Le nouveau pont sur le Neckar fait figure de prouesse technique pionnière grâce à une structure innovante en forme de voiles successives en acier, d’une portée principale de près de 80 m. Les tôles profilées en long de Dillinger contribue à sa silhouette longiligne.

La conception du pont sur le Neckar provient du célèbre bureau d’ingénierie indépendant schlaich bergermann partner (sbp) de Stuttgart. Dans le cadre du projet d’infrastructure Stuttgart 21, dont font partie la nouvelle gare principale de Stuttgart et la nouvelle jonction ferroviaire, qui a été réorganisée, ce pont fait partie intégrante de la ligne principale Paris-Munich-Budapest.

Son emplacement résulte de la reconfiguration du tracé existant de la ligne de chemin de fer aux environs du Neckar, qui est maintenant en grande partie souterraine, et dont il est un point névralgique. En convertissant la gare terminus existante en une gare de passage souterraine, le tracé de la voie a été modifié avec une nouvelle orientation, modifiée de 90 degrés. Cela a nécessité le remplacement du pont existant par une nouvelle construction pour le trafic ferroviaire de banlieue et de longue distance.

Long de 345 m et large de 25 m, le nouveau pont ferroviaire à quatre voies présente, au-dessus du Neckar, des portées respectives de 77 et 74 m. À son point culminant, il s’élève à 15 m au-dessus du niveau d’eau normal du fleuve Neckar. Du côté de la rive ouest, la superstructure du pont est divisée en deux parties et débouche sur deux tunnels distincts : pour le train de banlieue, la voie ferrée mène à la nouvelle station de métro souterraine, tandis que la ligne longue distance passe par le deuxième tunnel jusqu’à la nouvelle gare ferroviaire.

Des voiles d’acier au lieu de haubans

Le nouveau pont sur le Neckar est un pont à poutres continues à sept travées. Les deux travées principales au-dessus du fleuve sont encadrées par d’impressionnantes voiles d’acier. Elles sont suspendues à un ensemble de neuf mâts métalliques, les liaisons se faisant par les voiles et les tirants, également en acier.

Pour ce pont mixte acier - béton, sbp a développé une structure porteuse principale constituée de trois poutres-caisson métalliques. Celle-ci est montée sur trois rangées principales de piles dans le sens longitudinal côté extérieur et est soutenue par les voiles en acier au centre de la superstructure. De cette façon, les neuf supports minces supportent les énormes forces de freinage horizontales qui pourront survenir sur le pont ferroviaire à quatre voies.

L’objectif des ingénieurs de sbp était de réaliser un ouvrage d’art d’apparence légère et le plus transparent possible, malgré la portée de près de 80 mètres et la charge ferroviaire sur quatre voies. La condition préalable à cela était une structure porteuse aérienne construite avec des tirants métalliques descendants, rattachés aux mâts.

Contrairement aux ponts à haubans de conception similaire, sbp a
choisi une version avec des tôles en acier au lieu de câbles et a ainsi réinterprété le modèle d’un pont à haubans classique avec des tirants rigides. Des ensembles de deux tôles verticales jointes l’une contre l’autre par des joints soudés circonférentiels forment les tirants et les têtes de mât de toutes les voiles. Suivant le principe d’inversion d’une structure en arc, sbp a transformé les tirants en voiles.

Philipp Wenger, directeur technique de sbp, explique l’idée sous-jacente :
« Avec les ponts en arc, les efforts verticaux de la superstructure sont transmis dans l’arc qui est en compression et sont transférés sur les appuis via cet arc. Si vous inversez ce principe, les appuis de l’arc deviennent des tirants qui ne sont sollicités que par des forces de traction. » Il ajoute : « C’est pourquoi une section transversale relativement mince se terminant en une forme légèrement en trompette à son pied, convergeant en biseau dans la direction ascendante, puis de plus en plus épaisse, a été sélectionnée pour cette arche inversée. »

Grâce à cette interaction ingénieuse de surface et de volume, il a été possible de garantir que la répartition des contraintes dans l’ensemble de la voile soit la même sur toute la longueur en raison des différentes épaisseurs des tôles d’acier. Au total, 18 demi-voiles à géométrie identique ont été soudées pour former les neuf voiles caractéristiques du pont. Les voiles transfèrent en grande partie les forces comme une membrane et sont fabriquées à partir de tôles dont l’épaisseur varie sur toute la surface de la voile.

La haute-couture avec les tôles profilées en long

Pour la fabrication de chacun des tirants des poutres extérieures, deux tôles PL dont le profil en long est constitué d’une seule pente, dont l’épaisseur varie de 35 à 90 millimètres, ont été soudées l’une contre l’autre pour former des ensembles de tôles. Ceux-ci ont été assemblés dans le sens longitudinal pour former des éléments de 10,5 mètres de long avec une épaisseur variant de 70 à 180 millimètres.

Pour les voiles centrales, significativement plus sollicitées en raison du niveau plus élevé de contraintes, des ensembles de tôles jusqu’à 250 millimètres d’épaisseur ont été nécessaires, avec des nuances d’acier à plus haute limite d’élasticité, S460ML et S460QL. Étant donné que les tôles PL ne peuvent être livrées que dans l’état de livraison normalisé (par exemple S460NL), des tôles fraisées ont été utilisées pour ces éléments de la partie centrale.

L’entreprise de construction Max Bögl basée à Neumark, à qui la Deutsche Bahn a confié la construction du pont, a choisi ces profils de tôles très particuliers produits par Dillinger. En raison de leur épaisseur, qui peut être ajustée de manière variable dans le sens longitudinal au cours du processus de laminage, les tôles PL permettent d’adapter de manière optimale le profil de la tôle aux exigences statiques, structurelles et de mise en œuvre.

Disponibles chez Dillinger, par exemple avec une simple pente, une pente double ou des alternances de pentes et de plats, les tôles PL permettent de supprimer des opérations de mise en œuvre coûteuses et fastidieuses, par ailleurs inévitable, comme le soudage bout-à-bout de plusieurs petites tôles d’épaisseur différente. Cela limite non seulement l’utilisation d’acier, mais également le poids de transport et de montage des matériaux.

Malgré leur production complexe et les coûts associés plus élevés – les tôles PL contribuent à des économies de coûts de l’ouvrage final allant jusqu’à dix pour cent. Moins de cordons de soudure et la possibilité de les déplacer dans des zones moins sollicitées permettent également des constructions plus sûres, avec une meilleure résistance à la fatigue.

L’acier innovant au lieu du béton

Lors de la construction du nouveau pont sur le Neckar, un autre aspect plaidait en faveur de l’utilisation de tôles fortes de Dillinger. L’emplacement du pont se trouve dans la zone de protection des sources thermales de Stuttgart : Bad Cannstatt est la source d’eau minérale la plus importante en Europe après Budapest - avec un rendement de 44 millions de litres par jour. Le nouveau pont est situé au cœur de la zone rocheuse, qui contient de l’eau minérale sous très haute pression. Afin d’éviter d’endommager la couche d’étanchéité et donc les fuites d’eau minérale, une condition essentielle du projet était de ne pas modifier
les conditions de pression naturelles prédominantes.

De ce fait, des restrictions sévères ont dû être observées durant la réalisation des fondations et les travaux de construction. C’est pourquoi la structure porteuse longitudinale a été - contrairement au plan initial - réalisée avec de l’acier au lieu du béton. Cela a rendu possible la réduction du poids propre de l’ouvrage d’un bon 20 pour cent, avec pour conséquence nettement moins de transfert de charges dans le sous-
sol.

Dillinger a fourni un total de 1 600 tonnes d’acier à Max Bögl - principalement des tôles spéciales de grand format et de forte épaisseur. Les tôles PL destinées à la fabrication des tirants ont représenté 169 tonnes, en aciers de construction S355J2+N, S355N et S355NL. Pour les poutres transversales et longitudinales, les tôles de tête de mât et les parties des voiles dont l’épaisseur n’est pas variable, de l’acier laminé
thermomécaniquement (TM) a été utilisé, y compris des tôles en S460ML très lourdes et de très grand format, pesant plus de 30 tonnes.

En raison des grands formats de ces tôles TM, le nombre de cordons de soudure a été considérablement réduit et un gain supplémentaire sur le poids de l’ouvrage a été réalisé grâce à leur haute limite d’élasticité.

Les connexions des têtes de mâts, des zones critiques

La fixation des tôles des têtes de mâts en S460QL, faisant jusqu’à 250 millimètres d’épaisseur, aux ensembles constituant la tête de mât représentait un défi majeur pour la conception et la production. Grâce à la modélisation des contraintes entre les voiles et les mâts, il est apparu que les têtes de mâts, auxquelles sont connectés les tirants des deux côtés, étaient des zones particulièrement critiques.

L’épaisseur de la tôle et l’acier de construction à grains fins à haute limite d’élasticité de Dillinger ont nécessité non seulement une approbation au cas par cas, mais également une approbation spécifique de la Deutsche Bahn, car leurs réglementations n’autorisent qu’une épaisseur de tôle maximale de 100 millimètres. Les experts de sbp ont donc dû démontrer la résistance à la fatigue de ces cordons de soudure fortement sollicités en réalisant, entre autres, des études approfondies à partir de modélisations et calculs aux éléments finis des contraintes structurelles, et des analyses de résilience.

Pour le cordon de soudure circonférentiel, qui a finalement été exécuté sur cette base, les tôles de grand format ont d’abord été préchauffées à près de 500 °C et soigneusement protégées contre le refroidissement pendant le processus de soudage qui s’est avéré complexe.