Phénomène de résonance : c'est le pont pont !

Quel est le point commun entre les marées, la Castafiore, une balançoire, la musique et un pont ? Et bien ils sont tous soumis aux phénomènes de résonance.

Si la résonance est essentielle (pour l'audition par exemple), elle peut aussi semer la terreur. Elle provoque notamment des sueurs froides aux ingénieurs civils qui doivent anticiper le phénomène correctement sous peine de voir leurs infrastructures s'effondrer.

Qu'est-ce que la résonance ? Lorsqu'on donne des impulsions régulières à un système (système mécanique, électrique ...) à une certaine fréquence, celui-ci se met à osciller. Si la fréquence de l'impulsion est proche de la fréquence naturelle (= fréquence de résonance), alors les oscillations vont êtres de plus en plus importantes jusqu'à atteindre un régime d'équilibre ou bien jusqu'à la rupture de l'un des composants du système.

On utilise la résonance pour faire de l'imagerie médicale (IRM), des instruments de musique, des récepteurs radio, des moteurs ... le phénomène est alors imposé et maîtrisé par l'Homme, mais il existe des situations où le phénomène s'invite spontanément et pose de gros problèmes : dans le génie civil. Dans ce cas, des phénomènes de résonance peuvent être provoqués spontanément par la force du vent, le passage de piétons ou des séismes, et entrainer des ondulations des structures jusqu'à l'écroulement.

Tous les ouvrages de génie civil peuvent être touchés par la résonance mais certains sont beaucoup plus sensibles que d'autres : les ponts. Ces derniers peuvent effectuer des oscillations verticales, transversales et de torsion (attention au mal de mer quand on est dessus). Petits rappels historiques :

• 1850 à Angers (France) - pont de la Basse-Chaîne (pont suspendu sur la Maine) : 

Le 3^e bataillon du 11^e régiment d'infanterie légère a traversé le pont un jour de tempête. La violence du vent a provoqué des oscillations du pont, qui ont été accentuées par les mouvements des soldats tentant de rééquilibrer le tablier. Ces 2 phénomènes couplés ont entrainé la rupture du pont par résonance et la mort de 226 soldats.

On raconte que le pas était rompu avant que les soldats ne montent sur le pont mais une autre version de l'histoire accuse la marche au pas d'avoir provoqué la résonance : le pont aurait alors vibré à la même fréquence que le pas des soldats et serait entré en résonance. Cette version est contestée puisque le règlement militaire interdisait déjà de marcher au pas sur un pont, ce qui laisse à penser que ce phénomène était connu auparavant.

 

• 1940 - pont de Tacoma Narrows (États-Unis) :

Des vents modérés (de 65 à 80 km/h) ont provoqué des oscillations de grandes amplitudes verticales et en torsion (jusqu'à 45° !!) entrainant la rupture d'un câble puis l'écroulement du pont.

Dans le cas du pont de Tacoma, il est plus judicieux de parler d'instabilité aéroélastique plutôt que de résonance. Pour expliquer simplement, la fréquence du vent (1Hz) ne correspondait pas à la fréquence de résonance du pont (0,2Hz), il n'y a donc pas eu de résonance. En revanche, ce sont les variations de l'angle d'incidence du vent qui ont provoqué puis amplifié les torsions jusqu'à la rupture.

Le pont fut reconstruit en tenant compte de ce problème et est toujours en place.
                  

• 2000 - la passerelle du millénium à Londres (UK)

Elle a dut être modifiée car la marche des piétons engendrait un problème d'instabilité latérale.

Un phénomène similaire fut rencontré à Paris à la même époque avec la passerelle Solférino.