5 MATIERE-ÉNERGIE 357 SN.qxd - Laboratoire d'Hydrodynamique

Matière & Énergiea)camion ou une soudaine rafale de vent,cette oscillation va ensuite s’amortir. Deplus, le vent n’est jamais parfaitementconstant : les petites variations de vitesseautour de la vitesse moyenne suffisent àproduire de petites oscillations.En revanche, si la vitesse moyenne du ventest suffisamment élevée, au-dessus de ceque l’on appelle la vitesse critique, le pontest instable et l’oscillation initiale s’amplifie.L'énergie se transfère alors du ventvers le pont (il existe d’ailleurs des projetsd’éoliennes fondées sur ce principe) et lesoscillations s’amplifient à cause ducouplage aéroélastique, jusqu’à la ruinede l’ouvrage.L’ACCIDENT DE TACOMADÉCORTIQUÉDans le cas du pont de Tacoma, la déformationen torsion du tablier qui s’observefacilement sur les dessins (fig. 1a-1f)correspond à une variation de l’angle d’incidencedu vent. Ce changement d’incidencemodifie l’écoulement du ventautour du tablier qui, en retour, modifie lecouple de torsion. Par conséquent, le pontcapte de l’énergie au vent à chaque foisqu’il oscille (fig. 2a, 2b). L’amplitude desvibrations augmente progressivementjusqu’à ce que la déformation engendredes effets sur les câbles et les autrescomposants qui conduisent finalement àsa ruine. Cette explication a été confirméepar plusieurs études en soufflerie depuisles années 1940 et ce phénomène,aujourd’hui bien connu des concepteurs,est systématiquement étudié.Presque tous les ponts subissent ce phénomèneaéroélastique : le terme « aéroélasticité» vient de ce qu’il dépend des caractéristiquesaérodynamiques du tablier etde sa rigidité élastique provenant de saconception mécanique. Les grands pontssont des ouvrages architecturaux uniquesdont les tabliers doivent être testés enb)soufflerie afin de garantir la qualité desétudes. Car l'écoulement du vent autourd'une structure aussi grande et complexequ'un pont ne peut pas s'obtenir par lecalcul, les essais en soufflerie donnantencore les résultats les plus fiables. Pour cefaire, on réalise une maquette d'un tronçonde tablier sur laquelle on va mesurerles forces aéroélastiques, afin de calculerensuite la vitesse critique pour le pontcomplet.Dans ce contexte, tout l'art de construireavec le vent réside dans la capacité desconcepteurs à augmenter la vitessecritique, de telle sorte que le vent naturelne puisse jamais l'atteindre.Les effetsdes rafales de ventLe vent est très turbulent : il produit desvariations de vitesse parfois très importantessur des durées courtes, de l’ordre dequelques secondes. Le pont va être excitépar ces rafales et produire une vibrationqui pourrait endommager ou fatiguer sastructure. À l'inverse des instabilités aéroélastiques,il n'est pas possible d'éviter lesrafales de vent. Aussi les ingénieursdoivent-ils en tenir compte lors du choixdes matériaux et de la conception mécanique.À l'aide de données météorologiques,ils doivent modéliser les fluctuationsdu vent pour en calculer les effets surle pont, notamment les contraintesinduites dans la structure. La simulationnumérique par ordinateur des vibrationstrouve là une application concrète et effi-Figure 2. Illustrationde la complexité del’écoulement autourd’un tablier de typepont de Tacoma.a) Écoulement autourdu tablier horizontal.b) Écoulement autourdu tablier incliné. Dèsque le tablier est inclinépar rapport au vent,l’écoulement se modifieet engendre un couplede torsion (flèche courbeen noir). À cause deses caractéristiquesaérodynamiques,il arrive que la variationde ce couple de torsionamplifie le mouvementau lieu de l’amortir.Ce fut le cas pour lepont de Tacoma.DÉCOUVERTE N° 357 \ JUILLET-AOÛT 2008 \ 23