Imaginez un dragon d'acier traversant les rivières, à la fois léger et puissant. Il s’agit du pont à haubans – une merveille structurelle qui allie parfaitement la mécanique d’ingénierie à la beauté architecturale. Plus qu’un simple passage reliant deux rives, il témoigne de l’ingéniosité et de la créativité humaines.

Fidèle à son nom, un pont à haubans est constitué de poutres continues (ou tablier) soutenues par des câbles inclinés. Ces câbles, ressemblant à des cordes de harpe, relient le pont aux imposants pylônes, formant un tout stable mais gracieux. D'un point de vue mécanique, les ponts à haubans fonctionnent comme des ponts à poutres continues supportés élastiquement, avec leur configuration unique offrant des avantages distincts dans des plages de portées spécifiques.

Parmi les types de ponts, les ponts à haubans excellent dans leurs capacités de portée. Ils brillent particulièrement pour les portées comprises entre 150 et 600 mètres, où ils surpassent les ponts en porte-à-faux, en treillis, en arc et en caisson en termes économiques et esthétiques. Bien que leur capacité de portée ne corresponde pas à celle des ponts suspendus, la profondeur relativement faible de leurs poutres crée une apparence visuellement plus légère. Grâce aux progrès des technologies de conception et de construction, les ponts à haubans continuent de battre des records de travée, comme en témoigne le pont Russky en Russie avec sa travée principale de 1 104 mètres – actuellement le pont à haubans le plus long du monde.

La philosophie de conception des ponts à haubans est élégamment efficace. Chaque composant gère principalement les forces de tension ou de compression, maximisant ainsi l'utilisation du matériau. Les haubans fournissent un support élastique au tablier, prolongeant ainsi efficacement la portée du pont. Pour supporter les charges du pont, ces câbles doivent résister à une tension énorme, qui à son tour se transforme en forces de compression au sein des pylônes et des poutres principales. Bien que les moments de flexion et autres forces affectent les pylônes et les poutres, les forces axiales dominent généralement. Étant donné que les éléments chargés axialement surpassent les éléments de flexion en termes d'efficacité, cela explique les avantages structurels et économiques des ponts à haubans.

Le concept des ponts à haubans remonte à 1595, documenté dans Machinae Novae. Le début du XIXe siècle a vu plusieurs constructions, mais ce n'est que dans les années 1950 qu'elles ont gagné en popularité aux côtés des ponts en treillis, en arc et suspendus. Les premières défaillances étaient dues à une compréhension insuffisante du système structurel – en particulier une résistance inadéquate et une incapacité à tendre correctement les câbles, provoquant un relâchement sous diverses charges. Le pont de Brooklyn de 1883 a marqué des améliorations significatives. Les ponts à haubans modernes sont apparus dans l'Allemagne des années 1950, le pont de Strömsund en Suède (1955) devenant le premier exemple moderne. Depuis lors, les techniques de conception et de construction ont progressé rapidement, faisant des ponts à haubans un phénomène mondial.

Les ponts à haubans peuvent être classés de plusieurs manières, la disposition des câbles étant la méthode la plus courante.

Sur la base de leur disposition longitudinale, les ponts à haubans se répartissent en quatre types : configurations à câble unique, à ventilateur, à ventilateur modifié et à harpe. Bien que ces systèmes présentent des différences minimes en termes de performances globales – en particulier pour les longues portées – chacun offre des caractéristiques uniques.

• Système de câble unique :Cette configuration rare utilise des câbles simples reliant le pylône au pont. Le pont allemand sur la rivière Neckar illustre ce type de pont. Les premières conceptions comportant moins de câbles entraînaient des coûts de construction plus élevés, tandis que les ponts modernes privilégient davantage de câbles pour une meilleure rentabilité.
• Système de ventilateur :Tous les câbles convergent vers ou traversent le sommet du pylône. Cette conception structurellement supérieure minimise les moments de flexion des pylônes. Les angles prononcés des câbles supportent efficacement les charges verticales tout en imposant des forces axiales minimales sur les poutres. Cependant, les forces concentrées au sommet des pylônes peuvent provoquer des problèmes de corrosion et de fatigue, nécessitant des ancrages complexes et un renforcement supplémentaire des pylônes.
• Système de ventilateur modifié :Développée pour relever les défis des systèmes de ventilateurs, cette variante espace les câbles suffisamment près du sommet du pylône pour une meilleure répartition des forces, une maintenance plus facile et une inspection individuelle des câbles. Le pont Ting Kau de Hong Kong utilise ce système avec succès.
• Système de harpe :Doté de câbles presque parallèles, cet agencement crée un motif visuellement ordonné. Le point de départ inférieur des ancrages de câbles permet un démarrage plus rapide de la construction. Le pont-canal Jiuzhou du pont Hong Kong-Zhuhai-Macao présente ce système élégant.

Transversalement, les câbles peuvent être disposés dans : un seul plan central, des plans à double bord (verticaux ou inclinés) ou des plans triples reliant la ligne médiane aux deux bords. Cette disposition a un impact sur le comportement structurel, les méthodes de construction et l'expression architecturale. Les systèmes à deux plans sont les plus courants, bien que les plans centraux simples fonctionnent lors de l'utilisation de sections en caisson résistantes à la torsion. Pour les tabliers exceptionnellement larges ou les ponts combinés rail-route, des systèmes à trois plans peuvent être utilisés.

Les ponts à haubans peuvent être conçus avec des travées simples, doubles, triples ou multiples. Trois ou deux travées supportées par des câbles sont plus courantes, car les câbles et les piliers d'ancrage sont cruciaux pour la stabilité du pylône. Des exemples de projets à pylône unique incluent le pont Erasmus de Rotterdam et le pont central de Tokyo. Pour les travées supérieures à trois, le principal défi réside dans un maintien longitudinal insuffisant au sommet des pylônes intermédiaires. Les solutions comprennent : l'augmentation de la rigidité des pylônes (à l'aide de supports en forme de A), la connexion des sommets des pylônes avec des attaches horizontales, l'ajout de câbles de stabilisation entre les pylônes, l'incorporation d'attaches à mi-travée ou l'utilisation de câbles croisés s'étendant d'environ 20 % au-delà de la travée médiane – comme le démontrent les câbles de stabilisation longitudinaux de 464,6 mètres du pont Ting Kau.

Les ponts à haubans reposent sur trois éléments fondamentaux qui fonctionnent de concert : les câbles, les pylônes et les tabliers.

En tant qu'éléments porteurs essentiels, les câbles modernes ont surmonté les premières déficiences des systèmes d'ancrage, des matériaux et de la protection contre la corrosion. Les options actuelles comprennent : des torons préfabriqués à bobine verrouillée (avec une résistance à la traction de 1 770 N/mm²), des torons en spirale préfabriqués (utilisant des fils de 5 mm à 1 570/1 770 N/mm²), des câbles à barres (1 230 N/mm²), des torons de fils parallèles (fils galvanisés de 7 mm à 1 570 N/mm²), des câbles à torons parallèles. (brins galvanisés de 15,2/15,7 mm à 1 770 N/mm²) et câbles composites avancés.

Les pylônes peuvent être constitués de colonnes simples traversant les centres du tablier ou décalées pour les ponts courbes. Les arrangements à deux colonnes (avec ou sans traverses) créent des configurations de cadre en H, de cadre en A, de cadre en Y inversé, de losange ou de double losange. Les premières conceptions de pylônes en acier donnaient la priorité à une fabrication rapide, mais étaient confrontées à des problèmes de flambage. Les tendances modernes privilégient le béton armé/précontraint pour des raisons de rentabilité, malgré un poids plus élevé. Les progrès technologiques concrets permettent désormais de former des pylônes complexes. Les hauteurs typiques des pylônes varient de 0,2 à 0,25 fois la longueur de la travée principale, avec des angles de câble compris entre 25 et 65 degrés pour maintenir l'efficacité. Des facteurs externes tels que la proximité de l'aéroport peuvent dicter des pylônes plus bas, comme le montre le projet de pont de Kawasaki près de l'aéroport international de Haneda.

Contrairement aux tabliers de ponts suspendus, les tabliers à haubans doivent résister aux moments de flexion dus au poids propre/aux charges vives et aux forces axiales des composants horizontaux des câbles, permettant ainsi des sections transversales variées :

• Ponts en acier :Favorisé dans les premières conceptions pour ses rapports résistance/poids élevés et ses longues portées entre câbles. Les tabliers orthotropes en acier combinent des surfaces d'usure minces avec des raidisseurs longitudinaux soutenus par des poutres de plancher transversales. Le pont Kurushima-Kaikyo illustre à quel point le poids réduit du pont permet des conceptions économiques à longue portée.
• Platelages en béton :Convient aux portées moyennes utilisant du béton armé/précontraint préfabriqué ou coulé sur place. Bien que rentable, l’augmentation du poids nécessite des câbles, des pylônes, des piliers et des ancrages plus gros. Les systèmes de câbles monoplans nécessitent des sections en caisson résistantes à la torsion, tandis que les systèmes multi-câbles permettent des sections de poutres ouvertes avec une rigidité en torsion élevée pour de très longues portées.
• Terrasses composites :Combinant les avantages de l’acier et du béton, les sections composites offrent sécurité et économie. Les options incluent des tabliers orthotropes en acier avec des dalles en béton ou des configurations mixtes – des sections en béton/composite plus lourdes pour les travées latérales (réduisant la déflexion vers le haut) et des sections en acier plus légères pour les travées principales (minimisant la déflexion vers le bas).

L'analyse moderne des ponts à haubans nécessite des méthodes d'éléments finis. Le modèle « en arête de poisson » représente généralement des pylônes, des tabliers et des câbles, avec des éléments spécialisés prenant en compte les effets d'affaissement des câbles en utilisant un module d'élasticité modifié. Une analyse étape par étape est essentielle pour simuler le séquencement de la construction et la redistribution des charges. Des analyses linéaires et non linéaires doivent être effectuées, complétées par une analyse dynamique pour déterminer les fréquences naturelles et les modes de vibration.

Les ponts à haubans doivent leur succès à des procédures de montage efficaces, notamment :

• Méthode de support temporaire :L'érection du pont s'effectue sur des supports temporaires avant l'installation et la tension des câbles. Cette approche simple nécessite la prise en compte des besoins de soutien et des autorisations de navigation pendant la construction.
• Méthode en porte-à-faux gratuite :La technique moderne préférée où les câbles soutiennent directement le tablier pendant la construction. Le pont reste en porte-à-faux jusqu'à l'achèvement du tablier. Cette méthode exige une vérification minutieuse de la sécurité, en particulier dans des conditions de porte-à-faux maximales avant la fermeture à mi-portée.

1. Décrire les composants structurels d'un pont à haubans typique et les forces internes auxquelles ils doivent résister.
2. Expliquer les modèles possibles de disposition des câbles transversaux et longitudinaux dans les ponts à haubans.