L'étude de la stabilité aérodynamique des structures est un domaine très complexe et nécessite généralement des essais à échelle réduite en soufflerie. Ces essais doivent permettre de reproduire le comportement de la structure soumise à des instabilités aérodynamiques telles que le détachement tourbillonnaire et le flottement. Les essais sectionnels permettent de reproduire de manière fiable le comportement d'une section représentative d'une structure. Ces essais sont généralement économiques et peuvent être réalisés dans un court laps de temps, c'est pourquoi ils constituent généralement la première étape d'une série d'essais sur une structure. Historiquement, ils permettent de reproduire le comportement d'une section selon, au maximum, deux degrés de liberté (DDL). La rotation autour de l'axe longitudinal de la structure et la translation perpendiculaire à l'écoulement sont généralement modélisées alors que la translation parallèle à l'écoulement est négligée. Toutefois, il est bien connu que certains phénomènes aérodynamiques, tels que le galop, impliquent des déplacements selon les deux translations. Il est aussi fréquent que le mode de torsion d'une structure soit couplé avec un déplacement transversal ; c'est souvent le cas pour un pont élancé par exemple. Il serait donc intéressant d'étudier l'effet de l'ajout d'un troisième DDL sur la stabilité aérodynamique d'une structure. Le présent travail décrit la conception et la validation d'un montage pour essais sectionnels en soufflerie qui permet le mouvement du modèle selon trois DDL. Plusieurs améliorations, telles que l'ajout d'amortissement magnétique découplé pour chaque DDL et l'utilisation de vérins actifs permettant l'introduction d'un mouvement forcé, ont aussi été apportées au montage original à deux DDL. Les résultats de la validation montrent que l'ajout du DDL horizontal, sous certaines conditions, a une influence sur le comportement de la section, notamment lors de l'apparition du flottement.

L'utilisation, par les ingénieurs, de portées principales de plus en plus grandes pour les ponts suspendus ou haubanés fait de l'interaction vent-structure un phénomène d'importance lors de la conception de ces ponts. Effectivement, des portées plus grandes amènent une augmentation de la flexibilité de leur tablier, ce qui les rend plus vulnérables aux instabilités aérodynamiques telles que le flottement, un phénomène auto-excité causant de grands mouvements du tablier et pouvant mener à la ruine du pont. C'est la formulation de Scanlan qui est la plus utilisée pour représenter les forces auto-excitées dans l'étude du flottement des ponts. Cette formulation ne permet pas la réalisation d'une étude du flottement en tenant compte des non-linéarités structurales et aérodynamiques. Par contre, les ponts élancés sont des structures qui ont un comportement structural non linéaire. De plus, plusieurs études ont démontré la non-linéarité des forces auto-excitées. Pour des prédictions du flottement plus réalistes, ces non-linéarités devraient être incluses dans des simulations temporelles notamment en utilisant des formulations temporelles des forces auto-excitées. Les formulations temporelles existantes comme les fonctions indicielles et les fonctions rationnelles sont difficiles à mettre en œuvre. Ce projet a donc pour but de développer une nouvelle représentation des forces auto-excitées dans le domaine temporel. Pour mieux comprendre le comportement non linéaire des forces auto-excitées, des essais sectionnels en soufflerie en régime forcé harmonique ont été réalisés pour le pont est du Grand Belt, un pont suspendu, dans le but d'étudier l'effet de l'échelle, de la vitesse du tablier et de l'amplitude du mouvement sur les coefficients instationnaires de la formulation de Scanlan. Il est montré que l'adimensionnalisation utilisée dans la formulation de Scanlan est valide par rapport à la dimension du tablier. Par contre, il a été trouvé que les coefficients instationnaires montrent un comportement non linéaire par rapport à ces deux paramètres, mais plus particulièrement pour la vitesse du tablier. Puisque les coefficients instationnaires ont un comportement non linéaire par rapport à un paramètre temporel comme la vitesse du tablier, un nouveau modèle temporel des forces auto-excitées basé sur des coefficients instationnaires temporels qui sont fonction de la vitesse et de l'accélération du tablier a été développé. Ces coefficients instationnaires temporels ont été obtenus à partir d'essais en régime forcé cyclique à vitesse absolue constante et à accélération absolue constante. Ce modèle a été utilisé pour réaliser des simulations temporelles du flottement à échelle réelle. La vitesse de flottement prédite avec l'approche des coefficients instationnaires temporels concorde bien avec la vitesse de flottement expérimentale et celle prédite en utilisant la formulation de Scanlan.

Le flottement des tabliers de ponts flexibles constitue l'une des instabilités aérodynamiques les plus sévères pouvant survenir lors de tempêtes de vent. Le flottement est un phénomène dit auto-excité et se caractérise par de grandes amplitudes de déplacements dynamiques qui croissent avec la vitesse de vent et qui peuvent mener à la ruine de l'ouvrage. Avec l'évolution des matériaux, des techniques de constructions et des connaissances dans le domaine du génie civil, l'augmentation de la longueur des portées des ponts a pour effet de rendre ces structures plus flexibles. Historiquement, la participation du déplacement horizontal au flottement a été considérée comme négligeable. Toutefois, l'augmentation de la flexibilité latérale du tablier jumelée au couplage des modes dû aux caractéristiques des sections de tabliers et à l'interaction avec les câbles soulève quelques doutes concernant cette hypothèse. Le modèle mathématique actuellement utilisé pour représenter les forces auto-excitées de flottement a été développé par Scanlan et Tomko [1971]. Ce modèle définit des matrices de rigidité aérodynamique et d'amortissement aérodynamique qui varient en fonction de la vitesse réduite de l'écoulement. Ces deux matrices s'ajoutent aux matrices structurales et constituent la contribution aéroélastique de l'écoulement. Quelques recherches ont mis en évidence l'aspect non linéaire du flottement en démontrant la dépendance des coefficients instationnaires à la fréquence et à l'amplitude auxquelles ils ont été extraits. Les objectifs principaux de ce projet de recherche sont d'étudier l'effet du déplacement horizontal sur le flottement, d'étudier la dépendance des coefficients instationnaires à la fréquence et à l'amplitude d'extraction et d'élaborer une méthode expérimentale et un modèle mathématique permettant l'intégration temporelle non linéaire des forces auto-excitées. Des essais en régime libre sur 6 modèles sectionnels réguliers ont d'abord été réalisés pour évaluer l'effet du déplacement horizontal sur le flottement. Par la suite, une étude paramétrique de l'effet de la fréquence et de l'amplitude auxquelles les coefficients intationnaires sont extraits a été réalisée en régime forcé harmonique. Cette étude ayant mis en évidence la dépendance de certains coefficients à ces paramètres d'extraction, une dernière étude expérimentale a été réalisée. Cette dernière a permis l'extraction de coefficients de force dynamiques à partir de mouvements cycliques à vitesses ou accélérations absolues constantes. L'intégration de ces coefficients temporels, par opposition à fréquentiels, dans un outil de calcul dynamique transitoire non linéaire a permis la mise en évidence du flottement de sections de pont atteignant des amplitudes de vibration variant en fonction de la vitesse de l'écoulement. La vitesse de flottement obtenue concorde bien avec la moyenne des prédictions calculées à l'aide de la méthode classique. Un tel modèle permettrait à moyen terme de prendre en compte l'aspect non linéaire du flottement dans un modèle dynamique transitoire complet d'un pont, y incluant également les non-linéarités de nature structurale.