Ce que les ingénieurs ont appris de cette catastrophe pour le calcul des structures

Ponts

C'est la discipline suprême parmi les ingénieurs civils. Un proverbe dit qu'« il ne sert à rien de construire un pont pour quelqu'un qui ne veut pas passer de l'autre côté ». Nous pouvons parfois appliquer cette expression au génie civil. De nombreuses personnes sont encore sceptiques à l'égard des ponts, que ce soit en raison de leur hauteur ou de l'incertitude qu'ils peuvent craindre.

Les événements du passé montrent que ces inquiétudes ne sont pas toujours infondées. Dans cet article de blog, nous vous présentons un pont dont tous les ingénieurs civils ont probablement entendu parler. Au cours des premiers semestres, vos professeurs vous montreront à quel point il est important de considérer la dynamique à l'aide de cet exemple. Dans le cas du pont de Tacoma Narrows, même un débutant peut voir que quelque chose ne va pas.

L'histoire du Pont mystérieux

La baie de Pudget Sound est située au nord-ouest de l'État de Washington. Le trajet par voie terrestre est très long. Pour cette raison, un pont est prévu pour 1940, ce qui devrait raccourcir le trajet. La ville de Tacoma s'y prête particulièrement bien.

Pour un tel pont, la travée joue un rôle crucial. Il s'agit de la distance entre les deux piles du pont. Les ingénieurs souhaitent réduire cette travée en installant deux poteaux. Il s'agira tout de même de l'un des plus grands ponts suspendus de l'époque. Seuls le Golden Gate Bridge à San Francisco et le George Washington Bridge à New York sont plus longs.

01 Pont du Golden Gate à San Francisco

02 Pont George Washington à New York

L'ingénieur russe Leon S. Moisseiff a été chargé de réaliser le projet. En Amérique, c'est un ingénieur en structure bien connu avec une très bonne réputation.

Le plus grand pont en arc en acier de la ville de New York, le pont de Bayonne, en est un exemple.

03 Pont de Bayonne à New York

Les ingénieurs s'attendent à une faible circulation sur le pont de Tacoma Narrows. Deux voies et deux trottoirs sont donc prévus.

Un pont suspendu classique est choisi comme type de pont. C'est le roi des ponts car il permet de très grandes portées. Cette structure se compose de cinq éléments.

04 Schéma du pont suspendu

Les piles, également appelées pylônes, sont le composant structurel saillant auquel les câbles sont ancrés. Ils supportent le poids de la superstructure. Les câbles transmettent les efforts aux pylônes et aux blocs d'ancrage. Les suspentes sont reliées aux câbles porteurs et transfèrent les forces de traction dus à la charge du tablier du pont. La superstructure ou la poutre de tablier est utilisée pour rigidifier le pont. Les extrémités des câbles sont fixées dans les butées afin d'absorber les efforts de traction.

En 1938, la critique des dimensions est soulevée pour la première fois, avant même le début de la construction. La largeur de la superstructure est de près de 12 mètres. Les poutres de tablier sont constituées de poutres en acier pleines d'une hauteur d'environ 2,5 m. Les réglementations généralement en vigueur stipulent que la rigidité suffisante est atteinte s'il existe un certain ratio entre la largeur et la hauteur de la poutre et la longueur de la structure. Cependant, le problème est que cela a souvent conduit à des résultats économiquement inefficaces. Par conséquent, certains ingénieurs civils ont remis en question cette approche. Leon Mosseiff en fait partie.

Le pont suspendu a été construit de manière classique, comme tous les autres ponts suspendus de l'époque. La fondation de pylônes dans l'eau est un défi. Les fondations doivent être réalisées à l'aide de caissons à des profondeurs de 54 et 68 mètres sous la surface de l'eau. Il s'agissait à l'époque des caissons les plus profonds au monde.

05 Caisson

Les sections de poutre préfabriquées sont installées sur les suspentes verticales. Les ingénieurs ont remarqué que lorsque le vent se lève, la structure ne se comporte pas selon leurs prévisions. Pour cette raison, les ouvriers du bâtiment doivent effectuer les premières mesures de rénovation et amortir les déformations de la poutre avant l'ouverture. Malgré ces problèmes, le pont sera terminé le 01. Ouvert en juillet 1940.

Le comportement inhabituel du pont ne peut plus être caché au public. Non seulement il se déplace latéralement, mais il y a également de forts mouvements ondulatoires du tablier dans le sens de la longueur. La société appelle affectueusement ce phénomène "Galloping Gertie".

De nombreuses personnes évitent ainsi le pont et continuent à emprunter la route la plus longue à travers le continent. Même ainsi, le vent transforme le pont en une attraction touristique. Les gens viennent de loin pour faire un tour sur le « pont des montagnes russes ».

Dans un premier temps, des haubans sont fixés pour désamorcer la situation. De nos jours, on ne comprend pas pourquoi le pont n'a pas été fermé immédiatement.

Quatre mois après l'ouverture, le drame se produit. sur En novembre 1940, le vent souffle fort et peut atteindre 65 km/h. Contrairement à la situation habituelle, une autre charge s'ajoute à cette force de vent - la torsion. De fortes rotations horizontales et des perçages apparaissent.

06 Torsion

L'amplitude est augmentée jusqu'à douze vibrations par minute. De plus, il y a une inclinaison transversale avec des défauts d'aplomb initiaux de près de 45 degrés.

Les suspentes verticales sont alors déchirées. La grande section de la poutre s'effondre. Heureusement, personne n'est blessé.

Que s'est-il passé après cette catastrophe ?

L'effondrement du pont de Tacoma Narrows est tragique et ne sera probablement jamais oublié. Cependant, il est tout aussi instructif pour la science technique et les projets de ponts ultérieurs. En octobre 1950, un deuxième pont de Tacoma Narrows a ouvert au même endroit, qui est toujours en service aujourd'hui. Cependant, d'importants changements ont été apportés avant son ouverture à la circulation. Un troisième pont a été ajouté plus tard.

07 Pont du détroit de Tacoma

Comment un incident aussi fatal peut-il se produire ?

Après cette tragédie, une enquête menée par des ingénieurs expérimentés fournit des résultats probants. Le pont suspendu était le type de pont le plus approprié et, surtout, le plus économique. Il n'y avait pas de meilleur emplacement pour cette structure. Les ingénieurs ont beaucoup investi dans une bonne planification et exécution. Les matériaux utilisés étaient de très haute qualité. En résumé, ce service était basé sur les meilleures connaissances techniques de l'époque.

Cependant, l'accident résulte de vibrations inhabituelles causées par les effets du vent. Dans le cas de ponts de ce type, on sait que des ondes transversales peuvent apparaître le long du pont. Le pont était déjà excité de vibrer par des vents légers. La charge de vent fait vibrer le pont de plus en plus. Il a été chargé dynamiquement par le vent de manière à atteindre exactement la fréquence de résonance. De plus, les vibrations verticales et de torsion sont excessives. En raison de sa conception, le pont ne pouvait plus compenser ces effets.

Les forces dynamiques ne peuvent pas être suffisamment absorbées. L'amplitude de vibration était donc trop élevée. En ce qui concerne les dimensions élancées, le pont de Tacoma Narrows a également souffert de la géométrie défavorable de la poutre. La fine poutre de tablier combinée aux parois latérales coupe-vent crée une section transversale. Celle-ci est particulièrement sensible au flottement. Pour cette raison, elle s'effondre. À cette époque, la conscience des effets des forces aérodynamiques était faible.

Pour les deuxième et troisième ponts de Tacoma Narrows, les ingénieurs ont dû non seulement s'occuper du calcul de structure des ponts, mais également de l'analyse dynamique. La poutre de tablier a été élargie à 18,30 mètres. La hauteur a même été triplée. Il s'agissait donc d'une construction beaucoup plus rigide. La poutre de tablier se compose désormais également d'une structure en treillis ajouré. Le vent n'a donc qu'une faible zone d'attaque.

Ce fut une catastrophe extraordinaire. Néanmoins, il est instructif pour la science et les projets de pont ultérieurs. Les modèles sont actuellement testés en soufflerie. Cela signifie que non seulement l'analyse de structure, mais également l'analyse dynamique sont prises en compte. Cela conduit également à l'installation occasionnelle de raidisseurs supplémentaires pour d'autres ponts déjà existants.

Les vibrations dynamiques peuvent être causées par le vent, les tremblements de terre, le déplacement de personnes, de véhicules et le déséquilibre des machines. Ainsi, non seulement la résistance des structures est menacée, mais également leur aptitude au service.

Le vent a été précédemment simulé à l'aide d'un modèle en soufflerie. Aujourd'hui, c'est beaucoup plus rapide, facile et efficace. Dlubal Software a également créé une soufflerie numérique avec RWIND Simulation.

Les flux de vent s'écoulent autour des bâtiments. Le flux qui les entoure crée des charges spécifiques sur les surfaces. Une simulation numérique des flux de vent est nécessaire pour générer des charges de vent sur les bâtiments ou d'autres objets. Les objets 3D sont importés, les objets de l'environnement sont ajoutés et la topologie est prise en compte. Le profil de vent dépendant de l'altitude et la direction du vent sont ensuite appliqués. Il existe des résultats tels que la pression sur la surface du corps, les champs de vitesse et les lignes de courant.

Grâce à cette évolution progressive et aux nombreux enseignements de ces dernières années, de tels événements tragiques ne se reproduiront probablement plus à l'avenir.