Presque tous les objets possèdent ce que les ingénieurs et les physiciens appellent une fréquence naturelle, c’est-à -dire un rythme spécifique de vibration ou d’oscillation lorsqu’ils reçoivent un stimulus externe. Cela se produit dans le domaine de l’architecture et de la construction comme dans tous les autres : ponts, gratte-ciel, tours de télécommunications, stades et bâtiments en général répondent de la même manière aux sollicitations extérieures, même si nous n’y prêtons que rarement attention : ils vibrent ou oscillent. De la même manière qu’une corde de guitare lorsqu’elle est pincée, ou qu’un grand gratte-ciel lorsqu’il se balance sous l’effet du vent.
Cependant, le balancement ou la vibration naturelle des objets, y compris en architecture et en construction, peut entrer en résonance avec une vibration supplémentaire — le vent lui-même, la vibration d’une machinerie, le passage rythmique de piétons ou un séisme — appliquée au moment opportun et à la fréquence adéquate. Il s’agit d’un phénomène dangereux qui peut aller jusqu’à provoquer l’effondrement d’un pont ou faire vaciller un gratte-ciel.
La meilleure façon de visualiser ce processus est d’imaginer que nous poussons un enfant sur une balançoire. Chaque nouvelle impulsion ajoute de l’énergie à la précédente et fait monter la balançoire plus haut. Dans une structure ou un bâtiment, la mécanique est identique : chaque cycle de vibration reçoit un nouvel apport d’énergie qui s’ajoute au précédent. Le résultat est une augmentation drastique de l’amplitude des oscillations.
L’histoire de l’architecture, de la construction et de l’ingénierie est pleine de leçons dramatiques sur ce phénomène, dont certaines sont devenues des cas d’étude pour des générations d’ingénieurs. L’exemple le plus célèbre est sans doute l’effondrement du pont de Tacoma Narrows en 1940, dans l’État de Washington, aux États-Unis.
Ce jour-là , le vent a soufflé à la vitesse exacte pour que le pont suspendu entre en résonance. Les ondes de torsion générées furent si violentes que la structure en acier et en béton s’est mise à onduler comme un ruban, jusqu’à se désintégrer et tomber dans les eaux du détroit, heureusement sans victimes.
Un demi-siècle plus tard, le pont du Millénaire de Londres a connu un autre épisode inquiétant. Le jour de son inauguration, en 2000, des milliers de piétons ont traversé simultanément la passerelle au-dessus de la Tamise. Sans en être conscients, ils ont synchronisé leurs pas avec le balancement latéral du pont, et les vibrations ont augmenté à tel point que les autorités ont dû le fermer après quelques heures. Le pont est resté fermé pendant des mois, jusqu’à l’installation d’amortisseurs qui ont supprimé l’effet de résonance.
Même les armées ont appris à composer avec ce phénomène. Pour éviter que le rythme constant des pas d’une colonne militaire ne coïncide avec la fréquence naturelle d’un pont et ne provoque des dommages structurels, les ordres incluent celui de « rompre le pas » afin de désynchroniser la cadence lors de la traversée.
Aujourd’hui, les ingénieurs disposent d’un ensemble de technologies avancées qui agissent sur la structure ou sur son interaction avec l’environnement, de manière à ce que ses fréquences critiques ne soient jamais atteintes dans des conditions normales d’utilisation. Les amortisseurs et contrepoids — connus sous le nom de Tuned Mass Dampers (TMD) —, dispositifs similaires à la suspension automobile, sont installés à des points stratégiques pour capter et dissiper l’énergie des vibrations.
L’exemple le plus emblématique est celui du Taipei 101, à Taïwan. Ce bâtiment possède une gigantesque sphère en acier de 660 tonnes, suspendue près de son sommet. Cette masse se déplace en direction opposée au vent ou au mouvement sismique, stabilisant ainsi la tour et annulant son balancement avant qu’il n’atteigne des amplitudes dangereuses.
Une autre stratégie consiste à modifier la rigidité de la structure dès la phase de conception. On ajuste sa géométrie ou les matériaux utilisés afin que sa fréquence naturelle s’éloigne fortement de la plage des forces environnementales courantes, comme les rafales de vent ou le passage des véhicules.
Par Raúl Soriano, modeleur senior au Département d’Architecture d’Amusement Logic
