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 ?
En recherche de matériaux alternatifs
Bien que fortement utilisé, notre consommation de béton et d’acier dans la construction de ponts. En effet, bien que très résistant à la compression et à la traction, ils n’en restent pas moins très polluants lors de leur processus de fabrication et de transformation. La production d’une tonne de ciment entraîne l'émission d’environ 0,35 tonnes de CO2 par la calcination des matières premières, sans prendre en compte la phase d’extraction des matières premières, la phase d’homogénéisation des matières premières et l’énergie demandée par la cuisson, équivalente à 210 kWh. Ainsi, le ciment est à l’origine d’environ 7 à 8 % des émissions totales de CO2 dans le monde.
Les raisons d’aborder le sujet des matériaux alternatifs est soit un problème d’acquisition du matériau actuel, soit des capacités de ce matériau insuffisante. Dans cette section bonus, nous verrons dans un premier temps des matériaux à l'acquisition plus simple donc au coût moins élevé, et dans un deuxième temps des matériaux aux capacités plus étendues par rapport aux matériaux actuels.
I-La Réhabilitation
I-La Réhabilitation
I-La Réhabilitation
Des ingénieurs ont donc pensé à la réhabilitation du bois dans la construction de ponts. Le bois est certes moins résistant que le béton, mais il est beaucoup moins polluant et peut suffire pour des ponts de petites envergures. Il est de plus très simple à la mise en place dans la construction. Mais il demande un entretien régulier, du fait qu’il s’agisse d’un matériau organique, et donc en proie aux champignons, insectes et incendie. Le pont en bois de Clontarf du côté de Dublin est en service depuis 1993 et a une portée de 265 m. Il est constitué exclusivement de bois. Cela n'est possible que grâce à sa structure particulière qui permet de particulièrement répartir les charges sur le tablier. Malgré qu'il ne soit destiné qu'au transport routier, il remplit largement sa fonction et couvre une distance considérable.
Des ponts ont également été réalisés entièrement en bois, comme ce pont situé aux Pays-Bas s’étendant sur 31. 5m. Non seulement ce pont réduit la pollution chimique, mais également la pollution visuelle, en s’incorporant facilement dans le paysage. Il a de plus été assemblé puis transporté par camion, ce qui permet une mise en place simple une fois sur les lieux. Aucun réel chantier n’est nécessaire, si ce n’est la route à installer sur le pont et les quelques ancrages du pont.
II- L'Amélioration
II- L'Amélioration
L’ingénieur russe Vladimir Lakounine a pour projet de relier l’Alaska et la pointe de la Sibérie par un pont s’étendant sur 92 km, qui permettrait de relier Paris à New York par une route intercontinentale. Ce projet est difficilement réalisable avec les matériaux actuels, et à mesure que les matériaux s’amélioreront, des projets de plus en plus invraisemblables verrons le jour.
Le secteur du composite est en hausse de 5% chaque année depuis 2015. Un matériau composite permet d’obtenir les caractéristiques de plusieurs matériaux dans un même matériau, comme l’imperméabilité à la chaleur, l’élasticité ou la résistance. Ainsi, le composite PRF (Polymère Renforcé de Fibres) de carbone est plusieurs dizaines de fois plus résistant que le béton à la compression et supportant jusqu'à 3200 MPa à la traction. Un projet visant à créer un nouveau système antisismique a d’ailleurs combiné ce composite au béton dans les pylônes. La vidéo ci-contre présente un test de ce projet avec une simulation de séisme de magnitude 8 sur l'échelle de Richter. Cette matière composite sera surement très prochainement utilisé au Japon puis se démocratisera par la suite partout dans le monde.
Il existe également un matériau qui pourrait remplacer l’acier à l’avenir dans la composition des ponts : la toile d’araignée. En effet, la soie d’araignée a une résistance de 1000 MPa à la traction, tandis que l’acier utilisé actuellement a une résistance d’en moyenne 300 MPa. Mais seulement, afin que nous puissions utiliser la soie d’araignée dans la construction, il faudrait évidemment qu’elle soit à notre échelle. On a découvert en 1990 les deux gènes codant pour les protéines donnant à la soie sa solidité. Les scientifiques ont alors essayé, par le biais de la transgenèse, de produire en masse des protéines en implantant ces deux gênes dans le génome de bactérie, puis dans celui de chèvre, afin que leur lait produise ces protéines. Les résultats sont concluants, bien que la quantité ne soit pas encore suffisante pour être utilisé dans l’industrie. Cependant, on peut espérer d’ici quelques dizaines d’années des câbles porteurs et des suspentes de ponts en soie d’araignée. En effet, en remplaçant l'acier actuel par de la soie d'araignée, on remarque que chaque hauban pourrait supporter quelques dizaines de tonnes facilement, permettant d'amortir facilement l'intervalle de sécurité dans la résistance établit pour chaque matériau.
Même optimisé, les fermes d'araignées actuelles ne produisent que de trop légères quantités pour être utilisées dans l'industrie.