Le pont en arc
Après plus de 2 000 ans d’utilisation architecturale, l’arc continue de figurer en bonne place dans la conception des ponts et pour cause : sa structure semi-circulaire répartit élégamment la compression sur l’ensemble de sa forme et détourne le poids sur ses deux culées, les éléments du pont qui subissent directement la pression.
La force de tension dans les ponts en arc, en revanche, est pratiquement négligeable. La courbe naturelle de l’arc et sa capacité à dissiper la force vers l’extérieur réduisent considérablement les effets de la tension sur la face inférieure de l’arc.
Mais comme pour les poutres et les fermes, même le puissant arc ne peut pas dépasser la physique éternellement. Plus le degré de courbure est important (plus le demi-cercle de l’arche est grand), plus les effets de la tension sur la face inférieure du pont sont importants. Construisez une arche suffisamment grande, et la tension finira par dépasser la force naturelle de la structure de soutien.
Bien qu’il y ait une assez grande variété cosmétique dans la construction des ponts en arc, la structure de base ne change pas. Il existe, par exemple, des arcs romains, baroques et de la Renaissance, qui sont tous différents sur le plan architectural mais identiques sur le plan structurel.
C’est l’arc lui-même qui donne sa force à son pont homonyme. En fait, un arc en pierre n’a même pas besoin de mortier. Les Romains de l’Antiquité ont construit des ponts en arc et des aqueducs qui sont encore debout aujourd’hui. La partie la plus délicate, cependant, est la construction de l’arche, car les deux parties convergentes de la structure n’ont aucune intégrité structurelle tant qu’elles ne se rejoignent pas au milieu. À ce titre, des échafaudages ou des systèmes de soutien supplémentaires sont généralement nécessaires.
Les matériaux modernes tels que l’acier et le béton précontraint nous permettent de construire des arcs bien plus grands que ceux des anciens Romains. Les arcs modernes ont généralement une portée comprise entre 200 et 800 pieds (61 et 244 mètres), mais le pont New River Gorge de Virginie occidentale mesure un impressionnant 1 700 pieds (518 mètres)
Le pont suspendu
Comme son nom l’indique, les ponts suspendus, comme le Golden Gate Bridge ou le Brooklyn Bridge, suspendent la chaussée par des câbles, des cordages ou des chaînes à deux hautes tours. Ces tours supportent la majorité du poids, car la compression pousse vers le bas sur le tablier du pont suspendu, puis remonte le long des câbles, des cordages ou des chaînes pour transférer la compression aux tours. Les tours dissipent ensuite la compression directement dans la terre.
Les câbles porteurs, eux, reçoivent les forces de tension du pont. Ces câbles passent horizontalement entre les deux ancrages éloignés. Les ancrages du pont sont essentiellement des roches solides ou des blocs de béton massifs dans lesquels le pont est ancré. La force de tension passe aux ancrages et dans le sol.
En plus des câbles, presque tous les ponts suspendus comportent un système de fermes de soutien sous le tablier du pont appelé ferme de pont. Cela permet de raidir le tablier et de réduire la tendance de la chaussée à osciller et à onduler.
Les ponts suspendus peuvent facilement franchir des distances comprises entre 2 000 et 7 000 pieds (610 et 2 134 mètres), ce qui leur permet de franchir des distances dépassant la portée d’autres conceptions de ponts. Cependant, compte tenu de la complexité de leur conception et des matériaux nécessaires à leur construction, ils sont souvent l’option de pont la plus coûteuse aussi.
Mais tous les ponts suspendus ne sont pas une merveille d’ingénierie de l’acier moderne. En fait, les plus anciens étaient faits d’herbe tordue. Lorsque les conquistadors espagnols ont fait leur entrée au Pérou en 1532, ils ont découvert un empire inca relié par des centaines de ponts suspendus, atteignant des portées de plus de 150 pieds (46 mètres) à travers de profondes gorges montagneuses. L’Europe, en revanche, ne verra son premier pont suspendu que près de 300 ans plus tard
Bien sûr, les ponts suspendus faits d’herbe tordue ne durent pas si longtemps, nécessitant un remplacement continu pour assurer la sécurité des déplacements à travers la brèche. Aujourd’hui, il ne reste qu’un seul pont de ce type, mesurant 90 pieds (27 mètres) dans les Andes.
Pont à haubans
A première vue, le pont à haubans peut ressembler à une simple variante du pont suspendu, mais ne vous laissez pas tromper par leurs tours similaires et leurs chaussées suspendues. Les ponts à haubans diffèrent de leurs prédécesseurs suspendus en ce qu’ils n’ont pas besoin d’ancrages, ni de deux tours. Au lieu de cela, les câbles partent de la chaussée jusqu’à une seule tour qui supporte seule le poids.
La tour d’un pont à haubans est chargée d’absorber et de traiter les forces de compression. Les câbles s’attachent à la chaussée de différentes manières. Par exemple, dans un schéma radial, les câbles s’étendent de plusieurs points sur la route vers un point unique au niveau de la tour, comme de nombreuses lignes de pêche attachées à un seul poteau. Dans un modèle parallèle, les câbles s’attachent à la fois à la chaussée et à la tour en plusieurs points distincts.
Les ingénieurs ont construit les premiers ponts à haubans en Europe après la fin de la Seconde Guerre mondiale, mais la conception de base remonte au 16e siècle et à l’inventeur croate Faust Vrancic. Contemporain des astronomes Tycho Brache et Johannes Kepler, Vrancic a produit le premier croquis connu d’un pont à haubans dans son livre « Machinae Novae. »
De nos jours, les ponts à haubans sont un choix populaire car ils offrent tous les avantages d’un pont suspendu mais à un coût moindre pour des portées de 500 à 2 800 pieds (152 à 853 mètres). Ils nécessitent moins de câbles d’acier, sont plus rapides à construire et intègrent plus de sections en béton préfabriqué.
Tous les ponts ne nécessitent pas de grands morceaux d’acier et de béton cependant. Parfois, une racine d’arbre ou deux feront l’affaire.
Les ponts vivants
Si les premiers ponts n’étaient vraisemblablement rien d’autre que des rondins renversés sur des ruisseaux, la plupart de l’héritage de l’humanité en matière de construction de ponts est une histoire de structures artificielles façonnées à partir des éléments. Nous pouvons toutefois trouver l’une des exceptions les plus frappantes à cette règle dans la région de Meghalaya, au nord de l’Inde.
Pendant la saison des moussons, les habitants de cette région endurent certaines des conditions les plus humides sur Terre, et la montée des eaux de crue découpe la terre en fragments isolés. Construisez un pont en lianes tissées ou en planches taillées et l’humidité de la forêt tropicale le transformera inévitablement en compost. Comme vous pouvez le voir sur la photo, la population locale a mis au point une solution plutôt élégante au problème : elle fait pousser ses ponts à partir de la végétation naturelle. Ce faisant, ils confient une grande partie des tâches d’entretien du pont au pont lui-même.
La construction d’un pont vivant demande de la patience, bien sûr. Les villageois locaux planifient leurs constructions une décennie ou plus à l’avance. Les War-Khasis, par exemple, créent des systèmes de guidage des racines à partir des moitiés creusées de vieux troncs d’arbres à noix de bétel pour diriger les racines de figuiers étrangleurs dans la direction souhaitée. Ils dirigent simplement les racines au-dessus d’un ruisseau ou d’une rivière, l’enjambant, et ne permettent aux racines de plonger dans la terre que sur la rive opposée. Les plus grands ponts vivants peuvent se vanter d’avoir une longueur allant jusqu’à 100 pieds (30 mètres), peuvent supporter le poids de 50 personnes et peuvent durer jusqu’à 500 ans
Jusqu’à présent, nous avons abordé les deux forces les plus importantes dans la conception des ponts : la compression et la tension. Pourtant, des dizaines de forces supplémentaires affectent également le fonctionnement des ponts. Ces forces sont généralement spécifiques à un emplacement ou à une conception particulière.
La torsion, par exemple, est une préoccupation particulière pour les ingénieurs qui conçoivent des ponts suspendus. Elle se produit lorsque des vents violents font tourner et tordre la chaussée suspendue comme une vague roulante. Comme nous l’explorerons à la page suivante, le pont Tacoma Narrows de Washington a subi des dommages dus à la torsion, qui a été, à son tour, causée par une autre force physique puissante
La forme naturelle des ponts en arc et la structure en treillis des ponts à poutres les protège de cette force. Les ingénieurs des ponts suspendus, en revanche, se sont tournés vers des fermes de raidissement du tablier qui, comme dans le cas des ponts à poutres, éliminent efficacement les effets de la torsion.
Dans les ponts suspendus de longueur extrême, cependant, la ferme du tablier ne constitue pas une protection suffisante. Les ingénieurs effectuent des essais en soufflerie sur des modèles pour déterminer la résistance du pont aux mouvements de torsion. Armés de ces données, ils emploient des structures de fermes aérodynamiques et des câbles de suspension diagonaux pour atténuer les effets de la torsion.
Cisaillement : La contrainte de cisaillement se produit lorsque deux structures fixées (ou deux parties d’une même structure) sont forcées dans des directions opposées. Si elle n’est pas maîtrisée, la force de cisaillement peut littéralement déchirer les matériaux du pont en deux. Un exemple simple de force de cisaillement serait d’enfoncer un long pieu à mi-chemin dans le sol, puis d’appliquer une force latérale contre le côté de la partie supérieure du pieu. Avec une pression suffisante, vous seriez capable de casser le pieu en deux. C’est la force de cisaillement en action.
Plus de forces de pont : La résonance
On peut considérer la résonance comme l’équivalent vibratoire d’une boule de neige dévalant une colline et se transformant en avalanche. Elle commence par un stimulus périodique relativement faible d’un système mécanique, comme le vent qui secoue un pont. Ces vibrations, cependant, sont plus ou moins en harmonie avec les vibrations naturelles du pont. Si elles ne sont pas contrôlées, elles peuvent augmenter drastiquement, envoyant des vibrations destructives et résonantes qui voyagent à travers un pont sous la forme d’ondes de torsion.
L’exemple le plus remarquable de résonance s’est produit en 1940, lorsque des vibrations résonantes ont détruit le pont Tacoma Narrows dans l’État de Washington. L’incident a été particulièrement choquant à l’époque, car la structure était conçue pour résister à des vents allant jusqu’à 120 miles (193 kilomètres) par heure et s’est effondrée dans un simple vent de 40 miles (64 kilomètres).
Un examen minutieux de la situation a suggéré que la ferme de raidissement du pont était insuffisante pour la portée, mais cela ne pouvait pas à lui seul faire tomber une telle structure. Il s’est avéré que ce jour-là, le vent avait la bonne vitesse et frappait le pont sous le bon angle pour déclencher la vibration mortelle. Des vents continus ont augmenté les vibrations jusqu’à ce que les vagues deviennent si grandes et si violentes qu’elles brisent le pont. L’effet est similaire à celui d’une chanteuse brisant un verre avec sa voix.
Le vent n’est cependant pas la seule menace potentielle. Lorsqu’une armée marche sur un pont, les soldats « cassent souvent le pas » afin que leur marche rythmique ne commence pas à résonner dans tout le pont. Une armée suffisamment nombreuse marchant juste à la bonne cadence pourrait déclencher la vibration mortelle.
Afin d’atténuer complètement l’effet de résonance dans un pont, les ingénieurs intègrent des amortisseurs dans la conception du pont pour interrompre les ondes de résonance et les empêcher de croître.
Une autre façon d’arrêter la résonance est de lui donner moins d’espace pour se déchaîner. Si un pont se vante d’avoir une chaussée solide, alors une onde résonante peut facilement parcourir la longueur du pont et faire des ravages. Mais si la chaussée d’un pont est constituée de différentes sections avec des plaques qui se chevauchent, le mouvement d’une section se transfère simplement à une autre via les plaques, ce qui génère une friction. L’astuce consiste à créer suffisamment de friction pour modifier la fréquence de l’onde résonante. Changer la fréquence empêche la vague de se construire.
Le temps, destructeur de ponts
Si le vent peut certainement induire des ondes de résonance destructrices, la météo dans son ensemble déchaîne une foule d’assauts destructeurs sur les ponts que nous construisons. En fait, le travail incessant de la pluie, de la glace, du vent et du sel fera inévitablement tomber tout pont que les humains peuvent ériger.
Les concepteurs de ponts ont appris leur métier en étudiant les échecs du passé. Le fer a remplacé le bois, et l’acier a remplacé le fer. Le béton précontraint joue désormais un rôle essentiel dans la construction des ponts autoroutiers. Chaque nouveau matériau ou technique de conception s’appuie sur les leçons du passé. La torsion, la résonance et les mauvaises conceptions aérodynamiques ont toutes conduit à des défaillances de ponts, mais les ingénieurs rebondissent continuellement avec des innovations pour résoudre les problèmes de conception.
La météo, cependant, est un adversaire patient et imprévisible. Les cas de défaillance de pont liés à la météo ont tendance à dépasser en nombre les cas de défaillance liés à la conception. Cette tendance ne peut que suggérer que nous n’avons pas encore trouvé de solution efficace. À ce jour, aucun matériau de construction ou conception de pont spécifique ne peut éliminer ou même atténuer ces forces. Après tout, il s’agit des mêmes forces qui dégradent des chaînes de montagnes entières et creusent de profonds gouffres dans la terre. En comparaison, un pont construit par l’homme n’est rien.
Comme pour les anciens ponts suspendus incas, le seul moyen de dissuasion est un entretien préventif continu.
Passez l’écart entre cette page et la suivante pour en savoir encore plus sur les ponts.
Sources
- Blockley, David. « Bridges » Oxford University Press. 2010.
- « Construire un pont ». NOVA. Octobre 2000. (17 mai 2011)http://www.pbs.org/wgbh/nova/bridge/build.html
- Foer, Joshua. « Le dernier pont d’herbe inca ». Slate. 22 février 2011. (17 mai 2011)http://www.slate.com/id/2286002/
- Merchant, Brian. « Des ponts vivants en Inde ont poussé pendant 500 ans ». TreeHugger.com. 28 septembre 2010. (17 mai 2011)http://www.treehugger.com/files/2010/09/living-bridges-india-grown-500-years-pics.php
- « Rivières ». Explorateur de la planète humaine. 2011 (17 mai 2011)http://www.bbc.co.uk/nature/humanplanetexplorer/environments/rivers
- Wilford, John Noble. « Comment les Incas ont franchi les canyons ». New York Times. 8 mai 2007. (17 mai 2011)http://www.nytimes.com/2007/05/08/science/08bridg.html
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