Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Ce mémoire porte sur la comparaison de méthodes de calcul utilisées pour évaluer l’état limite de fatigue (ÉLF) des ponts incorporant des platelages en aluminium sur poutre d’acier. Le pont de St-Ambroise, premier pont avec un platelage en aluminium en sol canadien, est utilisé comme référence. Peu d’étude compare les méthodes d’analyses des platelages en aluminium. Une analyse des détails sensibles à la fatigue du pont de St-Ambroise est faite. Certains détails, comme les dispositifs d’attaches entre le platelage et les poutres doivent être revus, car ils produisent inutilement des contraintes dans les soudures qui sont sensibles au phénomène de fatigue. La norme canadienne ne comprend pas de courbe S-N pour des soudures effectuées par friction malaxage. Une revue de la littérature a permis d’identifier des courbes S-N mieux adaptées. Basées sur la revue de la littérature effectuée par l’auteur, les courbes disponibles au chapitre 17 de la norme canadienne sont sécuritaires pour les soudures par friction malaxage en aluminium pour la conception des ponts. Des simulations numériques et des calculs basés sur la théorie de poutres sont réalisés. Une étude comparative entre les éléments de type solide et de type coque est réalisée pour des segments de pont. Les éléments de type coque peuvent être utilisés pour l’évaluation et la conception de pont incorporant des platelages en aluminium. Les éléments de type coque ont tendance à sous-estimer légèrement les contraintes et les déplacements. Les méthodes simplifiées utilisant les principes de la résistance des matériaux et la théorie des poutres sont dépendantes d’une largeur effective. Ces méthodes permettent d’obtenir un ordre de grandeur et de valider les modèles par éléments finis, mais ne devraient pas être utilisées pour la conception et l’évaluation à l’état limite de fatigue. Un modèle numérique du pont de Saint-Ambroise, incorporant les résultats de l’étude comparative du type d’élément, est modélisé et comparé aux résultats de l’essai de charge réalisée sur le pont réel par MTQ. La comparaison des méthodes de calcul et les techniques de modélisation proposées donnent une base de calcul pour les futurs projets et donnent des outils aux ingénieurs concepteurs.

This master's thesis aims to establish a comparison of the different methods to evaluate the fatigue limit state (FLS) of bridges incorporating aluminum decks on steel girders. The St-Ambroise bridge, which is the first bridge with an Aluminum deck in Canada is used as a reference. Few studies are currently available on the modelling techniques for Aluminum deck. An analysis of the details of the St-Ambroise bridge prone to fatigue is carried out. A number of details, like the connectors between the deck and the girders are excluded from the analyses because their design is flawed as they produce high stress concentration in the welds. The Canadian Highway Bridge Design Code does not specify S-N curves for friction stir welding. A review of the literature by the author made it possible to identify better adapted S-N curves. The curves available in Chapter 17 of the Canadian standard are safe for Aluminum friction stir welds. Numerical simulations and calculations based on beam theory are made. A comparative study between solid type and shell type elements is carried out. Shell elements can be used for the evaluation and design of bridges incorporating aluminum decks. Shell elements tend to slightly underestimate stresses and displacements. Simplified methods using the principles of mechanics of materials (ex. beam theory) are dependent on an effective width. These methods can be used in obtaining an order of magnitude and to validate finite element models but should not be used for design and evaluation of the fatigue limit state. A numerical model of the St-Ambroise bridge, incorporating the results of the comparative study between solid type and shell type, is analyzed and compared to the results of the load test carried out by the MTQ on actual bridge. The comparison of the calculation methods and the proposed modelling techniques provide a calculation basis for future projects and provide tools to engineers.