La science dans les ponts
Mathis MOISON, Renaud DE THEZY et Simon DUFOSSE
TPE les ponts 2016
1ère Sb
Quelles sont les différentes contraintes dans la conception d'un pont ?
Des contraintes humaines et environnementales
I- Le facteur environnemental
A- Les actions du vent
Nous savons que depuis longtemps, les ponts suspendus sont très sensibles au vent, ce qui limite leur utilisation et leur portée. En effet, même si l'essentiel de leur structure ( les câbles ) peut sembler insensible au vent, elle a pourtant une faible résistance au vent. De plus, un tablier suspendu oscille facilement.
Les ponts suspendus sont en fait victimes de phénomènes de résonance et d'amplification des oscillations du tablier, en fonction de la fréquence des rafales de vent.
Le vent exerce une force plus ou moins importante sur le tablier, (très exposé à cette contrainte) en fonction de son amplitude.
On lie deux types de force à ce phénomène :
Les forces de traînées, dirigées suivant une horizontale parallèle au vent et dans le même sens que ce dernier.
Les forces de portance, dirigées suivant la verticale.
Ces forces entraînent des oscillations du tablier et du pont.
On dit que les oscillations peuvent se faire à une ou deux dimensions:
Si les oscillations se font à une dimension, seule la force de portance est en action, elles se font donc à la verticale.
Si les oscillations se font à deux dimensions, les forces de traînées et de portance agissent: le tablier se déplace donc en longueur et en largeur.
Cela entraîne divers types de déformations :
Une torsion du tablier
Une flexion verticale
Une flexion latérale
De nos jours les savants ont étudié ces actions et on peut, par le calcul, déterminer les caractéristiques des oscillations et construire le pont suivant ces informations.
B-Les contraintes sismiques
Les séismes provoquent des oscillations sur le tablier et sur le pont dans son ensemble.
Pour repérer les zones à risques, il est nécessaire d’utiliser les ressources historiques afin d’élargir la fenêtre d’observation. En effet pour tenter de prévoir les catastrophes naturelles et en limiter les effets, cultiver la mémoire de ces événements est encore le plus sûr outil à la disposition des hommes. Ceci constitue une étude macroscopique du phénomène, à partir de toutes ces données on peut déterminer la fréquence, la période des événements sismiques.
Le problème est alors de savoir si tous les événements ont été pris en compte : les secousses de faibles importances, les séismes dans des zones désertes, ainsi que ceux qui sont imperceptibles et qui par conséquent ne sont pas répertoriés font que, même dans une zone dite sans risque, il est possible qu’un séisme majeur se produise
Étude de l'accelérogramme
Pour la construction du pont on doit alors étudier l'activité sismique dans la région. Des informations nous sont alors données par des accélérogrammes: ce sont des graphiques qui représentent l'évolution de l'accélération au cours du temps, en g/sec. L’étude de l’accélérogramme permet d’accéder à la période des oscillations du sol et leurs amplitudes maximales. On définit ainsi les limites supérieures auxquelles devront résister les bâtiments en cas de séisme. Ces limites sont déterminées par les spectres de réponses obtenus en considérant un grand nombre d’oscillateurs élastiques linéaires caractérisés par leurs masses et leurs raideurs et dont les périodes propres balaient une plage de valeurs courantes dans les structures de génie civil.
II- Le facteur humain
Passons aux contraintes humaines. En Avril 1850, alors qu'un vent violent s'abattait sur la ville d'Angers, le pont suspendu de la Basse Chaîne, inauguré onze ans auparavant, s'effondrait sous la marche au pas cadencé du 3e régiment d'infanterie légère qui se dirigeait place de l’académie pour y passer une revue. Ces militaires défilaient sur le pont suspendu, assez nombreux pour communiquer une onde sonore suffisante au tablier du pont pour entrer en vibration. Ils reproduisirent exactement sa fréquence propre et provoquèrent l'effondrement du pont suspendu qui entraîna la mort de plusieurs centaines de militaires. C'est d’ailleurs pour cela que les militaires doivent aujourd'hui avoir un pas désordonné lors de la traversée d'un pont.
Sachant que chaque objet a sa fréquence propre (en fonction de sa composition, son volume...), on peut obtenir des résultats dévastateurs. C’est le phénomène de résonance.
Ce verre entre en phénomène de résonance, le déformant au point de le briser
De plus, les ponts subissent le passage incessant des moyens de transport. Ce sont les charges véhiculaires comme l'ensemble des voitures et des camions. Pour la sécurité et pour éviter l'effondrement du pont, un poids maximal doit être prévu pour que le pont puisse résister. Il est donc essentiel de limiter le passage des véhicules dont la masse est supérieure à la masse approximative adoptée. Il suffit seulement d'additionner le poids de toutes les voitures présentes sur le pont en prenant bien sur en compte les différentes conditions de circulation qui puissent exister comme les embouteillages où de nombreux véhicules seront regroupés sur le pont.
Ce poids maximal est essentiel pour calculer la force de tension que les haubans doivent exercer et la force de compression au niveau des piliers.