Pourquoi le pont de Tacoma Narrows sest effondré: une analyse technique

Le pont de Tacoma Narrows est le nom historique donné au double pont suspendu – construit à lorigine en 1940 – qui enjambait le détroit de Tacoma Narrows. Il sest effondré à peine quatre mois plus tard en raison dun flottement aéroélastique. Depuis, ce sujet est devenu populaire, avec plusieurs études de cas traitant du phénomène de défaillance des ponts à câbles suspendus.

Dans létat de Washington, la construction du pont de Tacoma Narrows a été achevée et ouverte à la circulation sur 1er juillet 1940. Ce fut le tout premier pont à intégrer une série de poutres en plaques comme support de plate-forme et le premier pont de ce type (suspension par câble). Cétait aussi le troisième plus grand pont suspendu de son temps, avec une travée centrale de 2800 pieds et deux travées latérales de 1100 pieds chacune.

Une approche côté ouest avait une poutre en acier continue de 450 pieds, tandis que le le côté est avait une longue charpente en béton armé de 210 pieds. Il avait deux ancrages de câble de 26 pieds. le long des routes, deux 5 pieds. trottoirs et deux 8 pieds. poutres rigides profondes. Parmi plusieurs autres détails structurels, les ancrages des câbles de suspension auxquels les câbles étaient connectés étaient constitués de 20 000 verges cubes de béton, 6 livres lakh dacier de construction et 2,7 livres lakh dacier darmature. En raison de sa longueur extrêmement longue, il était considéré comme un «pont étroit». Le coût global de construction était estimé à 6 millions de dollars en 1940. Compte tenu de linflation, cela équivaut à près dun milliard de dollars, et tout cela pour quelque chose qui na duré que quatre mois et sept jours. Pourtant, cela reste une excellente fonctionnalité dingénierie sur laquelle les ingénieurs civils doivent réfléchir.

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Tacoma Narrows Bridge Lincident: que sest-il passé ce jour fatidique?

Peu de temps après la construction du pont de Tacoma, il sest avéré quil se déformait et se balançait dangereusement sur toute sa longueur dans des conditions venteuses. Même avec des vents normaux, le pont ondulait sensiblement, ce qui a inquiété les ingénieurs quant aux conditions en présence de vents violents. Alarmés par cela, de nombreux ingénieurs ont commencé à mener des expériences en soufflerie sur le comportement structurel du pont soumis à des charges de vent.

Le jour de leffondrement du pont de Tacoma Narrows, il a subi des vents denviron 19 m / s (soit environ 70 km / h). Le hauban central vibrait en torsion à une fréquence de 36 cpm (cycles / min) dans neuf segments différents. Au cours de lheure suivante, lamplitude de la vibration de torsion sest accumulée et le mouvement est passé dune montée et dune descente rythmiques à une torsion à deux ondes comme le montre la figure 02. Malgré tous ces mouvements, la partie centrale du pont (sur la longueur) est resté immobile, tandis que ses deux autres moitiés se tordaient dans des directions opposées.

Le pont a été sensiblement tordu en deux parties, subissant 14 vibrations / min . Ce mouvement de torsion drastique a été déclenché par une rupture dune bande de câble (située le long du côté nord) se connectant au centre des attaches diagonales. En raison de laffaissement et de laccaparement alternatifs des éléments de travée, les tours les retenant ont été tirées vers elles. De plus, des fissures visibles et prédominantes se sont développées avant que tout le pont ne sécrase dans la rivière.

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Heureusement, aucune vie humaine na été perdue dans lincident, mais il sagissait encore dun échec technique majeur. Le professeur F.B Farquharson de lUniversité de Washington était chargé de mener des expériences pour comprendre les oscillations. Ce jour-là, le professeur et son équipe ont enregistré le mouvement du pont devant la caméra, et nous pouvons le trouver aujourdhui sur YouTube.

Tacoma Narrows Bridge Post-Investigation of the Tacoma Bridge Collapse

Un modèle tridimensionnel à léchelle 1: 200 a été construit pour les expériences en soufflerie et pour comprendre explicitement la raison de léchec. Les expériences ont abouti à une nouvelle théorie: les oscillations induites par le vent. Limage de leffondrement du pont de Tacoma Narrows est illustrée à la figure 03.

La forme du pont était aérodynamiquement instable le long de la direction transversale. Les poutres verticales en forme de H permettaient une séparation des flux, conduisant ainsi à une génération de vortex correspondant à la phase doscillation. Ces tourbillons ont généré suffisamment dénergie pour pousser les poutres hors de leur position.

Le problème qui a causé leffondrement du pont de Tacoma Narrows nétait pas un problème nouveau, mais un problème qui navait pas été spécifié. En raison de laction du vent, une rigidité accrue peut être observée grâce à diverses méthodes de conception telles que lajout dune charge permanente plus élevée, ladoption damortisseurs, le renforcement des fermes ou par des câbles de haubanage. Cependant, ces facteurs nont pas été pris en compte à lorigine et ne sont devenus quune partie de la criminalistique ultérieure.

Ingénierie derrière leffondrement La physique derrière leffondrement du pont de Tacoma Narrows

Le pont de Tacoma Narrows sest effondré principalement en raison au flottement aéroélastique. Dans la conception de pont ordinaire, le vent est autorisé à traverser la structure en incorporant des fermes. En revanche, dans le cas du pont de Tacoma Narrows, il a été forcé de se déplacer au-dessus et en dessous de la structure, ce qui a entraîné une séparation des flux. Une telle séparation de flux, en présence dun objet, peut conduire au développement dune rue vortex de Kármán, lorsque le flux traverse lobjet.

La fréquence du vortex dans la rue vortex de Kármán est la fréquence de Strouhal (fs) qui est donnée par;

où U est la vitesse découlement, D est la longueur caractéristique et S est le nombre de Strouhal (une grandeur sans dimension). Exemple: pour un nombre de Reynolds supérieur à 1000, S est égal à 0,21. Dans le cas du pont de Tacoma, D était de 8 pieds et S de 0,20.

Conclusion du pont de Tacoma Narrows

Après leffondrement du pont de Tacoma Narrows, le nouveau pont a été repensé (basé sur les leçons apprises) et reconstruit en 1950 (Fig.4). Le pont nouvellement construit comprenait des fermes ouvertes (triangulaires), des entretoises de renforcement et permettait au vent de circuler librement à travers les ouvertures des plates-formes. Par rapport à la conception précédente, la torsion qui sest développée dans le nouveau pont était considérablement moins sévère.

En raison de la catastrophe du pont de Tacoma Narrows, le pont de Whitestone aux États-Unis a été renforcé par lajout de fermes et douvertures en dessous les tabliers routiers pour réduire les oscillations, et ceux-ci fonctionnent encore aujourdhui. Lidée dutiliser lanalyse dynamique et modale pour la conception des ponts a reçu un élan beaucoup plus grand après cette catastrophe.

La théorie de la déflexion sert de modèle aux méthodes analytiques complexes utilisées par de nombreux ingénieurs en structure pour obtenir des contraintes, des déformations, etc. Cela a finalement conduit au développement de lanalyse par éléments finis (FEA) en tant quoutil générique pour la conception douvrages de génie civil.

De nos jours, dans la conception de ponts, la simulation dingénierie joue un rôle crucial dans le processus de test. En utilisant CFD pour simuler les charges de vent et FEA pour étudier les contraintes et le comportement structurel des ponts, les ingénieurs peuvent éviter les défaillances comme leffondrement du pont de Tacoma Narrows et construire des ponts et des bâtiments meilleurs et plus solides.

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