Pont du détroit de Tacoma (1940)

Le pont de 1940 après l'effondrement.

Lors de la rupture de l'ouvrage, la vitesse du vent était d'environ 65 km/h. Des oscillations de grande amplitude en torsion sont apparues à 10 h, menant à l'effondrement du pont à 11 h 10. Le pont avait été dimensionné pour résister au vent, mais en ne tenant compte que des effets statiques[1].

Une explication erronée de l’accident, néanmoins très répandue[2], consiste à incriminer un phénomène de résonance entre le pont et des tourbillons d’air formés dans le sillage du tablier. Ce type de tourbillon se forme à la surface des obstacles, puis s'en détache à l’arrière, à une fréquence déterminée, qui dépend de la vitesse moyenne du vent et de la forme de l’obstacle. Ils produisent en aval des variations alternatives locales de la pression de l’air, ce qui se traduit par des forces aérodynamiques périodiques. Si la fréquence de ces forces correspond à l’une des fréquences de vibration naturelles du pont, un phénomène de résonance pourrait se déclencher, au cours duquel les mouvements de la structure s'amplifient, mais dans le cas du pont de Tacoma, cette explication n'est pas valable : la fréquence de torsion du pont était de 0,2 Hz, tandis que celle des tourbillons (en aval de l'écoulement) était d’environ 1 Hz[1]

En raison du couplage aéroélastique, un échange d’énergie mécanique se produit entre le vent et le pont qui oscille. On dit que le pont est stable lorsque l’énergie mécanique est transférée du pont vers le vent qui la dissipe. Lorsqu’un événement extérieur engendre une petite oscillation initiale, par exemple le passage d’un camion ou une rafale de vent, alors cette oscillation va s’amortir. De plus, le vent n’est jamais parfaitement constant : les petites variations de vitesse autour de la vitesse moyenne suffisent à produire de petites oscillations. Mais si la vitesse moyenne du vent est suffisamment élevée, au-dessus de ce que l’on appelle la « vitesse critique », le pont est instable, et l’oscillation initiale s’amplifie. L'énergie se transfère alors du vent vers le pont, et les oscillations s’amplifient en raison du couplage aéroélastique, jusqu'à la ruine. Ce mécanisme n'était connu en 1940 que pour les structures d'avions (ailes, fuselage, empennage…), personne n'avait alors envisagé ce scénario pour des ponts suspendus[3].^{[style à revoir]}

Les ponts de 2007 (à gauche) et de 1950 (à droite).

Dans le cas du pont de Tacoma, la déformation en torsion du tablier s’observe facilement sur les extraits du film et engendre une variation de l’angle d’incidence du vent. Ce changement d’incidence modifie l’écoulement du vent autour du tablier, lequel, en retour, modifie le couple de torsion, et ainsi de suite, de sorte que le pont capte de l’énergie au vent à chaque oscillation. Ce mécanisme s'appelle « flottement ». De façon plus générale, il s'agit d'une instabilité aéroélastique, en torsion dans le cas de ce pont, dans laquelle apparait un effet d'amplification plutôt qu'un simple amortissement[4] : l’amplitude des vibrations risque alors d'augmenter progressivement, jusqu’à ce que les grandes déformations conduisent à des ruptures mécaniques, et d'autres effets sur les câbles et certains composants du pont, ce qui conduit finalement à sa ruine. Cette explication a été confirmée par plusieurs études réalisées en soufflerie depuis les années 1940. Ce phénomène étant aujourd’hui bien compris, et connu des concepteurs, il est systématiquement étudié[5].

Les forces de couplage aérodynamique avec l'air ou un fluide léger sont en général négligeables devant les forces d'inertie et les efforts élastiques, sauf que ces forces augmentent comme le carré de la vitesse d'écoulement du fluide sur la structure. Si des fréquences apparaissent dans l'écoulement fluide au voisinage de celles de résonances de la structure, des instabilités aéroélastiques se produisent typiquement sur les premiers modes de résonance (les plus basses fréquences), au voisinage de leurs fréquences propres, ce qui a pu induire l'explication erronée d'une excitation forcée.