Ponts à haubans

Développement, réalisations et possibilités

Les structures à haubans sont les systèmes de ponts les plus jeunes, les plus rapides et les plus prometteurs.

Les ponts à haubans sont une sous-catégorie de structures suspendues. Un pont à haubans est similaire à un pont suspendu en ce qu’il possède des tours et un tablier-poutre supportés par des câbles ; cependant, ses câbles diagonaux transfèrent les charges verticales du tablier directement aux tours. Ainsi, le tablier-poutre principal d’un pont à haubans fonctionne comme une poutre continue sur des supports de câbles (plus flexibles que les supports de piles) avec une force de compression supplémentaire sur tout le tablier. Un pont à haubans est également un système précontraint car ses haubans sont en plus tendus pour contrebalancer une partie importante des charges verticales sur le pont-poutre principal.

Le pont de Strömsund en Suède, achevé en 1956 avec une portée principale de 182 mètres (597 pieds), est considéré comme le premier pont à haubans moderne. Au cours des 65 années suivantes, les ponts à haubans ont connu une augmentation spectaculaire tant du nombre de nouvelles structures que des réalisations de longue portée. En 1995, il n’y avait que trois ponts à haubans de plus de 500 mètres de portée ; 25 ans plus tard, on compte déjà 67 ponts à haubans de plus de 500 mètres de portée (dont trois de plus de 1 000 mètres). Vingt-sept autres ponts à haubans de plus de 500 mètres de portée, dont certains de plus de 800 mètres (2 624 pieds), sont actuellement en construction.

La gamme efficace des ponts à haubans évolue vers des portées encore plus longues. Aucun autre système structurel de pont ne présente un développement aussi rapide. La plupart des ponts à haubans sont visuellement beaux, et certains font partie des réalisations d’ingénierie les plus impressionnantes.

Origines et précédents

L’idée du système à haubans a peut-être été inspirée par les ponts-levis des châteaux médiévaux et les mâts à haubans des grands navires. La toute première image documentée d’un pont à haubans apparaît dans le Machinae Novae, un livre de Fausto Veranzio publié en 1615.

Les prédécesseurs des ponts à haubans modernes sont apparus au XIXe siècle sous la forme de différentes combinaisons hybrides de systèmes de suspension avec des câbles droits diagonaux supplémentaires, comme dans le cas du pont Albert, au Royaume-Uni (1873). La plus connue de ces structures hybrides est le pont de Brooklyn, New York, 1883, avec une portée principale de 486 mètres (1 594 pieds), pour lequel John Roebling a utilisé des câbles diagonaux pour rigidifier la structure.

Dans les années 1960 et 1970, le système a été développé davantage pour remplacer de nombreux ponts détruits en Allemagne pendant la Seconde Guerre mondiale. À cette époque, le système a également été utilisé pour les structures de toit nécessitant de longs espaces sans colonnes dans les bâtiments. À l’origine, les structures à haubans étaient utilisées pour des ponts d’une portée de 60 à 250 mètres (196 à 820 pieds), mais aujourd’hui, elles couvrent des distances beaucoup plus longues et sont le seul système qui défie les ponts suspendus dans les très longues portées. Leur portée est passée à 302 mètres en 1959 avec le pont Severin (Allemagne), à 404 mètres en 1974 avec le pont de Saint-Nazaire (France) et à 856 mètres en 1995 avec le pont de Normandie de Michel Virlogeux (France). Aujourd’hui, le pont de l’île Roussky (Russie) possède la plus longue portée de ce système, soit 1 104 mètres (3 622 pieds) atteinte en 2012 (figure 1).

Aux États-Unis, on peut citer le deuxième Sunshine Skyway Bridge avec une portée de 366 mètres (1 200 pieds) en 1987 (Floride), le Dames Point Bridge avec une portée de 396 mètres (1 300 pieds) en Floride, et le Arthur Ravenel Bridge avec une portée de 471 mètres (1 545 pieds) en 2005 (Caroline du Sud).

Spécificités du système

Les principaux éléments d’un pont à haubans sont les tours ou pylônes, la ou les poutres du tablier, les haubans, les ancrages et les fondations. Tour et pylône sont des termes interchangeables ; les tours plus légères et plus fines sont souvent appelées pylônes. Les ponts à haubans classiques sont symétriques avec une travée centrale, deux travées latérales et deux pylônes ; tels sont la plupart des ponts à haubans dont la portée est supérieure à 600 mètres. Les câbles de secours peuvent s’étendre sur plusieurs travées latérales.

Les ponts à haubans asymétriques ont une travée principale et une travée latérale, avec un seul pylône. Les ponts à haubans à travées multiples ont deux ou plusieurs travées principales (généralement égales). Plusieurs exemples sont présentés à la figure 2.

Certaines sous-divisions sont utilisées pour les ponts à haubans : extrados, sous-pont (under-deck), berceau, ferme Fink inversée et tenségrité. Les câbles des pylônes peuvent être disposés en parallèle (harpe), en éventail, en étoile ou en configuration mixte. Diverses solutions structurelles sont utilisées pour les tours : pylônes simples, portails à double patte (verticaux, légèrement inclinés, autoportants ou interconnectés en tant que cadre de portail, avec des arcs en forme de  » A « ,  » H « ,  » Y  » ou  » Y  » inversé).

Les tours peuvent être continues au-dessus et au-dessous du pont supportant à la fois le pont et les câbles, ou la partie supérieure peut supporter uniquement les câbles tandis que le pont-poutre est supporté directement par des piliers. Des exemples sont présentés dans la figure 3.

Les principaux matériaux de construction utilisés dans les ponts à haubans sont :

• Pour les tabliers : béton armé ou précontraint, tabliers composites béton-acier ou acier orthotrope ;
• Pour les tabliers-poutres : poutres en béton précontraint ou en acier, poutres caissons en béton précontraint ou en acier, similaires à celles des ponts suspendus modernes;
• Pour les tours : acier, béton armé ou précontraint, composite acier-béton;
• Pour les câbles : fils d’acier à haute résistance, généralement de grade 270 (270 ksi, ou 1 860 MPa), construits à partir de 7 fils, ⅜ pouce (9.5 millimètres) selon la norme ASTM A886, d’autres fils d’acier de qualité supérieure, des polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) ou des composites. Le béton précontraint a été utilisé dans le passé, mais devrait être évité car il s’est avéré dangereux sur certaines défaillances comme le pont Morandi;
• Pour les piles et les fondations : béton armé avec ou sans pieux selon le sol.

Pour les ponts de longue portée, les fondations sur des sols mous, ou pour les ponts dans les zones sismiques élevées, il est préférable d’utiliser principalement des structures en acier pour réduire le poids propre et les forces sismiques connexes.

Conceptual Design

La partie la plus importante de la conception d’un pont est le concept global de la structure et de ses éléments : la sélection du système structurel approprié pour le pont compte tenu de sa fonction spécifique, de l’emplacement du site et des portées requises. Un concept bien choisi détermine l’efficacité et l’économie du pont, économise les matériaux, les coûts et le temps de construction. Les bons concepts de conception minimisent les problèmes et les difficultés futures tant dans le bureau d’études que sur le chantier.

Pour la conception des premiers ponts à haubans, les ingénieurs utilisaient un nombre relativement faible de câbles. Après avoir acquis plus d’expérience et avec l’introduction de logiciels de conception structurelle, les ingénieurs ont pu utiliser un plus grand nombre de haubans, réduisant ainsi la demande sur la poutre de pont et conduisant à une plus grande efficacité et à des portées plus longues.

Les bases de la conception des ponts à haubans sont les suivantes : les charges verticales sur le pont sont supportées par des haubans diagonaux qui transfèrent ces charges aux tours. Au niveau de la tour, les composantes horizontales des câbles de la travée principale sont équilibrées avec celles des travées latérales/adjacentes. Les pylônes supportent et transfèrent la charge verticale aux fondations. De même, les composantes horizontales de compression cumulées des charges de la travée principale sont en équilibre avec les composantes de compression des travées latérales. Par conséquent, l’ensemble du système de pont est en équilibre avec des forces de compression prédominantes dans les tours et le système de tablier, et avec des forces de tension dans les haubans. Le système est auto-équilibré, à condition que tous les éléments soient conçus correctement pour supporter la demande maximale de la combinaison la plus élevée possible de charges.

Le défi pour l’ingénieur concepteur est de sélectionner une combinaison appropriée des multiples variations possibles de tours, de dispositions de haubans et de systèmes de tablier. Comme toutes les structures suspendues, les ponts à haubans sont sensibles aux déformations et il est nécessaire de vérifier l’état déformé du système pour toutes les combinaisons de charges, y compris celles qui se produisent pendant les différentes phases de la construction.

Les logiciels de conception structurelle d’aujourd’hui aident grandement les ingénieurs à calculer les ponts à haubans. Après avoir choisi les principaux paramètres du système, il est essentiel d’établir les dimensions et les sections de départ du pont-poutre, des câbles et des tours. Une approche de conception simple aidera à établir ces dimensions.

Pour commencer, le concepteur peut utiliser une poutre de substitution simplement supportée pour déterminer les moments de flexion approximatifs pour le pont-poutre de la travée principale. La précontrainte des haubans vers le haut peut compenser la plupart des moments provenant des charges permanentes sur le pont. Ceci est obtenu par une tension supplémentaire des câbles après l’érection des éléments principaux pour contrecarrer les charges permanentes, ce qui entraîne une flexion verticale minimale dans la poutre de pont. Les câbles doivent être tendus de manière à neutraliser 50 % des charges temporaires combinées vers le bas (charges dynamiques, vent, neige, glace et séisme). De cette façon, les moments de flexion de travail du pont-poutre varieront pendant le fonctionnement entre environ 50% des moments positifs (de la pire combinaison de charges temporaires) et 50% des moments négatifs des charges temporaires. Cette « première étape » détermine les moments de calcul de la poutre de pont de la travée principale. La compression dans la poutre de pont due aux composantes horizontales des forces de haubanage est la somme cumulée de ces composantes, soit environ 55 à 65 % des charges verticales totales sur la travée principale, en fonction de la portée, du nombre de câbles et de la hauteur des connexions de câbles au niveau du pylône. La force de compression cumulée (ΣPc) dans le tablier-poutre est égale à la somme de toutes les forces de compression Pci aux connexions de câbles (Figure 4) au niveau du tablier : la force de tension du câble Pcable = Pv/sin α,

Pci est la force de compression dans le pont-poutre provenant de la composante horizontale de la force du câble,

Pvi est la force verticale DL + LL appliquée à la connexion de câble au pont-poutre plus la composante verticale de la force de tension appliquée en plus,

Li est la distance horizontale de cette connexion à la tour, et

Ht est la hauteur de cette connexion de câble à la tour au-dessus du pont.

Un calcul initial simplifié de la force de compression cumulée est fourni par :

où :

ΣPc est la force de compression cumulative dans le pont-poutre, maximale aux tours,

ΣPv est la somme de toutes les forces verticales descendantes sur le pont de la travée principale,

Lmax est la longueur de la travée principale,

Ht est la hauteur des connexions de câbles à la tour au-dessus du pont, comme indiqué à la figure 4 pour la configuration de câble en éventail ou en harpe, et

Lgr est la longueur totale du groupe de câbles pour la configuration en harpe.

La somme des forces horizontales de tous les câbles au niveau du pylône (à partir de la travée principale) est égale à la force de compression cumulée dans le pont-poutre de la travée principale, équilibrée par une force égale du côté opposé.

Ces calculs permettront au concepteur d’établir les dimensions initiales de conception pour les câbles, le pont-poutre et la tour, qui seront utilisées dans le modèle informatique pour les ajustements et les raffinements ultérieurs du système. La poutre de pont doit être conçue pour la compression et la flexion du système de câbles et de haubans, ainsi que pour la conception typique du tablier de pont pour les charges verticales permanentes et dynamiques. L’approche initiale décrite ci-dessus permettra d’atteindre plus rapidement l’objectif final souhaité.

Efficacité et économie

Les ponts à haubans sont efficaces en termes de coûts, de matériaux et de temps de construction. Ils ont une meilleure efficacité que les autres systèmes de ponts, le seul concurrent étant les systèmes de suspension, tout en permettant des méthodes de construction plus simples. Un avantage supplémentaire des ponts à haubans est leur plus grande portée efficace, allant de 100 mètres de portée (328 pieds) à plus de 1 000 mètres de portée (3 280 pieds).

La multitude de possibilités du système offre aux ingénieurs et aux architectes de nombreuses options de conception. Les structures de « moyenne et longue portée » permettent plus de créativité, d’originalité et de possibilités de travaux innovants. Un pont à haubans n’a pas besoin d’être extravagant. Le pont le plus simple avec une structure « sincère » est souvent le meilleur et est généralement élégant et attrayant.

Les ponts à haubans ont une combinaison d’élégance, de sveltesse et un sentiment de robustesse. La demande de l’infrastructure nationale pour plus de ponts exige la priorité de l’efficacité et de l’économie.

L’art de l’ingénierie exige de la créativité et de la fantaisie, mais les ingénieurs doivent éviter les formes répétitives et illogiques. La créativité est essentielle, mais l' »originalité excessive » ne devrait se trouver que dans des exceptions justifiées (par ex, Christian Menn et Michel Virlogeux).

Pour et contre

Les principaux avantages du système sont :

• Construction rapide et relativement facile, nécessitant moins de temps de construction
• Moins coûteux
• Multiples options de conception
• Grande portée efficace
• Structures solides et résilientes
• Aspect attrayant

Les principaux inconvénients du système sont :

• Reste inférieur aux ponts suspendus pour les super longues portées
• Faut vérifier les déformations dans toutes les conditions
• Fait appel à l’expérience tant au niveau de la conception que de la construction

Poursuite du développement

Comme tous les autres systèmes de ponts, les ponts à haubans sont continuellement améliorés sur la base du développement de matériaux à haute résistance et de nouvelles technologies de construction. Les modifications des systèmes structurels établis et des nouveaux sous-systèmes sont plus précieuses pour les ingénieurs. Outre le nombre croissant de ponts à haubans de plus grande portée (plus de 600 mètres ou environ 2 000 pieds), le système est de plus en plus utilisé pour les ponts piétonniers. Les charges plus faibles et les portées plus courtes permettent aux ingénieurs d’explorer de nouvelles approches, transformant la construction de ces ponts en un laboratoire d’essai pour l’innovation. À ce titre, nous pouvons envisager les systèmes de sous-ponts en treillis de Fink extradés, sous-pontés et inversés, tous orientés vers une meilleure efficacité.

Un domaine de développement futur est la recherche de combinaisons/hybrides de systèmes de pont à haubans et de pont suspendu pour atteindre des super longues portées. L’idée est de réduire la longueur de la travée suspendue en déplaçant les points d’appui de la suspension vers l’intérieur de la travée. Cela réduit non seulement la longueur de la travée suspendue, mais aussi la hauteur du pylône requise, tout en permettant une portée libre plus longue. C’est ce que l’on obtient avec des « alternatives en porte-à-faux à haubans » au niveau des tours du pont, en ajoutant des pylônes à haubans « sur le pont » (figure 5). Avec des porte-à-faux de 500 mètres (1 640 pieds) et des pylônes haubanés « sur le pont » utilisés de chaque côté d’une portée libre totale de 3 000 mètres (9 842 pieds), la partie suspension est réduite à 2 000 mètres (6 561 pieds). Une telle réduction permettrait d’utiliser des câbles de suspension principaux de la taille et du type de ceux déjà utilisés dans les ponts, comme l’Akashi-Kaikyo à 1991 mètres (6 532 pieds), pour une portée principale beaucoup plus longue.

Conclusions

Sur la base des progrès techniques actuels et d’un développement rapide, les ponts à haubans pourraient atteindre des portées de 2 400 à 2 600 mètres (7 600 à 8 500 pieds) dans peu de temps ; une telle conception nécessitera des tours d’environ 500 à 570 mètres de haut (1640 pieds à 1 870 pieds), quelque chose de réalisable, compte tenu des structures de gratte-ciel déjà réalisées. Cela élargira la gamme d’efficacité des ponts à haubans à de très longues portées supérieures à 2 000 mètres (6 561 pieds). Un système hybride à haubans et à suspension rendrait possible des portées encore plus longues, jusqu’à 3 000 à 3 400 mètres (9 842 à plus de 11 000 pieds), en intégrant un pont suspendu « pur » de « seulement » 2 200 à 2 400 mètres (7 218 à 7 874 pieds).

Sur la base de l’efficacité et des avantages des structures à haubans, les ingénieurs et les agences de transport américaines devraient envisager davantage de ponts à haubans lors de la planification de nouveaux projets. Une plus grande utilisation des ponts à haubans peut améliorer l’infrastructure avec ces structures efficaces, plus rapidement construites et élégantes. Rendre les ponts à haubans plus populaires pourrait également aider notre profession d’ingénieur des ponts à retrouver sa position de leader dans la conception et la construction de ponts de longue portée.■

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