2003-2007 : Lot 3 - Charpente métallique de Liège-Guillemins

L'assemblage des pièces de ce formidable "meccano" constituait une véritable prouesse technique vu la complexité de l'ouvrage et les conditions particulières de sa réalisation.

Initialement, la voûte devait être mise en place selon une technique classique mais très contraignante pour le fonctionnement de la gare comme pour les entreprises. La technique du poussage finalement adoptée a permis d'assembler progressivement la structure hors du domaine ferroviaire avec, à la clé, moins de contraintes pour l'exploitation du site et une plus grande liberté d'action pour la poursuite des travaux.

La charpente métallique - 10 000 tonnes d'acier -  est constituée de 4 éléments :

  • les passerelles : larges de plus de 14 mètres, les deux passerelles (3000 tonnes) sont distantes de 160 mètres et reposent à hauteur de chaque quai sur des appuis métalliques à 4 branches, les quadripodes.
  • la voûte : large de 73 mètres (3500 tonnes), elle est constituée de 39 arcs équidistants d'un peu moins de 2 mètres qui prennent appui sur les passerelles. Transversalement, les arcs sont reliés par des poutres. Arcs et poutres forment le quadrillage de la voûte. Elle couvre environ 200 mètres et culmine à 35 mètres par rapport aux quais.
  • les auvents : en forme de casquette, ils couvrent les entrées de la gare côté ville (1400 tonnes) et côté colline (1100 tonnes).
  • les abris de quai : cinq abris de quai (1000 tonnes) prolongent la voûte sur plus de 200 mètres pour les 3 quais longs et plus de 150 mètres pour les 2 quais courts.

Le montage de la voûte et des passerelles

Le  montage de la voûte et  des passerelles de la gare des Guillemins  a été réalisé par tranches longitudinales de près de 10 mètres de larges assemblées sur la plateforme de travail installée sur le premier quai, côté ville. Chaque ensemble - les tranches s'additionnant au fur et à mesure - a été progressivement poussé au-dessus de l'infrastructure ferroviaire, vers la colline.

Cette méthode a permis une utilisation optimale des voies et des quais durant les travaux.

L'opération de poussage a été répétée 7  fois, de mai 2005 à juin 2006 jusqu'à ce que 35 arcs et les portions de passerelles correspondantes soient amenés à leur position transversale définitive.

 

Assemblage et poussage

Pour pouvoir réaliser cet assemblage, 5 structures auxiliaires provisoires ont été nécessaires :

  • La structure centrale ;
  • 2 structures extérieures qui soutenaient la retombée des arcs ;
  • 2 structures mobiles qui, placées sur les passerelles entre les appuis internes et externes, formaient un plancher de travail ; elles étaient évacuées avant chaque opération poussage.

35 des 39 arcs qui forment la voûte ont été assemblés par groupe de 5 grâce aux structures auxiliaires et poussés au-dessus des voies. Ces 5 arcs prenaient appuis sur les tronçons (+/- 10 m) des 2 passerelles qui elles-mêmes reposaient sur des supports provisoires. Les pannes transversales qui supporteront les châssis de vitrage étaient également soudées et liaient les arcs entre eux.

  

À chaque opération, les vérins hydrauliques faisaient avancer le couple arcs/passerelles de manière à libérer la plateforme de travail et dégager  l'espace nécessaire pour permettre le montage des 5 arcs suivants.

 

Les couples arcs/passerelles se sont additionnés au fil du temps : 5 au premier poussage, 35 au septième poussage.

Les 4 arcs restants ont été construits directement en place;  deux d'entre eux, les 2 arcs situés aux extrémités de la voûte, ont été montés en même temps que les auvents.

 

Gare de Liège - Poussage fin mai 2005

Gare de Liège - Poussage fin mai 2005

Gare de Liège - Poussage mi-août 2005

Gare de Liège - Poussage mi-août 2005

Gare de Liège - Poussage fin octobre 2005

Gare de Liège - Poussage fin octobre 2005

Gare de Liège - Poussage fin décembre 2005

Gare de Liège - Poussage fin décembre 2005

Gare de Liège - Poussage fin février 2006

Gare de Liège - Poussage fin février 2006

Gare de Liège - Poussage fin avril 2006

Gare de Liège - Poussage fin avril 2006

Gare de Liège - Poussage fin juin 2006

Gare de Liège - Poussage fin juin 2006

Le poussage de la voûte et des passerelles : dispositif et déroulement

Deux culées de poussage, distantes d'environ 160 m et situées de part et d'autre de l'entrée de la gare, côté ville, supportaient une poutrelle de plus ou moins 18 mètres soutenue à l'autre extrémité par un appui provisoire placé sur le premier quai. Chaque poutrelle supportait à son tour une poutre de poussage prolongée par un appui de glissement. Cette poutre était munie d'une plaque métallique dentée à laquelle s'accrochait un vérin hydraulique mobile.

 

L'autre extrémité des poutres de poussage était prolongée par des avant-becs qui prenaient appui sur des structures provisoires placées sur les quais.

Avant d'entamer le poussage, le couple arcs/passerelles était soulevé à l'aide de vérins pour pouvoir placer des rouleurs sur la plaque dentée et des blocs de glissement sur les appuis de glissement. De la sorte, arcs et passerelles étaient désolidarisés de la plateforme provisoire de montage et tous les éléments étaient en place pour engager la manœuvre.

Au début de chaque poussage, les vérins, d'une course de 550 mm, se trouvaient à l'extrémité de la plaque dentée, côté ville; au cours du processus, à chaque fois qu'ils arrivaient au bout de leur course, ils avançaient pour prendre appui sur la dent suivante.

À chaque poussage, le couple arcs/passerelles progressent jusqu'à dégager la plateforme de travail et permettre le montage du tronçon suivant.

Au fur et à mesure de la progression de la structure, les blocs d'appui équipés de téflon et enfilés sur une barre en acier avançaient; ils étaient récupérés quand ils quittaient l'appui de glissement pour être réintroduits à la file et replacés dans le circuit. La progression de la structure était donc très lente et les ajustements et contrôles, au cours du processus, nombreux.

 

Le déplacement était en outre freiné par une contrainte récurrente : faire passer, à travers les échafaudages, des tirants qui assuraient la stabilité de l'ouvrage pendant la manœuvre. Chaque groupe arcs/passerelles était en effet mis sous tension grâce à deux câbles faits de plusieurs torons fichés dans les passerelles pour empêcher la structure de s'affaisser.

Le contreventement provisoire installé entre les 5 premiers arcs contribuait également  à la stabilité de la structure pendant toute la durée des poussages.

Au début de chaque poussage, ces deux tirants étaient prisonniers à l'intérieur de la plateforme de travail provisoire. Au fur et à mesure que l'ouvrage avançait, ils se rapprochaient des deux colonnes intérieures qui supportaient la plateforme; celles-ci avaient été étudiées de manière à s'ouvrir en coulissant, pour laisser passer les tirants. A partir du deuxième poussage, il fallut en plus démonter partiellement les échafaudages nécessaires au placement des châssis de vitrage pour ouvrir le passage à ces mêmes tirants.

Chaque poussage a été réalisé en tenant compte des conditions météorologiques afin de limiter la déformation de la structure pendant l'opération.

Descente de la structure sur ses appuis définitifs

Une fois les 37 arcs construits, l'ensemble de la structure  a été descendue et fixée sur ses appuis définitifs. Il s'agit de 10 supports à 4 branches équipés de rotule (2 par quai) qui ramènent les efforts de la voute et des  passerelles sur les quais.

 

Le montage des abris de quai

Les panneaux de couverture des abris de quais ont été pré-montés sur le quai I par tronçons d'environ 12 mètres de long et  4 mètres de large.

L'opération de montage était effectuée en 3 temps :

  • placement des ancrages  et de la poutre centrale s'y arrimant.
  • placement des panneaux de couverture préalablement assemblés.
  • réalisation de la jonction entre les abris de quai et la voûte principale.

 

Le montage des auvents

Le montage des deux arcs manquants situés aux extrémités de la voûte et des deux auvents s'est fait en place, sur des tours d'étaiement classiques. La voûte n'étant pas munie de contreventements, ce sont les auvents qui en assurent la stabilité transversale.

Les deux auvents sont différents mais ils sont l'un et l'autre constitués de 4 arcs s'appuyant sur des supports en béton : les "arbres à 3 branches" côté ville et les "fléchettes" côté colline.

L'auvent coté ville est large de 45 mètres en son centre et pèse 1 700 tonnes; côté colline, il est large de 38 mètres en son centre et pèse 1 400 tonnes.

Pour chaque auvent, les pannes (poutres transversales) ont été soudées tous les 1,50 m. Chaque panne est unique; la plus grande mesure 27 m. Toutes sont arrimées en un seul tenant.

Pour une question de stabilité et de risque de déformation de la charpente, les deux auvents ont été décintrés simultanément. Le décintrage achevé, le contreventement provisoire qui avait été placé lors de la construction des 5 premiers arcs, a été enlevé.

Lorsque les auvents ont été décintrés, le poids de l'auvent côté ville étant supérieur au poids de l'auvent côté colline, la structure s'est déformée de 8 cm, conformément aux calculs.

 

L'auvent côté ville

 

L'auvent côté colline

 

Tempêtes en miniature : essais en soufflerie

Durant 6 mois, pour vérifier la stabilité et la résistance de l'ouvrage, deux modèles réduits spécialement conçus à cette fin, ont été soumis à des tests divers.

L'une de ces maquettes, qui reproduit le futur bâtiment des voyageurs et ses environs à une échelle de 1/750ème, couvre une zone d'un rayon de 1 km autour de la gare. La Colline de Cointe constitue une donnée essentielle de cet environnement ; en effet, tout en faisant écran au vent d'ouest, elle forme une barrière pour le vent d'est (soufflant de la ville). En butant contre la colline, il subit des changements de direction qui peuvent avoir des effets divers sur la toiture. Il s'agissait de les mesurer.

Introduite dans un tunnel aérodynamique équipé de 6 ventilateurs, la maquette a donc été soumise à une batterie de tests. Vents violents, rafales (jusqu'à près de 195 km/h) et autres turbulences ont ainsi été simulés. Ils ont permis d'établir les caractéristiques globales du profil de vent et la distribution de la pression du vent sur la toiture de la future gare.

Une deuxième maquette du bâtiment des voyageurs reproduit au 200ème cette fois, a également fait l'objet d'une série d'investigations. Le modèle global de vent, déterminé grâce aux essais précédents a été artificiellement recréé dans le tunnel. Soumise à cet environnement, la maquette a permis de déterminer de façon plus fine, la distribution de la pression exercée par le vent sur la toiture. Grâce aux mesures obtenues, il a été possible de simuler son comportement dynamique. Enfin, les essais en soufflerie ont également permis d'établir le niveau de confort de différents lieux stratégiques de la gare, le hall, les passerelles et les quais notamment.

Les résultats de ces tests ont permis de valider la structure du bâtiment et en particulier le dimensionnement de la toiture.