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1. Les contraintes

1.1 Qu'est-ce qu'une contrainte ?

Lorsque des forces sont exercées sur un objet, celui-ci tend à s'étirer, s'écraser, se tordre, plier ou se rompre, bref, à se déformer. Pour éviter que les structures des bâtiments, des ponts ou des viaducs viennent à se rompre sous l'effet des vents ou même de leur propre poids, les ingénieurs et les architectes doivent tenir compte de ses forces et de la résistance des matériaux qu'ils utilisent. Une contrainte, c'est justement l'effet qu'aura une force sur un matériau. 


Dans cette station, nous étudierons les différents types de contraintes, mais aussi les types de déformations reliées à celles-ci. Pour illustrer l'effet de ces contraintes, nous utiliserons l'exemple d'un pont qui est fréquemment soumis à bien des contraintes à cause de sa situation géographique, le Bay Bridge, qui relie Oakland et San Francisco en Californie depuis 1936. En effet, ce pont est situé dans une zone où les tremblements de terre peuvent être violents. En 1989, un séisme a d'ailleurs abimé sa structure. Entrons maintenant dans les chaussures d'un ingénieur et analysons les contraintes qui sont exercées sur un pont comme le Bay Bridge, et plus spécialement sur la portion du pont reliant San Francisco et l'île de Yerba Buena. 

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1.2 Les différents types de contrainte


Il existe cinq types de contrainte, soient la compression, la traction, la torsion, la flexion et le cisaillement

1.2.1 Compression

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Lorsque les forces en présence sont dirigées vers le centre de l'objet pour écraser celui-ci, on dit qu'il y a compression


C'est le cas par exemple pour les piliers des ponts. Le poids des véhicules et de la structure écrasent les piliers du pont. Ce n'est pas seulement la capacité portante des piliers (capacité de faire face aux contraintes liées au poids) dont il faut tenir compte ici, mais aussi à celle du sol. En effet, aussi solide le pilier soit-il, s'il s'enfonce dans le sol, la durabilité du pont s'en trouvera grandement réduite. 

1.2.2 Traction

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Lorsque des forces sont dirigées vers l'extérieur de l'objet pour étirer celui-ci, on dit qu'il y a traction


L'ensemble des câbles qui retiennent un pont suspendu comme le Bay Bridge subissent des forces de traction incroyables. Il faut dire que le pont a une particularité : c'est un pont à deux étages. Ainsi, cinq voies entrent dans San Francisco et, en-dessous de celles-ci, cinq voies en sortent. 

1.2.3 Torsion

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Lorsque des forces tendent à tordre un objet, on dit qu'il y a torsion


Comme pour tous les ponts de cet envergure, les structures sont affectées  par les vents qui peuvent être relativement violents sur une voie rapide quelques centaines de mètres au-dessus d'un plan d'eau. Les eaux froides de la baie contribuent à augmenter la force des vents. Supportée par les piliers, la chaussée a donc tendance à se tordre . 

1.2.4 Flexion

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Lorsqu'un force centrale est retenue par deux forces latérales de sens contraire ou, autrement dit, lorsqu'on tend à plier un objet, on dit qu'il y a flexion


Évidement, le poids exceptionnel du tablier du pont (vers le bas) étant retenu par les forces engendrées par les piliers (vers le haut) fait que la force de flexion est énorme sur une structure de la sorte. Chaque section du pont est soumise à cette contrainte. 

1.2.5 Cisaillement

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Lorsque deux forces de sens contraire très rapprochées l'une de l'autre ou, autrement dit, lorsqu'on tend à couper un objet, on dit qu'il y a cisaillement


Ici, la situation du Bay Bridge est tout à fait unique. En effet, la ville de San Francisco repose sur la faille San Andreas. Les risques de séismes sont donc particulièrement importants dans cette région. De plus, le mouvement du sol lors des séismes fait que les plaques tectoniques vont dans des directions opposées, comme si on déchirait le sol. On prédit d'ailleurs que, d'ici une trentaine d'années, un important tremblement de terre devrait secouer la ville puisque le dernier séisme remonte à trop longtemps. En Californie, on attend le «Big One» avec une certaine appréhension, et ce, même si les structures sont maintenant construites de façon à mieux faire face à ce genre de catastrophe naturelle. 

1.3 Vidéo récapitulative


1.4 Un peu d'exercices

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