Presse plieuse

L'IDOT a lancé un défi pour le développement d'une solution viable et économique pour accélérer le remplacement de l'infrastructure vieillissante des ponts aux États-Unis. Un groupe de travail de l'industrie a développé des poutres tubulaires formées par presse plieuse pour les ponts à courte portée qui sont formés dans une usine, pré-assemblés avec une plate-forme en béton et installés sur place en quelques heures ou jours.

Note de l'éditeur : cet article est basé en partie sur une présentation au Symposium mondial sur les ponts en acier de l'AISC 2019, à Saint-Louis, le 3 avril 2019.

Ce n'est un secret pour personne que l'infrastructure américaine doit être remplacée. Lorsque le pont I-35 du fleuve Mississippi à Minneapolis s'est effondré en 2007, tuant 13 personnes, tout le pays l'a remarqué.

Deux ans plus tard, l'American Recovery and Reinvestment Act comprenait près de 50 milliards de dollars de financement pour les infrastructures de transport afin de soutenir les réparations nécessaires et les investissements transformateurs à long terme dans les communautés de tous les États. La réparation et le remplacement des infrastructures sont un objectif sur lequel les deux partis politiques semblent s'entendre.

Selon le Bureau of Transportation Statistics, il y avait plus de 617 000 ponts en 2019 aux États-Unis et seulement 279 582 (44 %) sont en bon état. Plus de 56 000, soit 9,1 %, des ponts du pays ont été classés comme structurellement déficients en 2016.*

Le temps presse. Près de quatre sur 10 ont 50 ans ou plus, selon la déclaration 2017 de l'American Society of Civil Engineers (ASCE).

L'économiste en chef, le Dr Alison Premo Black de l'American Road & Transportation Builders Association (ARTBA), a déclaré : « Au rythme actuel, il faudrait plus de 50 ans pour réparer les ponts structurellement déficients des États-Unis.

"Le plus grand besoin se situe dans la catégorie des ponts à courte portée de 140 pieds ou moins", a déclaré le Dr Karl Barth, Département de génie civil et environnemental de l'Université de Virginie-Occidentale, ajoutant que près de la moitié des ponts structurellement déficients appartiennent à la catégorie des ponts à courte portée. Un pont à courte portée est défini comme un pont dont la distance entre deux supports intermédiaires est inférieure à 140 pieds.

À la recherche de moyens nouveaux, meilleurs, plus rapides et moins chers de remplacer les ponts pour aider à résoudre la crise des infrastructures aux États-Unis, IDOT a lancé un défi pour le développement d'une solution viable et économique pour remplacer l'infrastructure vieillissante des ponts pour les structures à courte portée allant jusqu'à 80 pieds.

Barth a dirigé le groupe de travail de l'industrie responsable du développement de la technologie.

Les chercheurs de l'Université de Virginie-Occidentale ont commencé avec la forme d'une boîte trapézoïdale soudée typique, mais l'ont fabriquée par pliage de presse-plieuse pour économiser du temps et de l'argent. La fabrication a été réalisée par Greiner Industries. Photo gracieuseté de la Short Span Bridge Alliance.

Nous avons été chargés par le département fédéral des autoroutes de développer des systèmes pour l'accélération de la construction de ponts à courte portée qui seraient économiques ", a déclaré Barth. " L'objectif était d'utiliser des largeurs de plaques standard couramment disponibles de 84 pouces, 96 pouces, etc. " Le processus devait également être compatible avec la production de masse pour éviter les coûts de personnalisation.

Quel est le système ? Il s'agit simplement d'une simple poutre en acier avec un tablier en béton préfabriqué, avec une touche d'originalité.

"Nous nous sommes retrouvés avec une boîte trapézoïdale en acier standard, mais nous l'avons fabriquée à partir d'un pliage de presse plieuse plutôt que d'un soudage conventionnel", a déclaré Barth. "Les fonctionnalités pour la courte portée peuvent être produites en environ 30 à 40 minutes en utilisant la formation de presse plieuse."

Le type de poutre est le rapport de pente de poutre trapézoïdale américain courant de 1 à 4 sur les bords, avec un rayon de courbure de 5T, a expliqué Barth. "Nous avons pensé que nous n'avions pas besoin de beaucoup de compression sur la bride. Nous les avons maintenues à 6 pouces de large. Nous avions juste besoin de suffisamment pour maintenir les goujons jusqu'à ce que nous ayons le pont dessus."

La poutre de cuve en plaque formée par presse plieuse (PBFTG) est galvanisée pour prolonger la durée de vie et est ensuite surmontée d'un tablier en béton. "Notre norme est de les galvaniser à chaud à l'intérieur et à l'extérieur pour fournir plus de 60 ans de protection.

"Ce n'est pas extrêmement innovant. Mais il est fabriqué d'une manière qui peut être économique sur le marché des ponts à courte portée. Les géométries de pont plus grandes et plus compliquées avec des bacs à section fermée ont une géométrie très idéale pour les applications de soudage. Le problème est que vous ne pouvez pas réduire cette technologie de manière économique au marché des ponts à courte portée de 40, 60 ou 80 pieds", a conclu Barth.

Le module peut être préassemblé ou assemblé sur place. Les modules sont assemblés à l'aide de coulées longitudinales de fermeture en béton à ultra haute performance (UHPC).

Au cours de la phase de recherche, le pliage de la presse plieuse a été effectué par Greiner Industries, Mount Joy, Pennsylvanie. Le fabricant a formé les coudes de la cuve sur une presse plieuse Baykal de 2 750 tonnes et de 40 pieds de long, qu'il possédait déjà, puis a acheté des outils d'extension pour le travail.

Greiner Industries, Mount Joy, Pennsylvanie. Le fabricant a formé les coudes de la cuve sur une presse plieuse Baykal de 2 750 tonnes et de 40 pieds de long. Le fabricant a également installé un outil d'alignement de lumière laser qui pointe vers la cible de pliage intérieur pour s'assurer que la pièce était complètement alignée avec les poinçons.

Le fabricant a également un 26 pieds. et 34 pieds. frein qui peut être utilisé ensemble pour plier 60 pieds de plaque de ¾ po d'épaisseur, mais il a utilisé le 40 pieds car il offrait un certain nombre d'avantages pour le 40 pieds. travée du pont.

L'ouverture du lit peut être ajustée de 3 à 17 po. « Nous pouvons plier jusqu'à 1 1/4 po d'épaisseur de plaque sur l'ensemble des 40 pi », a expliqué Bruce Sine, directeur de la division de laminage et de formage. "Parce que c'est une seule machine, nous avons toute la presse disponible."

La presse plieuse a également accueilli les multiples coudes nécessaires pour former la cuve. "Une fois que vous entrez dans plusieurs virages, cela devient intéressant, car si vous avez des brides, vous devez les retourner pour les plier, et vous devez avoir suffisamment d'espace pour pouvoir accéder au deuxième virage sans toucher quoi que ce soit d'autre", a déclaré Sine. "Lorsque vous utilisez des presses en tandem, selon la gorge de celle-ci, elle peut heurter le cadre arrière, de sorte que vous ne pourriez pas plier de longues jambes dessus. Avec le 40 pieds, nous avons 2 pieds de dégagement, nous avons donc beaucoup de dégagement pour plier les brides.

"Avoir une seule presse plieuse avec le tonnage que nous avions était un avantage", a déclaré Sine.

Greiner a également installé un outil d'alignement de la lumière laser qui pointe vers la cible de courbure intérieure. "Nous voulions nous assurer que la pièce était complètement alignée avec les poinçons. De cette façon, vous avez une vraie mesure de l'endroit où vous voulez plier. C'est beaucoup plus précis qu'un ruban à mesurer."

La presse plieuse est équipée de réglages mécaniques de couronnement dans le lit de la machine. "Le couronnement n'est pas un problème ; il vous suffit d'ajuster le lit pour cela et le résultat est plutôt agréable. Et vous pouvez en fait ajuster les axes Y1 et Y2 si un côté frappe plus fort que l'autre."

Sine a déclaré que dans l'ensemble, le travail n'était pas trop difficile. "Une fois qu'il a été composé, cela s'est passé assez facilement."

L'équipe de recherche a effectué des tests de fatigue approfondis des poutres pour calculer leurs capacités de rendement à différentes épaisseurs de plaque. L'équipe a utilisé un 84 pouces de large par 7/16 pouces. plaque d'acier (50- et 79-KSI) pour une foule de tests pour la recherche à l'université. "C'est la plus grande poutre que nous puissions construire et tester jusqu'à l'échec avec notre actionneur de 330 kp pour évaluer la capacité de charge", a déclaré Barth.

Les tests ont montré le "sweet spot" à chaque épaisseur de plaque (7/16 po, ½ po, 5/8 po) et largeurs (60 po à 120 po de long). Les profondeurs sur lesquelles ils ont finalisé sont les profondeurs de la superstructure des poutres après validation de la capacité des poutres. Pour des portées allant jusqu'à 60 pi, ½ po. la plaque fonctionne. Pour des portées plus longues jusqu'à 80 pi, une plaque de 5/8 po d'épaisseur est requise.

Les tests ont montré le sweet spot à chaque épaisseur et largeur de plaque pour les profondeurs de poutre.

"Il existe une profondeur à laquelle vous pouvez obtenir la capacité maximale pour cette section. Une fois que vous avez défini cette largeur de bride et le rapport de pente et choisi votre profondeur sur une plaque d'acier de laminage commune, toute la géométrie en ressort", a-t-il déclaré.

L'équipe a testé les performances de fatigue des profilés en acier galvanisé et non revêtu pour voir si des problèmes se produiraient avec les rayons de courbure sélectionnés. Puis ils ont testé le système modulaire avec fermeture pour évaluer le tablier. Ils ont évalué la capacité des modules avec un système de pont coulé et placé et les exigences de contreventement et de déflexion. "Nous testons cela depuis sept ans. Ce système a donc été soigneusement vérifié", a déclaré Barth.

Le PBFTG répond aux exigences de l'American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

Une subvention du programme Innovative Bridge Research and Deployment (IBRD) du Département américain des transports de la Federal Highway Administration (FHWA) a jeté les bases de la première installation du système modulaire PBFTG aux États-Unis

La FHWA a accordé à l'ingénieur Brian Keierleber, PE, 350 000 $ du programme de la BIRD pour remplacer le pont de la scierie Amish dans le canton de Fairbank, comté de Buchanan, Iowa.

"La normalisation était importante sur le marché des courtes portées", a déclaré Keierleber. "Nous ne voulons pas personnaliser chacun d'entre eux comme une œuvre d'art. Si vous avez besoin d'une poutre de 40 pieds, vous voulez simplement aller à cette table et choisir cette poutre qui s'étend sur 36 pieds. Il n'y a aucune raison de la reconcevoir. " Les conceptions standard vont de 20 à 80 pieds.

La construction du pont a commencé à la fin de l'été 2015 et s'est achevée en décembre 2015.

Un pont dans le comté de Muskingum, Ohio, devait être remplacé.

Le PBFTG peut être formé bride-sortie bride-entrée comme une boîte peu profonde.

Le tablier en tôle sandwich a été assemblé hors site et les poutres modulaires sont arrivées sur le site par un seul camion.

"Nous parlons de construction accélérée. La superstructure a été installée en 20 minutes. Je n'avais jamais vu un pont de 20 minutes entrer auparavant", a déclaré Barth.

Le comté de St. Clair, Michigan, entretient 226 ponts. Parmi ceux-ci, 20 sont dans un état critique ou grave, 21 sont en mauvais état et deux ont des limites de poids interdisant la circulation des camions. Deux ont été fermés à la circulation en raison de leur état. "Ils ne peuvent pas suivre. C'est courant aux États-Unis", a déclaré Barth.

Deux ponts du comté de St. Clair avaient des restrictions de poids interdisant le passage des camions. La route à deux voies avec plus de 16 000 passages à niveau est un chemin critique vers Marine City. Ils ont été construits en 1953 et avaient donné 65 ans de service. Aucun revêtement des poutres en acier ou autre entretien n'avait été effectué sur celles-ci.

TEG Engineering a été engagé pour concevoir le remplacement des deux superstructures de pont à l'été 2018. L'entreprise conçoit des ponts préfabriqués pour aider à minimiser les impacts sur la mobilité résultant des activités de construction sur site.

"Les poutres du pont devaient être simples, durables, compatibles avec la conception AASHTO et durables", a déclaré Guy Nelson, PE, TEG Engineering. "Si tout cela était unique, vous n'obtiendrez jamais un système abordable. Nous avons dû mettre en place des poutres de baignoire abordables. Et nous le faisons partout aux États-Unis"

Les comparaisons de coûts ont montré qu'un pont en acier conventionnel avec revêtement d'asphalte mélangé à chaud (HMA) utilisant un tablier en acier galvanisé coûterait 75 000 $; un système de dalots préfabriqués coûterait 63 000 $; et les approches HMA du système PBFTG ont coûté 57 000 $ et la durée de fermeture de route la plus courte.

"Nous nous sommes procuré la poutre en acier formée par presse plieuse, la galvanisation et les goujons et avons embauché un préfabricant local qualifié pour assembler l'ensemble du pont", a déclaré Nelson. La fabrication du PBFTG (galvanisation, fabrication du métal et coulage du tablier en béton) prend environ deux mois, elle a donc commencé deux mois avant la démolition du pont.

Sur l'un des ponts, le comté a pu utiliser son propre équipement d'excavatrice pour installer les unités de 35 pieds de portée pour le pont et n'avait besoin que d'une grue pour installer un pont de 45 pieds. travée sur le deuxième pont.

La boîte à bride a une bride inférieure plus large pour augmenter la capacité et la rigidité de l'ensemble du système lorsque la déviation est un problème ou qu'une boîte moins profonde est nécessaire pour correspondre au système précédent.

Le remplacement de la superstructure a été achevé en quatre jours. Il a fallu deux jours pour démolir le pont existant et un autre jour pour réparer les culées en béton. La superstructure PBFTG elle-même a été installée le quatrième jour en quatre heures. "Les poutres ont été amenées à 8 heures du matin et assemblées sur place à midi", a déclaré Nelson.

Un béton polymère a été coulé pour le joint du tablier, suivi d'un revêtement époxy. Ensuite, une couche d'asphalte a recouvert l'ensemble du pont. Les garde-corps ont été installés en dernier. Le délai total de réalisation était de 10 jours ouvrés.

Le coût final total était de 180 751 $, y compris les matériaux, la main-d'œuvre, les frais généraux et l'équipement.

*Le terme "structurellement déficient" a été redéfini en 2018, et maintenant 5,5 % des ponts américains sont classés comme structurellement déficients. De plus, l'agence ne suit plus les ponts précédemment qualifiés de "fonctionnellement obsolètes".