Pont suspendu

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Dans un pont suspendu, le tablier de transport est soutenu par une série de câbles métalliques suspendus à des câbles massifs drapés entre de hautes tours. Le pont de Brooklyn à New York et le Golden Gate Bridge à San Francisco sont deux des ponts suspendus les plus célèbres. Le pont Akashi Kaikyo au Japon, qui a été achevé en 1998, contient la plus longue portée de suspension au monde (distance entre les tours de support) :1 991 m (6 529 pi) ; le pont entier, y compris les parties entre les tours et les rives, totalise près de 2,5 mi (4 km). La construction du pont Akashi Kaikyo a duré dix ans, a coûté 3,6 milliards de dollars et n'a fait que six blessés (aucun décès). Un siècle plus tôt, la construction du pont de Brooklyn, d'une portée de 1 600 pi (490 m) a duré 14 ans et a fait 27 morts.

Contexte

Les ponts suspendus sont l'un des premiers types conçus par l'homme. La version la plus primitive est une corde de vigne reliant deux côtés d'un gouffre; une personne traverse en se suspendant à la corde et en se tirant, main sur main. De tels ponts primitifs - certains aussi longs que 660 pieds (200 m) - sont toujours utilisés dans des régions telles que l'Inde rurale. Des conceptions un peu plus sophistiquées incorporent une surface plane sur laquelle une personne peut marcher, parfois à l'aide de mains courantes de vigne.

Au VIIIe siècle, les constructeurs de ponts chinois construisaient des ponts suspendus en posant des planches entre des paires de chaînes de fer, fournissant essentiellement un tablier flexible reposant sur des câbles. Des ponts similaires ont été construits dans diverses parties du monde au cours des siècles suivants. Mais l'ère moderne des ponts suspendus n'a commencé qu'en 1808, lorsqu'un Américain du nom de James Finley a breveté un système pour suspendre un tablier rigide aux câbles d'un pont.

Bien que Finley ait construit plus d'une douzaine de petits ponts, le premier grand pont qui a incorporé sa technique a été construit par Thomas Telford sur le détroit de Menai en Angleterre. Achevé en 1825, il avait des tours de pierre de 47 m de haut, mesurait 521 m de long et avait une portée de 177 m (580 pi). La chaussée, d'une largeur de 9 m (30 pi), a été construite sur une plate-forme rigide suspendue à des chaînes de câbles en fer. Le pont est toujours utilisé, bien que les chaînes en fer aient été remplacées par des maillons en acier en 1939.

Un autre Américain, John Roebling, a développé deux améliorations majeures de la conception des ponts suspendus au milieu des années 1800. L'une consistait à rigidifier la plate-forme du tablier rigide avec des fermes (ensembles de poutres horizontales et verticales qui sont contreventées avec des poutres diagonales). L'expérience avait montré que le vent ou les charges de trafic rythmées pouvaient envoyer des tabliers insuffisamment raidis dans des vibrations qui pouvaient devenir incontrôlables et littéralement déchirer un pont.

L'autre innovation importante de Roebling impliquait la construction des câbles de support du pont. Vers 1830, des ingénieurs français avaient montré que les câbles constitués de nombreux brins de fil fonctionnaient mieux que les chaînes pour suspendre les ponts. Roebling a développé une méthode pour « filer » ou construire les câbles en place sur le pont plutôt que de transporter des câbles préfabriqués disgracieux et de les mettre en place. Sa méthode est encore couramment (mais pas exclusivement) utilisée sur les nouveaux ponts.

L'histoire des ponts suspendus est généreusement parsemée d'exemples de ponts réussis qui étaient largement considérés comme impossibles lorsqu'ils étaient proposés par un ingénieur visionnaire. Un exemple était un pont ferroviaire Roebling construit entre 1851-1855 à travers la gorge de la rivière Niagra. Le premier pont suspendu renforcé de fermes, il était soutenu par quatre câbles de 10 pouces (250 cm) de diamètre enfilés entre des tours de pierre. Quarante ans après son achèvement, le pont supportait avec succès un trafic 2,5 fois supérieur à celui pour lequel il avait été conçu ; à ce moment-là, il a été retiré et démantelé.

Un sidérurgiste allongé sur le câble représente le câble de suspension du nouveau Tacoma, Washington, Narrows Bridge sur 21 octobre 1949.

Le pont Tacoma Narrows était le troisième plus grand pont à travée suspendue au monde et à seulement cinq mois lorsqu'il s'est effondré le samedi 7 novembre 1940. La travée centrale, mesurant 2 800 pi (853,4 m), s'étendait entre deux 425 pi (129,5 m ) hautes tours, tandis que les travées latérales mesuraient chacune 1 100 pi (304,8 m) de long. Les câbles de suspension pendaient des tours et étaient ancrés à 1 000 pieds (304,8 m) en arrière vers les berges de la rivière. Le concepteur, Léon Moisseiff, était l'un des plus grands ingénieurs de ponts au monde.

L'intention de Moisseiff était de produire une travée de pont très mince s'arc-boutant doucement entre les hautes tours. Sa conception combinait les principes de la suspension par câble avec une conception de poutres de raidisseurs en tôle d'acier, le long du côté de la chaussée, qui avait été profilée à seulement 2,4 m de profondeur.

Le pont de 6,4 millions de dollars a été surnommé "Galloping Gertie" par des personnes qui ont connu son comportement étrange. Contraints d'endurer les ondulations qui tanguent et roulent le pont, les ouvriers se plaignent du mal de mer. Après l'ouverture, la traversée est devenue un événement sportif difficile pour les automobilistes, même par vent faible, et les plaintes concernant le mal de mer sont devenues courantes.

Les ingénieurs de l'État et de la Toll Bridge Authority étaient plus qu'un peu nerveux au sujet du comportement de la mince travée à deux voies, qui ne mesurait que 39 pi (1 1,9 m) de large. Sa faible profondeur par rapport à la longueur de la travée (8-2 800 pi [2,4-853,4 m]) a donné un rapport de 1:350, près de trois fois plus flexible que les ponts Golden Gate ou George Washington. Les ingénieurs ont essayé plusieurs méthodes pour stabiliser les oscillations, mais aucune n'a fonctionné.

Les témoins comprenaient Kenneth Arkin, président de la Toll Bridge Authority, et le professeur Farquharson. À 10h00, Arkin a vu que la vitesse du vent était passée de 38 à 42 mi (61,1 à 67,6 km) par heure tandis que le pont s'élevait et tombait de 3 pi (0,9 m) 38 fois en une minute. Lui et Farquharson ont interrompu la circulation.

Leonard Coatsworth, un journaliste, avait abandonné sa voiture au milieu du pont alors qu'il ne pouvait plus continuer à cause des ondulations. Il s'est brièvement retourné, se souvenant que le chien de compagnie de sa fille était dans la voiture, mais a été jeté à ses mains et à ses genoux. À 10 h 30, les cordes des bretelles ont commencé à se déchirer, brisant le pont et projetant la voiture de Coatsworth dans l'eau. En une demi-heure, le reste du pont s'effondrait section par section.

Les ingénieurs qui se sont penchés sur le problème des ponts torsadés ont pu expliquer que les vents ne frappent pas le pont sous le même angle, avec la même intensité, tout le temps. Par exemple, le vent venant d'en bas soulève un bord, poussant l'autre vers le bas. Le pont, essayant de se redresser, se tord en arrière. Les torsions répétées augmentent en amplitude, faisant osciller le pont dans différentes directions. L'étude du comportement du vent est devenue une discipline d'ingénierie entière appelée aérodynamique. Finalement, aucun pont, bâtiment ou autre structure exposée n'a été conçu sans tester un modèle dans une soufflerie. Avec le développement des capacités graphiques, certains de ces tests sont maintenant effectués sur des ordinateurs.

En 1869, Roebling mourut dans un accident alors qu'il arpentait le site du pont de Brooklyn, qu'il avait conçu. Son fils, Washington Roebling, passa les 14 années suivantes à construire la célèbre structure. Ce fut le premier pont suspendu à utiliser des câbles en acier plutôt qu'en fer forgé (un type de fer relativement doux qui, bien que chaud, peut être façonné par des machines ou formé par martelage). Chacun des quatre câbles de 16 pouces (40 cm) de diamètre se compose de plus de 5 000 brins parallèles de fil d'acier. Plus d'un siècle après son achèvement, le pont de Brooklyn supporte de lourdes charges de trafic moderne.

Un autre pont suspendu emblématique a été construit sur le Golden Gate, l'embouchure de la baie de San Francisco, de 1933 à 1937 par Joseph Strauss. Le Golden Gate Bridge mesure 1 966 m (6 450 pi) de long, avec une travée principale de 1 280 m (4 200 pi). Ses deux tours mesurent 227 m (746 pi); ils supportent deux câbles de 7 125 tonnes (6,5 millions de kg) qui contiennent un total de 80 000 mi (129 000 km) de fil d'acier. Malgré des mesures de sécurité rigoureuses, 11 travailleurs sont décédés; 19 ont été sauvés par un filet de sécurité suspendu sous le tablier pendant la construction, une innovation qui est devenue la norme sur les projets de ponts ultérieurs.

L'effondrement en 1940 du pont Tacoma Narrows sur Puget Sound, dans l'État de Washington, a été l'un des échecs de pont les plus célèbres d'Amérique. Alors le troisième plus long pont suspendu au monde, il avait été conçu pour être exceptionnellement élégant. Assez large seulement pour deux voies de circulation et trottoirs, la travée mesurait 853 m de long. Plutôt que d'être raidi avec des fermes, le pont a été renforcé par deux poutres en acier qui ne mesuraient que 2,4 m (8 pi) de haut, avec des contreventements croisés les reliant. Cette conception a non seulement fourni moins de rigidité que les fermes, mais elle a également permis au vent d'exercer de fortes forces sur la structure plutôt que de passer sans danger à travers un arrangement de fermes ouvertes. Quatre mois après son achèvement, le pont a été mis dans un schéma d'oscillations croissantes par des vents de 42 mph (68 km/h) et s'est déchiré. Le pont de remplacement, construit une décennie plus tard, a été conçu avec un tablier renforcé par une poutre en acier de 33 pi (10 m) d'épaisseur.

Matières premières

De nombreux composants d'un pont suspendu sont en acier. Les poutres utilisées pour rigidifier le tablier en sont un exemple. L'acier est également utilisé pour les selles, ou canaux ouverts, sur lesquels les câbles reposent au sommet des tours d'un pont suspendu.

Lorsque l'acier est étiré (étiré) en fils, sa résistance augmente; par conséquent, un faisceau de fils d'acier relativement flexible est plus résistant qu'une barre d'acier pleine de même diamètre. C'est la raison pour laquelle le câble en acier est utilisé pour soutenir les ponts suspendus. Pour le pont Akashi Kaikyo, un nouvel acier faiblement allié renforcé de silicium a été développé; sa résistance à la traction (résistance aux forces de traction) est supérieure de 12 % à toute formulation précédente de fil d'acier. Sur certains ponts suspendus, les fils d'acier constituant les câbles ont été galvanisés (enduits de zinc).

Les tours de la plupart des ponts suspendus sont en acier, bien que quelques-uns aient été construits en béton armé.

Conception

Chaque pont suspendu doit être conçu individuellement pour prendre en compte de nombreux facteurs. Par exemple, la géologie du site fournit une base pour les tours et les ancrages des câbles, et peut être sensible aux tremblements de terre. La profondeur et la nature de l'eau pontée (par exemple, eau douce ou salée, et la force des courants) peuvent affecter à la fois la conception physique et le choix des matériaux comme les revêtements protecteurs de l'acier. Dans les eaux navigables, il peut être nécessaire de protéger une tour contre d'éventuelles collisions de navires en construisant une île artificielle à sa base.

Depuis la catastrophe du pont de Tacoma Narrows, toutes les nouvelles conceptions de ponts ont été testées en plaçant des modèles réduits dans des souffleries, comme l'avait été la conception du Golden Gate Bridge. Pour le pont Akashi Kaikyo, par exemple, la plus grande soufflerie du monde a été construite pour tester des modèles de sections de pont à l'échelle 1/100e.

Dans les ponts très longs, il peut être nécessaire de prendre en compte la courbure de la terre lors de la conception des pylônes. Par exemple, dans le pont Verrazano Narrows de New York, les tours, qui mesurent 215 m de haut et sont distantes de 298 m (4 260 pi), sont environ 4,5 cm (1,75 po) plus éloignées au sommet qu'elles ne le sont à le fond.

Le processus de fabrication

La construction d'un pont suspendu implique la construction séquentielle des trois Les constructions de tours qui se tiendront dans l'eau commencent par des caissons (un cylindre en acier et en béton qui agit comme un barrage circulaire) qui sont abaissés au sol sous l'eau, vidés de l'eau et remplis de béton en préparation des tours elles-mêmes. composants principaux :les pylônes et les ancrages des câbles, le câble de support lui-même et la structure du tablier.

Construction de la tour

• 1 Les fondations de la tour sont préparées en creusant jusqu'à une formation rocheuse suffisamment solide. Certains ponts sont conçus pour que leurs tours soient construites sur la terre ferme, ce qui facilite la construction. Si une tour se trouve dans l'eau, sa construction commence par l'abaissement d'un caisson (un cylindre en acier et en béton qui agit comme un barrage circulaire) jusqu'au sol sous l'eau ; retirer l'eau de l'intérieur du caisson permet aux travailleurs d'excaver une fondation sans réellement travailler dans l'eau. Lorsque l'excavation est terminée, une fondation de tour en béton est formée et coulée.
• 2 Les détails de construction varient en fonction de chaque pont unique. À titre d'exemple, considérons le pont Akashi Kaikyo. Chacune de ses deux tours en acier se compose de deux colonnes. Chaque colonne est composée de 30 blocs verticaux (ou couches), chacun mesurant 33 pi (10 m) Les ancrages, les structures qui soutiennent les câbles du pont, sont des blocs de béton massifs solidement fixés à de solides formations rocheuses. Lorsque les pylônes et les ancrages sont terminés, une ligne pilote doit être enfilée le long du chemin éventuel du câble, d'un ancrage à travers les pylônes à l'autre ancrage. haut; chacun de ces blocs, à son tour, se compose de trois sections horizontales. Une grue placée entre les colonnes a soulevé trois sections en place sur chaque colonne, complétant ainsi une couche. Après avoir terminé un bloc sur chaque colonne, la grue "d'amorçage" a été soulevée au niveau suivant, où elle a soulevé les sections de la couche suivante en place. À des intervalles appropriés, des contreventements diagonaux ont été ajoutés entre les colonnes.

Construction d'ancrage

• 3 Les ancrages sont les structures auxquelles sont fixées les extrémités des câbles du pont. Ce sont des blocs de béton massifs solidement attachés à de fortes formations rocheuses. Lors de la construction des ancrages, de solides barres à œil (barres d'acier avec un trou circulaire à une extrémité) sont noyées dans le béton. Une selle de pulvérisation est montée devant l'ancrage, qui soutiendra le câble au point où ses faisceaux de fils individuels (voir l'étape 5) se déploient - chaque faisceau de fils sera fixé à l'une des barres à œil de l'ancrage.

Construction du câble

• 4 Lorsque les pylônes et les ancrages sont terminés, une ligne pilote doit être enfilée le long du chemin éventuel du câble, d'un ancrage à travers les pylônes à l'autre ancrage. Différentes méthodes peuvent être utilisées pour positionner la ligne pilote. Pour le pont de la rivière Niagra, par exemple, Roebling a offert une récompense de 10 $ au premier jeune qui pourrait faire voler un cerf-volant avec une ligne pilote attachée à travers la gorge pour faire la connexion. Aujourd'hui, un hélicoptère pourrait être utilisé. Ou la ligne pourrait être prise à travers l'étendue en bateau puis soulevée en position. Lorsque la ligne pilote est en place, une passerelle est construite sur toute la longueur du pont, à environ 1 m (3 pi) au-dessous de la ligne pilote, afin que les travailleurs puissent assister à la formation du câble.
• 5 Pour commencer à faire tourner le câble, une grande bobine de fil est positionnée au niveau de l'ancrage. L'extrémité libre du fil est enroulée autour d'un sabot de toron (un canal en acier ancré à une barre à œil). Entre la bobine et le sabot de toron, le fil est enroulé autour d'un rouet qui est monté sur la ligne pilote. Cette roue porte le fil à travers le chemin du pont, et le fil est enroulé autour d'un sabot de toron à l'autre ancrage; la roue revient alors au premier ancrage, mettant en place un autre toron. Le processus est répété jusqu'à ce qu'un faisceau du nombre souhaité de brins de fil soit formé (cela varie d'environ 125 brins à plus de 400). Pendant le filage, les travailleurs debout sur la passerelle s'assurent que le fil se déroule en douceur, libérant ainsi tout pli. Au fur et à mesure que les bobines sont épuisées, l'extrémité du fil est épissée au fil à partir d'une nouvelle bobine, formant un brin continu. Lorsque le paquet est suffisamment épais, du ruban adhésif ou des sangles métalliques sont appliqués à intervalles Une fois les câbles verticaux attachés au câble de support principal, la structure du pont doit être construite dans les deux sens à partir du soutenir les tours à la vitesse correcte afin de maintenir les forces sur les tours équilibrées à tout moment. Une grue mobile soulève les sections de pont en place, où les travailleurs les attachent aux sections précédemment placées et aux câbles verticaux qui pendent des câbles de suspension principaux. pour garder les fils ensemble. Le fil qui sort de la bobine est coupé et fixé à l'ancrage. Ensuite, le processus recommence pour le prochain paquet.

  Le nombre de faisceaux nécessaires pour un câble complet varie; sur le Golden Gate Bridge, c'est 61, et sur le pont Akashi Kaikyo, c'est 290. Lorsque le nombre approprié a été tourné, un arrangement spécial de jacks positionnés radialement est utilisé pour compresser les faisceaux en un câble compact, et du fil d'acier est enroulé autour de. Des pinces en acier sont montées autour du câble à des intervalles prédéterminés pour servir de points d'ancrage pour les câbles verticaux qui relieront le platelage au câble de support.

Construction du pont

• 6 Une fois les câbles verticaux attachés au câble de support principal, la structure du pont peut être démarrée. La structure doit être construite dans les deux sens à partir des tours de support à la bonne vitesse afin de maintenir les forces sur les tours équilibrées à tout moment. Dans une technique, une grue mobile qui roule au-dessus du câble de suspension principal soulève les sections de pont en place, où les travailleurs les attachent aux sections précédemment placées et aux câbles verticaux qui pendent des câbles de suspension principaux, prolongeant la longueur totale. Alternativement, la grue peut reposer directement sur le pont et avancer à mesure que chaque section est placée.

Finition

• 7 Lorsque la structure du tablier est terminée, elle est recouverte d'une couche de base (par exemple, des plaques d'acier) et pavée. Peindre les surfaces en acier et installer des lignes électriques pour l'éclairage sont des exemples d'autres étapes de finition. De plus, les procédures de maintenance en cours commencent. Par exemple, une équipe permanente de 17 ferronniers et 38 peintres continue de travailler quotidiennement sur le Golden Gate Bridge, remplaçant les rivets et autres composants en acier corrodés et retouchant la peinture qui protège le pont.

Le futur

Chaque pont suspendu est conçu de manière unique, avec une attention portée à la fois à la fonction et à l'esthétique. De nouveaux matériaux peuvent être utilisés, voire développés, pour rendre le pont moins encombrant et plus efficace. Et les designers innovants créent parfois des solutions inhabituelles à leurs défis. Par exemple, la conception approuvée en 1998 pour remplacer la travée est du pont San Francisco-Oakland Bay qui a été gravement endommagé par un tremblement de terre de 1989 est un pont suspendu soutenu par une seule tour. Ses câbles principaux sont ancrés, non dans les ancrages massifs décrits ci-dessus, mais dans la structure de support du tablier du pont lui-même.

Les projets les plus ambitieux actuellement en cours de développement pour un nouveau pont suspendu sont peut-être ceux visant à relier la Sicile au continent italien. Étant donné que les tours de soutien devront être construites sur les rives opposées du détroit de Messine, la travée principale aura une longueur de 9 500 à 10 800 pieds (2 900 à 3 300 m). Une conception proposée utilise des tours d'une hauteur de 1 312 pieds (400 m). Les développeurs espèrent construire le pont d'ici 2006.