments ont un impact sur l'analyse du déversement.
• Lancer l'analyse de déversement : c'est-à-dire une analyse non linéaire matériellement et géométriquement avec des imperfections initiales. La méthode avancée sous-jacente, et non des méthodes ou formules simplifiées.
• Résultats : les sorties de l'analyse de déversement sont les réactions, les efforts internes et la flèche.
• Vérification du déversement : pour l'instant, une saisie manuelle dans l'application RCS est disponible. Après l'exécution de l'analyse de déversement, accédez aux résultats détaillés (application RCS) et enregistrez en tant que nouveau fichier, saisissez les efforts internes supplémentaires dus au flambement dans la combinaison ultime et de service déterminante, puis lancez toutes les vérifications.
  Remarque : La saisie automatique des résultats de déversement dans les combinaisons de vérification sera développée prochainement. 
• Rapport : Générez des rapports précis avec des vérifications normatives automatisées et des sorties personnalisables, vous faisant gagner du temps et réduisant le risque d'erreurs. 

Retrouvez plus de détails techniques sur l'analyse de déversement et les vérifications ici.

Mot de la fin

Assurez la sécurité des poutres à chaque phase de fabrication et de construction grâce à des vérifications intégrées de la stabilité au déversement, couvrant toutes les conditions, du stockage au levage en passant par le transport. Cessez de vous inquiéter ou même d'éviter la conception de poutres élancées en béton préfabriqué précontraint parce qu'elles présentent un risque de perte de leur stabilité latérale. Aujourd'hui, vous pouvez être confiant en ayant IDEA StatiCa à vos côtés !

Sources

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] Disponible en ligne https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] Disponible en ligne https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/