Pont de Tacoma


Pont de Tacoma

Tacoma Narrows Bridge

Tacoma Narrows Bridge
Le Tacoma Narrows Bridge
Pays États-Unis
Région État de Washington
Ville Tacoma
Coordonnées 47°16′00″N 122°33′00″O / 47.266667, -122.55
Type Pont suspendu
Longueur 1 822 m
Largeur 18 3 m
Hauteur 142 m
Matériau Acier
Construit en 1950
Listes

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Le Tacoma Narrows Bridge (traduit le plus souvent par pont de Tacoma ou pont du détroit de Tacoma) est un pont suspendu qui franchit Tacoma Narrows (le détroit de Tacoma), un rétrécissement du Puget Sound. Il relie les villes de Tacoma et Gig Harbor dans l'État de Washington aux États-Unis. Le premier pont, inauguré le 1er juillet 1940, s'est effondré le 7 novembre 1940, constituant un des plus célèbres accidents de génie civil. Le deuxième pont, ouvert en 1950, est toujours en service. Il a été doublé en 2007.

Sommaire

L'effondrement de 1940

Film de la destruction du pont en 1940.

L'accident a suscité de nombreuses publications avec parfois des erreurs grossières sur la réalité scientifique. Le premier pont suspendu de Tacoma Narrows a été ouvert le 1er juillet 1940, l’accident a eu lieu quatre mois plus tard le 7 novembre. La vitesse du vent n'était que de 67 km/h, tandis que le pont avait été dimensionné pour des vitesses beaucoup plus élevées, mais en ne tenant compte que des effets statiques. Or le mécanisme est sans conteste vibratoire et la durée des oscillations s'est étendue sur plus de 45 minutes avant effondrement.

Une explication fausse de l’accident, néanmoins très répandue[1], consiste à incriminer un phénomène de résonance entre le pont et des tourbillons d’air formés dans le sillage du tablier. Ce type de tourbillon se détache de l’arrière de certains obstacles à une fréquence bien déterminée qui dépend de la vitesse moyenne du vent et de la forme de l’obstacle. Ils produisent une variation alternative de la pression de l’air, ce qui engendre une force aérodynamique périodique sur le pont. Lorsque la fréquence de cette force correspond à l’une des fréquences de vibration naturelle du pont, un phénomène de résonance pourrait se déclencher, au cours duquel les mouvements de la structure s'amplifieraient. Mais dans le cas du pont de Tacoma cette explication ne tient absolument pas car la fréquence de torsion du pont était d’un cycle toutes les 5 secondes (0.2 Hz), tandis que celle des tourbillons était d’un cycle par seconde (1 Hz). Le rapport de ces deux fréquences étant de cinq, tout risque de résonance est exclu.

En revanche, du fait du couplage aéroélastique, un échange d’énergie mécanique se produit entre le vent et le pont qui oscille. On dit que le pont est stable lorsque l’énergie mécanique est transférée du pont vers le vent qui la dissipe. C'est-à-dire que lorsqu’un évènement extérieur engendre une petite oscillation initiale, par exemple le passage d’un camion ou une rafale de vent, alors cette oscillation va s’amortir. De plus le vent n’est jamais parfaitement constant : les petites variations de vitesse autour de la vitesse moyenne suffisent à produire de petites oscillations. Mais si la vitesse moyenne du vent est suffisamment élevée, au dessus de ce que l’on appelle la « vitesse critique », le pont est instable et l’oscillation initiale s’amplifie. L'énergie se transfère alors du vent vers le pont et les oscillations s’amplifient à cause du couplage aéroélastique, jusqu’à la ruine. Ce mécanisme n'était connu en 1940 que pour les ailes d'avion et personne n'envisageait à l'époque ce scénario lors de la conception des ponts suspendus.

Dans le cas du pont de Tacoma, la déformation en torsion du tablier s’observe facilement sur les extraits du film et engendre une variation de l’angle d’incidence du vent. Ce changement d’incidence modifie l’écoulement du vent autour du tablier, qui en retour modifie le couple de torsion, et ainsi de suite, de sorte que le pont capte de l’énergie au vent à chaque fois qu’il oscille. Ce mécanisme s'appelle un « flottement de décrochage ». De façon plus générique, il s'agit d'une instabilité aéroélastique de torsion dans laquelle le vent engendre un amortissement négatif[2]. L’amplitude des vibrations augmente progressivement jusqu’à ce que les grandes déformations produisent d'autres effets sur les câbles et les autres composants qui conduisent finalement à sa ruine. Cette explication a été confirmée par plusieurs études en soufflerie depuis les années 40 et ce phénomène aujourd’hui bien connu des concepteurs est systématiquement étudié[3].

Notes et références

  1. Billah, K.; R. Scanlan (1991). "Resonance, Tacoma Narrows Bridge Failure, and Undergraduate Physics Textbooks". American Journal of Physics 59 (2): 118–124.
  2. Hémon P. (2006) Vibrations des structures couplées avec le vent, Éditions de l'Ecole Polytechnique, France.
  3. Crémona C., Foucriat J.-C., éds (2002) Comportement au vent des ponts, AFGC, Presses de l'ENPC, France.

Voir aussi

Bibliographie

  • Chapitre « Galloping Gertie » dans Mario Salvadori et Matthys Levy, Pourquoi ça tombe ?, Parenthèses, coll. « eupalinos », p. 87-95.

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