Etude du phénomène de galop des câbles inclinés secs appliqués aux haubans de pont : application au Pont de l'Iroise

Study of the dry inclined cable galloping of stay-cables : application to the Iroise bridge

• Auteur / Autrice : Olivier Boujard
• Direction : Christian Wielgosz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Génie civil. Effets du vent sur les structures
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Structures avec câbles

Ponts à haubans

Mots clés libres

Vibration

Instabilité

Galop

Trafic

Soufflerie

Résumé

La vibration des haubans est le problème aérodynamique le plus fréquent sur les ponts à haubans modernes. Ce doctorat est destiné à expliquer le phénomène de galop des câbles inclinés secs en vue de son contrôle. Le phénomène est d’abord identifié sur le Pont de l’Iroise, instrumenté par le CSTB, et le comportement dynamique des haubans est caractérisé. Cette étape permet d’identifier les conditions de vent associées au phénomène. Des mesures de pression sur une maquette statique sont ensuite réalisées en soufflerie. Elles permettent d’identifier des variations importantes des coefficients aérodynamiques en fonction du nombre de Reynolds dans le régime d’écoulement dit «critique». Un modèle mathématique à deux degrés de liberté est développé dans le cadre d’une approche quasi-stationnaire. L’intégration des données expérimentales dans le modèle et l’étude de la stabilité du système dynamique résultant permet d’identifier deux zones d’instabilité en début et en fin de régime critique, associées à des crises simultanées de traînée et de portance en fonction du nombre de Reynolds. Une évaluation de l’influence du galop sec sur les phénomènes d’interaction avec la structure sollicitée par le vent et le trafic est également développée. Sur la base d’une analyse tempsfréquence des signaux issus du monitoring du Pont de l’Iroise, des scénarios d’interaction (résonances par combinaison, excitation paramétrique) sont proposés et modélisés. L’étude analytique de ces modèles permet d’évaluer l’influence d’une diminution de l’amortissement effectif, consécutive au phénomène de galop sec, sur la dynamique du hauban. Les résultats permettent d’interpréter les observations réalisées sur site.

Stay-cables vibration is the most common aerodynamic problem on modern cablestayed bridges. The aim of this PhD thesis is to give an explanation of the dry inclined cable galloping phenomenon, with a view to the development of adapted mitigation devices. The phenomenon is identified on the Iroise Bridge, monitored by the CSTB, and the dynamics of the stays is characterized. This first step gives the opportunity to point out the wind conditions of occurrence of the oscillations. Pressure measurements on a static model are then performed in wind-tunnel. They highlight steep variations of the aerodynamic coefficients with Reynolds number in the so-called “critical” regime. A two degrees of freedom mathematical model is developed, based on the quasi-steady theory. The integration of the data in the model and the stability analysis of the subsequent dynamic system reveal two instability regions at the beginning and at the end of the critical regime, linked to simultaneous drag and lift crisis with Reynolds number. An evaluation of the influence of the dry inclined cable galloping on interactions with the structure, excited by wind and traffic, is also studied. Based on the time-frequency analysis of the data from the Iroise Bridge monitoring, several models of interaction (resonance by combination, parametric excitation) are proposed. The analytical study of the dynamic systems enables to evaluate the effect of a decrease of the effective damping, induced by the dry galloping, on the dynamics of the stays. The results lead to an interpretation of the fullscale observed behaviour of the stays.