Stabilité des véhicules au retournement lors de vents forts sur les ponts à grande portée

Long Span Bridges

Analyses techniques et essais en soufflerie dans le but d'améliorer la sécurité routière

Nous avons été engagés afin d'enquêter sur la stabilité des véhicules lors de vents violents, particulièrement sur les ponts à grande portée où il y a plus de chance de rencontrer des rafales dangereuses.

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  • Le défi

    On sait que les véhicules à hautes parois et légèrement chargés sont sujets aux accidents en présence de vents forts soufflant en rafales. Bien que les accidents de la route liés au vent puissent se produire n’importe où, les véhicules sont plus sensibles au vent lorsqu'ils passent sur les ponts. Les causes en sont l’élévation de la route, l'exposition et l'effet d’accélération possible à divers endroits sur le pont; ce que l’on ne retrouve pas sur les routes au niveau du sol. Pour notre étude, nous avons entrepris d’élaborer une maquette expérimentale mathématique qui pourrait quantifier les conditions de retournement que subissent divers types de véhicules, plus précisément sur les ponts à grande portée.

  • Notre approche

    Nous avons commencé en examinant des vidéos de renversements causés par le vent. Nous avons déterminé que ces accidents sont généralement provoqués par des charges directes dues aux rafales et que les autres effets aéroélastiques tels qu’un soulèvement attribuable à la vitesse du véhicule contribuent peu à ce phénomène. Les vidéos semblent indiquer que généralement, juste avant le renversement, un côté du véhicule est légèrement incliné pendant 0,5 seconde, tandis que le conducteur lutte pour garder le contrôle du véhicule avant que celui-ci capitule et se retourne lentement.

    Nous avons découvert que les deux variables principales servant à déterminer l’effet du vent sur la stabilité du véhicule sont les caractéristiques propres aux véhicules et les effets aérodynamiques de la superstructure du pont, qui varient selon la localisation du véhicule et l’orientation du vent. Nous avons analysé les effets généraux du vent sur quatre types de véhicules représentatifs : un camion semi-remorque de 14.65 mètres de long, un grand autocar, une camionnette de messagerie et un VUS standard.

    Afin d’estimer les vitesses de vent critiques, nous avons testé les modèles réduits de véhicules sur des maquettes de deux différents types de pont à l’échelle de 1/70; un pont suspendu à deux tabliers et une structure à poutres-caissons à travées multiples. Chaque maquette de pont a été fixée solidement à la plateforme tournante dans notre soufflerie, ce qui nous a permis de réaliser des essais avec des vents soufflant de toutes les directions à la hauteur du tablier. Nous avons construit des modèles réduits de bois et de plastique représentant les quatre types de véhicules à la même échelle que les maquettes de ponts, puis nous avons effectué des essais en soufflerie avec les véhicules à divers endroits sur les deux ponts.

    Nous avons fait souffler des vents turbulents lors de tous les essais en soufflerie, ce qui était important afin de simuler la turbulence à petite échelle sur chaque type de pont et reproduire correctement les couches de cisaillement qui se séparent et se rattachent sur les maquettes des tabliers et des véhicules. Nous avons également réalisé des essais au sol afin de disposer d'une référence de base.

    Des transducteurs à six axes de haute précision ont servi à mesurer les forces aérodynamiques et les instants vécus par chacun des véhicules à une fréquence d’échantillonnage élevée : 500 mesures par seconde sur une période de 60 secondes.

    Nous avons également construit une maquette de 4.5 mètres de la travée principale du pont de la Confédération qui relie la province canadienne de l’île du Prince-Édouard à celle du Nouveau-Brunswick sur le continent. À des fins d’étalonnage, nous avons utilisé la même échelle de 1/70 et nous avons effectué des essais en soufflerie avec le modèle réduit d'un camion semi-remorque de 14.5 mètres sur le pont. Les essais sur le pont de la Confédération ont fourni des tests et des analyses comparatives pour ce véhicule qui nous ont permis de comparer les résultats de ces essais en soufflerie avec la politique du pont visant le contrôle de la circulation lors de vents forts. La vitesse de renversement critique que nous avons découvert grâce au pont de la Confédération pour le tracteur à semi-remorque vide est d'environ 64 km/h, ce qui est près de la limite de vitesse en vigueur sur le pont de 70 km/h. Étant donné que l'on possède plus de 15 ans d’enregistrements concernant le pont de la Confédération, cette comparaison est devenue un étalonnage utile de l’analyse et un facteur de sécurité approprié qui a été adopté en vue de faire des recommandations.

  • Le résultat

    Les résultats de cette étude ont servi à l’élaboration de directives en ce qui a trait à la limite de vitesse du trafic sur un pont particulier. L’étude a aussi fourni des conclusions générales qui continuent de donner des indications précieuses relativement à la conception et au fonctionnement de ponts et de routes sécuritaires :

    1. En utilisant cette approche, il est possible de prévoir les vitesses critiques de vent en matière de « retournement » à divers endroits d'un pont et pour des types particuliers de véhicules, avec une précision qui n’était pas possible avant. Par exemple, nous avons appris que les plus hautes charges dues au vent se trouvent dans les voies extérieures sur le tablier supérieur d'un pont à deux niveaux. En ce qui concerne le tablier inférieur, les charges dues au vent étaient généralement inférieures à celles sur le tablier supérieur. Cependant, nous avons également observé que les poutres de treillis en bordure offrent une protection supplémentaire contre le vent pour les véhicules sur les voies extérieures.
    2. Réduire la vitesse du véhicule n’aide pas nécessairement à améliorer la stabilité au retournement; elle demeure plus ou moins la même, même si la direction du vent critique change.
    3. Les vitesses de vent critiques dépendent fortement de la coupe transversale du tablier et de l’emplacement du véhicule. Elles diffèrent aussi de celles que l'on trouve sur les routes en terrain découvert. Cela met en évidence la nécessité de réaliser des études en soufflerie propres aux ponts afin d’élaborer des directives fiables en matière de restrictions imposées à la circulation. 

    Il est nécessaire d'établir des lignes directrices qui déterminent quand interdire la circulation lors de vents violents pour tous les ponts à grande portée nouvellement construits. La méthodologie que nous avons développée nous permet d’élaborer des lignes directrices propres aux ponts qui créent un équilibre entre la sécurité et la nécessité de maintenir le pont ouvert.