Premier joint de dilatation de pont ferroviaire au monde totalement résistant aux séismes

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Avec un système complexe d'appuis, d'amortisseurs et d'isolateurs à ressort en élastomère, les joints de dilatation garantissent la stabilité, le fonctionnement et la sécurité de l'ouvrage pour les cas de charge les plus divers : des forces de freinage et d'accélération en fonctionnement normal jusqu'au séisme maximal envisageable (Maximum Considered Earthquake, MCE).

Région soumise à des accélérations sismiques extrêmement élevées

Les conditions générales constituent un défi. Les deux plus grands ponts, le viaduc 2 (3.865 m de long) et le viaduc 4 (1.448 m), sont situés dans les montagnes. De plus, la région est fortement exposée aux tremblements de terre. Les piliers sont espacés jusqu'à 64 m et mesurent jusqu'à 65 m de haut. Il s'agit du premier projet ferroviaire mexicain avec des viaducs de cette dimension dans une région où les accélérations sismiques sont extrêmement élevées, jusqu'à 0,77 g. Les renforcements traditionnels avec du béton et des armatures en acier dans la structure de l'ouvrage n'étaient ni suffisamment sûrs ni économiques face aux forces sismiques.

Combinaison de différents systèmes de consolidation de la structure

En lieu et place, on a utilisé une combinaison de différents systèmes de sécurisation d'ouvrages qui permettent des mouvements contrôlés, les absorbent complètement et atténuent ainsi les effets du séisme. L'adaptation très individuelle de chaque ouvrage aux facteurs d'influence résultant du séisme n'a pu être réalisée qu'en étroite collaboration entre MAURER et les concepteurs de l'ouvrage. Il est exigé que même immédiatement après un fort séisme, les viaducs puissent être empruntés en toute sécurité par les trains.

Les éléments suivants s'imbriquent les uns dans les autres sur les deux grands viaducs:

• La nouvelle traverse mobile antisismique : ce joint de dilatation à chaque extrémité des sections de pont permet des mouvements thermiques et sismiques non destructifs dans toutes les directions.
• Appuis sphériques avec le matériau de glissement MSM^® : les appuis entre le tablier du pont et les piles supportent 2.900 t de surcharge et empêchent un décrochement latéral du tablier pour le séisme de dimensionnement (Design Basis Earthquake, DBE).
• Amortisseurs hydrauliques disposés horizontalement : ils bloquent les forces de freinage et limitent le déplacement du pont dans le sens longitudinal en cas de MCE (séisme maximal imaginable).
• Isolateurs à ressort en élastomère : ils recentrent le pont en position neutre, et ce de manière optimale pour tous les cas de charges sismiques et de service.
• Des bordures en béton transversales sur chaque axe, sur les côtés du tablier : elles sont activées en cas d'urgence pour éviter la chute du pont.

La complexité, un défi en soi

Les réductions de force nécessaires dans les différents cas de charge n'ont pu être obtenues que grâce à un système de joints de dilatation, d'isolation et d'amortissement adapté individuellement, avec une liberté de mouvement ou une souplesse conçues en conséquence. Le défi particulier était de concilier les différentes exigences en matière de forces admissibles et de mouvements simultanés.

Le système de protection sans entretien conforme à la norme EN 15129 (dispositifs parasismiques) réduit les forces longitudinales agissantes dans le tablier du pont d'un facteur 3-4, ce qui permet d'utiliser des appuis et des amortisseurs beaucoup plus petits. Il a ainsi été possible de réaliser les piliers élancés souhaités par l'architecte avec des mesures de fondation relativement réduites. Le système de protection garantit une sécurité et une fonctionnalité élevées pour l'ouvrage, tout en réduisant fortement les coûts globaux de construction. La sécurité et la fonctionnalité de l'ouvrage sont absolument assurées, même après un fort séisme.

La traverse parasismique

L'innovation décisive a été la traverse mobile, qui a été développée pendant des années. Elle a été installée pour la première fois au monde sur la ligne Toluca-Mexico City. Grâce à la traverse mobile, les rails franchissent l'espace entre les différentes sections du viaduc de manière à résister aux tremblements de terre. La traverse mobile est basée sur le principe du joint de dilatation à traverses pivotantes utilisé dans la construction routière, mais en beaucoup plus stable, afin de supporter sans fatigue les charges importantes des essieux lors du passage des trains. L'avantage décisif en matière de sécurité de la traverse mobile : les paliers mobiles dans la construction permettent la "migration" ou la rotation des traverses dans ou autour de l'axe longitudinal, transversal et même vertical.

Lors du passage des trains, il n'y a pas de déformations élastiques notables à l'intérieur de la traverse mobile. Cela permet des vitesses de train élevées, jusqu'à 350 km/h. Les mouvements sismiques complets sont compensés sans déformation plastique à l'intérieur du joint de dilatation ; cela permet le passage immédiat même après un fort séisme.

Par exemple, sur le viaduc 2, une traverse mobile par sens de circulation a été installée sur cinq sections. Ainsi, chaque section peut se déplacer individuellement, ce qui réduit drastiquement les forces exercées sur les piles et les fondations. Il en résulte une plus grande sécurité structurale et une construction jusqu'à 10 % plus économique.

Des appuis sphériques pour des pressions élevées dans un espace réduit

Les viaducs ont des portées individuelles de 55 m à 64 m, les piles mesurent jusqu'à 65 m de haut et sont très minces. Comme appuis de pont entre le tablier et les piles, on prévoit donc deux appuis sphériques par axe avec un matériau en polyéthylène à haut poids moléculaire, afin de réduire la taille des appuis d'environ 40 % par rapport aux appuis glissants en téflon traditionnels. Le défi consistait néanmoins à concevoir chaque palier avec les plus petites dimensions extérieures possibles pour une charge de 2.900 t, une force transversale de 5.100 kN, un mouvement allant jusqu'à ±1.150 mm et une rotation de 2 %. Les mouvements longitudinaux de la dalle se font sans contrainte avec seulement 1 à 2 % de frottement de glissement. En cas de tremblement de terre, les appuis à calotte agissent comme des isolateurs et peuvent se déplacer librement d'environ ±450 mm

Les 142 appuis sphériques mesurent au maximum 3,2 x 1,2 x 0,32 m et pèsent 4,5 t.

Amortisseurs hydrauliques pour les forces de freinage

Au milieu de chaque section du pont, jusqu'à six amortisseurs hydrauliques sont placés sur une pile. Ils bloquent dans le sens longitudinal du pont les forces de freinage dynamiques des trains qui se produisent par impulsions et empêchent les déplacements du tablier du pont de plus de 10 mm. Pour la conception de l'amortisseur, la réponse extrêmement rapide à un mouvement de pont de 1 à 2 mm/s et la force de résistance de 3.000 kN nécessaire ont été déterminantes. Le système d'amortissement permet des mouvements thermiques lents du pont sans résistance significative.

Le déplacement du pont en cas de MCE est limité

En même temps, ces amortisseurs limitent le déplacement du pont à ±450 mm en cas de MCE. Pour cela, chaque amortisseur est conçu avec une force de réponse allant jusqu'à 3.000 kN : Au total, jusqu'à 24.000 kN par section stabilisent le pont.

Pour centrer les sections du pont pendant et après un séisme, 52 isolateurs à ressort en élastomère ont été installés parallèlement aux amortisseurs hydrauliques. Ils agissent comme des points fixes élastiques et ramènent le pont dans sa position centrale. En raison des exigences élevées imposées aux amortisseurs et aux isolateurs à ressort en élastomère, ceux-ci ont été testés dans deux instituts : sur la "shake table" de l'Université de Californie à San Diego et sur le simulateur de séisme de l'Université de Messine.

Des guides latéraux en béton comme protection contre les chutes

Parmi les appuis sphériques cités ci-dessus, il y a un appui libre et un appui guidé latéralement sur chaque axe. En cas de DBE, le palier guidé empêche les voies de se décrocher latéralement. En cas de forces plus élevées pour les cas de charge MCE, le guidage de l'appui cède, l'encadrement structurel en béton sur les piliers agit comme système de sécurité supplémentaire, de sorte que le pont ne peut pas s'effondrer.

L'installation des traverses mobiles sur le viaduc 4 est prévue pour le troisième trimestre 2020.

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