Appareil d'appui - Définition

Appareils d'appui en caoutchouc fretté

Les premiers appareils

Au début des années 1950, des grillages en fils tréfilés et étamés à mailles de 4 mm sont disposés entre des plaques de caoutchouc de 5 mm d’épaisseur. Sous l’effet de la pression les fils du grillage s’impriment dans le caoutchouc. Les éléments empilés sont solidarisés par des attaches métalliques fixées sur les bords.

Avec les appareils LARGO-PILE, le grillage est remplacé par des tôles ayant subi un premier traitement, mais les vrais premiers appareils d'appui en caoutchouc fretté adhérisé par vulcanisation apparaissent en France en 1956 et en 1957 aux États-Unis.

Il s’agit dans un premier temps de plaques de caoutchouc comportant un feuillet adhérisées à deux tôles minces. Pour constituer un appareil d'appui permettant une déformation en cisaillement et une rotation plus importantes, les mono-feuillets ont été collés les uns sur les autres, puis alternés avec des tôles.

On distingue alors les appareils non enrobés, les semi-enrobés et les enrobés. Les frettes étaient en acier ordinaire ou en acier inoxydable. Les appareils d'appui unitaires étaient découpés dans une plaque mère d'environ 1 m2 et sont reconnaissables en France par la couleur de la peinture de protection :

• rouge : qualité Ponts et Chaussées,
• verte : qualité Ponts Rails,
• grise : frettage en acier inoxydable,
• jaune : qualité Bâtiment.

Typologie des appareils actuels

La norme européenne EN 1337-3 définit six types d'appareils d'appui.

• Type A : appareil d’appui à une seule frette enrobée
• Type B : appareil d’appui comportant au moins deux frettes (ici cinq) et entièrement enrobé
• Type C : appareil d’appui comportant des plaques métalliques extérieures
• Type D : appareil d’appui glissant comportant en surface une feuille de PTFE (polytétrafluoroéthylène)
• Type E : appareil d’appui glissant comportant en surface une plaque métallique en contact avec la feuille de PTFE
• Type F : Appareil d’appui non fretté et en bande.

Type B: appareil d’appui comportant au moins deux frettes et entièrement enrobé.

Type C : appareil d’appui comportant des plaques métalliques extérieures pour ancrage.

Type E : appareil d’appui glissant comportant en surface une plaque métallique en contact avec la feuille de PTFE.

Parties constitutives

Un appareil d'appui en élastomère fretté est un « bloc d'élastomère vulcanisé (…) renforcé intérieurement par une ou plusieurs frettes en acier, collées chimiquement (adhérisation) pendant la vulcanisation. (…). L'élastomère est un matériau macromoléculaire qui reprend approximativement sa forme et ses dimensions initiales après avoir subi une importante déformation sous l'effet d'une faible variation de contrainte ».

Le caoutchouc

Le caoutchouc entrant dans la composition des appareils d'appui peut être soit naturel et d'origine végétale, le latex, un polymère de l'isoprène, soit synthétique et, le composé le plus souvent utilisé étant un polymère du chloroprène (polychloroprène ou CR pour "Chloroprène Rubber" dans la norme). Il existe plusieurs formules qui, sur le marché, portent des noms de marques : Néoprène ® (Du Pont de Nemours), Butachlor® (Ugine), etc. Mais l’usage a retenu la marque néoprène comme étant un nom usuel.

Les frettes en acier

Les frettes sont des plaques en acier S 235 ou d’un acier présentant un allongement minimal à la rupture équivalent. Leur épaisseur ne pourra, en aucun cas, être inférieure à 2 mm.

Les éléments de glissement

Plusieurs dispositions existent. En France ces éléments de glissement comportent une plaque de PTFE alvéolée collée sur le dessus de l'appareil d'appui en élastomère, soit sur l'enrobage extérieur en élastomère (appareil de type D selon NF EN 1337-3), soit sur une tôle extérieure en acier (appareil de type E selon NF EN 1337-3). Une tôle en acier inoxydable poli liée à une platine supérieure en acier S235 glisse sur la plaque de PTFE.

Dispositifs anti-cheminement

Lorsque l’on veut éviter les déplacements, on met en place des dispositifs anticheminements constitués de butées ou taquets d’arrêt, qui ne doievnt par ailleurs pas gêner les déformations : compression, distorsion et rotation. Notamment, les butées doivent venir en contact avec une plaque (ou frette extérieure) dont l'épaisseur sera au moins égale à la hauteur de la butée (appareils d'appui de type C de la norme NF EN 1337-3). En aucun cas, la butée ne doit se faire sur le feuillet en élastomère.

Caractérisation des appareils

Indicateurs généraux

Les appareils d’appui en élastomère fretté sont caractérisés par leurs dimensions (largeur, longueur, épaisseur), le nombre de feuillets (frettes), la charge admissible. Les appareils d'appui en élastomère fretté supportant des réactions d'appui inférieures à 12 MN, calculées à l'état limite ultime (ELU) ont des dimensions en plan de l'ordre de 700 x 700 mm ou inférieures.

Indicateurs de performance

Les indicateurs de performance sont les suivants :

• Module de cisaillement G
• Raideur en compression Cc
• Résistance aux efforts répétés en compression
• Capacité de rotation statique
• Adhérence en cisaillement
• Propriétés physiques et mécaniques de l’élastomère
• Propriétés mécaniques des frettes internes

Dimensionnement

En référence à la norme NF EN 1337-3, quatre types de vérification aux Etats Limites Ultimes doivent être faits pour les appareils d'appui en élastomère fretté quel que soit leur type :

• la distorsion totale maximale en tout point de l'appareil d'appui est limitée ;
• l'épaisseur des frettes doit être suffisante pour résister à la traction qu'elles subissent ;
• la stabilité de l'appareil d'appui doit être assurée à la rotation, au flambement et au glissement ;
• les actions exercées par l'appareil d'appui sur le reste de la structure doivent être vérifiées (effet direct de l'appareil d'appui sur la structure et effet indirect dû aux déformations de l'appui).

Distorsion

La distorsion d’un appareil d’appui en élastomère fretté est la déformation de l’ensemble du dispositif due au cisaillement. Elle est mesurée par la valeur de la tangente γ, γ étant l’angle de distorsion.

Si on donne comme variables :
γ : l'angle de distorsion
u : déformation horizontale de l'appareil d'appui
T : épaisseur totale de l'appareil d'appui
t : épaisseur des frettes
n : nombre de frettes
on a

Un appareil d'appui en caoutchouc fretté est dimensionné pour une valeur maximale de tg γ = 0,7 appelée « capacité de distorsion » et cette valeur maximale correspond aux déplacements relatifs extrêmes entre l'appui et la structure. Dans la plupart des cas, le rapport u/T correspond à une bonne approximation.

Les mesures de distorsion in situ doivent tenir compte de la température du pont, car la longueur du tablier varie en fonction de la température et l’appareil est de fait déformé.

Désordres et dysfonctionnements

Fissuration du caoutchouc

Le principal désordre est l'apparition de fissures ou « gerçures » des bourrelets des feuillets. L'origine possible de ces fissures est :

• un excès de compression.
• plus rarement, une mauvaise tenue aux effets de l'ozone avec une fissuration caractéristique à 45°. La profondeur de la fissure reste limitée à 1 à 2 cm et l’appareil peut être laissé en place sous réserve d'un suivi régulier
• un éclatement des feuillets par excès de compression (rare), qui donne une fissure caractéristique rectiligne et parallèle au plan de frettage.

Corrosion des frettes

Les appareils d'appui anciens découpés dans une plaque mère ou comportant une frette extérieure sont au contact de l’air. Une corrosion des chants des frettes ou des frettes extérieures peut dès lors à terme être constatée. A partir d'un certain degré de corrosion, ces appareils doivent être changés. Pour éviter une corrosion des chants des frettes, il était mis en oeuvre une peinture de protection dont la tenue sous la formation des bourrelets et la distorsion était particulièrement mauvaise. Son écaillage ou son faïençage n'est toutefois pas grave.

Ce désordre ne devrait plus se voir avec les appareils d'appui actuels complètement enrobés. Toutefois il y a les frettes extérieures des appareils d'appui venant sur des taquets (dispositifs anti-cheminement) qui ne sont pas enrobés et sujets à des désordres dus à la corrosion.

Glissement des frettes

Le glissement des empilements frettes-feuillets apparaît essentiellement dans les appareils d’appuis anciens non adhérisés par vulcanisation. Un tel désordre nécessite une intervention rapide pour éviter une dénivelation brutale de la structure.

Distorsion anormale

Au-delà d’une valeur de la distorsion de 0,7 on considère que le fonctionnement de l'appareil d'appui est anormal. Cela étant, on doit considérer que ces produits peuvent admettre des distorsions allant jusqu'à l,5 et ce n'est qu'à ce niveau qu'on doit envisager le remplacement de l'appareil d'appui à court terme.

Il faut cependant vérifier si l'effort tangentiel engendré par cette déformation est compatible avec le fonctionnement de l'appui (cas de piles minces, par exemple).

Au-delà de 1,5, il y a le risque d'une déformation dite en S, d'un cheminement ou d'un échappement des appareils d'appui.

Les causes de distorsion anormale peuvent être :

• une erreur de calcul ou de positionnement d'un point fixe,
• une sous-évaluation des déformations différées,
• un mouvement de la structure,
• un défaut de réglage en cours de chantier,
• un mouvement d'appui (poussée de remblai),
• un grippage d'une plaque glissante.