Nous allons ici donner les principales caractéristiques des matériaux aujourd'hui utilisés pour la construction des ponts suspendus.
L'acier.
La force de cet alliage (fer + carbone ) est celle de pouvoir supporter les efforts de traction dus au principe du pont suspendu. Les qualités récentes sont exemptes de deux inconvénients sérieux : la fragilité aux basses températures et leur prédisposition à la fatigue.
De nos jours, il existe toute une gamme d'aciers propres à satisfaire à tous les besoins. Le critère les différenciant est leur limite d'élasticité ; en effet, la pièce d'acier soumise à une traction croissante est élastique jusqu'à cette valeur. Au-delà, l'acier, tout en conservant sa résistance, subit une déformation permanente, de telle sorte que lorsqu'on fait cesser la traction, il ne revient pas à ses dimensions d'origine. Cette déformation plastique augmente au fur et à mesure que s'accroît la traction au-dessus de la limite d'élasticité, jusqu'à une nouvelle limite à partir de laquelle la déformation n'est plus possible et la pièce se casse.
L'acier doux a une limite d'élasticit‚ de 2500 à 3000 kg/cm2 et une limite de rupture variant entre 4400 et 5200 kg/cm2, mais pour la construction de structures métalliques on lui attribue une résistance admissible d'environs 1500 kg/cm2. L'acier T1 d'origine américaine, est certainement le plus résistant ; sa limite d'élasticité est de 6280 kg/cm2 et il a une résistance admissible de 3140 kg/cm2. De plus, il est soudable, bien plus résistant à la corrosion que l'acier doux et supporte des basses températures qui rendent les aciers fragiles au choc. Mais son prix est son plus gros inconvénient. En général, on utilise plutôt un des nombreux aciers spéciaux de caractéristiques mcaniques comprises entre celles du T1 et de l'acier doux.
Le béton:
Les Romains utilisaient déjà une sorte de béton, la pouzzolane : il s'agit d'un dépôt volcanique qui se solidifie si on le mélange avec de l'eau et de la chaux. Le portland, inventé en Angleterre en 1824, est un ciment obtenu par calcination à 1500°C d'un mélange d'argile et de craie que l'on broie ensuite finement. Lorsqu'on le mélange à de l'eau, il durcit et devient très résistant en raison de sa forte teneur en silicates de calcium anhydres.
Ce matériau présente le gros avantage de pouvoir être employé à l'état plastique, voire fluide ; il peut donc être coulé en moules de n'importe quelle forme ; il se solidifie ensuite pour devenir comme de la roche qu'on aurait modelée.
Le béton ordinaire est constitué par un mélange de ciment portland, de sable et de pierre concassée dans des proportions de 1, 2 et 4, respectivement. On lui attribue des charges de compression de jusqu'à 45 kg/cm2. Notons qu'il existe des bétons spéciaux tolérant des charges de 400 kg/cm2. Afin d'accroître la résistance d'un béton, on peut simplement augmenter la proportion de ciment. Toutefois, si le rapport eau/ciment reste constant, l'augmentation de la quantité de ciment implique celle de l'eau et cela conduit à un mélange qui se contracte considérablement lorsqu'il durcit. Pour limiter ce retrait, on est amené à réduire la proportion d'eau, au point d'obtenir des bétons exceptionnellement secs, qui pèchent souvent par un manque de fluidité.
Le portland peut aussi être remplacé par le ciment alumineux qui a non seulement une résistance mécanique très haute, mais résiste aussi à l'action corrosive de l'eau de mer et des sulfates.
Le béton armé :
Nous avons vu ci-dessus que le béton est environ dix fois plus résistant à la compression qu'à la traction. Heureusement, par le plus grand des hasards, ce dernier a à peu près les mêmes coefficients de dilatation thermique que l'acier, ce qui inspira l'idée de noyer des barres d'acier dans le béton là où celui-ci devait être soumis à des efforts de traction importants. Pour empêcher tout glissement du métal, on retourne les extrémités de ces barres à l'intérieur même du béton.
Mais, où placer ces barres ? Aux endroits où les contraintes sont les plus fortes. Donc, les principes fondamentaux appliqués à toute sortes de structures en béton armé sont des plus simples : le renfort métallique est introduit là où se développeront des tensions ; le béton, quant à lui, supporte les efforts de compression.
Le béton précontraint :
Si le béton et l'acier ont des coefficients de dilatation thermique voisins, il n'en est pas de même pour leur module d'élasticité : lors d'une traction, l'acier s'allonge alors que le béton se fissure jusqu'à la rupture.
Prenons une poutre de béton longue de 2,50 et armée par une barre d'acier doux de 6,25 cm2 de section. Si on crée, dans l'acier, une tension induite de 5000 kg, la barre s'allongera d'un millimètre. Cela suffit à provoquer des fissures dans le béton. Par contre, si l'armature est composée de quatre barres d'acier, la tension provoquée sera partagée sur une section d'acier quatre fois plus grande et l'allongement en sera d'autant. Il suffit donc d'armer le béton avec un nombre approprié de barres d'acier pour ramener l'allongement au-dessous de la limite qui peut effriter le béton. Mais alors une constatation s'impose : puisque la charge de sécurité de cet acier est de 1500 kg/cm2, une seule barre aurait suffit à supporter l'effort de 5000 kg et toutes les autres constituent donc le prix payé pour éviter la rupture du béton.
Imaginons maintenant que la barre d'acier unique soit allongée d'un millimètre en l'étirant avec une force de traction de 5000 kg et cela dès avant qu'elle soit noyée dans la coulée du béton. Après la prise de ce dernier, on fait cesser cette traction et alors la barre, en se contractant, imposera au béton une force de compression égale à celle qui avait allongé‚ l'acier avant la prise. Cette méthode, dite de précontrainte, permet de réduire considérablement l'armature d'acier par rapport aux éléments équivalents à béton non contraint.
Il existe deux grandes méthodes de précontrainte. Dans l'une d'elles, l'acier après sa mise en forme est étiré de l'extérieur du moule avant que le béton soit coulé. Après la prise de ce dernier, l'adhérence est telle qu'elle suffit à conserver à l'acier sa tension une fois que l'on supprime les forces extérieures mises en ouvre pour l'allonger. Dans l'autre méthode, la pièce de béton est coulée d'abord sans armature, mais en ménageant dans sa masse des canaux dans lesquels on passera ultérieurement des câbles d'acier qui seront mis sous tension et dont les extrémités seront finalement ancrées. L'espace libre entre l'acier et les canaux est ensuite comblé par injection à pression d'un mortier de ciment.
Cette contrainte a posteriori rend possible le renforcement du béton suivant des courbes et permet d'épouser de près les lignes de tension maximale d'une poutre ou d'une dalle chargée. Cette méthode a permis de faire des économies substantielles d'acier et de béton.
Autres matériaux :
Les alliages à base d'aluminium offrent à l'ingénieur un rapport résistance/poids meilleur que celui de certains aciers (l'acier a une densité de 7,85, alors que celle d'un alliage léger également résistant n'est que de 2,80). Ils ont aussi l'avantage d'être relativement inertes à des actions chimiques de l'atmosphère qui corrodent l'acier. Ils ont contre eux leur prix mais, le coût de l'aluminium continue de baisser, alors que celui de l'acier monte et peut-être qu'un jour il deviendra plus avantageux.
La fonte manque de tenue à la traction, mais elle constitue un matériau excellent pour travailler en compression et a l'avantage de résister aux agents corrosifs.
Notons que les matières plastiques ont maintenant des applications dans les travaux publics. Les plus utilisées sont l'époxyde renforcé à la fibre de verre et le P.T.F.E. ou polytetrafluoroéthylène composé à friction "nulle" qui n'est autre que le Téflon avec lequel on enduit les poêles pour qu'elles n'attachent pas.
Elasticité des matériaux :
Lorsqu'ils sont soumis à des forces les matériaux subissent des déformations proportionnelles à l’intensité de la ou des forces et dépendantes de leur structure atomique ou moléculaire. Ainsi, ces déformations peuvent s’expliquer de deux façons : soit les couches d’atomes glissent l’une sur l’autre et de ce fait l’étirement du matériaux est compensé par une diminution de son épaisseur et de sa densité ; soit l’étirement du matériau, en augmentant la distance entre chaque atome et par la même fragilisant l’ensemble de la structure, provoque des lésions au niveau des liaisons entre les atomes. Ces dernières se traduisent soit par des fissures dans les matériaux extrêmement durs, soit par une hétérogénéisation de la structure, c'est-à-dire que la densité ne serait plus la même en tous les endroits de la surface. Dans ce cas, ces lésions sont irréversibles : le matériau ne peut pas retrouver son aspect et sa structure initiaux. Par contre lorsqu’il s’agit d’un glissement des différentes couches d’atomes les unes sur les autres, rien n’empêche au matériau de se transformer lorsqu’il n’est plus soumis aux forces (en effet les couches d’atomes reprennent leur position initiale).
Toutefois les glissements des couches peuvent être régulières (homogènes) ou irrégulières (hétérogènes). Ils paraissent se produire en des points privilégiés. En effet, la déformation relativement facile du matériau est la conséquence de l’existence dans le cristal de défauts linéaires connus sous le nom de dislocations.
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