Depuis l'Antiquité, l'homme se surpasse en matière de nouveautés et de progrès techniques. Notamment dans la manière de franchir des obstacles de plus en plus longs et complexes. Souvent à des fins commerciales, les ponts font leur apparition dès l'antiquité sous l'empire romain. De nombreux architectes se sont posés la question dans la manière de créer un pont capable de résister à de nombreuses contraintes. Aujourd'hui, outre les ponts à piliers, on observe deux types de ponts pour les grandes distances: les ponts suspendus et les ponts à haubans, deux types de ponts particuliers, tous deux créés au XVIIIème siècle, ils permettent de parcourir de longues distances tout en équilibrant : structures, forces et matériaux.
Pourquoi l'utilisation du pont à haubans est-elle une option alors que le pont suspendu répond déjà aux besoins ?
1) pont suspendu et le pont à haubans
A- Les différentes parties d'un pont suspendu et d'un pont à haubans :
B- Les matériaux utilisés au sein des deux ouvrages :
C- Les forces exercées sur ses ponts :
2) les problèmes du pont suspendu
A- Les inconvénients de la structure :
B- Les défectuosités des matériaux utilisés :
C- Les forces réparties ont-elles un défaut ? :
3)le pont à haubans est un pont optionnel
A- Car le pont suspendu répond aux besoins :
B- Les avantages du pont à haubans :
C- Les limites du pont à haubans :
pont suspendu et le pont à haubans
Le pont suspendu
- La structure : Tout d'abord, le pont suspendu est spécifique par ses deux longs câbles porteurs (câbles de retenue) qui ont pour rôle de soutenir le tablier. Les câbles porteurs sont attachés aux points d'encrages qui permettent le maintient de la structure entière. Le tablier est la partie qui supporte la chaussée, elle-même permettant le passage des véhicules. Le tablier est relié aux câbles porteurs par des suspentes qui supportent le poids de celui-ci. Les pylônes sont ancrés sur la rive servant de soutient pour les points d'encrages. La hauteur des pylônes est déterminée proportionnellement à la longueur du tablier .
les matériaux:
- Le béton est principalement utilisé pour le tablier et les piliers. Il est très utile car il peut être travaillé à l'état plastique puis se solidifier. Il possède également une durée de vie de 20 à 100 ans. Le béton résiste très bien aux efforts de compression, mais mal aux efforts de traction. Cependant, il doit être régulièrement entretenu.
- Le béton armé ( barre d'acier plongée dans le béton) est 10 fois plus résistant à la compression qu'à la traction. Il remplace de plus en plus le béton dans la construction de ponts suspendus. Il a aussi une plus grande résistance à la traction. Le béton utilisé de nos jours est un béton fibré (BHP), un matériau qui a une résistance à la compression et à la traction.
- L'acier (alliage de fer et de carbone) a la qualité d'avoir une force de traction très importante. Les suspentes sont composées de câbles dont les éléments primaires sont des fils dont le diamètre est généralement compris entre 4 et 5 mm (à fils parallèles, torsadés, toronnés). Les suspentes toronnées sont comme celles tréfilées, mais le diamètre de ces dernières est plus faible. Chaque câble est protégé de la corrosion par la galvanisation à chaud qui consiste à appliquer une fine couche de protection pour que le câble résiste plus longtemps . Des solutions comme le zinc a la capacité de protéger l'acier de la corrosion. Avec cette protection, on peut utiliser l'acier lorsqu'il est dans un environnement maritime.
- Les forces: Les forces du pont suspendu sont très bien reparties. Toutes les forces impliquées sont distribuées dans les points d'ancrages, car toutes les suspentes sont reliées aux câbles porteurs qui sont soutenus aux points d'ancrages, contrairement au pont à haubans que l'on étudiera par la suite. Les suspentes reçoivent une force de traction et les pylônes une force de compression. Les câbles porteurs servent tout d'abord à soutenir le poids propre du pont mais aussi à repartir ce poids sur les pylônes. Les forces exercées sur les matériaux tels les câbles ou les bétons sont calculées (nous vous invitons à ouvrir la page "LES FORCES" afin d'assimiler la suite du dossier.). Les ingénieurs recherchent de plus en plus l'allongement des matériaux pour que la sécurité soit renforcée.
les ponts à haubans
- La structure: Le pont à Haubans tient sa spécificité aux positionnements de ses câbles ; "le hauban" est un câble en traction servant à maintenir la forme et la position du tablier. Le hauban est fixé d'un côté à un pylône et de l'autre à son tablier. Il s'agit d'un câble oblique soutenant le tablier et partant du pylône. La structure du tablier est construit de manière à résister à la pression du vent de la façon inverse d'une aile d'avion ; le vent va passer plus rapidement sous la structure et attirer le tablier vers le sol et ainsi rester stable. C'est l'aérodynamisme.
- les matériaux: Pour un pont, le choix des matériaux est essentiel. Les haubans sont faits en acier, celui-ci a une bonne résistance en traction contrairement au béton. Les câbles en acier sont communément appelés "haubans". L'acier reçoit une triple protection contre la corrosion (galvanisation, enrobage de cire pétrolière et gaine en polyéthylène extrudé) pour éviter la détérioration du matériel. Sur un pont, les forces appliquées sont différentes suivant les endroits. Tous les matériaux sont choisis en fonction du type de forces auxquelles il devra résister.
- les forces: il y a deux forces principales : la force de traction et la force de compression. La force de traction est surtout exercée sur les haubans. Les pylônes sont aussi fortement sollicités, ils sont compressés. Les piliers et le tablier sont faits en béton compte tenu de leur très bonne résistance à la compression. La force de flexion est due au propre poids du tablier et à la force du poids des charges ; tout objet se trouvant sur le tablier (voitures...) exerce alors une force importante. Les forces sont reparties sur toutes la structure du pont, les câbles d'acier répartissent les différentes charges sur la plupart de la structure. Les nombreux câbles obliques servent à supporter l’intégralité du poids du pont.
les problèmes du pont suspendu
- la structure: La structure du pont suspendu connaît des contraintes qui lui sont propres. En effet, le pont nécessite la présence de points d'ancrages, imposants et lourds, indispensables pour retenir les différentes forces qui s'exercent sur les différentes parties de la structure; ce qui fait qu'il ne peut pas être construit sur n'importe quel environnement. C'est un problème résolu : prenons pour exemple au Japon (Pont du détroit d'Akashi), où le point d'ancrage est créé artificiellement. Lorsque les pylônes sont situés dans l'eau, certains éléments sont à prendre en compte, c'est à dire : la présence de vase ou non qui crée ainsi une instabilité du pylône. Chaque câble porteur est composé de 60 torons, les torons sont ensuite attachés au point d'ancrage du pont, avec au total 8000 tonnes de traction. Il est indispensable de retenir ces charges à l'aide de point d'ancrage d'environ 40 000 tonnes de béton.
- les matériaux: Le principal problème actuel des matériaux sont les différences de température car cela engendre dans le métal une faiblesse. L'acier soumis à une augmentation de température devient plus flexible et des fissures peuvent y apparaître. Les fissures créées peuvent provoquer un déséquilibre du pont. Les parties ancrées des câbles sont enterrées et isolées à température "fraîche". Dès 20 degrés l'acier se dilate et ne doit pas non plus être à une température trop basse pour maintenir sa résistance. Le pont doit être quotidiennement entretenu pour des vérifications de corrosion et maintenir une solidité optimum. Le béton armé a un inconvénient : mal entretenu il peut se dégrader. L'acier de l'armature peut s'oxyder sous l'action de l'oxygène et de l'humidité. En Normandie, ce problème a été rectifié par un système de déshydratation de l'intérieur de la structure.
- les forces: comme nous l'avons vu les forces les plus importantes sont exercées sur les points d'ancrages donc ils doivent avoir une certaine stabilité et ne doivent pas être trop souples. Le point d'ancrage doit être suffisamment important pour pouvoir supporter les charges imposées. Une mauvaise évaluation de la prise au vent peut entraîner la rupture du pont. Le "Golden Gate" qui mesure au total 1970 mètre de long peut soutenir 50 000 tonnes de tablier et de câbles grâce à une bonne répartition des forces.
https://www.youtube.com/watch?v=ujwYjL1OdQc
- La résonance est une action simultanée de deux forces qui s’amplifient. Ces vibrations peuvent être la conséquence de vents violents ainsi que de séismes.
Pour le cas du vent, il entraîne deux sortes de forces à la résonance: force de traînée qui est parallèle au sens du vent "horizontale" ou la force de portance qui elle est "verticale" tendance à soulever le tablier. Ces deux sortes de résonances sont la cause des oscillions du tablier (déformations comme le présente la photographie).
Cette situation s'est produite pour le pont de Tacoma. Alors que le vent ne soufflait qu'à 65km/h, il s'est écroulé le 7 novembre 1940.
Pour le cas des séismes qui provoquent des résonances du sol , les ingénieurs ont dû trouver des solutions antisismiques. C'est pour cela que des amortisseurs sont placés entre la structure porteuse et portée pour permettre de supporter des efforts importants sans abîmer la structure. Il y a l’amortisseur élastoplastique où la matière élastique très souple et va absorber les forces de vibration et ne va pas les répercuter sur la structure haute. L'amortisseur visqueux est formé de pâte silicone qui s'adapte à l’énergie du séisme et ainsi les vibrations sont réduites.
3)le pont à haubans est un pont optionnel
- Le pont suspendu est un pont qui subvient à énormément de besoin . Il permet le passage d'un point A à un point B, une longueur de portée allant jusqu'à 2000 mètres. Il supporte des charges importantes, laisse passer les voies navales et peut logiquement se construire "n'importe où" si les moyens financiers sont mis en œuvre (comme on l'a vu pour le détroit d'Akashi). Pour finir, le pont suspendu nécessite moins de piliers, donc la recherche de surface rigide est moindre. Les performances techniques du pont restent tout de même impressionnantes. Le pont suspendu a deux grands câbles porteurs qui pèsent une charge importante.
- Les avantages du pont à haubans: est tout d'abord sa facilité de construction. Le pond à haubans est composé de plusieurs voussoirs qui sont assemblés un à un, c'est un des gros avantages du pont à haubans. Le pont à haubans à des forces mieux réparties et n'a pas besoin de point d'encrage ce qui n'engendre pas de modifications du terrain. De plus, ce sont des voussoirs les uns fixés aux autres ce qui pose moins de problème au niveau de la charge. Il est donc plus adapté aux ponts de faibles longueurs. En cas de maintenance, si un hauban rompt il n'est pas nécessaire d’arrêter la circulation. Il comporte plus de câbles que le pont suspendu mais sont coût de construction est moins élevé. Il est composé de moins de matériaux que le pont suspendu qui est obligé d'avoir une armature considérable.
- Cependant, le pont à haubans comporte des défauts. Par exemple si la distance est supérieure à 900 mètres, l'ingénieur va privilégier le pont suspendu au pont à haubans. La portée d'un pont à haubans est restreinte à une portée minimum. Cela est dû au fait que les ponts à haubans ont besoin de plus hauts piliers ce qui les rendent plus sensibles au vent et aux vibrations. Il constitue une avancée par rapport aux ponts suspendus sur les surfaces au sol dont les éléments ne sont pas consolidées (sable, vase, etc.), mais les ponts à haubans sont limités en portée. Les ponts à haubans sont visuellement plus impressionnants et plus esthétiques, même si les ponts suspendus ont leur charme. De plus le prix du pont suspendu est plus important que celui du pont à haubans.
Conclusion
- On a donc pu vérifier que les ponts à haubans et suspendus portent tous deux des avantages et certaines similarités. Le pont suspendu a la particularité d'être construit sur de très longues distances (1 000 à 2 000 mètres de portée). Le pont à haubans est donc plus adapté pour les plus courtes portées (500 à 850 mètres de portée). Il a l'avantage d'avoir un coût plus faible, une meilleur stabilité ainsi qu'un milieu naturel qui ne demande pas ou très peu de modifications pour permettre sa construction. Le pont suspendu reste une référence très fiable en terme de construction. La plupart de ceux-ci ont résisté et résistent dans le temps, excepté certains ponts comme le pont de Tacoma. En réponse au sujet, on peut voir que le pont à haubans a une utilité restreinte que ce soit pour réduire le coût ou pour l'esthétisme, alors que le pont suspendu représente une incroyable avancée technologique.
Nous pouvons clôturer avec le pont d'Iroise, un pont à haubans breton construit entre 1991 et 1994 dans le Finistère. Il a la particularité d'avoir ses pylônes au centre du tablier. Cette structure lui permet d'avoir 400 mètres de portée et la place de quatrième plus grande portée de France. On notera également que cela permet de réaliser un ouvrage à un prix plus réduit que les autres ponts à haubans en raison du moins grand nombre de haubans nécessaires.
Cette structure permet une répartition des forces différentes, au delà d'une innovation en terme de technique et d’esthétique. Chaque année, des progrès techniques sont réalisés, on peut alors se demander quelles seront les limites de demain ? Ou verrons nous un jour des ponts pouvant joindre la France à l'Angleterre et l' Europe aux Etats-Unis ?
Credits:
Created with images by Nicolas Vollmer - "Golden Gate Bridge" • guy_dugas - "pont du gard aqueduct roman" • Rodrigo_Soldon - "Ponte Hercílio Luz" • dalbera - "Le pont suspendu d'Halong" • -Jérôme- - "Golden Gate bridge from lands end" • marsupilami92 - "LE PONT DE ST NAZAIRE"