Rapport de projet : Construire une connexion entre Détroit et Windsor

La tour d'escalier entièrement installée au-dessus de la rivière couverte de nuages. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

En octobre 2020, Universal Manufacturing a contacté DH Charles Engineering (DHC) pour commencer le processus de planification visant à fournir aux travailleurs l'accès au coffrage grimpant en béton pour les piliers du nouveau pont international Gordie Howe.

Étape 1 de la tour d'escalier. Installée au sol, elle permettait l'accès depuis le niveau du sol jusqu'à environ 215 pieds, permettant ainsi l'accès à la première série de coulées de béton. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

Les exigences d'accès aux tours d'escaliers étaient de fournir un accès secondaire au coffrage grimpant au lieu de l'accès par ascenseur, tout en prévoyant une sortie d'urgence si les ascenseurs n'étaient pas opérationnels. Le dossier de dessins, préparé par Universal et examiné et tamponné par DHC, décrivait les sections détaillées des tours d'escaliers qui seraient construites au niveau du sol et hissées en place au fur et à mesure que les piliers progressaient en hauteur. Pour cette raison, les tours d'escaliers devaient pouvoir augmenter en hauteur en même temps que les piliers eux-mêmes. De plus, il y avait la question de la stabilité latérale. Avec un site de projet directement sur les rives de la rivière Détroit et prévu pour rester en place pendant des années, l'échafaudage serait soumis à certaines des conditions météorologiques saisonnières les plus rudes possibles.

En raison de la forme en A des piliers, pour chaque pied de hauteur supplémentaire, les piliers se déplaçaient de 2 pouces sur le côté, pour finalement dépasser de plus de 72 pieds de leur point de départ à la base. Étant donné que les tours d'escalier devaient être solidement attachées aux piliers pour assurer la stabilité latérale, cela signifiait qu'à mesure que l'échafaudage augmentait en hauteur, les attaches devenaient à la fois plus longues et plus asymétriques. Surmonter cet obstacle critique allait devenir un aspect clé de la conception de l'échafaudage.

Au fur et à mesure que les piliers augmentaient en hauteur, ils se sont orientés l'un vers l'autre, pour finalement se rejoindre au sommet. Cela a créé un défi de conception complexe, celui de longues distances de liaison et de liaison à une structure dont l'emplacement changeait avec la hauteur. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

Planification de la hauteur

En tant que voisin du nord, il n’est pas surprenant que le Canada soit l’un des principaux partenaires commerciaux des États-Unis. Mais ce qui peut surprendre, c’est le volume considérable des échanges commerciaux entre les deux pays : plus de 664 milliards de dollars rien qu’en 2021. Ce qui est encore plus impressionnant, c’est que près d’un quart de ces échanges commerciaux empruntent la rivière Détroit entre la ville canadienne de Windsor et Détroit, dans le Michigan. C’est pour cette raison qu’un nouveau pont reliant les deux villes-carrefours a été lancé en 2004. Après plus d’une décennie de planification et de préparation, la construction du pont international Gordie Howe a été lancée en 2018 par un consortium d’entreprises de construction réunies sous le nom de Bridging North America (BNA). À terme, le pont s’étendrait sur plus d’un demi-mile, la silhouette emblématique du pont étant définie par deux piliers en forme de A s’élevant à 722 pieds au-dessus de la rivière.

Tours d'escalier pendant la phase 2, mettant en valeur la conception complexe des attaches fixant les tours aux piliers inclinés qui seraient utilisés dans les 3 phases. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

En 2020, BNA a demandé à Universal Manufacturing de fournir une solution pour l'accès des travailleurs au coffrage grimpant en béton qui serait utilisé pour couler le pilier du pont US Main Span. Avec une hauteur de près de 550 pieds depuis le niveau du sol jusqu'à la jonction des deux jambes, la hauteur et la géométrie de la conception du pilier étaient importantes. Et même si des monte-matériaux seraient disponibles, le besoin d'une source de sortie sûre, fiable et à sécurité intégrée pour les travailleurs tout au long de la phase de construction était essentiel.

Facteurs de conception

Plusieurs facteurs ont dû être pris en compte lors du processus de conception initial. Deux tours d'escalier distinctes étaient nécessaires au début du projet, car l'espace entre les deux jambes du pilier était trop grand pour être franchi entre les deux coffrages grimpants. Une fois qu'une élévation d'environ 225 pieds a été atteinte sur les deux jambes, une passerelle a été installée au-dessus du coffrage grimpant et la tour d'escalier sud a continué à s'élever jusqu'à la hauteur requise de près de 550 pieds.

La tour d'escalier entièrement installée et le nouveau pilier presque à sa pleine hauteur. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

Une fois que Universal Manufacturing et BNA se sont mis d’accord sur un concept général, Chris Cox d’Universal a contacté Mark Palmatier de DH Charles Engineering. Dès le départ, un aspect important de la conception de l’échafaudage était la hauteur à atteindre. À près de 550 pieds de hauteur, le poids des composants de l’échafaudage lui-même dans une tour d’escalier continue dépasserait les capacités des composants, même avant de prendre en compte toute sorte de charge utile des travailleurs.

À cela s'ajoutait peut-être le plus grand obstacle à la conception : il fallait s'assurer que les tours d'escalier soient solidement fixées aux structures des piliers. Pour un système qui serait en place pendant plusieurs saisons et soumis à certains des environnements les plus difficiles, un système d'attache rigide et robuste était essentiel et est devenu un point central de la conception.

En raison de la forme en A du pilier du pont, à mesure que les pieds du pilier augmentaient en hauteur, ils s'inclinaient l'un vers l'autre et finissaient par se rejoindre au sommet. Du point de vue de la conception de l'échafaudage, cela a donné lieu à une configuration et à une situation d'ancrage de plus en plus complexes : à mesure que l'échafaudage devenait progressivement plus haut, la structure à laquelle l'échafaudage était attaché pour assurer sa stabilité latérale s'éloignait de plus en plus. En fin de compte, une approche en trois phases a été déterminée comme le meilleur équilibre pour permettre un accès atteignant près de 550 pieds de haut. La base de l'échafaudage serait placée au niveau du sol et atteindrait une hauteur maximale d'environ 214 pieds.

Les escaliers constituaient une option d'évacuation d'urgence essentielle pour les travailleurs au sommet du quai de 550 pieds de haut. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

À ce stade, une structure de plate-forme en acier serait fixée au pilier du pont sur lequel la tour d'escalier de la phase 2 serait installée et s'étendrait sur 157 pieds de hauteur supplémentaires. Une deuxième plate-forme en acier serait ancrée à la structure du pont à près de 371 pieds au-dessus du sol. Réinstallé sur cette plate-forme finale, l'escalier de la phase 3 atteindrait 173 pieds et permettrait d'accéder au point où les deux jambes du cadre en A se rencontreraient. Pour chaque tour d'escalier reposant sur des plates-formes, la base a été déplacée pour positionner la tour d'escalier de manière à tenir compte de la pente du pilier. Les plates-formes de réinitialisation en acier ont finalement été conçues par un bureau d'études distinct, de sorte que les charges et les forces de conception potentielles qui seraient transmises par les tours d'escalier ont été fournies et coordonnées avec l'équipe de conception de la plate-forme.

Une fois la hauteur et le poids de l'escalier maîtrisés, l'attention s'est portée sur les attaches de l'échafaudage. Situé sur les rives de la rivière Détroit et nettement plus haut que toutes les structures environnantes, il n'y aurait que peu de répit face aux vents violents qui peuvent se former dans la région. Cela serait particulièrement vrai pour l'échafaudage le plus haut de la phase 3.

À la conquête du ciel

Non seulement la tour de l'escalier serait exposée à la force du vent, jusqu'à 105 mph, mais aussi, dans sa partie la plus haute, elle serait décalée de près de 20 pieds par rapport à la structure du pilier dans deux directions. Cela signifiait que tout contreventement vers le pilier subirait une charge asymétrique intense avec des longueurs de tirants dépassant 25 pieds de long. Pour garantir que les forces qui seraient collectées par la tour de l'escalier soient comptabilisées avec précision, chaque phase de l'escalier a été construite dans un modèle d'analyse par éléments finis et analysée dans diverses conditions de charge de vent. Les modèles ont non seulement pris en compte la hauteur de chaque section d'escalier construite, mais aussi l'élévation et la durée de son installation. À chaque emplacement de tirant, les forces maximales et minimales ont été rassemblées et utilisées pour calculer la charge du pire cas en tension et en compression.

Conçues pour évoluer au fur et à mesure de l'avancement du projet, les tours d'escalier permettaient d'accéder à plusieurs aspects du pont, du tablier du pont au coffrage des piles. (Photo : Bridging North America et DH Charles Engineering, Inc.)

En raison des distances à couvrir par les tirants, la décision a été prise très tôt d'utiliser des fermes d'échafaudage modulaires comme éléments de tirants rigides, qui ont été renforcés par des tubes latéraux et des connexions par colliers entre les fermes. En tirant parti de la résistance inhérente du double longeron de ferme dans un composant préfabriqué, l'installation a été considérablement simplifiée par rapport à la même configuration avec des tubes d'échafaudage individuels. Étant donné que les longueurs et les angles des tirants variaient à chaque emplacement de tirant lorsque le pilier se déplaçait par rapport à l'escalier, le contreventement à chaque niveau de tirant a été modélisé, avec un total de 26 modèles à la fin du projet.

DHC a remporté le prix du projet collaboratif industriel de l'année 2023 de la Scaffold & Access Industry Association pour son travail.