Le premier pont suspendu de Tacoma Narrows a été ouvert le 1er juillet 1940, l’accident a eu lieu quatre mois plus tard le 7 novembre. La vitesse du vent était d'environ 65 km/h. Des oscillations de grande amplitude en torsion sont apparues à 10 h, menant à l'effondrement du pont à 11 h 10. Le pont avait été dimensionné pour résister au vent, mais en ne tenant compte que des effets statiques1.
Une explication fausse de l’accident, néanmoins très répandue2, consiste à incriminer un phénomène de résonance entre le pont et des tourbillons d’air formés dans le sillage du tablier. Ce type de tourbillon se détache de l’arrière de certains obstacles à une fréquence bien déterminée qui dépend de la vitesse moyenne du vent et de la forme de l’obstacle. Ils produisent une variation alternative de la pression de l’air, ce qui engendre une force aérodynamique périodique sur le pont. Lorsque la fréquence de cette force correspond à l’une des fréquences de vibration naturelle du pont, un phénomène de résonance peut se déclencher, au cours duquel les mouvements de la structure s'amplifient. Dans le cas du pont de Tacoma, cette explication n'est pas valable : la fréquence de torsion du pont était de 0,2 Hz, tandis que celle des tourbillons était d’environ 1 Hz1.
En revanche, du fait du couplage aéroélastique, un échange d’énergie mécanique se produit entre le vent et le pont qui oscille. On dit que le pont est stable lorsque l’énergie mécanique est transférée du pont vers le vent qui la dissipe. C'est-à-dire que lorsqu’un évènement extérieur engendre une petite oscillation initiale, par exemple le passage d’un camion ou une rafale de vent, alors cette oscillation va s’amortir. De plus le vent n’est jamais parfaitement constant : les petites variations de vitesse autour de la vitesse moyenne suffisent à produire de petites oscillations. Mais si la vitesse moyenne du vent est suffisamment élevée, au-dessus de ce que l’on appelle la « vitesse critique », le pont est instable et l’oscillation initiale s’amplifie. L'énergie se transfère alors du vent vers le pont et les oscillations s’amplifient à cause du couplage aéroélastique, jusqu’à la ruine. Ce mécanisme n'était connu en 1940 que pour les ailes d'avion et personne n'envisageait à l'époque ce scénario lors de la conception des ponts suspendus. (Cf Article de "Pour la Science")
Dans le cas du pont de Tacoma, la déformation en torsion du tablier s’observe facilement sur les extraits du film et engendre une variation de l’angle d’incidence du vent. Ce changement d’incidence modifie l’écoulement du vent autour du tablier, qui en retour modifie le couple de torsion, et ainsi de suite, de sorte que le pont capte de l’énergie au vent à chaque fois qu’il oscille. Ce mécanisme s'appelle un « flottement de décrochage ». De façon plus générique, il s'agit d'une instabilité aéroélastique de torsion dans laquelle le vent engendre un amortissement négatif3. L’amplitude des vibrations augmente progressivement jusqu’à ce que les grandes déformations produisent d'autres effets sur les câbles et les autres composants qui conduisent finalement à sa ruine. Cette explication a été confirmée par plusieurs études en soufflerie depuis les années 40 et ce phénomène aujourd’hui bien connu des concepteurs est systématiquement étudié4. Lire la suite
