Gare centrale de Wiesbaden

Définition de la tâche

La gare centrale de Wiesbaden, classée monument historique, se compose du bâtiment de la gare avec le quai transversal et du hall des quais, qui est directement adjacent au hall transversal. Le hall des quais est une construction métallique plus que centenaire avec cinq nefs. Il a été conçu en 1904 par le département de construction des chemins de fer royaux à Wiesbaden et construit en 1905-1906 par la Gutehoffnungshütte Oberhausen, usine Sterkrade.

Au cours des dernières décennies, des dommages importants ont été causés à la structure du hall et aux façades en raison de la défectuosité de la couverture du toit et des dispositifs de drainage.

Alors que le revêtement de la structure en acier a été trouvé dans un état relativement bon dans la partie avant du hall, la corrosion était déjà plus avancée dans la partie arrière du hall, vers la sortie. Les fermes en arc présentaient des traces de rouille localisées. Sur les poteaux en caisson rivetés, on a constaté une perte de section considérable due à la rouille en feuille dans la zone des pieds de poteaux. Après avoir dégagé les pieds des poteaux, on a découvert une forte rouille en forme de cicatrice, en particulier dans la zone d'humidification variable au niveau de la surface du quai. Les derniers axes de poteaux avant la sortie du hall étaient moins protégés par le toit et présentaient les plus gros dégâts. Par endroits, les parois des poteaux étaient perforées par la rouille au niveau des pieds. Le rapport de l'expert en bâtiment faisait état d'un total de 42 dommages importants pour la stabilité des cinq nefs du hall.

La tâche consistait donc à rénover et à renforcer le hall des quais. La structure porteuse en acier du toit, vieille de plus d'un siècle, devait être renforcée et dotée d'une nouvelle protection contre la corrosion. La couverture et le drainage du toit ainsi que le vitrage des lanternes surélevées devaient être remplacés. Tous les travaux devaient être effectués sans interrompre l'exploitation de la gare.

Dans le cadre de la mission, la planification générale des phases de prestations 2, 3, 4, 6, 7, 9 devait être réalisée, le mandat comprenait également la planification de la structure porteuse pour les phases de prestations 2, 3, 4 et 6.

Pour toutes les mesures de rénovation du toit du hall, il fallait toujours tenir compte des intérêts de la protection des monuments. Cela concernait aussi bien la mise en œuvre créative que les matériaux à utiliser.

Description de la construction

Le hall des voies s'étend longitudinalement sur 20 travées de 9,50 m de long chacune, soit 190,00 m au total, et transversalement sur cinq nefs dont les portées sont de 25,45 m &ndash ; 3 x 17,50 m &ndash ; 21,05 m, soit 99,00 m au total.

Les cinq navires sont surmontés de toits en berceau avec des sommets de même hauteur. Les toits en berceau sont surmontés de lanternes vitrées en forme de toit à deux versants, qui servent à l'entrée de la lumière et à la ventilation. En dehors des lanternes, les toits en berceau étaient recouverts d'un bardage en bois tendu dans le sens transversal avec des lés de bitume et un revêtement en aluminium. Les planches en bois reposaient sur des pannes en acier tendues dans le sens de la longueur du hall et conçues comme des poutres Gerber.

La structure porteuse principale du hall des voies ferrées est une construction en acier riveté qui présente les caractéristiques de construction typiques de l'époque. Dans le sens transversal du hall, on a disposé dans les 21 axes des poutres en arc sous-tendues qui sont supportées dans les quatre axes intérieurs B à E par des piliers en caisson encastrés et qui reposent dans les axes extérieurs A et F avec des paliers à rouleaux sur les murs extérieurs maçonnés en grès. Les poutres en arc des nefs 2 et 4 sont reliées aux poteaux de manière rigide. Les deux raccordements de la poutre en arc du navire 3 ainsi que les raccordements des poutres en arc des navires 1 et 5 à chaque pilier intérieur dans l'axe B ou E sont articulés.

Dans le sens de la longueur du hall, les poteaux sont également encastrés dans les axes B à E. Dans les travées d'extrémité 1 et 20, des cadres longitudinaux ont été réalisés par des traverses raccordées de manière rigide à la hauteur des têtes de poteaux. Dans les autres travées, les traverses longitudinales sont reliées de manière articulée aux têtes de poteaux. Pour raidir les toits en berceau dans le sens longitudinal, des contreventements sont présents dans une travée de fermes sur deux.

Choix des matériaux de construction

Une expertise des matériaux de l'ancienne construction en acier a montré que l'acier de construction existant présentait à peu près les propriétés de résistance d'un S 235. Pour les analyses de matériaux, des échantillons ont été prélevés sur les fermes en arc, les pannes, les poteaux, les cadres longitudinaux et les diagonales des lanternes. Celles-ci ont été soumises à des analyses chimiques, des essais de traction et de résilience ont également été réalisés.

Dans le cadre de la rénovation du toit, toutes les pannes ont été remplacées par de nouveaux profilés laminés de qualité S 235. Les lanternes ont été reconstruites selon l'ancien modèle. Pour les nouveaux éléments de construction, on a utilisé des cornières et des profilés en U, comme pour la construction d'origine. Afin de ne pas modifier l'aspect de l'ancienne construction en acier, il a été décidé de ne remplacer les profilés que par des profilés de même type et de ne pas agrandir les surfaces visibles des profilés dans la mesure du possible.

Les lanternes ont été dotées d'un nouveau vitrage de toit avec du verre de sécurité feuilleté et les parois longitudinales des lanternes ont été revêtues à l'extérieur de tôles d'aluminium en forme de lamelles, qui correspondent à l'aspect d'origine.

La couverture de toit existante et le système de drainage du toit ont été entièrement rénovés. La nouvelle couverture de toit est une couverture métallique isolée à double paroi avec des tôles trapézoïdales comme coque porteuse et des tôles d'aluminium à joint debout comme coque de couverture.

Parce qu'une grande partie de l'ancienne structure en acier a pu être réutilisée, notamment pour la structure porteuse principale, seules 1 400 tonnes d'acier neuf ont été nécessaires. Dans le cadre d'une évaluation de la durabilité, la construction métallique des toits des halles et l'ensemble des mesures de rénovation peuvent être certifiées comme présentant un écobilan positif.

Prestation d'ingénierie particulière

La base du projet de rénovation du toit du hall était un calcul détaillé de la construction existante. Afin de pouvoir la calculer et la consolider le plus correctement possible, différentes études préliminaires ont d'abord été réalisées. Outre l'expertise des matériaux de l'ancienne structure en acier, le relevé de la structure du hall avec mesure des déplacements de la tête des piliers et la mise à nu des fondations, une étude en soufflerie sur modèle réduit a également été effectuée pour déterminer les charges dues au vent, car la forme du toit du hall ne correspond à aucun modèle réglementé.

Un examen détaillé des dommages subis par la structure en acier sur place, avec mesure des pertes de section dues à la rouille, et le travail de planification méticuleux effectué au bureau à l'aide de tous les documents existants ont permis d'effectuer le calcul statique ultérieur nécessaire. Celui-ci a montré, pour la structure porteuse principale composée de fermes en arc sous-tendues, de piliers en caisson et de cadres longitudinaux, que les anciennes sections sont stables, même en tenant compte des charges actuellement en vigueur. De cette manière, la structure porteuse principale en acier des fermes en arc rivetées a pu être sauvée. La planification prévoyait donc de conserver l'ensemble de la structure porteuse principale existante et de la doter d'une nouvelle protection anticorrosion.

Il convient de mentionner l'approche d'imperfection qui a été choisie pour la vérification des poteaux des fermes en arc. Comme des déplacements notables des têtes de poteaux ont été constatés lors du mesurage du hall, on a recalculé les inclinaisons à appliquer à partir des résultats de mesure. La prétorsion résultant des résultats de mesure était par exemple de 1/277 dans le sens transversal du hall en tant que moyenne arithmétique des 20 valeurs de mesure dans le plan de l'arc. Comme le rapport entre la prétorsion résultant de l'imperfection géométrique et structurelle est de 1:1 selon le commentaire de la norme DIN 18800, le double de la valeur a été pris en compte comme valeur de base : 2 x 1/277 = 1/138.

La construction principale a également été vérifiée pour les états de construction. On est parti du principe que l'ensemble du toit d'une nef s'ouvrait successivement. Pour ces différents états de l'ensemble du bâtiment, des coefficients de pression du vent ont été indiqués dans l'étude de vent.

La condition pour la réalisation de la mesure principale était de maintenir sans restriction l'exploitation ferroviaire et l'ensemble du trafic de passagers à l'intérieur de la gare. Les travaux du contractant ne devaient donc pas perturber la circulation des trains et le fonctionnement de la gare.

Le projet de rénovation faisant l'objet de l'appel d'offres prévoyait d'effectuer les travaux sur le toit de la halle l'un après l'autre, un bateau à la fois, sur toute la longueur, en commençant par le bateau 5 à l'ouest. Comme la démolition de l'ancien toit, les travaux de protection contre la corrosion sur les fermes en arc et la mise en place de la nouvelle construction de toit devaient avoir lieu pendant que les trains étaient en service, l'installation d'une plate-forme de travail bateau par bateau, à une distance suffisante au-dessus du fil de contact de la caténaire, s'imposait ici.

Afin de mettre à profit le temps nécessaire à l'élaboration des documents d'appel d'offres pour la mesure principale sur le chantier, il fallait entre autres commencer très tôt la rénovation des pieds de poteaux dans le cadre d'une mesure anticipée. Cette mesure anticipée comprenait, outre le renforcement des pieds de poteaux avec protection anticorrosion jusqu'au bord inférieur des traverses longitudinales, la rénovation des fenêtres et des façades en pierre naturelle des murs longitudinaux extérieurs dans les axes A et F. Cette planification en cours de chantier a permis de réduire considérablement la durée totale des travaux. C'est notamment grâce à cela et à la mise à disposition d'un calcul statique vérifié pour le toit des halles avec l'attribution du marché à l'entrepreneur que les halles de quais rénovées ont pu être achevées un an plus tôt que prévu initialement.

Rapport explicatif de Wihermüller & Vogel Ingenieure pour la soumission au Ulrich Finsterwalder Ingenieurbaupreis 2015