Comment rendre les grands ponts résistants aux tremblements de terre?

Comment les grands ponts, avec des portées de l'ordre de 1 km, peuvent-ils être rendus résistants aux tremblements de terre?

Je ne suis pas un expert des tremblements de terre, mais il existe au moins deux types de secousses: latérale et verticale. Le tremblement vertical en particulier m'inquiète vraiment. Je ne sais pas comment tout type d'absorption des chocs peut être intégré dans une structure massive et haute comme un bâtiment ou une tour de pont.

(J'allais à l'origine poser des questions sur les ponts suspendus, mais j'ai lu ensuite que les ponts suspendus ne sont pas parfaits pour les trains lourds. Le fond de cette question réside dans mon exploration de l'idée d'un pont de Béring (de l'Alaska à la Sibérie, en traversant le détroit de Béring ), qui serait avant tout un pont ferroviaire. Il faudrait qu'il manipule des trains de marchandises, le plus lourd de tous dépassant parfois 100 tonnes par wagon.)

Je vais donc simplement poser la question des grands ponts en général.

Je pense que le plus grand tremblement de terre en Alaska était une échelle de 9,4 Richter en 1964, frappant Fairbanks. (Je ne sais pas comment convertir à l'échelle Moment-Magnitude). Est-il possible de construire de grands ponts qui ne s'effondreront pas? Idéalement, nous voulons que le pont ne s'effondre pas pendant un tremblement de terre, même s'il est à pleine charge.

PS Je sais que la construction d'un tel pont n'est pas rentable. D'une part, l'Extrême-Orient de la Sibérie n'a pas de réseau ferroviaire (ou beaucoup de civilisation en général). Il y avait un projet de tunnel proposé qui, je pense, était moins cher qu'un pont, ce que je ne pouvais pas comprendre parce que creuser à travers une roche dure semble beaucoup plus difficile que de conduire un tas dans une eau profonde de 50 m. Le projet de tunnel a été suspendu IIRC, sans surprise.

Quoi qu'il en soit, j'explore simplement si un tel pont est techniquement possible et peut être résistant aux tremblements de terre. Si vous avez besoin de quelque chose de plus proche de la réalité, je suppose que nous pouvons regarder le Golden Gate Bridge à San Francisco. J'ai vu ici qu'ils travaillaient pour le rendre sûr dans les tremblements de terre jusqu'à 8,3, mais ce n'est pas entré dans les détails. Et gardez à l'esprit que le Golden Gate Bridge ne gère pas les trains de marchandises.

Quoi qu'il en soit, est-il possible de résister aux séismes ou de résister sérieusement aux tremblements de terre dans les grands ponts chargés d'un train de marchandises? Le pont ne devrait pas nécessairement rester complètement intact. Je ne veux tout simplement pas qu'il se casse et laisse tomber le train dans l'océan.

Est-ce possible?

Vous ne pouvez jamais faire quelque chose de résistant aux tremblements de terre, mais il y a beaucoup de choses qui peuvent être faites pour résister aux tremblements de terre.

Des ponts à longue portée sont construits dans les zones sismiques. Par exemple, le pont Akashi Kaikyo au Japon est actuellement le pont à plus longue portée au monde et se trouve dans une zone sismique sévère. Il est conçu pour résister à un tremblement de terre de magnitude 8,5. En fait, il a été soumis à un séisme de magnitude 7,2 lors de sa construction . Galtor a mentionné dans une autre réponse le pont de la baie de San Francisco qui a été modernisé pour améliorer sa résistance sismique. Il est donc certainement possible de concevoir des ponts pour résister aux forts tremblements de terre et cela a été fait.

Que peut-on faire pour améliorer la résistance aux tremblements de terre d'un pont?

Des amortisseurs de masse accordés sont utilisés dans les bâtiments de grande hauteur ainsi que dans les ponts pour contrer le mouvement dû aux tremblements de terre ainsi qu'au vent et à d'autres charges latérales. Le pont Akashi Kaikyo utilise des TMD dans les tours de suspension par exemple.

L'isolement de la base est l'une des techniques les plus couramment utilisées pour résister au mouvement sismique. Ce sont des dispositifs qui séparent essentiellement le mouvement horizontal de la fondation du reste de la structure en utilisant une certaine forme de paliers lisses. S'il est conçu correctement, cela peut réduire considérablement les dommages causés par le tremblement de terre.

Les amortisseurs sismiques sont également courants. Il s'agit d'une gamme de dispositifs qui agissent pour éliminer l'énergie sismique de la structure, de la même manière que les amortisseurs d'une voiture suppriment l'énergie vibratoire de la voiture sur une route accidentée.

Ces technologies sont bien comprises et sont fréquemment utilisées dans les ponts et les bâtiments. Il existe des techniques plus expérimentales qui sont également possibles telles que: l' isolation du basculement ou les systèmes d'amortissement actifs (amortisseurs commandés par ordinateur).

Si vous le souhaitez, ces dispositifs peuvent également être utilisés en combinaison afin d'améliorer encore la réponse aux tremblements de terre.

Dans la pratique de conception sismique standard, une structure est conçue pour supporter certains dommages. Ces dommages sont, dans la mesure du possible, concentrés dans des éléments qui sont plus faciles à remplacer (poutres et contreventements), et qui n'entraîneront pas un effondrement disproportionné s'ils sont endommagés.

Il est certainement techniquement possible de concevoir de grands ponts pour résister aux charges sismiques. Surtout s'il n'y avait pas de contraintes financières.

Vous pouvez trouver cette lecture utile: Comment fonctionnent les bâtiments parasismiques . Les techniques utilisées sur les bâtiments peuvent également être appliquées aux ponts.

En fait, les ponts très longs (et les bâtiments très hauts) ont souvent moins de problèmes avec les tremblements de terre que leurs petits frères. Cela est dû au fait qu'ils sont généralement beaucoup plus flexibles et ont donc des périodes fondamentales plus basses, ce qui les rend moins sensibles à la résonance dans leurs modes fondamentaux. Les modes fondamentaux sont les modèles de balancement qui incluent la majorité de la masse structurale. Une simplification extrême serait que la structure principale oscille si lentement qu'elle remarque à peine les mouvements rapides d'un tremblement de terre. Un peu comme un gros navire en petites vagues.

En général, les structures de «taille moyenne», avec des fréquences fondamentales comprises entre 1 Hz et 10 Hz par exemple, sont généralement beaucoup plus sévèrement affectées car il existe un risque beaucoup plus important de résonance fondamentale conduisant à des effets de charge très importants. Pour les structures très grandes et élancées, l'ingénierie éolienne est généralement un défi plus important que l'ingénierie sismique.

Cependant, les piles et les culées et leurs connexions avec le tablier du pont principal sont essentiels car ils sont généralement beaucoup plus rigides que le pont dans son ensemble. Et compte tenu du montant investi et des conséquences potentiellement horribles d'une défaillance d'une grande structure, beaucoup d'efforts seront naturellement consacrés à la réalisation et à la vérification (et à la triple vérification) de l'ingénierie parasismique de chaque partie de la structure. Je souligne simplement que les problèmes ne sont pas simplement proportionnels à l'échelle, les structures plus grandes ne sont pas nécessairement plus difficiles à "résister aux tremblements de terre" que les plus petites.

Je vais me centrer dans l'un des ponts les plus célèbres de ces conditions ces dernières années: le pont de la baie de San Francisco.

Ce pont n'est pas prévu pour les trains, et ils ont donc testé avec d'énormes vérins hydrauliques (voir ici ). Ce pont est conçu pour ne pas s'effondrer lors d'un tremblement de terre, mais simplement pour subir des pannes mineures qui pourraient être facilement réparées.

Lors des tremblements de terre, l'un des points cruciaux qui a été constaté est que la tour du pont doit résister et ne pas tomber. Et c'est un point clé du pont actuel, car il a un sous-sol individuel et cher et la tour principale est divisée en quatre morceaux pour ne pas s'effondrer complètement ( voir ici ). Le pont pourrait être robuste et indestructible, mais esthétiquement il serait beaucoup plus laid et probablement plus cher pour l'augmentation du béton et d'autres matériaux.

Contrairement aux ponts suspendus plus classiques, dans lesquels des câbles parallèles sont suspendus au-dessus des tours et ancrés aux deux extrémités dans la roche ou le béton, le pont de San Francisco Oakland Bay n'a qu'une seule tour et un seul câble qui est ancré au tablier de la route lui-même, en boucle à partir de la extrémité est à l'extrémité ouest et vice-versa.

Cela n'a aucun sens de défendre les ponts romains entre autres. Les Romains ont juste testé les conceptions empiriquement jusqu'à ce qu'ils réalisent qu'un modèle particulier résistait, mais l'ingénierie du pont n'était pas trop grande à l'époque.