Tacoma Narrows Bridge

Tacoma, Washington

Évaluation de ponts parallèles grâce à des études en soufflerie et des analyses

Le plan mis de l'avant dans les années 1990 dans le but de construire une deuxième structure parallèle visant à doubler la capacité du Tacoma Narrows Bridge de 1950 a été réalisé avec beaucoup de soin, et ce pour une bonne raison. Lorsque le pont original Tacoma Narrows Bridge a été inauguré en 1940, il offrait un moyen de traverser le Puget Sound qui était attendu depuis longtemps. À l’époque, l'élégante structure, légère et étroite, était le troisième pont suspendu au monde sur le plan de la longueur. Cependant, seulement quatre mois après son ouverture, des vents prolongés de 68 kilomètres à l’heure ont entraîné un flottement aéroélastique important qui se termina rapidement par l'effondrement spectaculaire du pont.

Au lendemain de l’effondrement, une longue série d’essais en soufflerie et d'études théoriques à l’Université de Washington ont généré de nouvelles informations sur l'effet du vent sur les ponts à grande portée. Les enseignements qu'on en a tirés ont été intégrés à la conception d’un nouveau pont suspendu qui a été construit sur le même site et ouvert une décennie plus tard, en 1950.

Dans les années 1990, le trafic ayant considérablement augmenté, on décida d'accroître la capacité du circuit routier par la construction d’un nouveau pont, adjacent et parallèle à celui de 1950. Chaque pont permettrait la circulation routière dans une seule direction. Le consortium de construction responsable du nouveau pont, Tacoma Narrows Constructors, a choisi la coentreprise Parsons Transportation Group et Howard Needles Tammen and Bergendof pour la conception de ce nouveau pont, ainsi que pour les modifications apportées à l’actuel pont afin de l'adapter au nouvel aménagement de la circulation. 

Nous avons été embauchés afin d'étudier la stabilité aéroélastique du pont projeté, ses éventuels effets aérodynamiques sur le pont de 1950 et les répercussions des modifications qui étaient prévues pour le pont de 1950.

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Services fournis

  • Le défi

    La proximité prévue du nouveau pont avec celui de 1950 créait un risque d’interaction aérodynamique entre les deux structures. De plus, afin de tenir compte des modifications aux voies sur le pont existant, il était proposé de couvrir un certain nombre de caillebotis qui avaient été intégrés au pont de 1950 pour des raisons aérodynamiques. Les concepteurs craignaient que d’éliminer les ouvertures puisse réduire la stabilité aéroélastique du pont à un degré inacceptable. On a fait appel à nos services afin d'évaluer l’aérodynamisme du pont et fournir une preuve détaillée de la performance de la conception proposée.

  • Notre approche

    Pour cette étude, nous avons adopté une approche en quatre parties.

    1. Conditions de vent et exposition

    Un des aspects de notre travail était de déterminer les conditions de vent que le pont pourrait subir. Il nous fallait connaître les vitesses des vents locaux ainsi que les angles selon lesquels le vent devrait frapper le pont.

    Notre analyse comprenait : 

    • des données relatives au vent provenant de trois aéroports à proximité possédant des archives historiques des vitesses de vent : le Tacoma Narrows Airport, à seulement 3 km du pont; le McChord Air Force Base, à 19 km au sud-ouest; et le SeaTac International Airport, à 27 km au nord-est; 
    • les résultats des tests de fumée effectués sur place peu après l’effondrement de 1940 ainsi que d'autres recherches connexes afin d’établir des critères d'essai concernant l’angle avec lequel le vent frappe le pont; 
    • l'analyse de la topographie locale et ses répercussions probables sur l'écoulement du vent vers le pont. 

    Notre enquête nous a permis de conclure que le tablier du pont devait être conçu de manière à rester stable face à des vents allant jusqu'à 188 km à l’heure pour tous les angles d’attaque allant jusqu'à 15 degrés. Des études antérieures avaient suggéré qu’un angle de plus ou moins 5 degrés serait suffisant, mais notre analyse — et l'opinion générale voulant qu’une approche prudente était primordiale — préconisait un plus large éventail. Cette première phase de travail nous a permis d’établir les paramètres qui serviraient aux essais en vue de la conception du pont.

    2. Essais sur des maquettes de section 

    Nous avons construit des maquettes des sections du pont existant et de celui projeté à l’échelle de 1/50 dans le but d'étudier la stabilité des deux sections de pont en situation de flottement et de décollement de tourbillon; deux phénomènes qui avaient été significatifs lors de l'effondrement de 1940. Nous avons réalisé des tests sur les deux sections en appliquant des écoulements de vents faibles et turbulents; aucun des deux tabliers n’a démontré d'importantes oscillations induites par un tourbillon. Les deux ponts ont conservé un amortissement aérodynamique positif jusqu'à de très fortes vitesses de vent, ce qui indiquait une bonne stabilité. De plus, la présence du pont projeté du côté exposé au vent améliorait généralement la stabilité du pont existant et les variations dans l’angle d’attaque n’ont pas empêché les structures de respecter les critères de stabilité. 

    En raison de sa longueur limitée et de sa petite taille par rapport à la grandeur réelle, il n’est pas possible de simuler entièrement les effets de la turbulence du vent sur une maquette de section. Cependant, nous avons effectué une simulation partielle de la turbulence de haute fréquence sur les maquettes de sections dans le but d'évaluer à quel point leur stabilité est sensible à ces turbulences. Nous avons découvert que la turbulence avait des effets bénéfiques sur la stabilité. 

    Comme prévu, nos tests ont montré que les évents du tablier du pont de 1950 provoqueraient l’apparition de flottement lors de vents de faible vitesse. Mais étant donné que la plus basse fréquence de mode de torsion était assez élevée, le pont répondrait tout de même aux critères de flottement établis. Il est dès lors devenu important de nous assurer de la fréquence du plus bas mode de vibration de torsion; cela nous a menés à notre troisième phase de l’analyse : mesures de vibrations en grandeur réelle sur le pont de 1950.

    3. Analyse des propriétés dynamiques en grandeur réelle

    Nos essais en grandeur réelle incluaient l'enregistrement de la réponse de la structure à l’excitation ambiante causée par la circulation, ainsi que des tests servant à évaluer le vent et des essais en vibrations forcées; tests pour lesquels nous avons utilisé un grand pendule dans le but de susciter le mouvement du pont en l’absence de trafic. Nous avons placé six accéléromètres ultrasensibles à deux stations, une à la travée centrale du pont sur la travée principale et une deuxième 170 m à l'ouest. Nous avons également surveillé de façon continue les conditions de vent au cours des travaux sur le terrain, enregistrant la réponse du pont au vent normal et à la circulation pendant une semaine. 

    La phase que nous avons trouvée entre les deux stations équipées d'accéléromètres (une à la moitié de la travée principale et l’autre à proximité du quart de la travée) était proche de zéro, indiquant que les modes de torsion identifiés étaient symétriques. Il n'y avait pas de preuve d’un autre mode de torsion. Nous avons donc conclu que le premier mode de torsion symétrique était à 0,33 Hz et que le pont actuel était stable en cas de flottement même si les évents d’aération étaient fermés.

    4. Essais aéroélastiques afin de mesurer le comportement structural global

    Même si les essais sur des maquettes de sections ont fourni de bonnes indications voulant que les deux tabliers parallèles ne subissent pas de problèmes de vibrations ni de vitesses de flottement suffisamment élevées, il était nécessaire de simplifier certains phénomènes à des fins d’essais. Par exemple, lors des essais réalisés sur les sections, seulement une des deux maquettes de tablier se déplaçait de manière dynamique à un moment donné. Il nous fallait aussi examiner plus en profondeur l'effet des différentes directions du vent. Pour ces raisons, nous avons construit des maquettes aéroélastiques complètes des deux ponts qui nous ont permis d’effectuer des essais en soufflerie en les plaçant côte à côte. Des accéléromètres ont été installés au sommet des tours et des jauges de contrainte à des endroits importants comme les bases des tours. Nous avons mesuré les déformations du tablier à l’aide de capteurs laser de déplacement. Les maquettes ont été posées sur une plateforme tournante sur le plancher de la soufflerie, ce qui nous a permis de les tourner de manière à modifier la direction du vent. À l’aide de 45 canaux d’instrumentation, nous avons enregistré des vitesses de vent à divers endroits.

  • Le résultat

    Prises ensemble, les études ont montré que malgré leur proximité, les deux ponts ne subiraient aucun effet indésirable majeur causé par les interférences aérodynamiques. Elles ont également démontré que, sur le pont existant, il serait possible de fermer les évents aérodynamiques, installés initialement dans le but d'améliorer la stabilité aérodynamique, et de tout de même satisfaire aux critères applicables. Nos études ont également généré une représentation détaillée de la distribution des charges dues au vent, ce qui a permis aux concepteurs d'élaborer des solutions structurelles sécuritaires et abordables. Le nouveau pont parallèle a été achevé en 2007. Les deux ponts continuent de bien répondre aux besoins en transport de la région, et ce sans incident.