lorsque le Pont Tacoma Narrows sur Puget Sound dans L’état de Washington s’est effondré le 7 novembre 1940, il a été capturé sur film pour la postérité. Les images sont devenues la base d’un exemple manuel de résonance, qui est un sujet standard en physique du secondaire. Mais cette explication classique est incorrecte.

Les premières conceptions du pont par L’ingénieur Clark Eldridge étaient un pont suspendu typique avec des fermes de 25 pieds de haut sous la route pour rigidifier le pont et l’empêcher de trop se balancer., Mais la conception proposée de 11 millions de dollars était coûteuse. L’ingénieur Leon Moisseiff-qui a consulté sur le Golden Gate Bridge à San Francisco-a répliqué avec un design novateur et esthétique qui a remplacé les fermes par des poutres en tôle de 8 pieds de haut, abaissant les coûts de construction à 8 millions de dollars, mais offrant beaucoup moins de résistance à la flexion et à la torsion.,

Moisseiff et son collègue de New York, Frederick Lienhard, ont soutenu que les câbles principaux seraient suffisamment rigides pour absorber suffisamment de pression statique du vent pour stabiliser la structure, car les forces aérodynamiques agissant sur le pont ne le pousseraient que latéralement, plutôt que de haut en bas. Leur argument était basé sur la théorie de la déviation, développée par des Ingénieurs Civils Autrichiens.

ce design moins cher, plus mince et plus élégant l’a emporté, et la construction a commencé le 27 septembre 1938., Il y a eu des problèmes même pendant la construction du pont, le tablier se déplaçant verticalement de manière significative dans des conditions même modérément venteuses. Cela a incité les travailleurs de la construction à doubler le pont « Galoping Gertie”, inspiré d’une chanson populaire de saloon. Lorsque le pont a ouvert le 1er Juillet 1940, le public a expérimenté les vibrations de première main.,

plusieurs tentatives ont été faites pour réduire le rebond: des câbles d’arrimage ancrant les poutres à plaques à des blocs de béton de 50 tonnes (Les câbles se sont rapidement cassés); l’ajout de haubans inclinés reliant les câbles principaux au milieu du pont; et des tampons hydrauliques pour amortir le mouvement longitudinal de la travée principale. Aucun n’a eu beaucoup d’effet d’amortissement. Ainsi, la Washington Toll Bridge Authority a fait appel à un professeur d’ingénierie de L’Université de Washington nommé Frederick Farquharson pour mener des études en soufflerie dans l’espoir de trouver une solution.,

galopant Gertie avait été étonnamment bien comportée tout au long du mois d’octobre, en dépit d’être soufflé par des vents de 50 mi / h. Mais Farquharson a remarqué que de temps en temps ses modèles montraient un mouvement de torsion, et a déclaré plus tard aux journalistes: « nous l’avons regardé et nous avons dit que si ce genre de mouvement se produisait sur le vrai pont, ce serait la fin du pont. »

Farquharson était debout sur le Pont Tacoma Narrows le matin du 7 novembre, et a noté que le mouvement de torsion problématique du pont — plutôt que le rebond typique — avec une alarme croissante., Une demi-heure plus tôt, les responsables l’avaient fermé à la circulation, mais le journaliste de Tacoma News Tribune Leonard Coatsworth l’avait fait sur le pont juste avant; mais quand il était à mi-chemin, un rebond particulièrement important a renversé sa voiture sur le côté. Il a sauté et a réussi à ramper, meurtri et saignant, sur ses mains et ses genoux à la sécurité des tours, alors que six lampadaires se détachaient et que les revêtements en acier des câbles produisaient un gémissement métallique. Les gros câbles d’acier se sont cassés vers 11 h, suivis d’un grondement alors que 600 pieds de la chaussée s’effondraient dans l’eau en contrebas., Enfin, toute la travée centrale s’est fissurée, ne laissant que les deux tours debout.

Les jours qui ont suivi ont révélé une lutte pour expliquer pourquoi le pont s’est effondré. Un article du New York Times l’a attribué au phénomène de résonance: « le temps tapote correctement et bientôt le pendule balance avec son amplitude maximale. Donc, avec ce pont. »Et lorsque L’éducateur Franklin Miller a distribué les images de l’effondrement pour une utilisation en classe en 1962, l’une des légendes mentionnait à tort « vibration de résonance” comme cause., (Les images elles-mêmes se sont également révélées trompeuses, grâce à des erreurs de conversion des premières bobines de film dans d’autres formats avec des taux d’images par seconde différents.)

cette explication est restée pendant des décennies, même si la Federal Works Administration a conclu que resonance était une explication « improbable”. Farquharson confirmé dans son propre rapport, une décennie plus tard. Le véritable coupable était le mouvement de torsion qu’il avait observé à la fois dans ses premiers modèles et sur le pont lui-même le jour de l’effondrement.,

pour plus de détails, vous trouverez ci-dessous une section du rapport en ligne non daté du Département des transports de L’État de Washington (DOT) sur la cause de L’effondrement du Pont Tacoma Narrows:

pourquoi Galoping Gertie S’est-il effondré?

The L’explication principale de la défaillance de Gertie au galop est décrite comme « flottement de torsion. »Cela aidera à diviser cette série compliquée d’événements en plusieurs étapes.

Voici un résumé des points clés de l’explication.

  1. En général, le Pont Narrows de 1940 avait relativement peu de résistance aux forces de torsion (torsion)., C’était parce qu’il avait un si grand rapport profondeur / largeur, 1 à 72. La poutre de raidissement longue, étroite et peu profonde de Gertie a rendu la structure extrêmement flexible.
  2. le matin du 7 novembre 1940, peu après 10 heures, un événement critique s’est produite. La bande de câble à mi-portée du câble Nord a glissé . Cela a permis au câble de se séparer en deux segments inégaux. Cela a contribué au passage du mouvement vertical (de haut en bas) au mouvement de torsion (torsion) du tablier du pont.
  3. la perte de vortex a également contribué au mouvement de torsion du tablier du pont., »En bref, la perte de vortex s’est produite dans le Pont Narrows comme suit:
    1. Le Vent s’est séparé lorsqu’il a frappé le côté du pont de Gertie au galop, la poutre en tôle pleine de 8 pieds. Une petite torsion s’est produite dans le tablier du pont, car même l’acier est élastique et change de forme sous forte contrainte.
    2. La torsion du tablier du pont a provoqué une augmentation de la séparation de l’écoulement du vent. Cela a formé un vortex, ou force de vent tourbillonnant, qui a encore soulevé et tordu le pont.
    3. La structure du pont a résisté à ce levage et à cette torsion. Il avait une tendance naturelle à revenir à sa position précédente., À son retour, sa vitesse et sa direction correspondaient à la force de levage. En d’autres termes, il s’est déplacé « en phase » avec le vortex. Ensuite, le vent a renforcé ce mouvement. Cela a produit un événement » lock-on ».
  4. Mais la force extérieure du vent à elle seule n’était pas suffisante pour provoquer la forte torsion qui a entraîné la défaillance du Pont Narrows.
  5. maintenant, le mouvement du pont est entré en  » flottement de torsion. » »Le flottement de torsion » est un mécanisme complexe. « Flutter » est un modèle de vibration harmonique auto-induit. Cette instabilité peut atteindre de très grandes vibrations.,

lorsque le mouvement du pont passe d’une oscillation verticale à une oscillation de torsion, la structure absorbe plus d’énergie éolienne. Le mouvement de torsion du tablier du pont a commencé à contrôler le vortex du vent, de sorte que les deux ont été synchronisés. Les mouvements de torsion de la structure sont devenus auto-générateurs. En d’autres termes, les forces agissant sur le pont n’étaient plus causées par le vent. Le mouvement propre du tablier du pont a produit les forces. Les ingénieurs appellent ce mouvement « autoexcité ».

Il était essentiel que les deux types d’instabilité, la perte de vortex et le flottement de torsion, se produisent tous deux à des vitesses de vent relativement faibles., Habituellement, la perte de vortex se produit à des vitesses de vent relativement faibles, comme 25 à 35 mph, et le flottement de torsion à des vitesses de vent élevées, comme 100 mph. En raison de la conception de Gertie, et de la résistance relativement faible aux forces de torsion, de l « instabilité de perte de vortex, le pont est allé droit dans » flottement de torsion. »

maintenant, le pont était au-delà de sa capacité naturelle à » amortir  » le mouvement. Une fois que les mouvements de torsion ont commencé, ils ont contrôlé les forces de vortex. Le mouvement de torsion a commencé petit et construit sur sa propre énergie auto-induite.,

en d’autres termes, la torsion galopante de Gertie induit plus de torsion, puis de plus en plus de torsion. Cela a augmenté au-delà de la résistance de la structure du pont pour résister. L’échec a entraîné.

Les concepteurs de ponts du 19e siècle avaient tiré des leçons douloureuses de nombreux effondrements de ponts, mais les concepteurs du 20e siècle n’en ont pas tenu compte. Encore une fois, citant le rapport DOT de L’État de Washington:

premières Investigations-réponses partielles au « pourquoi »

Les premières défaillances de la suspension du pont résultent de portées légères avec des ponts très flexibles vulnérables aux forces du vent (aérodynamiques)., À la fin du 19e siècle, les ingénieurs ont opté pour des ponts suspendus très rigides et lourds. John Roebling a consciemment conçu le Pont de Brooklyn de 1883 afin qu’il soit stable contre les contraintes du vent. Au début du 20e siècle, cependant, dit David P. Billington, la « perspective historique de Roebling semblait avoir été remplacée par une préférence visuelle sans rapport avec l’ingénierie structurelle.

quatre mois seulement après L’échec de Galoping Gertie, professeur de génie civil à L’Université Columbia, J. K., Finch, a publié un article dans Engineering News-Record qui résumait plus d’un siècle de défaillances de ponts suspendus. Finch a déclaré ‘  » ces difficultés oubliées depuis longtemps avec les premiers ponts suspendus montrent clairement que, si pour les ingénieurs modernes, les girations du Pont de Tacoma constituaient quelque chose de tout à fait nouveau et étrange, elles n’étaient pas Nouvelles — elles avaient simplement été oubliées. »An toute une génération d’ingénieurs-concepteurs de ponts suspendus a oublié les leçons du 19ème siècle., La dernière défaillance majeure du pont suspendu était survenue cinq décennies plus tôt, lorsque le Pont Niagara-Clifton est tombé en 1889. Et, dans les années 1930, les forces aérodynamiques n’étaient pas bien comprises du tout.

Aftermath

Les restes du tablier original du Pont Tacoma Narrows sont toujours au fond du Puget Sound, formant un récif artificiel, et ses travées latérales ont été fondues pour l’acier pendant la Seconde Guerre mondiale. finalement, les autorités de l’État ont approuvé un pont de remplacement, achevé en 1950 et surnommé « Sturdy Gertie »., »Cette fois, la conception a utilisé des fermes de 33 pieds pour rigidifier le pont, ainsi que des grilles anti-vent et des amortisseurs hydrauliques. Un deuxième pont a été ajouté en 2007.

1. Département des transports de l’état de Washington, Pont Tacoma Narrows: leçons de l’échec d’une grande Machine, pourquoi Gertie au galop S’est-il effondré? Disponible à wsdot.wa.gov/TNBhistory/Machine/machine3.htm#6

2. ibid., Premières enquêtes-réponses partielles à  » pourquoi. »

pour en savoir Plus:

Green, D. et Unruh, W. G. « L’Échec du Pont de Tacoma: Un modèle physique”, American Journal of Physics 74 (2006): 706.,

Pasternak, Alex. « L’Effondrement De Pont Le Plus Étrange Et Le Plus Spectaculaire (Et Comment Nous Nous Sommes Trompés) », Motherboard, Décembre 2015.