Auscultation vibratoire du pont d'Iroise

L'exemple suivant illustre les possibilités offertes par l'auscultation vibratoire pour étudier le comportement dynamique complexe de haubans du pont d'Iroise, à proximité de Brest dans le Finistère.

Le pont d'Iroise est un pont à haubans aux caractéristiques suivantes

• une longueur de 800m
• 5 travées dont une travée centrale de 400 m
• 2 pylônes d'une hauteur de 114m, dont 83 m au dessus du tablier
• 4 nappes de 26 haubans

Suite à des opérations de maintenance, les tripodes d'ancrage conçus par Freyssinet et utilisés pour amortir les vibrations transmises par le tablier aux haubans, ont été démontés. Lors de coups de vent venant de la mer, certains haubans de la nappe ont connu d'importants épisodes vibratoires à l'origine de problèmes

• de fissuration des tubes coffrants des haubans
• d'arrachement de têtes d'ancrage au niveau de la pile de pont

Différents scénarios ont été envisagés incluant les possibles mécanismes d'origine

• aérodynamique: détachement tourbillonnaire, galop de sillage, interaction pluie-vent
• résonance paramétrique dûe aux couplages haubans-tablier, haubans-pile 
• résonance en combinaison dûes à la nonlinéarité des câbles
• autre

Une étude a été initiée pour comprendre l'origine du phénomène, modéliser le comportement dynamique du système pile-tablier-haubans et concevoir un moyen de réduire voire éliminer les vibrations indésirables. Une campagne de mesures vibratoires a été lancée combinant l'instrumentation de l'ouvrage à l'aide d'accéléromètres sismiques, l'enregistrement des conditions du vent en vitesse et le monitoring par caméras des épisodes vibratoires des haubans. Un modèle aux éléments finis a été construit puis recâlé avec les données de l'analyse modale. Une des figures ci-dessus permet de visualiser les déformées modales des deux premiers modes de vibrations du pont caractérisés respectivement par une flexion hors plan de la pile et  une flexion dans le plan vertical du tablier.

L'amplitude des oscillations des haubans H3Q22 et H3Q26 enregistrés en pied d'ancrage au début d'un important épisode vibratoire appelle les constatations suivantes:

• les premiers pics correspondent à la réponse au passage d'un poids lourd
• l'amplitude de H3Q26 voisin équipé du tripode hydraulique est atténué
• l'amplitude de H3Q22 a atteint la valeur pic à pic de 25cm à mi portée pendant une durée denviron 10 min

Un modèle condensé a été construit pour essayer de comprendre le comportement du hauban H3Q22 en interaction avec la pile et le tablier. Seuls les deux premiers modes de vibration de la pile et du tablier ainsi qu'un sous-système câble nonlinéaire reprenant l'approche d'Irvine ont été considérés. Différents scénarios de résonances ont été étudiés à l'aide de méthode analytiques telles que la forme normale ou par la technique de Gendelman-Manevitch qui permet de découpler les vibrations rapides des vibrations lentes dans les réponses nonlinéaires:

1. résonance linéaire paramétrique entre le mode de hauban et le mode de tablier
2. résonances paramétriques en combinaison
3. résonances entre le mode nonlinéaire du câble et les modes de pile et tablier

Les résultats de l'analyse n'ont permis de valider aucun de ces scénarios complexes.

Une remise à plat du problème a enfin permis de lever le voile sur l'inexplicable. Les accélérogrammes enregistrés du câble, de la pile et du tablier ont été explorés en utilisant la transformée en ondelettes pour suivre l'évolution des fréquences modales instantanées. Les scalogrammes ondelettes des composantes horizontales et verticales du hauban et de la pile permettent de suivre les interactions entre les modes de vibration c:1 (hauban), b:1 (pile hors plan), b:2 (tablier dans le plan vertical) et l'excitation dûe à un épisode de vent latéral (w). L'analyse fait ressortir le scénario suivant:

1. Le vent w sollicite le mode de pile b:1 dans le plan transverse
2. La pile transmet l'excitation en tête au hauban H3Q22 par un couplage modal
3. L'épisode de vent se renforçant, le hauban est de plus en plus excité par l'intermédiaire de la pile. Son amplitude augmente graduellement en régime forcé.
4. A la fin de l'épisode de vent, le hauban continue de vibrer en régime transitoire avec une amplitude qui reste stable pendant une durée d'environ 10 minutes même en l'absence de vent. Le hauban H3Q22 possède en effet un amortissement très faible voisin de 0,1% qui ne permet d'atténuer les vibrations que sur une très longue période.
5. Le mode de tablier semble découplé des autres modes lors de l'épisode de vent.

Ce scénario a été validé en injectant une excitation transitoire de vent dans le modèle condensé pile-tablier-hauban. Les simulations fournies par le modèle font ressortir des amplitudes d'oscillations du hauban H3Q22 tout à fait comparables. Les vibrations des haubans sont donc des oscillations transitoires très faiblement amorties qui ont été créés lors d'un transfert d'énergie avec le mode de pile. Une solution curative consiste donc à apporter plus d'amortissement en utilisant par exemple les tripodes hydrauliques à l'ancrage des haubans. Il est intéressant de noter que la cause originelle est liée à la conception très élancée de la pile voulue par l'architecte.