Actions du vent sur les ouvrages souples dans le domaine temporel

Flexible structures such as cable-stayed bridges are subject to dynamic wind loads. These are usually divided into two categories, flutter which is a motion-induced load and buffeting, which is generally considered as an uncoupled load. When these two phenomena are intertwined, it becomes difficult to use spectral methods and time simulation represents a relatively new and promising alternative.The most difficult challenge is to simulate the torsional stall flutter caused by additionnal damping. However, this phenomenon, which was responsible for the collapse of Tacoma narrow bridge, is still central to the design of civil engineering structures. This study is based on the development of a new temporal formulation of the motion-induced pitch moment, which can be easily combined with representations of the unsteady effects of wind. The construction of the new aeroelastic model is based on the introduction of a time delay between the instantaneous position of the studied deck and the aerodynamic forces.The validation of the model is provided by wind tunnel tests. They are carried out with elastically supported sectional models, subject to the effects of a steady wind, those of a gust, as well as those of a highly turbulent wind. Three sections are considered, stable or unstable: the Millau Bridge, the Tacoma Bridge and a NACA-4412 airfoil.Les structures flexibles telles que les ponts à haubans sont soumises aux effets dynamiques du vent. Ceux-ci sont habituellement divisés en deux catégories, les flottements qui induisent une réponse couplée avec le mouvement et l’excitation par la turbulence qui est généralement traitée comme découplée du mouvement. Lorsque ces deux phénomènes s’entremêlent, il devient délicat d'employer les méthodes spectrales usuelles. Les modèles temporels représentent alors une alternative intéressante, dont l’enjeu majeur consiste à simuler le flottement de décrochage en torsion par amortissement ajouté. Or ce phénomène, notamment mis en cause dans l’accident du pont de Tacoma, est encore aujourd’hui central lors de la conception des ouvrages d’art.La présente étude s’articule autour du développement d’une nouvelle formulation temporelle du moment de tangage induit par le mouvement, qui peut facilement être combinée avec les représentations usuelles des effets instationnaires du vent. L'approximation quasi-statique qui est habituellement utilisée pour modéliser le flottement en galop vertical des corps non profilés, conduit à négliger les effets de mémoire du fluide, qui sont particulièrement importants pour prédire le flottement de torsion. La clef de voute de la construction du nouveau modèle aéroélastique est l’introduction d’un temps de retard « τ » entre la position instantanée du tablier étudié et les efforts aérodynamiques. Cette stratégie permet ainsi de compenser en partie les limites de l’approche quasi-statique afin de simuler l’amortissement aérodynamique induit par le mouvement, tout en capturant de manière élégante la physique du phénomène.Dans un premier temps, une procédure d’identification des valeurs de « τ » mettant en œuvre les dérivées de flottement A_2^* et A_3^* de Scanlan est proposée, et le sens physique de ce paramètre est discuté. Enfin, un critère linéaire très simple de stabilité au flottement, basé uniquement sur la pente du coefficient de tangage C_M^', est établi et validé pour les tabliers de ponts. Le paramétrage du modèle ne requiert donc que les résultats expérimentaux classiques habituellement utilisés en ingénierie du vent et des structures, à savoir les dérivées du flottement et les coefficients aérodynamiques des sections.Le bon fonctionnement du modèle est validé en soufflerie avec des maquettes de tablier élastiquement supportées, soumises aux effets du vent stationnaire, d’une rafale, ainsi qu’à ceux d’un vent fortement turbulent. Trois sections types, stables ou instables, sont considérées : le pont de Millau, le pont de Tacoma et une aile NACA-4412. Les réponses en régimes transitoires et quasi-permanents sont prédites avec précision, et sont en bon accord avec les mesures expérimentales. Cette formulation temporelle à retard s’avère donc prometteuse et se positionne comme alternative crédible aux approches spectrales et hybrides, fondées sur les dérivées du flottement ou les fonctions indicielles, à ce jour plus répandues