Historique des ponts

Ère pré-industrielle

Les ponts en liane sont sans doute les premiers ponts primitifs. Les éléments porteurs étaient des câbles formés de lianes ou de bambous tressés, attachés à chaque extrémité à des rochers ou des troncs d’arbre.

Egypte, Grèce et civilisation précolombienne : les premiers ponts en pierre avaient une portée limitée du fait du poids et la mauvaise résistance de la pierre à la traction.
La portée a d’abord été augmentée en construisant de fausses voûtes (construction par encorbellement)

Depuis le XXe siècle av JC, on construit des ponts de bois.
La portée des passerelles de bois est alors limitée par la taille des troncs d’arbre. On confectionne des travées courtes sur des piles constituées de pieux battus au fond de la rivière. Les Romains étaient passés maîtres en la matière. Les bois sera utilisé jusqu’à la révolution industrielle.

En 800 av JC, les Étrusques construisent les premières voûtes en maçonnerie. Les Romains généralisent le procédé et développent l’emploi  d’un ciment naturel et du caisson pour creuser le sol en site aquatique.

De la révolution de 1848 à la guerre de 1914

L’histoire des ponts métalliques est liée à celle de la sidérurgie. L’architecture de fer est indissociablement liée au XIX e siècle.
Dès la fin du XVIII e siècle, les premiers pont en fonte en Angleterre sont en arc car la fonte a une mauvaise résistance à la traction.

A partir des 1848, les qualités du fer laminé que l’on sait produire industriellement et l’essor des chemins de fer qui on besoin de ponts donne des idées aux ingénieurs: ponts suspendus d’abord puis  ponts à poutres triangulées qui “imitent” les structures de bois.
Avec le développement de la production d’acier, il remplace le fer dans tous les ouvrages.

Le béton armé est inventé dans les années 1850 mais il ne sera utilisé pour les ponts qu’en 1890. Il triomphe entre les deux guerres jusqu’à l’invention de la précontrainte.

Entre deux guerres

Après le première guerre mondiale, la construction des ponts en béton armé de grande portée se développe sous l’impulsion de deux ingénieurs : Albert Caquot et Eugène Freyssinet qui met au point la technique de décintrement par vérins : on comprime l’arc de manière à ce qu’il se soulève de quelques centimètres. Le décintrement peut alors se faire sans risques.

Eugène Freyssinet définit les principes de la  précontrainte en 1928. Mais les premiers grands ponts en béton précontraint seront réalisés après 1945.

Reconstruction et béton

Vers les ponts modernes : la maîtrise du béton précontraint, de la préfabrication et des techniques de constructions.

Ponts suspendus à dalle orthotrope dont la section transversale est testée en soufflerie.

Premiers ponts à haubans comportaient un tablier métallique pour en diminuer le poids. Puis on osa aussi le tablier en béton. Les ponts à haubans de la première génération étaient caractérisés par un tablier épais et un faible nombre de haubans.

Records et efficacité

Le béton précontraint est associé à divers modes de construction :
– dalle nervurée, associée à une construction sur cintre
– ponts à poutres préfabriquées précontraintes
– pour les grandes portées : méthode de construction par encorbellement.

La persistance de l’acier :
– pour les haubans,
– pour les poutres en acier des ponts à ossature mixte : poutre en acier et dalle de couverture en béton armé
– pour les dalles orthotropes : une tôle de 12 à 14 mm d’épaisseur, raidie dans les deux directions.
Le développement des ponts à haubans évite la construction d’énormes massifs pour les culées.

Pour les détails sur la construction des ponts

Types de ponts

Pont en arc

Le pont en arc exerce une réaction inclinée due à la poussée de l’arc. Cette poussée à une forte composante horizontale.
Lorsqu’on construit les arches les unes après les autres, les piles doivent être massives car chaque pile doit pourvoir reprendre la poussée de l’arche déjà construite. Cependant, lorsque le pont est en service, la résultante des efforts appliqués aux piles est à peu près verticale. Ce qui a autorisé Perronnet à diminuer l’épaisseur des piles et à  surbaisser ses ouvrages (une arche en demi-cercle a un surbaissement de 1/2).

On distingue trois types de ponts en arcs :
arcs à tablier supérieur (le tablier est placé au-dessus de l’arc)
arcs à tablier intermédiaire (le tablier est placé au-dessous ou au milieu de l’arc)
arc à tablier inférieur (le tablier est suspendu à l’arc par des suspentes).

Pont suspendu

Les ponts suspendus transmettent, par l’intermédiaire de grands câbles porteurs, des réactions de traction sur les massifs d’ancrage. Les câbles travaillent en tension.

Dans les ponts suspendus, le tablier est suspendu à un câble ou des câbles porteurs par des suspentes. Ils sont conçus sur le principe des passerelles primitives en lianes.
Problèmes : manque de rigidité et possibilités de phénomènes de résonance entre vibrations dues au vent et au trafic et les fréquences propres du pont.

Pont à poutre

Un pont à poutre n’exerce sur ses appuis que des réactions verticales ou quasi verticales. Ces poutres travaillent essentiellement en flexion longitudinale.

La nature des poutres peut être très différente selon les ponts :
– poutres à âme pleine
– poutres en treillis
– “bow-strings”

Pont à béquilles

Un pont à béquille fonctionne à la fois comme un pont à poutre et comme un pont en arc.

Pont à haubans

Dans le pont à haubans, le tablier est directement supporté par une série de câbles.
Pour des portées de plus de 200 m, on serait amené à multiplier les câbles de précontrainte, les haubans, s’appuyant sur un mât, jouent le rôle de câbles de précontrainte supplémentaire plus efficaces puisque leur écartement du tablier augmente le moment des forces de compression.

Bow-string

Les bow-strings ne sont en fait que des cas particuliers de ponts à poutres triangulées. Mais leur fonctionnement est plus en rapport avec les caractéristiques techniques du béton armé.
L’arc supérieur travaille en compression et le tablier joue aussi le rôle de tirant en équilibrant la poussée de l’arc.
Les suspentes qui remontent les charges du tablier vers l’arc sont parfois en acier.
Le bow-strings en béton ont été abandonnés à cause de la complication des coffrages.

Pont Bailey

Matériaux de construction des ponts

Béton

Dès le IIIe siècle av. JC, les Romains utilisaient les liants hydrauliques, mortiers et chaux.
On redécouvre le ciment naturel (calcaire et d’argile chauffés à 1450°) à la fin du XVIIIe siècle.
Au début du XIX e siècle, Louis Vicat, ingénieur des ponts et chaussées, invente le béton (pierre artificielle dont l’état originel, pâteux, permet de prendre toutes les formes) en définissant les proportions d’agglomérat de graviers, de sable et d’un liant hydraulique.

Béton précontraint

Le béton armé est illogique dans la mesure où il associe deux matériaux aux caractéristiques mécaniques différentes : le béton qui travaille à la compression, l’acier qui travaille à la tension.
comment diminuer ou supprimer la fissuration du béton armé.
Le principe est d’imposer une compression initiale au béton. Pour cela (à cause des phénomènes de fluage, de retrait et de relaxation du béton) il faut imposer une tension initiale très élevée aux aciers qui servent d’armature.

Freyssinet invente en 1928 le béton précontraint, c’est à dire un béton dont les armatures subissent avant d’être mises en oeuvre des contraintes (des charges) supérieures à celles que l’on estime qu’elles auront à supporter. Ces “contraintes” sont données par des vérins qui, s’appuyant sur le béton, tirent sur les armatures d’acier.

bois

Matériau naturel, il est certainement le plus ancien des matériaux de construction. Sa faible résistance à la traction ne permet pas de l’utiliser sur de longues portées horizontales ; on l’a donc soutenu par de nombreux piliers. Ce mode de construction s’est prolongé lorsque les Grecs ont utilisé la pierre.
En France, les charpentes étaient en chêne à la fois du fait de ses qualités mécaniques et de son omni-présence sur le territoire.
L’invention de nouveaux matériaux de construction a porté un coup au bois qui est, aujourd’hui, surtout utilisé en contreplaque (1884) et sous forme lamellé-collé (1906).

fer

Le fer se trouve dans la nature sous forme d’oxydes dans certaines roches minérales.
La sidérurgie consiste à mettre ces oxydes de fer en présence de corps plus avides d’oxygène de façon à isoler le fer ; ces corps furent le charbon de bois pendant des millénaires, puis la houille depuis moins de trois siècles.
Selon la méthode employée on produit :
du fer (moins de 0,1% de carbone),
de la fonte (de 2 à 6,7% de carbone),
de l’acier (moins de 2% de carbone).

Le plus ancien atelier sidérurgique remonte à 4000 ans av. J.-C. en Rhodésie. Les Grecs l’ont utilisé dans l’architecture dès 400 ans av. J.-C. pour renforcer des poutres en marbre. Il a été constamment utilisé depuis en armature ou en agrafe. Sa première application dans les ouvrages d’art date du début du XIXe siècle, sous forme de chaîne à barres obtenues par forgeage, puis de câbles à fils parallèles pour soutenir les tabliers des ponts suspendus.
Enfin il a été utilisé plus lentement pour les poutres à âme pleine (pont Britania).

Fonte

La fonte est du fer contenant de 2 à 6,7% de carbone,
Abraham Darby produit en 1708 de la fonte à partir de coke de charbon de terre.
Malléable et résistant bien à l’oxydation, elle manque par contre d’élasticité, résiste mal à la traction et ne travaille bien qu’à la compression.
Son peu de résistance à la traction n’a permis de construire que des ponts en arcs, à l’imitation des ponts en maçonnerie.
Elle a été utilisée pour le premier pont “en fer” à Coalbrookdake en 1779, puis pour un certain nombre d’ouvrages (pont du Carrousel en 1833), mais son manque d’élasticité l’a vite fait remplacer par le fer, puis l’acier; dès les années 1850, elle n’est pratiquement plus utilisée.

acier

L’acier est du fer contenant moins de 2% de carbone.
Toute la seconde moitié du XIXe siècle est l’histoire de la mise au point de techniques d’obtention de l’acier de plue en plus économiques.
1856, le convertisseur Bessemer permet le passage direct de la fonte à l’acier.
1864, le four Martin augmente le rendement et la qualité de l’acier et permet de récupérer les ferrailles.
1878, le procédé Gilchrist et Thomas permet de déphosphorer les fontes produites à partir de minerais pauvres comme la “minette” de Lorraine.

L’acier a des caractéristiques mécaniques proches du fer ; il est obtenu par décarburation de la fonte. Aujourd’hui, il est combiné avec d’autres métaux dans des proportions appropriées aux caractéristiques que l’on veut obtenir : le nombre des aciers spéciaux est quasi infini.
Il est utilisé dans les câbles des ponts suspendus, en tôle soudée pour les tabliers des ponts de moyenne portée… et dans les armatures du béton.

aluminium

L’aluminium, identifié en 1827, abondant dans la nature puisque tous les argiles en contiennent, est considéré comme un métal rare car son extraction pose des problèmes techniques. En 1854, Sainte-Claire Deville parvient à produire de l’aluminium à l’état pur avec une méthode applicable industriellement. Léger, inaltérable et élégant, on l’appelle alors le fer de l’avenir.
Sainte-Claire Deville vend son brevet à Monsieur Péchiney de Salindres qui garde le monopole de la production d’aluminium jusqu’à ce que la méthode de production électrolytique mise au point par Héroult en 1886 fasse exploser la production d’aluminium dans le monde : 1 360 kg en 1886, 22 215 kg en 1889.
Trop mou à l’état pur, l’aluminium est utilisé dans des alliages dits légers. Mais ses faibles propriétés mécaniques en limitent l’emploi dans le génie civil.

acier et béton précontraint

Il existe plusieurs façon d’allier béton et acier dans les tabliers des ponts modernes:
– dalle Robinson : dalle de béton armé coulée sur une tôle à laquelle elle est connectée ;
– dalle orthotrope raidie dans les deux directions ;
– ossature mixte : la dalle est en béton armé, solidarisée aux poutres en acier par l’intermédiaire de connecteurs. Le domaine d’emploi  va jusqu’à 90 m de portée en travées indépendantes et bien au-delà en travées continues.

béton armé

Lorsqu’il est “armé” de barres métalliques, le béton est le seul matériau qui permette de réaliser des constructions monolithes, c’est-à-dire dont la structure (poteaux et poutres) et le remplissage des murs, planchers et plafonds ne font qu’un.
En 1852, Coignet réalise une terrasse avec des profilés métalliques enrobés de béton, mais les brevets pour le béton armé sont pris par Monier entre 1867 et 1873. En Allemagne, le béton armé est encore appelé Monierbau.
Cependant le béton armé supporte mal les agents agressifs, les différences de température (retrait thermique, retrait hydraulique). Il faut donc veiller à sa composition, aux enrobages et aux protections.

Et bien sûr la pierre, mais aussi le verre et les plastiques

Fonctions des ponts

Pont routier

Un pont routier entraîne des exigences lors de sa conception :
– exigences fondamentales d’utilisation (en fonction de la vitesse et des carctéristiques des véhicules)
– exigences de sécurité et de protection en circonstance normale (problèmes liés à la circulation des piétons, véhicules légers et poids lourds) et exceptionnelle (crues, avalanches, accident, etc.)
– exigences de confort physique ou moral
– exigences d’hygiène (conforts des riverains et des utilisateurs)
– exigences de circulation (sur l’ouvrage, aux abords et sous l’ouvrage).

Passerelle

On emploie le mot de passerelle pour les ponts piétonniers.
en pilieu naturel dans des zones isolées, en milieu urbain pour permettre aux piétons de franchir en sécurité les voies de circulation (voies ferrées, autoroutes, fleuves, etc.) ou encore pour faire communiquer des immeubles.

Viaduc

Le viaduc est un ouvrage qui se prolonge au-delà de l’obstacle qu’il doit franchir. Les viaducs sont nés avec le chemin de fer car les voies ferrées ne supportent pas de courbe brusque. Il fallait donc souvent prolonger le pont pour permettre d’obtenir une large courbe (conditions valables aujourd’hui pour les autoroutes sur lesquelles les automobiles roulent à grande vitesse).

Aqueduc

On parle ici des ponts-aqueducs.
On réserve le nom d’aqueduc à un canal construit en maçonnerie généralement, destiné à approvisionner les villes en eau.
D’où nécessité d’étanchéité et d’une pente permettant à l’eau de s’écouler et de ne jamais stagner. Les parties les plus connues des aqueducs sont celles qui franchissent vallées ou cours d’eau mais souvent une partie de l’queduc est en tranchée ou en tunnel sous des collines.

Exemple : Aqueduc amenant les eaux de la Vanne à Paris, 173 kms au total, dont une partie en béton (non armé). Ingénieur : Eugène Belgrand. Entreprise Coignet. 1867-1874.
Franchissement de l’Yonne par un pont aqueduc de 1500 m composé de 162 arches dont une de 40 m.

Pont ferroviaire

Les ponts ferroviaires ont stimulé l’évolution des techniques de construction des ponts car le poids et la vitesse d’un train nécessitaient une résistance sans commune mesure avec celle qu’exigeait une diligence. de plus les courbes devaient être larges.
Enfin le plan Freycinet  qui prévoit, en 1879, la construction ou la transformation de 17 000 km de voies ferrées pour désenclaver les régions défavorisées et  faire rayonner les villes industrielles a induit la réalisation de nombre d’ouvrages d’art.

Exemple : pont Britannia

Pour relier l’Angleterre au Pays de Galles sans interrompre la navigation,  y compris pendant la construction du pont, Stephenson imagine une solution inédite de franchissement.

caractéristiques
premier pont tubulaire en fer deux travées de 140 m, prolongées par deux travées de 90 m.
dimensions
460 m
durée du chantier : 1846 – 1850
pont détruit par un incendie en 1970
ingénieur : Robert Stephenson
architecte : Francis Thompson

Pont canal

Il sert à faire passer un canal de navigation au-dessus d’une rivière. le tablier est remplacé par une cuvette de section rectangulaire. La cuvette était bordée, de chaque côté par un chemin de halage.
Problème principal : l’étanchéité.

Pont habité

Au XIIIe slècle, on construit sur certains ponts immeubles et moulins. Dans les villes , limitées par une enceinte protectrice, chaque mètre carré gagné est précieux et le pont est un passage obligé qui stimule le commerce. Leur disparition n’est pas lié à des problèmes techniques mais au développement de l’hygiène urbaine et au désir de conserver une perspective sur le fleuve.
Quelques projets de ponts habités on ressurgi récemment.

Pont mobile

Lorsque deux voies de communication se croisent à des hauteurs insuffisantes pour pour faire passer l’une d’elle sur un pont fixe, on emploie, pour la voie la plus élevée, des ponts mobiles qui s’ouvrent chaque fois qu’il est nécessaire de rétablir la cisculation sur la voie inférieure (ou à heure fixe).
Ces ponts sont de divers types : pont levis, pont tournants, ponts roulants, ponts à soulèvement.

Pont transbordeur

Les ponts transbordeurs sont des types particuliers de ponts mobiles destinés à faire passer d’une voie à l’autre des chariots transbordeurs.

Synthèse d’un travail réalisé avec le Musée des arts et métiers