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 ?
Le Béton
Le béton est le principal matériau de construction ( 5 milliards de m3 de béton sont produit annuellement). Ainsi, plus de 2/3 des habitations et bâtiments dans le monde sont constitués majoritairement de béton. Dès l’Antiquité, les Romains avaient conçu un dérivé de notre béton actuel à l’aide d’alumine mélangé à de la chaux comme liant et des briques concassées comme granulats.
Le béton que nous utilisons actuellement provient de ciment Portland (inventé en 1824 dans la ville éponyme), cuit dans des fours à 1450 degrés avec un mélange de roches calcaires, siliceuses et alumineuses.
Le béton possède de nombreux avantages qui font qu’il est préféré à d’autres matériaux :
-Sa très grande résistance à la compression (entre 20 et 40 MPa en moyenne, mais pouvant atteindre 100 MPa)
-Sa facilité à la mise en œuvre, du fait qu’il puisse être sous forme liquide et donc être coulé dans un moule
-Sa longévité. Il est en effet imperméable et possède une durée de vie pouvant atteindre 100 ans selon la composition.
-Son faible coût (aux alentours de 100€/m3) permet des édifices de très grandes échelles (comme les tours vertigineuses de Dubaï)
Seulement, le béton possède un inconvénient : il ne résiste que très peu aux efforts de traction (2.5 à 5 MPa)
Ainsi, en 1867, L’horticulteur Joseph Monier eu l’idée de combiner la résistance à la compression du béton et la résistance à la traction du fer. Pour cela, il plaçât tout simplement un grillage dans du béton avant sa solidification : il posait les bases de ce que l’on appelle aujourd’hui du béton armé. On a ensuite perfectionné son système en courbant les extrémités des tiges de métal afin que leur emplacement ne soit pas modifié, et on a également remplacé le fer par de l’acier, plus solide et plus résistant à la traction. Ainsi on conserve les qualités du béton comme la perméabilité à l’environnement du matériau ou la mise en place simple, mais en plus on obtient une résistance à la traction plus forte. Malgré tout, la résistance à la compression reste 10 fois plus forte que la résistance à la traction. Malgré les bénéfices apportés par la structure en acier, elle apporte également un inconvénient à prendre en compte lors de l’utilisation du béton armé : l’acier s’oxyde au contact de l’air ou de l’eau (contenant tous deux des atomes d’oxygènes). Ainsi du fait de sa forte résistance à la compression, le béton armé est principalement placé dans les pylônes des ponts suspendues..
Une autre méthode a été mise en place afin de pallier au problème de résistance à la traction du béton. En 1928, Eugène Freyssinet propose un ajout à la préparation du béton qui pose les bases de notre béton précontraint actuel. Le but est de créer une compression initiale suffisante pour permettre au béton de rester comprimémalgré la sollicitation. Pour cela, Des torons d’aciers sont préalablement tendus, puis le béton est coulé de manière à englober les câbles. Puis durant la prise, les câbles sont détendus. Certes, la mise en œuvre est bien plus complexe et volumineuse que pour le béton armé (avec la mise en place de pièces d’abouts disposées de part et d’autre afin de tendre les câbles), mais la force de traction pouvant être exercée est bien plus élevée, puisque le béton ne subit alors pas une traction, mais une décompression. Cette résistance de traction est bien plus élevée que celle du béton armé, ce qui explique qu’il soit privilégié pour composer le tablier.
L'Acier
L’acier est réputé pour supporter de très fortes tractions, allant en général à environ 300MPa, mais pouvant atteindre 1450 MPa si faiblement allié trempé. Il est malgré tout trop chère pour composer un tablier (environ 35000€/m3 pour de l’acier inoxydable). Il est principalement utilisé pour les câbles porteurs, l’ancrage, les suspentes ou toute autre partie des ponts à haubans ou des ponts suspendues subissant des tractions. L’acier utilisé est alors un alliage de fer, de carbone, de chrome et de nickel. Lors de son oxydation, le chrome forme une couche transparente protectrice. Avec l’ajout de nickel dans l’alliage, on observe la formation d'un composé de surface oxydé ralentissant, voire arrêtant l’oxydation de l’acier.
Par sa résistance méchanique, nous serions en capacité de produire exclusivement composé d'acier. Seulement, le coût d'un tel pont ne serait pas rentable.