by Charles F. McDevitt
Les principes de base des barrières en béton ne sont généralement pas connus ou compris. Les barrières en béton semblent simples et peu compliquées, mais en réalité, ce sont des dispositifs de sécurité sophistiqués.
Formes de sécurité en béton
Lorsque la plupart des gens pensent aux barrières en béton, ils pensent à la barrière de forme de sécurité en béton du New Jersey (forme NJ ou barrières Jersey). Pour les impacts à angle faible les plus courants, la forme NJ est destinée à minimiser les dommages à la tôle en permettant aux pneus du véhicule de monter sur la face inférieure inclinée. (Voir figure 1.)
Pour les angles d’impact plus élevés, la forme NJ est en fait une barrière à plusieurs étages. Le pare-chocs avant heurte la face supérieure inclinée et glisse vers le haut. Cette interaction initie le soulèvement du véhicule. Si le pare-chocs est relativement faible, l’extrémité avant commence à s’écraser avant que le véhicule ne se soulève. Ensuite, lorsque le véhicule devient presque parallèle à la barrière, la roue entre en contact avec la face inférieure inclinée. La majeure partie du soulèvement supplémentaire du véhicule est due à la compression de la suspension avant par la face inférieure inclinée. Cependant, les forces de frottement latéral des roues fournissent un certain soulèvement supplémentaire, en particulier si la face de la barrière est rugueuse. Par conséquent, les granulats exposés et autres finitions de surface rugueuses doivent être évités. Les véhicules modernes ont des distances relativement courtes entre le pare-chocs et la roue ; par conséquent, le contact du pare-chocs est suivi presque immédiatement du contact de la roue.
Il est seulement nécessaire de soulever le véhicule suffisamment pour réduire la friction entre les pneus et la surface pavée. Cela aide à incliner et à rediriger le véhicule. Si le véhicule est soulevé trop haut dans l’air, il peut faire un mouvement de lacet, de tangage ou de roulis, ce qui peut provoquer le renversement du véhicule lorsque les roues entrent à nouveau en contact avec le sol. De préférence, les barrières de forme de sécurité en béton doivent être adjacentes à une surface pavée afin que les roues ne puissent pas s’enfoncer dans le sol et provoquer le renversement du véhicule.
Il y a quelques années, il était courant de former un rayon de 255 millimètres (10 pouces) à l’intersection des deux surfaces en pente pour faciliter le coffrage glissant de la barrière. Ce rayon n’est plus nécessaire pour le slipforming. Les machines à coffrage glissant modernes peuvent facilement coffrer des barrières en béton jusqu’à 1320 mm (52 pouces) de hauteur sans rayon.
Le « reveal » vertical de 75 mm (3 pouces) à la base de la barrière est uniquement destiné à fournir une ligne nette pour le resurfaçage de l’asphalte. Ce dévoilement vertical modifie très peu la dynamique du véhicule car il a à peu près le même effet que de heurter une bordure de 75 mm.
Les ouvertures de drainage dans la face du dévoilement n’ont pas d’effet significatif sur un véhicule qui s’impacte. Les ouvertures plus hautes ne devraient pas être utilisées car les roues et les pare-chocs peuvent interagir avec elles, s’accrocher et provoquer le lacet du véhicule. Dans la mesure du possible, le drainage doit être collecté le long du pied de la barrière car une dépression ou une bordure de drainage à l’avant d’une forme de sécurité en béton peut provoquer une instabilité du véhicule et entraîner un renversement.
Le paramètre de conception clé pour un profil de forme de sécurité est la distance entre le sol et le point de rupture de pente, car cela détermine la quantité de compression de la suspension. Pour la forme NJ, cette distance est de 330 mm (13 in).
L’ancienne forme General Motors, ou forme GM, avait une distance de 380 mm (15 in) du sol au point de rupture de pente. Cette distance plus élevée provoquait le soulèvement excessif des petites voitures des années 1970, comme la Chevrolet Vega. Après avoir heurté la forme GM lors de crash tests, ces petites voitures devenaient instables et avaient tendance à se retourner. En conséquence, l’utilisation de la forme GM a été abandonnée.
Une étude paramétrique (variation systématique des paramètres) de diverses configurations de profil qui ont été étiquetées de A à F a montré que la forme F se comportait nettement mieux que la forme NJ. Les résultats de ces simulations informatiques ont été confirmés par une série d’essais de collision en grandeur réelle. La configuration F est devenue connue sous le nom de forme F.
Même si les performances de la forme F étaient supérieures à celles de la forme NJ, elle n’était pas largement utilisée. En effet, les États étaient satisfaits de la forme NJ, qui répondait également aux critères des crash-tests. En outre, leurs entrepreneurs ne voulaient pas changer de profil parce qu’ils avaient un investissement considérable dans les formes requises pour produire la forme NJ.
Comme le montre la figure 1, les pentes de la forme F et de la forme NJ sont les mêmes. La différence majeure est que la distance entre le sol et le point de rupture de pente de la forme F est de 255 mm — 75 mm de moins que la forme NJ. Le point de rupture de pente plus bas réduit considérablement le soulèvement du véhicule et améliore grandement les performances de la barrière en béton.
Les profils en forme de NJ et en forme de F sont étroitement liés. Si vous faites un revêtement d’asphalte de 75 mm à côté de la forme NJ (et que vous coupez mentalement un nouveau reveal de 75 mm dans le béton qui reste au-dessus de la surface de l’asphalte), vous avez converti la forme NJ en une forme F. Cela signifie que les travaux de resurfaçage de l’asphalte peuvent effectivement convertir la forme NJ en une forme plus sûre. Cependant, ces revêtements d’asphalte réduiront la hauteur totale de la barrière en béton et, par conséquent, réduiront son efficacité pour les véhicules plus lourds.
Lorsqu’un camion à une seule unité, comme un camion de location Ryder ou U-Haul, heurte une barrière en béton lors d’un essai de collision, il roule vers la barrière jusqu’à ce que le dessous de la plate-forme du camion vienne s’appuyer sur le dessus de la barrière. Cela arrête le mouvement de roulis. Ensuite, le véhicule glisse le long du sommet de la barrière jusqu’à ce qu’il soit redressé. Pour ce faire, la barrière en béton doit avoir une hauteur minimale de 815 mm (32 po). Pour contenir et rediriger un « 18-roues » ou un tracteur à semi-remorque dans un essai de collision, une barrière en béton doit avoir une hauteur minimale de 1 070 mm (42 po). Lors de ces collisions avec des camions, la trajectoire principale de la charge est verticale, car la charge est transférée du dessous de la plate-forme du camion ou de la remorque au dessus de la barrière en béton. Une barrière en béton est essentiellement une colonne courte et trapue qui peut facilement résister à ces charges verticales.
Parce que les camions, les autobus et les autres véhicules plus lourds ont tendance à glisser sur le dessus des barrières en béton, il est important de garder le dessus de ces barrières libre de panneaux, de clôtures, de supports de luminaires et d’autres accessoires qui pourraient accrocher le véhicule et le faire dévier. Lorsqu’il est nécessaire de fournir des supports de luminaires sur les barrières médianes en béton, les barrières peuvent être plus épaisses au sommet à proximité du support de luminaire et évasées sur les côtés pour fournir une section de transition latérale lisse pour le véhicule d’impact.
Barrières de forme de sécurité en béton à haute performance
Des barrières en béton plus élevées sont parfois utilisées comme barrières pour camions et pour fournir un écran anti-éblouissement intégral sur les barrières médianes en béton (CMB). Le tablier d’un tracteur à semi-remorque est situé à environ 1 350 mm (53 po) au-dessus du sol. Comme le tablier est un élément de structure solide et rigide, il peut produire des forces latérales importantes lorsqu’il heurte une barrière en béton. Par conséquent, toute barrière en béton d’une hauteur supérieure à 1 320 mm (52 pouces) devrait être renforcée près de son sommet, ne serait-ce que pour éviter que le béton écaillé ne soit projeté dans la circulation en sens inverse. Dans certains États, les barrières en béton existantes sont recouvertes d’écrans anti-éblouissement en béton. Habituellement, ces écrans d’éblouissement en béton contiennent une certaine armature pour empêcher l’écaillage.
Pour contenir et rediriger un camion-citerne d’essence de 36 000 kg après des impacts à des angles et des vitesses élevés, une barrière en béton de 2290 mm (90 pouces) est nécessaire.
L’autorité de l’autoroute du New Jersey (NJTA) a testé en cas d’accident et mis au point une barrière médiane en béton de 1070 mm (42 pouces) de haut qui peut contenir et rediriger en toute sécurité les semi-remorques en position verticale. Cette barrière est fabriquée avec les coffrages NJ-shape. L’ouverture verticale de 75 mm est recouverte d’asphalte pour ancrer la barrière contre le renversement (voir figure 2). (Voir figure 2.) Cela transforme le profil de la barrière en forme de F qui n’a pas d’ouverture verticale. La barrière médiane pour véhicules lourds de la NJTA a une épaisseur supérieure de 305 mm (12 pouces). Elle est lourdement renforcée.
Le Tall Wall de l’Ontario est une barrière médiane en béton de 1070 mm de haut, avec le même profil, mais sans renforcement. Un essai de collision avec un tracteur à semi-remorque de 36 000 kilogrammes (80 000 livres) à 85,3 kilomètres à l’heure (53 milles à l’heure) et un angle d’impact de 15 degrés a démontré que l’armature n’était pas nécessaire parce que le Ontario Tall Wall mesure 305 mm au sommet. Même si des fissures de retrait du béton se sont formées verticalement environ tous les 2440 à 3355 mm (8 à 11 pieds) et ont pénétré complètement dans la section transversale de la barrière, la surface de la section transversale et l’imbrication des granulats étaient suffisantes pour transférer toutes les forces d’impact latéral à travers les sections transversales fissurées.
Les recouvrements d’asphalte de 75 mm d’épaisseur qui ancraient les deux côtés de ces barrières médianes à haute performance ne se sont pas séparés du béton pendant les essais de collision avec des tracteurs à semi-remorque. D’autres essais de collision ont montré que des recouvrements d’asphalte de 25,4 mm (1 po) d’épaisseur des deux côtés de barrières médianes en béton de 815 mm (32 po) de haut sont suffisants pour les ancrer en cas d’impact avec des voitures particulières et des autobus.
De nombreux États utilisent des barrières de forme de sécurité en béton qui n’ont que 150 mm ou 200 mm (6 po ou 8 po) d’épaisseur au sommet. Les semi-remorques peuvent briser un morceau de béton en forme de V au niveau des joints de construction et grimper sur le dessus de ces barrières. Cependant, ce cas est si rare que la plupart des États ne trouvent pas économiquement faisable d’utiliser des barrières plus épaisses ou d’augmenter l’armature à proximité des joints.
Les semi-remorques-citernes à essence n’ont pas d’éléments structurels exposés entre les roues et le réservoir, qui est centré à environ 1980 mm (78 po) au-dessus du sol. En d’autres termes, il n’y a rien sur lequel la barrière puisse pousser entre les roues et le réservoir. Les roues de 1 070 mm peuvent interagir avec une barrière en béton de 1 070 mm de haut et rediriger le véhicule lors d’impacts à angle faible (voir figure 2). (Voir figure 2.) Cependant, pour contenir et rediriger un camion-citerne d’essence de 36 000 kg après des impacts à des angles et des vitesses plus élevés, il faut une barrière en béton plus haute de 2290 mm (90 pouces).
Parapets verticaux en béton
Lorsqu’une forme de sécurité en béton soulève un véhicule, une partie de l’énergie cinétique du véhicule est convertie en énergie potentielle. Cette énergie potentielle est retransformée en énergie cinétique lorsque le véhicule revient au sol.
Les parapets verticaux en béton n’ont pas cette caractéristique de gestion de l’énergie, mais les essais de collision ont démontré qu’ils peuvent fonctionner de manière acceptable comme barrières de circulation. Toute l’absorption d’énergie lors d’un impact avec un mur vertical rigide est due à l’écrasement du véhicule. Les pare-chocs ne glissent généralement pas le long des murs verticaux en béton et ne soulèvent pas le véhicule, de sorte que les quatre roues ont tendance à rester au sol. Cela minimise le risque de renversement du véhicule. Comme le véhicule n’est pas soulevé et incliné par la face verticale, cela augmente également la possibilité que la tête d’un automobiliste passe par une fenêtre latérale et entre en contact avec la barrière verticale.
Les roues des véhicules sont principalement conçues pour supporter des charges verticales, et non des charges horizontales. Les trajectoires des voitures particulières après s’être écrasées contre des barrières verticales en béton peuvent être incertaines en raison des dommages aux roues qui peuvent se produire lorsque l’essieu avant entre en contact avec la barrière.
Barrières en béton à pente constante
La nécessité d’avoir un profil de barrière à pente unique qui a une performance plus constante qu’un mur en béton à face verticale a conduit au développement de barrières à pente constante. Les barrières à pente constante et les murs verticaux en béton peuvent tous deux faciliter le resurfaçage car leur performance est insensible à l’épaisseur du revêtement d’asphalte. Ceci est particulièrement avantageux lors de la construction de barrières sur des rampes courbes et pour les opérations de resurfaçage qui, autrement, nécessiteraient la remise en place de barrières de sécurité en béton. Il est possible d’effectuer jusqu’à 255 mm (10 po) de recouvrement avant de réduire la hauteur de la barrière à 815 mm (32 po).
La barrière à pente constante du Texas mesure 1070 mm (42 po) de hauteur et possède une face à pente constante qui fait un angle de 10,8 degrés par rapport à la verticale. (Voir figure 3.) Elle a été testée et mise au point à l’origine pour être utilisée comme barrière temporaire en béton, mais elle a été largement utilisée comme barrière médiane permanente en béton.
La Californie a mis au point un profil à pente constante qui fait un angle de 9,1 degrés par rapport à la verticale. Ce profil est plus proche de la pente de 6 degrés sur les faces supérieures de la forme NJ et de la forme F. La Californie a utilisé ce profil à pente constante pour sa barrière routière de type 60 de 1070 mm de hauteur et pour sa glissière de pont de type 70.
Les essais de collision indiquent que la performance de la barrière à pente constante du Texas est comparable à celle de la forme NJ et que la performance de la barrière à pente constante de la Californie est comparable à celle de la forme F. Ces barrières à pente constante ont toutes deux été testées avec un camion de 8000 kg (18 000 lb), conformément au rapport 350 du NCHRP, et sont toutes deux des barrières de niveau d’essai 4 (TL-4). À ce jour, les barrières à pente constante n’ont pas été soumises à des essais de collision avec des semi-remorques ou d’autres véhicules lourds ; par conséquent, leurs limites supérieures de performance n’ont pas été établies.
Barrières portatives en béton
Les barrières portatives en béton (BPC) ont grandement amélioré la sécurité dans les zones de travaux de construction. Les PCB sont constituées de sections de forme de sécurité en béton préfabriqué assemblées pour former une barrière longitudinale continue. Comme les barrières en béton portables sont principalement destinées à empêcher les véhicules errants de heurter les travailleurs de la construction, la déflexion latérale dynamique de ces barrières doit être réduite au minimum. En général, la déflexion de la barrière peut être minimisée en utilisant des segments de barrière plus longs et en utilisant des joints qui peuvent développer un moment de flexion de 6913 kg-m (50 kip-ft) ou plus.
Cette barrière en béton portable de 510 mm (20 po) de hauteur, développée par le Texas Department of Transportation, a une pente inverse qui est de 2,8 degrés (1 sur 20) par rapport à la verticale. Cette barrière en béton à profil bas a été soumise avec succès à des essais de collision avec une camionnette à 72 km/h (45 mi/h).
Les raccords à goupille et à boucle sont très populaires parce qu’ils peuvent facilement s’adapter à la courbure horizontale et aux changements de pente verticale. Cependant, ils ne peuvent développer la capacité du moment de flexion qu’après que le joint ait subi une quantité importante de rotation. Une rondelle ou une goupille fendue à l’extrémité inférieure de la goupille en acier est nécessaire pour empêcher la goupille de sauter verticalement hors des boucles en cas d’impact. Les boucles faites de barres d’armature sont préférables aux boucles en fil métallique car elles peuvent résister aux rotations de torsion des barrières au niveau des joints. Le fait de serrer les segments de barrière et d’ancrer les segments d’extrémité au sol est également très utile pour réduire la déflexion latérale. L’ancrage de chaque segment de barrière avec des goupilles d’acier enfoncées dans le sol est très efficace, mais il demande beaucoup de travail et rend la barrière moins portable.
Barrières en béton à profil bas
Si une face inclinée sur une barrière en béton peut soulever un véhicule, il est logique qu’une pente dans le sens inverse puisse avoir tendance à retenir le véhicule en poussant le pare-chocs vers le bas. Une barrière en béton portable de 510 mm de haut a été mise au point par le ministère des Transports du Texas pour être utilisée dans les zones de travaux et aux intersections où la distance de visibilité du conducteur serait bloquée par une barrière plus haute. La pente inverse est de 2,8 degrés (1 sur 20) par rapport à la verticale. Cette barrière en béton à profil bas a été testée avec succès lors d’une collision avec une camionnette à 72 km/h (45 mi/h). Elle n’a pas été testée à des vitesses plus élevées ou avec des véhicules plus gros.
Conclusion
Chacun de ces types de barrières en béton remplit une niche et aide à répondre aux besoins des agences routières qui sélectionnent, conçoivent et localisent les barrières de circulation. En termes de performance de sécurité, la forme F de 1070 mm (42 pouces) est actuellement notre meilleure technologie. Le profilé en forme de F est clairement supérieur au profilé en forme de NJ et est progressivement utilisé par un plus grand nombre d’États pour les barrières en béton portables et les barrières permanentes.
Charles F. McDevitt est ingénieur structurel au bureau de recherche et de développement sur la sécurité de la Federal Highway Administration au Turner-Fairbank Highway Research Center à McLean, Va. Il a 39 ans d’expérience dans la conception, les essais et le développement de nouveaux produits. Il a rejoint la Federal Highway Administration en 1978. Au cours des 22 dernières années, il a travaillé au développement de barrières de sécurité routière nouvelles et améliorées. Il est titulaire d’une maîtrise en génie civil de l’Université de Pennsylvanie, et il est un ingénieur professionnel enregistré en Pennsylvanie.