Comment les ponts ferroviaires supportent une charge : quatre conceptions

Une voie ferrée doit franchir des rivières, et celles-ci attendent rarement un endroit commode. Une même rivière peut exiger une courte travée à un endroit et une très longue à un autre, si bien que les ingénieurs disposent d'un petit éventail de conceptions. Toutes font le même travail : reprendre le poids d'un train et le transmettre en toute sécurité au sol, sur les deux rives.

Deux forces, rien d'autre

Dépouillez n'importe quel pont, et il ne reste que deux sortes de forces internes. Compression comprime un matériau ; traction le tire. La pierre, la brique et le béton résistent bien à la compression et mal à la traction. L'acier résiste bien aux deux, mais un élément en acier long et élancé soumis à la compression peut flamber, alors que le même élément en traction ne le peut pas. Chaque type de pont est une façon différente d'agencer ces deux forces.

Poutre : la réponse la plus simple

Une poutre, ou longeron, est un tablier rigide reposant sur un appui à chaque extrémité. Sous une charge, elle fléchit légèrement, ce qui comprime le dessus et tend le dessous. Comme la matière proche du milieu de la hauteur travaille peu, les vraies poutres placent leur acier en haut et en bas, en forme de double T ou de caisson creux. Les poutres sont peu coûteuses à construire et faciles à inspecter, et elles dominent les franchissements courts, typiquement de quelques dizaines de mètres. Franchir davantage exige une poutre plus haute et plus lourde, et son propre poids représente vite l'essentiel de la charge. Les caissons continus, qui reposent sur plusieurs appuis, portent la portée à 100 mètres ou plus.

Arc : laisser la forme faire le travail

Un arc transforme la charge verticale en une compression le long de sa courbe, et cette compression pousse aussi latéralement aux pieds. Le sol ou les culées doivent résister à cette poussée latérale. C'est pourquoi les arcs conviennent aux gorges rocheuses, et pourquoi les bâtisseurs romains et victoriens pouvaient utiliser la pierre, faible en traction mais excellente en compression. Les arcs en acier vont beaucoup plus loin : le Sydney Harbour Bridge, qui porte des trains en plus de la circulation routière, a une travée principale en arc de 503 mètres.

Treillis : que des triangles

Un triangle ne peut pas changer de forme sans qu'un de ses côtés change de longueur ; une ossature de triangles est donc rigide avec très peu d'acier. Dans un treillis, chaque barre est soit tendue, soit comprimée suivant sa longueur, et aucune n'est sollicitée en flexion. Les treillis sont donc légers pour leur rigidité, ce qui explique que l'ère ferroviaire du fer et de l'acier en ait produit tant, des petites portées aux grands porte-à-faux. Le pont de Forth, en Écosse, ouvert en 1890, a deux travées principales en porte-à-faux de 521 mètres chacune. C'est une structure en treillis, qui porte toujours des trains lourds aujourd'hui.

Les rivières déterminent laquelle de ces solutions une ligne exige. Notre article sur pourquoi les chemins de fer suivent les rivières explique pourquoi les lignes passent par là en premier lieu ; la traversée est le prix à payer. Dans Valley Rail: Train Tycoon vous tracez la voie de ville en ville et franchissez la rivière sur un pont, dans l'un des cinq styles, ce qui correspond au même choix que celui des ingénieurs dans la réalité, mais avec moins d'acier.

Pont suspendu : les plus longues portées

Un pont suspendu accroche son tablier à des suspentes verticales fixées à des câbles porteurs, qui retombent sur de hautes tours et sont solidement ancrés à chaque extrémité. Les câbles portent la charge en traction pure, et la traction est la manière la plus efficace d'utiliser l'acier ; aucun autre type ne va aussi loin. Le Golden Gate Bridge a une travée principale de 1,280 mètres, et le pont Akashi Kaikyō au Japon en a 1,991. Ce sont deux ponts routiers.

Pourquoi les lignes ferroviaires utilisent rarement la suspension

La même souplesse qui rend un pont suspendu économique pose problème aux trains, pour trois raisons liées.

1. La charge est lourde et concentrée. Un train de marchandises pèse beaucoup plus par mètre que la circulation routière, et il repose sur quelques essieux. Sur une longue travée à câbles, un train lourd représente une part importante de la charge totale, si bien que le câble se remodèle autour de lui.
2. La voie exige un tracé régulier. Le tablier s'affaisse sous le train et se relève devant lui, si bien que les roues gravissent toujours une petite bosse locale. Les chemins de fer mesurent les pentes en fractions de pour cent, comme dans notre article sur la pente de référence, si bien que même un léger creux coûte de la puissance de traction réelle et un roulement rugueux.
3. La répétition use les ouvrages. Chaque train fait fléchir une fois de plus le tablier, les suspentes et les câbles. Les treillis et les poutres rigides fléchissent bien moins, et un treillis de raidissement sous le tablier est ce qui permet aux rares ponts suspendus portant des voies ferrées de fonctionner du tout.

C'est pourquoi une longue traversée ferroviaire est généralement un treillis, un caisson, un arc ou une structure haubanée, plus rigide qu'un véritable pont suspendu. Plus le fret est lourd, plus l'argument est fort. Pour le trafic lui-même, voir comment fonctionnent les chaînes logistiques de fret.