Résonnance

Le phénomène de Résonnance

Le phénomène de résonance est une des contraintes les plus importante à prendre en compte avant d’entamer la construction d’un pont. Chaque matériau possède une fréquence de résonnance qui lui est propre. La nature d’un matériau n’est pas le seul facteur qui détermine la fréquence propre d’un objet, c'est aussi la forme de celui-ci. Un objet fait d'un seul matériau possède plusieurs fréquences propres, ce matériau est donc capable d'entrer en résonance à plusieurs fréquences. A chacune d'elles correspond une déformation différente : la compression, la traction, la torsion et la flexion.

Un pont fait d'un seul matériau, ou de plusieurs a aussi plusieurs fréquences propres qui dépendent de sa masse et de l'élasticité de ses matériaux.

Il n'existe pas de formule simple pour calculer ces fréquences. Un moyen de s’en approcher consiste à modéliser le comportement du pont à échelle réduite. Ainsi, des expériences en soufflerie sur des maquettes permettent de compléter efficacement ces études théoriques. Aujourd'hui, quasiment aucun pont n'est construit sans un essai en soufflerie.

Les ponts sont très sensibles au phénomène météorologique qu’est le vent, qui exerce des forces importantes sur le tablier, qui peut donc entrer en résonance. Ce phénomène de résonance peut engendrer des oscillations verticales, transversales ou de torsion du pont auquel le tablier est sensible. La forces que le vent exerce sur le tablier se décompose en deux composantes :

a) Les forces de traînée : Notées ici T, sont dirigées suivant une horizontale parallèle et de même sens au vent.

b) Les forces de portance : Notées P, elles sont dirigées suivant la verticale et dans le plan perpendiculaire à l'écoulement.

Lorsque les oscillations se font à une dimension, cela veut dire que seule la force de portance est en action ce qui veut donc dire qu’elles ont pour direction la verticale.

On parle alors de " galop " ; ce nom provient de l'histoire d'un pont suspendu à Angers, qui en 1850, est entré en résonance à cause de la marche cadencée de soldats, suite à cela il s'est effondré. Cette rupture s'explique par le fait que la fréquence de pas des soldats était très proche de celle de la fréquence propre au pont.

Lorsque les oscillations se font à deux dimensions (flottement classique), les forces de traînées et de portance agissent : le tablier se déplace donc en hauteur et en largeur. Cela entraîne trois types de déformations :

Une flexion latérale due au recul du tablier dans le sens du vent,
Une flexion verticale due au soulèvement du tablier,
La torsion du tablier.

Le dessus du tablier est en jaune tandis que le dessous de celui-ci est vert. Lorsque le tablier ne subit aucune force aboutissant à sa torsion, celui est horizontal. Sur le schéma, seul le dessus du tablier, en jaune, est visible. E1 et E2 sont deux points d'attaches du tablier au pylône.

Le tablier entre en torsion s’il est soumis à deux forces F1 et F2 verticales et de sens opposé. Ainsi F1 "soulève" le tablier tandis que F2 "appuie dessus". Ces deux forces entraînent la torsion du tablier qui se tord latéralement.

De nos jours, on peut déterminer par calcul les caractéristiques des oscillations, leur fréquence ainsi que leur amplitude et, ainsi construire des ponts plus résistant au vent donc au phénomène de résonnance. L'expérience en soufflerie reste néanmoins indispensable vu la complexité des objets à traiter.