Par Gilbert KAPUKU

SOMMAIRE 1.Introduction 2.Histoire de la conception du pont Tacoma 3.La vitesse critique de flottement 4.Ruine du pont TACOMA 5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique 6.Conclusion

1. INTRODUCTION Le 7 novembre 1940, peu de temps après son inauguration le 1 er juillet de la même année par les autorités de l’état de Washington, le pont de Tacoma s’effondre sous l’effet d’un vent soufflant à environ 68 km/h.

1. INTRODUCTION Durant les 4 mois de sa courte existence ce pont a été le siège de mouvements d’oscillations verticales de grande amplitude. Mais le 7 novembre 1940, les oscillations deviennent suffisamment fortes pour casser une suspente verticale, créant les oscillations de torsion extrêmement sévères qui conduisent à sa destruction.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA A la fin des années 30 : ville de Tacoma et état de Washington, au dessus du détroit de Puget. Seul les ponts de G. Washington et Golden Gate ont une longueur supérieure à la longueur totale (1525m) prévue.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA Les ponts suspendus ont un tablier relié à des câbles porteurs métalliques par des suspentes verticales. Ces câbles porteurs passent au sommet de pylônes et sont ancrés au sol dans des culées de dimensions importantes.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA Une première équipe d’ingénieurs établit les plans d’un pont ayant travée centrale longue de 850m, large de 12m, avec de chaque coté une poutre en treillis de 7,6m de haut. Ce type de poutre présente l’avantage de rigidifier la structure en offrant une prise au vent relativement faible. Or les vents qui soufflent sur Tacoma, canalisés par le détroit de Puget, sont particulièrement puissants. Ce projet dont le cout est estimé à 11 millions de US est jugé trop cher et refusé.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA

Le dossier est confié à Léon Moisseiff. Moisseill et son collaborateur Lienhart ont développée une théorie mathématique pour le calcul des déformations des ponts suspendus sous l’effet des forces de pesanteur et des forces aérodynamiques (théorie du débattement). Moisseif remplace les poutres en treillis de 7,6m par des poutres en acier en forme de I et de seulement 2,4m de haut.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA

Le projet de Moisseiff, dont le cout a la construction est estimé à 6,5 millions dollars est adopté. Le pont est construit en seulement 19 mois et sa silhouette élégante et élancée fait l’admiration du public et des spécialistes.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA Son extrême souplesse se révèle immédiatement trop importante. Plusieurs dispositifs sont mis en place pour tenter de réduire l'amplitude des mouvements verticaux de flexion du pont, en vain : -Suspentes obliques reliant les câbles porteurs aux poutres -Câbles arrimant les poutres à des blocs de béton de 50tonnes -Amortisseurs hydrauliques disposées en les pylônes et le tablier

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA Le département de technologie de l’Université de Washington est mis à contribution et des études expérimentales sont entreprises. Farquarhson suggère d’augmenter le nombre des suspentes, de fixer des déflecteurs sur les poutres et les percer pour la prise au vent. Le pont s’effondre dans un mouvement oscillatoire de torsion d’une amplitude extraordinaire avec une fréquence de 0,2Hz : le déplacement crête à crête est estimé à 7,5m.

2. HISTOIRE DE LA CONCEPTION DU PONT TACOMA

3. LA VITESSE CRITIQUE DE FLOTTEMENT Les résultats des méthodes utilisées (énumérées et classées chronologiquement) sont données dans le tableau : Analytiques traditionnelles Empiriques Semi-analytiques Analytiques modernes

3. LA VITESSE CRITIQUE DE FLOTTEMENT

4. RUINE DU PONT TACOMA La déformation en torsion du tablier qui s’observe facilement sur les dessins correspond à une variation de l’angle d’incidence du vent.

4. RUINE DU PONT TACOMA Ce changement d’incidence modifie l’écoulement du vent autour du tablier qui, en retour, modifie le couple de torsion. Par conséquent, le pont capte de l’énergie au vent à chaque fois qu’il oscille.

4. RUINE DU PONT TACOMA Modélisation de l'effort aéro-élastique. La conséquence des mécanismes d’adaptation de l'écoulement au mouvement est un moment de torsion Mt périodique à la fréquence des oscillations. Son amplitude et son déphasage par rapport au mouvement dépendent de la vitesse réduite U R qui fait intervenir B la largeur du tablier, U la vitesse du vent et f la fréquence naturelle de torsion du tablier. Au sein de la communauté du génie civil ce moment de torsion aéro- élastique est exprimé sous la forme :

4. RUINE DU PONT TACOMA

A2* et A3* sont des coefficients sans dimension mesurés en soufflerie en fonction de la vitesse réduite. La figure ci-contre montre l’évolution du coefficient A2*, qui caractérise le terme d’amortissement aérodynamique pour différentes géométries de section de tablier. Celle du pont de Tacoma présente une croissance rapide en valeur positive, donc défavorable, ce qui rend le système vent- pont instable ! A l'inverse, les autres formes de pont mieux profilées (types 1 & 2) restent en valeur négative, donc stables.

4. RUINE DU PONT TACOMA

Pendant 45minutes qui précèdent son effondrement, le pont oscilla sur un mode de torsion. Le pont engendre des tourbillons qui le pont engendre des tourbillons qui, emportés par le vent de travers, parcourt le tablier dans sa largeur. Associés deux à deux, ils engendrent sur les faces supérieures et inférieures du tablier des champs de pression dont le moment résultant est en phase avec la vitesse du mouvement : il y a apport d’energie du vent au pont à tout instant.

4. RUINE DU PONT TACOMA

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Faire un choix judicieux de la forme de la section transversale

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Ouverture longitudinale dans le tablier

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Faire les essais de soufflerie

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Liaison rigide entre le tablier et les câbles paraboliques au centre du pont

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Réduction du rapport entre la hauteur des pylônes et la portée du pont La stabilité aérodynamique du pont est améliorer en choisissant un rapport entre la hauteur des pylônes et la portée centrale de l’ouvrage faible (1/12). Dans le même ordre un rapport faible entre les portées latérales et la portée centrale rigidifient la portée centrale du pont par l’ intermédiaire des câbles paraboliques ancrés au sol.

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Configuration du tablier au droit du pylônes

5.Mesures constructives pour améliorer la stabilité aérodynamique Configuration du tablier au droit du pylônes Le tablier n’est pas appuyé verticalement appuyé sur les branches du pylônes. Cet appui est remplacé par des suspentes proches des pylônes car il évite la concentration des moments sur le pylône

6. Conclusion Tout l'art de construire avec le vent réside dans la capacité des concepteurs à augmenter la vitesse critique, de telle sorte que le vent naturel ne puisse jamais l'atteindre. Les tabliers grands ponts doivent être testés en soufflerie afin de garantir la qualité des études. Car l'écoulement du vent autour d'une structure aussi grande et complexe qu'un pont ne peut pas s'obtenir par le calcul.