Les solutions mises en places contre l’instabilité
Les causes de l’instabilité
Un corps devient instable si son état d’équilibre subit une perturbation.
Dans le cas de l’instabilité des ponts suspendus, les interactions entre
les forces aérodynamiques oscillantes et les structures peuvent provoquer
des vibrations importantes et désastreuses.
La catastrophe du pont de Tacoma (celui-ci s’est rapidement effondré sous
l’effet du vent) a mis en évidence que la largeur du tablier est une élément
essentiel quant à la stabilité du pont.Le vent engendre des effets très
importants sur le tablier des ponts suspendus qui offrent une surface
portante relativement conséquente au vent. Il est donc nécessaire dans
ce cas d’améliorer la rigidité du tablier. Dans le cas du pont de Tacoma,
la travée centrale, longue de 853 m, avait une largeur de 11,70 m, ce qui
est beaucoup trop faible pour avoir une rigidité suffisante.
Une grande activité de recherche dans le domaine de la stabilité aéroélastique
des ponts suspendus a pris naissance, suscitant ainsi l’attention de nombreux
ingénieurs.Il a été constaté que certains ponts suspendus se mettent à vibrer
dans certains vents,alors que d’autres sont parfaitement insensibles à ces for
ces aérodynamiques. Ces vibrations spéciales ne sont excitées que dans une
gamme de vitesses étroite et un vent un peu plus fort ou un peu moins fort peu
les stopper.
Le vent peut entraîner deux type de forces : les forces de portances (qui sont
dirigées suivant la verticale) et les forces de traînées (qui sont dirigées suivant
une horizontale parallèle au vent et dans le même sens que ce dernier).
La forme des tabliers étant relativement grossière (formes non profilées), l’air
ne peut pas s’écouler de manière laminaire, formant une couche d’air autour du
tablier (cette couche s’appelle « couche limite »), qui se décolle de manière
périodique et provoque des tourbillons en aval du pont. Il en résulte des
oscillations, qui peuvent provoquer des instabilités où l’amplitude de vibration
croît jusqu’à la rupture.Les oscillations peuvent se faire à une dimension (suivant
la verticale) seule la portance agit.
Mais les oscillations peuvent aussi se faire à 2 dimensions on a combinaison de la
portance et de la traînée. On a donc un déplacement en hauteur et en largeur.
De ces déplacements naissent trois déformations :
• Une torsion du tablier.
• Une flexion verticale due au soulèvement du tablier.
• Une flexion latérale due au recul du tablier dans le sens du vent.
Par calcul, on peut déterminer la fréquence et l'amplitude des oscillations et on
dispose de suffisamment d'informations pour configurer le pont afin qu'il résiste
au vent.
Les moyens mis en place contre l’instabilité
A l’heure actuelle, tous les projets de grands ponts nécessitent de nombreuses
études expérimentales car la théorie pure ne suffit plus à faire des prévisions
du comportement des ponts dans le vent. De plus, aucun des divers phénomènes
d’aérodynamique instationnaire ne se prête à une mise en équation exacte et les
coefficients nécessaires à des calculs prévisionnels ne peuvent donc être obtenus
qu’à l’aide d’expérience en soufflerie. En effet, plus la longueur du pont est
importante et plus on peut craindre des problèmes d’instabilité au vent. C’est
pourquoi, des expériences en soufflerie sur des maquettes de ponts permettent de
compléter efficacement les études théoriques. Par ailleurs certains paramètres du
pont suspendu sont importants du points de vue constructif mais le sont moins si
on s’intéresse à son comportement dynamique. Le modèle réduit qui permettra d’
étudier le comportement du pont dans le vent au moyen d’une soufflerie pourra être
nettement simplifié par rapport au pont réel. Ce sont des études expérimentales qui
permettent de détecter d’éventuels problèmes face aux forces aérodynamiques.Par
exemple pour le pont d’Akashi-Kaikyo, les études ont montré qu’il été sensible aux
vent tourbillonnants autour des extrémités supérieurs des pylônes. Les ingénieurs
ont donc mis en place des pylônes de sections cruciformes équipés d’amortisseur
de vibration (dispositifs comportant des pendules qui oscillent dans une
direction opposé a celle du pylône).
De plus, en dessinant les travées, les spécialistes ont trouvé qu'un type
particulier de torsions du tablier (lié à certains vents) risquerait de briser
le pont s'il ne possédait pas d'amortissement. C'est à nouveau grâce à une étude
en soufflerie que les ingénieurs ont conçu une travée renforcée, qui ne présentait
pas cette résonance. Des plaques de stabilisation verticales ont été installées sous
la bande médiane du pont. Elles permettent d'amortir les oscillations. Les risques
de résonance ont encore été réduits par des grilles posées sur la partie centrale
et sur les deux côtés du pont.
Théoriquement, les recherches ont indiqué qu'un pont est d'autant plus stable
dans le vent qu'il est large.
Il faut donc tout d'abord prévoir et délimiter les vents environnants permettant
ainsi de calculer les vitesses de vents critiques au-delà desquelles les instabilités
oscillatoires s'établissent et conduisent à la rupture de la structure. Ensuite, il
est nécessaire de décrire les fréquences propres des ponts suspendus, liées
à leurs éléments constituants.
