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Posté par Isabelle le Samedi 17/05/2014 à 12:00
Génie parasismique: des structures résistant aux charges extrêmes

Les équipements de pointe du laboratoire de structures de la Faculté de génie permettent d'effectuer des tests pour comprendre le comportement des matériaux et des structures.
Photo: Michel Caron
Le 24 avril 2014, le bulletin d'informations à la radio fait état d'un séisme d'une magnitude de 6,6 qui vient de secouer le nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.) de l'île (Une île est une étendue de terre entourée d'eau, que cette eau soit celle d'un cours d'eau, d'un lac ou d'une mer. Son étymologie latine, insula, a donné l'adjectif « insulaire » ;...) de Vancouver. "La secousse forte mais brève[...]n'a fait ni victime ni dommages matériels", annonce la présentatrice. Par un curieux hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un...), la table est mise pour un entretien déjà prévu avec Nathalie Roy, professeure de génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les ingénieurs civils s’occupent de la conception, de la réalisation, de...) qui mène des recherches en génie parasismique. Sa spécialité: concevoir et mettre à l'épreuve des structures qui résistent aux charges extrêmes, ce qui inclut les tremblements de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...), mais également des chocs comme la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) de camions (Le camion est un véhicule automobile à roues destiné à transporter des marchandises. Le routier (routière) ou camionneur (camionneuse) a pour profession la conduite d'un camion.), d'amas de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) ou de navires avec la structure d'un pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours d'eau, voie de communication, vallée, etc.) en passant par-dessus cette séparation. Le franchissement supporte le passage...).

Plus tôt dans son parcours, elle a également étudié les méthodes de réhabilitation d'ouvrages existants. "Les anciens ouvrages étaient souvent conçus pour offrir une très grande résistance, grâce à des structures qui demeurent très solides, à condition que l'entretien soit bien fait. Aujourd'hui, la conception des ouvrages est basée sur une autre approche: les structures exposées à des charges extrêmes peuvent subir des modifications ? par exemple se déformer après un impact ?, mais l'objectif est d'éviter l'effondrement", explique-t-elle.

Pour créer des ponts qui offrent une certaine capacité de déformation sans rupture fragile, les ingénieurs recourent notamment à des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de nouvelle génération comme de nouveaux bétons et des polymères renforcés de fibres (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.), des spécialités déjà présentes à la Faculté de génie. Mais la contribution originale de Nathalie Roy est de mieux comprendre les structures, grâce à des méthodes novatrices.

Essais pseudo-dynamiques

Au cours de ses études de doctorat (Le doctorat (du latin doctorem, de doctum, supin de docere, enseigner) est généralement le grade universitaire le plus élevé. Le titulaire de ce grade est le docteur. Selon les pays...) il y a quelques années, Nathalie Roy a développé et mis à l'épreuve une méthode d'essais qui permettait de prévoir le comportement structurel des ponts en procédant à des tests de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un...) sur une partie ciblée d'un ouvrage, puis en complétant l'analyse par des simulations numériques. "Cette approche dite d'essais pseudo-dynamiques par sous-structures était réalisée pour la 1re fois au Canada. Dans mes travaux actuels, je continue de mener des recherches avec des méthodes comme celle-là. En résumé, on teste une partie d'ouvrage qu'on veut endommager (tout en prévenant l'effondrement) et on combine la réponse au tremblement (Les tremblements sont des mouvements anormaux involontaires, rythmiques et oscillatoires, de faible amplitude. Ils peuvent être uni ou bilatéraux.) de terre du reste de l'ouvrage avec des modèles numériques. On concentre notre attention sur l'élément qui doit protéger la structure et qui dissipe l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). En général, il s'agit des piles de ponts." Souvent, cette approche combinée permet d'obtenir des prédictions plus précises que celles d'autres méthodes.

"Si on veut tester une structure au complet, avec un modèle réduit, on sait que des effets d'échelle peuvent fausser les résultats. Les modèles numériques permettent de mieux prévoir les comportements à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le...). On écrit ensuite des modèles que les ingénieurs de la pratique pourront les appliquer ensuite."

Pour créer ces structures, les ingénieurs ont également recours à des nouveaux types de matériaux comme les bétons renforcés par des armatures d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la...) ou de matériaux composites ? par exemple des fibres de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). Une autre approche est de confiner le béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par...) dans des enveloppes de polymères. "Le développement de nouveaux matériaux est la spécialité de plusieurs de mes collègues de la faculté, qui réalisent des percées très prometteuses. Je collabore avec certains d'entre eux pour vérifier comment ces nouveaux matériaux améliorent la réponse dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) des ponts."
Prévoir les risques

Si le séisme ressenti sur la côte ouest (L’ouest est un point cardinal, opposé à l'est. C'est la direction vers laquelle se couche le Soleil à l'équinoxe, le...) n'a pas fait de dommages, c'est assurément parce que depuis quelques décennies, les risques sismiques sont mieux connus et mieux documentés. "Il y a eu plusieurs avancées techniques et scientifiques à la suite les grands séismes qui ont secoué la Californie depuis 1971. Les normes canadiennes et québécoises en génie civil sont très avancées dans ce domaine", dit-elle. Elle explique que, selon les géologues, la côte ouest présente un risque sismique plus important, mais différent de celui qui prévaut au Québec. "Le risque sismique est établi en combinant d'une part, l'aléa sismique ? soit la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande...) d'un séisme et sa magnitude potentielle ?, et d'autre part, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) de population et de structures sur un territoire (La notion de territoire a pris une importance croissante en géographie et notamment en géographie humaine et politique, même si ce concept...) donné. Ceci dit, Vancouver est la ville (Une ville est une unité urbaine (un « établissement humain » pour l'ONU) étendue et fortement peuplée (dont les habitations doivent être à moins de 200 m chacune, par opposition aux villages)...) où le risque sismique est le plus grand au Canada, mais Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture,...) se classe au 2e rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème...). Ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) sont prises en compte lors de l'évaluation et de la construction des ouvrages d'art."

Et au-delà des tremblements de terre, d'autres événements font partie des risques élevés de charges extrêmes. "Le ministère des Transports (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) du Québec cible les effets des crues et des inondations, ainsi que les accidents routiers parmi les risques élevés d'endommager des structures. Avec mon collègue Charles-Philippe Lamarche, nous menons une recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) sur les risques potentiels de ces charges d'impacts sur les piles et les superstructures. Nous travaillons sur des risques associés à des charges extrêmes, liés à des événements très rares, qui surviennent occasionnellement aux quatre coins du monde (Le mot monde peut désigner :). D'ailleurs, le Québec ne se trouve pas dans une situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un...) pire que celle d'autres pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas...). Il faut seulement être conscients que le risque zéro (Le chiffre zéro (de l’italien zero, dérivé de l’arabe sifr, d’abord transcrit zefiro en italien) est un symbole marquant une position vide dans l’écriture des nombres en notation...) n'existe pas, et que les ouvrages sont construits par des humains. Notre travail est de raffiner la connaissance afin de rendre les ouvrages d'art encore plus sûrs", conclut-elle.

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Source: Université de Sherbrooke - Robin Renaud
 
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