Physique à Jo: Ponts

Types de ponts

En fonction de la portée (distance horizontale) à traverser, les types de ponts recommandés sont les suivants :

Pont en poutre : portée de moins de 75 m
Pont à arche : portée de 60 à 250 m
Pont à haubans : portée de 150 à 600 m
Pont suspendu : portée de plus de 600 m
Pont en treillis : ne sont pas compétitifs sur le coût
Pont en treillis en porte-à-faux : la section centrale s'appuie sur les bras en porte-à-faux.

Pont en treillis

Pont en treillis, 105 ap.-J.-C.

Probablement un des premiers ponts en treillis. Structure en arche en treillis faite avec du bois.

Gravure du pont de Trajan

Vue d'artiste du pont de Trajan

Iron Bridge, Écosse, 1781

Premier pont en arche construit en acier (fonte). Il est toujours existant (pont piéton). Possiblement le 2e pont construit en acier après le pont pour piéton construit à Yorkshire, Écosse en 1769.

Le Iron Bridge, Écosse
Terminé en 1781
Premier pont en arche construit en acier (ici de la fonte)

Méthode de calcul des treillis

Squire Whipple a rédigé ce qui est probablement la première méthode de calcul "scientifique" des efforts dans les structures en treillis : A Work on Bridge Building publié en 1847.

Squire Whipple, 1804-1888

http://books.google.ca/books?id=inwIAAAAMAAJ&pg=PP7#v=onepage&q&f=false

Pont conçu par Whipple, le Squire Whipple Bridge, 1869, NY, USA

Forth Bridge, Écosse

Le Forth Bridge en Écosse fut construit après qu'un autre pont eut été reconstruit suite à son effondrement dans l'estuaire voisin au Forth Bridge. Initialement, l'ingénieur qui a conçu le pont qui s'est écroulé avait commencé à faire la conception du Forth Bridge comme étant un pont suspendu. Étant donné que le public a perdu confiance en cet ingénieur, il n'était pas question que le Forth Bridge soit tel que l'ingénieur discrédité l'avait conçu. Le concept retenu est celui d'un pont en treillis à porte-à-faux. Afin de convaincre le public et de démontrer le principe de la structure, des démonstrations avec des chaises, des contrepoids et 3 personnes furent présentées au public.

Démonstration du concept de pont en treillis en porte-à-faux afin de convaincre le public

Forth Bridge, Écosse
Terminé en 1890
Longueur totale 2529 m
Portée principale : 520 m

Pont de Québec

La construction du pont a débuté en 1903 et s'est terminé en 1919, période durant laquelle il y eut deux effondrements de la structure ce qui a coûté la vie de 88 personnes (75 au premier écroulement, 13 au 2e). La structure est du même type que le Forth Bridge en Écosse : pont en treillis en porte-à-faux.

La construction fut confié à la compagnie Phoenix Bridge Company de Pennsylvanie sous la direction de l'ingénieur Theodore Cooper

Pont de Québec
Terminé en 1919
Longueur 987 m
Portée principale 589 m

1er effondrement, 29 août 1907
Initialement, la portée (distance entre les piliers) devait être d'environ 200 pieds de moins que ce que l'ingénieur Cooper a décidé de construire. Cependant, la compagnie n'a pas refait les calculs du poids mort (poids de la structure) qui serait en porte-à-faux suite à l'augmentation de la portée. Durant l'été 1907, l'ingénieur de chantier Norman McLure a remarqué des distorsions importantes dans les membrures. Il a fait part de ses observations à Cooper qui était à New York, mais ce dernier supposait que les membrures avaient due être tordues avant leur installation. Le 27 août 1907, McLure était convaincu que la torsion n'était pas normale et se rendit à New York pour rencontrer Cooper. Cooper conclut que la situation était grave et avisa la Phoenix Bridge Company de cesser d'ajouter des charges. Cependant, le message ne fut pas transmis à Québec et le même jour, peu avant la fin des travaux de la journée, le pont s’effondra, emportant 75 vies.

2e effondrement, 11 sept 1916
Durant l'ascension de la section centrale, il y a eut un problème avec le système de levage qui a mené à l'effondrement de la section.

Ascension finale, décembre 1917

Pont suspendu

Pont ayant la plus longue portée principale
Pont du détroit d'Akashi, Japon
Terminé en 1998
Portée principale 1991 m

Longueur totale 3911 m

Définition :
Ouvrage métallique dont le tablier est attaché par l'intermédiaire de tiges de suspension verticales à un certain nombre de câbles flexibles ou de chaînes dont les extrémités sont reliées aux culées, sur les berges.

Caractéristique :
Contrairement à tous les autres ponts, les ponts suspendus exercent une traction horizontale sur leur point d'appui en raison des câbles (ou châines).

Avantages :

Portée (distance entre deux piliers) importante.

Inconvénients :

Nécessite la présence de massifs d'ancrage imposants et lourds sur les berges afin de maintenir les câbles (ou chaînes) qui exercent des forces considérables. La géologie du sol qui va supporter ces forces doit être adéquate.
Le remplacement des câbles nécessite la fermeture du pont et est complexe.
Les charges dynamiques (vent) peut faire osciller le pont et peuvent entraîner un phénomène de résonance où l'amplitude des oscillaitons se voit amplifiée (voir l'effondrement du pont de Tacoma en 1940)

Principe :

Les câbles qui supportent leur propre poids, le poids des suspentes et du tablier ont une forme entre la parabole et la chaînette. Puisqu'il subissent une grande tension, ils doivent être fixés solidement à des ancrages sur les berges ce qui limite leur utilisation lorsque le sol n'est pas stable.

Comparaison entre la parabole (rouge) et la chaînette (noir pointillé)

pour une même travée et une même flèche

Attache des suspentes sur le Golden Gate Bridge
Câble principal : diamètre de 36 po
Câble de sustente : diamètre de 3,5 po

Pont Pierre-Laporte, Québec
Longueur : 1041 m
Portée maximale : 667,5 m
Ouverture 1969

Pont de Brooklyn et Pont de Manhattan en arrière plan

Pont de Brooklyn

Golden Gate Bridge

Construction du pont de Manhattan, 1909

Pont à haubans

Plus long pont à haubans : Viaduc de Millau, France
Terminé en 2004
Portée principale 342 m
Hauteur 343 m
Longueur 2460 m, 7 pylônes
Hauteur libre 270 m
Coût 320 millions d'euros (450 million CAD)

Définition :
Ponts où le tablier est suspendu par des câbles issus de pylônes.

Caractéristique :
Contrairement au pont suspendu dont les câbles sont fixés aux berges, les câbles du pont à haubans sont reliés aux pylônes, lesquels supportent tout le poids du tablier.

Avantages :

Tout le poids est supporté par les piliers, donc pas de fixation aux berges
Structure stable qui peut être érigée sur des sols meubles (mous)
Facilité de changer des câbles sans fermeture du pont

Inconvénients :

Portée (distance entre deux piliers) plus courte que les ponts suspendus, car pour avoir une grande portée il faut une hauteur de pylône (pilier) très grande ce qui rend les pylônes fragiles et vulnérables aux vents et oscillations. Portée limitée en pratique à 900 m (en théorie 1500 m).

Principe :

Au début, les ponts à haubans n'avaient que très peu de câbles puisqu'il n'y avait pas de technique permettant le calcul d'un système statiquement indéterminé. De nos jours, avec les méthodes informatiques, les ponts à haubans sont composés de nombreux câbles.