Le premier pont métallique a été réalisé en fonte, en Angleterre. Il s’agit de Iron Bridge, construit en 1779 par Abraham Darby III sur la Severn, à Coalbrookdale. Sa portée est de 30,5 m pour une longueur totale de 60 m, et il passe à 30 m au-dessus de la rivière.
Mais c’est avec l’apparition de techniques de fabrication performantes de l’acier que vont vraiment se multiplier les ponts métalliques, en parallèle avec le développement du réseau ferroviaire. L’âge d’or se prolongera jusqu’à la Première Guerre mondiale, malgré l’apparition en France dès 1898 d’un redoutable concurrent : le béton armé.
La matière(s)
Les aciers utilisés pour les constructions sont des alliages Fer-Carbone faiblement alliés, avec génerrocilisées[Quoi ?]. Pour des raisons esthétiques ou de sécurité, d'autres types d'aciers peuvent être parfois rencontrés: acier Corten, acier inoxydable,…
Désignation de la nuance de l'acier
Résistance à la limite élastique en MPa
Allongement du métal à la rupture, en %
Acier doux ordinaire
235 à 355
>15
Acier à haute résistance
355 à 690
>15
Acier à très haute résistance pour la constitution des câbles
1200 à 1400
1,5 à 2,5
Pour des raisons de sécurité, on ne fait travailler l'acier dans les ouvrages que très au-dessous de sa limite élastique; la fatigue limite les contraintes à environ la moitié de cette limite, soit 120MPa pour l'acier doux ordinaire et 180 MPa pour l'acier à haute résistance. C'est cette limite en fatigue qui sert de référence dans le calcul des structures.
D'autres caractéristiques peuvent également intervenir: la température, la résistance à la corrosion sous contrainte, la tenue en ambiance saline,…
Profilés
Désignation
Largeurs en mm.
Plat
de 30 à 180 mm
Large-Plat
de 200 à 1 000 mm
Tôle
de 800 à 3 600 mm
en éléments profilés, dont les plus courants sont: les cornières, les fers en U et les tg
Cornière à ailes inégales
Poutrelle
Fer en U
Procédés d'assemblage de l'acier
Les procédés d'assemblage de l'acier sont : le boulonnage, le rivetage et le soudage.
Les boulons et les rivets agissent par serrage de leur tête. Les boulons sont posés à froid, ils sont surtout utilisés pour réaliser des assemblages provisoires ou pour se substituer aux rivets, dans certains cas particuliers ou ceux-ci travailleraient mal.
Le boulon comporte une tête fixe venue de forge avec sa tige, qui est filetée. Il comporte une deuxième tête mobile, appelée écrou, qui est vissée sur la partie filetée de la tige.
Les rivets sont posés à chaud. Ils constituaient le moyen d'assemblage le plus utilisé en construction métallique. Le rivet comporte une tête livrée d’usine avec sa tige; la deuxième tête est réalisée par forgeage de l'extrémité de la tige qui dépasse à cet effet les éléments à assembler, cette deuxième tête doit être terminée alors que le métal du rivet est encore très chaud. Ainsi, au refroidissement, la contraction de la tige provoque un serrage énergique des éléments à assembler.
La soudure assure l'assemblage par reconstitution de l'acier dans les joints ou dans les plans de contact des éléments à assembler. On utilise à cet effet des baguettes d'acier enrobé appelées électrodes, qui fondent sous la température extrêmement élevée de l'arc électrique.
De nos jours tous les ponts métalliques sont soudés. Les rivets ont été abandonnés. Quant aux boulons, ils sont encore utilisés pour les ponts de secours. Amenés en pièces détachées, ces ponts sont montés par boulonnage très rapidement.
Les poutres métalliques
Les poutres métalliques ont généralement le profil d'un I, cependant, elles ont parfois le profil d'un U ou, si la hauteur fait défaut, le profil dit caisson.
On distingue les poutres métalliques à âme pleine et les poutres à treillis.
Les poutres à âme pleine sont essentiellement constituées d'une ou plusieurs parties verticales formant l'âme et de parties horizontales appelées semelles (ou ailes) disposées de part et d'autre de l'âme.
Les poutres à âme pleine peuvent être formées à chaud par laminage (poutrelles de dimensions restreintes) ou à froid par assemblage de tôles plates (fers plats) soudées (PRS, pour Poutre reconstituée (ou recomposée) soudée) ou — anciennement — rivetées entre elles par l'intermédiaire de cornières.
Semelles et cornières ou semelles seules, s'il s'agit d'une charpente soudée ou laminée, constituent ce qu'on appelle les membrures de la poutre.
Les poutres à treillis, appelées également poutres triangulées, sont constituées par des membrures reliées non plus par une âme mais par des barres, ou verticales, ou inclinées, qui forment avec les membrures un ensemble triangulé. Ces barres sont disposées d'une façon différente suivant le système de triangulation adopté.
Les systèmes couramment utilisés sont :
Poutre type Pratt
Poutre type Town
Poutre type Town double
Poutre en K
Poutre type Warren
Poutre type Warren avec montants
Poutre type Howe
Poutre en croix de Saint-André (juxtaposition des systèmes Pratt et Howe)
Poutre composée
Poutre type Vierendeel (cas particulier, ne fait pas partie des treillis)
Assemblage des poutres entre elles
Assemblage riveté
Les assemblages rivés étaient les types d'assemblages les plus courants avant que le soudage ne se généralise. Les ponts à poutres droites comme les ponts à poutres en treillis étaient rivés. La photo ci-contre présente un assemblage typique de poutre en treillis. Les montants verticaux et horizontaux sont constitués de cornières et de plats rivés ensemble. les montants inclinés sont constitués de fers en U. À la jonction de chaque assemblage, des plats sont ajoutés, appelés couvre-joints, pour rigidifier la structure.
Assemblage soudé
La photo ci-contre présente un assemblage métallique moderne typique. Il s’agit de deux poutres à âme pleine soudées. La poutre transversale, dénommée pièce de pont ou entretoise, est soudée sur la pièce longitudinale, appelée longeron latéral (dont on voit l'âme en à plat sur le fond de la photo). On notera également la présence d’un raidisseur vertical, qui permet d’assurer la rigidification de l’ensemble. Ce raidisseur est terminé sur sa base par un gousset.
Types de ponts métalliques
Ponts à poutres droites
Selon la structure de la poutre on distingue : les ponts à poutre monocaisson (dits à voussoirs), les ponts bi-poutres, les ponts à nervures, les ponts lenticulaires et les ponts en treillis.
Ponts suspendus
Dans le cas d’un pont suspendu, la poutre est appelée poutre de rigidité. Elle est en général réalisée en treillis métallique.
Trois indicateurs caractérisent un pont suspendu :
sa portée, qui est en égale à sa longueur L dans le cas d'un pont suspendue à une travée, sans travée de rive.
sa flèche (f), qui est la distance entre le milieu de la corde joignant les sommets des deux pylônes et le milieu du câble de retenue (ou câble porteur).
la hauteur H de la poutre de rigidité.
La hauteur H de la poutre de rigidité est comprise entre L/80 et L/100.
Pour les ponts de petite et moyenne portée, on a en général la relation suivante entre la portée et la flèche[1] :
Ponts haubanés
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↑Notions de Travaux Publics – R. Allard et G. Kienert – Ed. Eyrolles -1957
Annexes
Bibliographie
Louis Bruyère, Études relatives à l'art des constructions, tome 1, Recueil III, Ponts en fer, Bance aîné éditeur, Paris, 1823, p. 3-8(lire en ligne), planches 1 à 16 (lire en ligne)
J. Chaix, Traité des ponts, Deuxième partie, Ponts en charpente, métalliques et suspendus, tome 1, Fanchon et Artus éditeurs, Paris
J. Chaix, Traité des ponts, Deuxième partie, Ponts en charpente, métalliques et suspendus, tome 2, Fanchon et Artus éditeurs, Paris
Henri Deschamps, Les principes de la construction des charpentes métalliques et leur application aux ponts à poutres droites, combles, supports et chevaalements, Librairie polytechnique Ch. Béranger, Paris et Liège, 1908
François Ciolina, Construction métallique, tome 1, Conception des structures, Éditions Eyrolles (cours de l'École nationale des ponts et chaussées), Paris, 1979
François Ciolina, Construction métallique, tome 2, Ouvrages d'art, Éditions Eyrolles (cours de l'École nationale des ponts et chaussées), Paris, 1979
Jean-Paul Lebet, Manfred A. Hirt, Ponts en acier, Presses polytechniques universitaires romandes (Traité de Génie Civil, volume 12), Lausanne, 2009 (ISBN978-2-88074-765-7)
Clementine van Rooden, Ponts historiques en acier, Steeldoc, 03+04/2013, Documentation du Centre suisse de la construction métallique SZS (lire en ligne)
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