Département de d e Génie Civil Civil Année universi universitaire taire : 20 15 – 15 – 2016 2016 Date : Lundi Lundi 23 novembre novembre 2015 20 15
Mati Ma tière ère : Ouvrages Hydrauliqu Hydrauliques es Enseignant Enseignant : M. DJEBBI Classes : 3AGC 1, 2, 3, 4
MEMOIRE CONCEPTION HYDRAULIQUE D ES PONTS
1. Généralités :
Un pont est un ouvrage par lequel une voie de circulation, un aqueduc, une conduite franchit un cours d'eau, un bras de mer, une dépression ou une voie de circulation. La conception architecturale générale d'un pont fixe fait appel aux trois modes fondamentaux de fonctionnement mécanique des structures (flexion, compression et traction) pour donner cinq types de ponts fixes : les ponts à voûtes, les ponts à poutres, les ponts en arc, les ponts suspendus et les ponts à haubans. Nous ne considérons dans ce mémoire que les ponts à poutres en béton armé (figure ci-dessous). Indépendamment de leurs types, les ponts doivent être conçus de façon à assurer la sécurité, à optimiser les coûts et à limiter les impacts sur les biens et l'environnement. Parmi les nombreux aspects importants de la conception hydraulique des ponts, seule la modélisation hydraulique des écoulements sera considérée dans ce mémoire. Le comportement comportement hydraulique hydraulique peut en effet effet être très complexe à cause du grand nombre nombre de variables qui ont une incidence directe sur les écoulements et sur les affouillements et le transport des sédiments et, par conséquence, sur la stabilité de l’ouvrage. l’ouvrage. Ces variables comprennent entre autre la profondeur profondeur à l’amont, l’amont, le tirant d’air, d’air , le l e design d esign de l’ent l’ entrée rée et les caractéristiques du pont (taille, forme, longueur, pente et rugosité).
ponts ponts Figure :
à poutres poutres en béton armé (3 travées)
2. Objet Obje t du mémoir mémoiree :
L’objet du mémoire est le pré-dimensionnement et l’étude hydraulique d’un pont d’un pont.. Il s’agira d’abord d’une étude et d’un d’unee synthèse bibliographique des aspects techniques (conception, réalisation et entretient), du fonctionnement hydraulique (contrôle (contrôle de l’écoulement, mise en charge, submersion), et économiques des ponts. Il s’agira ensuite de présenter et d’appliquer le logiciel HEC-RAS retenu pour la simulation numérique des écoulements d’eau à travers et au-dessus des ponts sous diverse configurations de mise en charge ou non. non. Il s’agira enfin enfin de proposer quelques dispositions constructives permettant d’assurer la pérennité, d’améliorer le fonctionnement et de mieux intégrer l’ouvrage dans son environnement.
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3. Données :
Dans les données d’application du logiciel HEC-RAS, le nombre entier N1 désigne le numéro de la classe (3AGC1 : N1 = 1, 3AGC2 : N1 = 2, 3AGC3 : N1 = 3, 3AGC4 : N1 = 4). Le nombre entier N2 désigne le numéro de l’élève ingénieur sur la liste de présence de sa classe. Ce numéro N2 s’écrit : N2 = I*10 + J, avec J = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Les données de l’application numériques sont fonction des nombres entiers N1, N2, I et J. Ces données sont ainsi différentes d’un élève ingénieur à l’autre. Le sujet du mémoire reste cependant le même et permet aux élèves ingénieurs de travailler en équipe sur certains aspects (apprentissage de l’utilisation du logiciel, échanges d’informations,…). Les conditions d’approche sont telles que le cours d’eau peut être considéré rectiligne et la hauteur d’eau uniforme 200 m de part et d’autre de l’ouvrage. Le pont sera dimensionné pour le débit de pointe Q p. Les autres données de conception hydraulique du pont sont les suivantes : Cours d’eau :
Section type (la section est symétrique) Pente du cours d'eau, (%) n de Manning du cours d'eau, (m-1/3.s)
: : :
Figure suivante. 0.20*N1 + 0.05*N2 0.020*N1 + 0.0025*N2
L3
L4
H3
L1 = 5*(2 + I) + 1*J, (m) L2 = 4*(2 + I) + 2*J, (m) L3 = 3*(2 + I) + 3*J, (m) L4 = 10* (4 + I)+1*J, (m)
L2 L1
H2
H1 = 1 + 0 .6*J, (m) H2 = 2 + 0 .4*J, (m) H3 = 3 + 0 .2*J, (m)
H1
Pont à poutres en béton armé :
Nombre de travées Largeur du pont (de la route), (m) n de Manning des piles et culées, (m-1/3.s)
: : :
3+I 10 + J 0.005*N1 + 0.0005*N2
Crue de projet :
Hydrogramme de la crue de projet
t Q(t) Q p tm
: n 1
t exp (n 1) (1 ) tm
Avec, Q p : Débit de pointe de la crue de projet, (m3/s). Q p est une inconnue du problème ? tm : Temps de réponse du bassin versant = 5 + N1, (h). n : Paramètre adapté au bassin versant = 1 + N1. 2/4
4. Travail demandé 4.1. Etude hydraulique du pont par le logiciel HEC-RAS
a. Apprendre l’utilisation du code de calcul HEC-RAS : Une brève présentation du logiciel et de la démarche à suivre pour réaliser l e travail demandé sera donnée en classe. b. Déterminer le débit de pointe Q p pour lequel le tirant d’air sera égal au tirant d’air minimum à savoir 1.0 m si la longueur du pont est inférieure à 50 m, 1.5 m sinon. Pour se faire, plusieurs simulations seront réalisées en permanent pour différents débits. Le débit pour lequel le tirant d’air est minimum sera pris comme débit de pointe Q p de la crue de projet. c. Etudier par simulation numérique le comportement hydraulique du pont. Pour se faire, il faut réaliser deux simulations en transitoire : L’une avec l’hydrogramme de le cas de la crue de projet et l’autre avec une crue qui a la même durée que la crue de projet mais dont le débit est, à chaque instant, égal au double de celui de la crue de projet. d. Tracer et commenter (en traitant les différents cas d’écoulement : Ecoulements à surface libre ; Mises en charge partielles ; Mise en charge totale ; Déversements par-dessus la chaussée), la courbe hauteur – débit du pont (courbe analogue à la figure suivante).
e. Traiter et simuler numériquement les affouillements à la base des piles du pont. Proposer et simuler les effets de variantes techniquement réalisables et économiquement acceptables qui améliorent le fonctionnement hydraulique du pont et réduisent les affouillements. 4.2. Construction, contrôle et surveillance du bon fonctionnement de l’ouvrage
Lorsque l’ouvrage est bien construit, il ne devrait normalement pas poser de problèmes, sauf si la topographie et la géologie du terrain n’ont pas permis de respecter certaines normes. Quelles sont les dispositions constructives permettant de remédier à chacun des problèmes suivants : a. b. c. d. e.
Vitesses d’écoulement excessives (> 1.2 m/s). Risque d’affouillement inadmissible. Obstruction de l’ouvrage par les branches et les troncs d’arbre. Erosion du lit du cours d'eau et la formation de fosses aux extrémités du pont. Les défauts des matériaux de construction. 3/4
5. Contenu du rapport : 5.1. Introduction aux ponts et au travail demandé : Objet, objectif, méthodologie et organisation du mémoire. 5.2. Etude de synthèse bibliographique : Présentation de la conception technique et hydraulique et des aspects économiques des ponts et des impacts de ces ouvrages sur l’environnement. 5.3. Etude du comportement hydraulique de l’ouvrage étudié a. Présentation du logiciel HEC-RAS : Description brève des équations résolues, des méthodes de résolution, des données et des conditions aux limites nécessaires au calcul, des données et des équations spécifiques aux ponts (écoulement à surface libre et choix des équations de pertes de charge, écoulement en charge, écoulement en charge avec déversement), des équations spécifiques aux affouillements, des résultats générés et des méthodes offertes pour l’exploitation de ces résultats. b. Présentation des résultats d’application du logiciel HEC-RAS : Les résultats à présenter sont au moins ceux du dimensionnement de l’ouvrage pour le débit de conception, ceux de simulation en transitoire de la crue de projet, et ceux de traçage de la courbe Charge – Débit de l’ouvrage (simulation en transitoire d’une crue double de la crue de projet). c. Présentation des résultats de simulation de la variante proposée pour l’amélioration du fonctionnement de l’ouvrage. Commenter les performances de la variante proposée en comparant ses résultats à ceux de la variante étudiée. 5.4. Construction, contrôle et surveillance du bon fonctionnement de l’ouvrage (Voir 4.2 ci-dessus). 5.5. Une conclusion résumant les résultats obtenus et les possibilités de les améliorer .
6. Règles du jeu :
6.1. Le mémoire a pour objectifs de familiariser l’étudiant avec la démarche pragmati que de l’ingénieur, affiner son sens des problèmes techniques, le préparer à rédiger des rapports techniques et appliquer les concepts du cours dans un cas concret. 6.2. Le rapport écrit sera rendu sur support numérique (maximum 50 pages). Ce rapport doit aussi contenir tous les documents consultés et utilisés et toutes les simulations réalisées par logiciel HEC-RAS (données géométriques, hydrauliques, résultats obtenus,…). Autrement dit, en cas de besoin, les résultats peuvent être vérifiés par la réexécution des simulations. 6.3. Le mémoire sera noté sur 20 points parmi lesquels 4 points sont réservés à la qualité du rapport : propreté, structuration, esprit de concision et de synthèse, et maîtrise du français. 6.4. La note du mémoire compte pour 30 % de la note finale.
La date limite de remise des rapports est le samedi 19 décembre 2015 (avant Midi) dernier délai .
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