L'Innovateur
Février 1999
TABLES DES MATIÈRES
Articles
Restauration d'une chambre d'eau
Un
nouveau partenariat permet d'obtenir des capteurs expérimentaux en quantité
La recherche en vedette
Recherche sur la corrosion nécessitant réparation par pose d'une
enveloppe intelligente
Un chercheur ISIS récipiendaire d'un financement de contrepartie
Projets de démonstration et produits novateurs
Le
quai de Hall's Harbour
Le
pont du boulevard Country Hills
Prolongement du boulevard Bishop Grandin
Prix
Une application sur le terrain réalisée par ISIS Canada se
mérite un Prix international
Bourses
de recherche en génie
Restauration d'une chambre
d'eau
L'utilisation de polymères renforcés de fibres (PRF) est de plus en
plus répandue dans les travaux de réparation de diverses structures de génie civil
comme les ponts, immeubles, stationnements multiétagés et viaducs. Toutefois, lorsqu'il
s'agit de remettre en état des ouvrages hydrauliques, très peu de projets ont, à ce
jour, fait appel aux PRF. Ceci s'explique par le manque d'expérience pratique dans
l'installation de ce matériau face à des conditions difficiles, et aussi par la rareté
des données disponibles sur le rendement des PRF dans de telles situations.
Hydro-Sherbrooke a tout dernièrement procédé à la remise en état d'une chambre d'eau
de sa centrale électrique Frontenac; ces travaux ont grandement contribué à enrichir la
base de connaissances existante sur les applications des PRF dans des milieux à fort taux
d'humidité, tout en dévoilant de nouvelles possibi-lités dans ce domaine prometteur.
La centrale Frontenac a été construite en 1910 et comprend une chambre d'eau d'un diamètre de 3,66 mètres formée en partie d'acier riveté et en partie de béton. En 1917, la chambre d'eau a subi d'importantes réparations et en 1987, on a procédé au nettoyage par jet de sable pour enlever la rouille qui s'était accumulée sur les parois. L'épaisseur de la paroi intérieure en acier, qui était à l'origine de 9,52 mm, présentait alors une épaisseur résiduelle de 6,35 mm. La partie en béton était de surcroît fortement érodée.
Les autorités d'Hydro-Sherbrooke ont alors décidé de remettre en état la chambre d'eau en utilisant un procédé qui, non seulement en protégerait les parois, mais permettrait également de lui redonner sa capacité originale. L'application de PRF sur les parois en acier et en béton s'avérait donc la meilleure solution. En plus de renforcer la chambre, cette réparation a aussi contribué à enrichir la base de connaissances sur les applications des PRF dans des milieux à fort taux d'humidité.
Une quantité totale de 275 mètres carrés de matériaux en PRF a été installée. Pour la partie en acier, deux couches de PRF ont été appliquées à la surface - une à l'extérieur et l'autre à l'intérieur. Cette structure avait été construite en utilisant des plaques rivetées et les têtes des rivets en étaient rendues à divers stades de dégradation. Il a donc fallu prendre des précautions spéciales pour assurer la continuité des fibres.
Deux couches de PRF ont été appliquées à l'intérieur de la partie béton de la conduite. Tout au long de l'installation, l'infiltration d'eau par la porte de cette section rendait la pose très difficile. Il a donc fallu canaliser l'eau pour empêcher l'érosion de la résine. De plus, il semblait que de l'eau s'infiltrait par le béton à cause de sa grande porosité. La quantité de résine appliquée a alors été doublée pour compenser l'absorption et améliorer l'adhérence.
Essais en laboratoire
Des essais ont été effectués dans les laboratoires de
l'Université de Sherbrooke, en début de projet, pour vérifier l'adhérence du matériau
composite sélectionné sur une surface d'acier. Pour ce faire, huit plaques d'une
épaisseur de 12,7 mm et d'un diamètre de 100 mm ont été fabriquées et un boulon de
25,4 mm soudé sur l'une des faces de chacune des plaques, tandis qu'un sablage était
appliqué sur l'autre face. Quatre échantillons ont été fabriqués : deux avec de la
résine transparente et deux en utilisant une résine plus dense.
Travaux de réparation
Les travaux de réparation ont été mis en chantier le 25 août
1998 et complétés moins d'un mois plus tard, le 23 septembre. On a d'abord procédé à
un nettoyage par jet de sable pour éliminer tous les dépôts de rouille sur la surface
d'acier et toutes autres particules adhérant à l'acier ou au béton. On a ensuite
utilisé divers mélanges de résine, selon l'état de la superficie à réparer.
Kenneth W. Neale, Ph.D., ing., de l'Université de Sherbrooke, dirige le thème de
recherche d'ISIS Canada sur les PRF et la réhabilitation des structures.
Un nouveau partenariat permet
d'obtenir des capteurs expérimentaux en quantité
Dans un effort visant la promotion de l'utilisation de capteurs à
fibres optiques dans les structures de génie civil, un nouveau partenariat entre ISIS
Canada et la société ElectroPhotonics permettra aux chercheurs universitaires en génie
civil et en bâtiment d'avoir accès à des quantités appréciables de capteurs à fibres
optiques à faible coût.
La société ElectroPhotonics fabriquera les capteurs à réseau de Bragg (FBG) qui seront ensuite distribués par l'Institut d'études aérospatiales de l'Université de Toronto (UTIAS), une des 11 universités faisant partie du réseau ISIS Canada. La longueur d'onde et la réflectivité de chaque capteur seront définies par les chercheurs au laboratoire de capteurs à fibres optiques de l'UTIAS.
Grâce à cet accord de collaboration avec l'UTIAS, la société ElectroPhotonics fabriquera de nouveaux capteurs expérimentaux mis au point par l'UTIAS, à savoir un capteur à longue portée comportant deux FRB sur une seule fibre, un capteur multiplexeur sériel (plusieurs FRB sur une seule fibre), ainsi qu'un capteur conventionnel comportant un seul réseau de Bragg sur une seule fibre.
À titre de membre du programme de recherche d'ISIS Canada, le Laboratoire de capteurs à fibres optiques de l'UTIAS fournira de l'aide sur place aux partenaires et chercheurs d'ISIS lors de l'installation et de la prise de mesure de fibres à réseau de Bragg.
Le Laboratoire FOS de l'UTIAS, est l'un des organismes-fondateurs d'ISIS Canada et est dirigé par monsieur Roderick Tennyson, Ph.D., scientifique de l'aérospatiale et spécialiste de l'utilisation des matériaux composites destinés aux structures spatiales ainsi que des dommages causés par l'impact de micrométéorites dans l'espace. Les capteurs à fibres optiques constituent un prolongement tout naturel de la recherche aérospatiale, étant donné leur utilisation dans la télésurveillance de structures aéronautiques et spatiales composées de matériaux composites. C'est grâce à leur immunité à l'interférence électromagnétique, à leur grande légèreté, et au fait que leur statibilité à long terme a maintenant été démontrée que les capteurs à fibres optiques trouvent tout naturellement des applications dans le domaine des matériaux composites. Le Laboratoire FOS de l'UTIAS a déjà participé à un certain nombre d'installations marquantes de capteurs à fibres optiques, notamment dans le cas du pont de la Confédération qui relie l'Île-du-Prince-Édouard au continent, du pont Taylor au Manitoba, qui s'est mérité un prix, et du pont Beddington à Calgary.
La société ElectroPhotonics, fondée en 1993, fabrique et
commercialise une gamme de matériel d'essai à fibres optiques et de systèmes de
capteurs à fibres optiques destinés à des mesures de haute précision de contraintes ou
de hautes températures faisant appel à des senseurs à fibre optique. La société
ElectroPhotonics fournit du matériel et des logiciels destinés à des applications de
génie civil, ainsi qu'aux secteurs de l'industrie lourde, de la production
d'électricité et des télécommunications. La société a obtenu une licence du Centre
fédéral de recherche en communications pour fabriquer et distribuer des réseaux de
Bragg à fibres optiques dans le monde entier.
Roderick Tennyson, Ph.D., ing., du Laboratoire de capteurs à fibres optiques de
l'Institut des études aérospatiales de l'Université de Toronto, dirige le thème de
recherche d'ISIS Canada sur les capteurs à fibres optiques intégrés aux structures.
Robert Maaskant, Ph.D., vice-président de la société ElectroPhotonics.
Recherche sur la corrosion nécessitant réparation par pose d'une enveloppe intelligente
Au cours des prochaines décennies, d'importantes décisions seront prises en ce qui concerne les structures construites dans les années 50 et qui sont maintenant délabrées. La solution préférable consiste naturellement à prolonger la durée de vie utile de ces structures, plutôt que de les reconstruire, pourvu que l'on puisse maintenir les coûts relativement bas. De récents travaux de recherche révèlent que l'application d'une enveloppe externe en polymères renforcés de fibres (PRF) s'avère une solution intéressante par rapport à la construction à neuf ou aux méthodes traditionnelles de rapiéçage de courte durée. Une bonne documentation relative au renforcement du béton armé est déjà disponible. Toutefois, les connaissances sont beaucoup plus limitées quant aux méthodes et à l'efficacité de l'utilisation d'enveloppes en PRF pour réparer et prolonger la durée de vie utile d'éléments structuraux qui sont déjà dans un état avancé de corrosion. Voilà pourquoi l'équipe d'ISIS Canada à l'Université de Toronto effectue des recherches sur l'effet de la corrosion de l'armature de colonnes et de poutres en béton armé, ainsi que sur la mise au point d'un procédé sûr, commode, prévisible et d'un prix concurrentiel pour prolonger la durée de vie utile de ces structures.
En plus des études expérimentales qui ont contribué à démontrer et à raffiner les applications, les chercheurs s'affairent à mettre au point des procédés de réparation faisant appel à une enveloppe en PRF apposée sur des colonnes ou montants de flexion en béton endommagés par la corrosion. Des essais structuraux effectués sur des échantillons réparés démontrent que l'application externe de composites permet de redonner aux colonnes et poutres leur résistance initiale à la déformation, et même d'améliorer cette résistance. L'enveloppe en PRF permet de confiner la partie endommagée et de compenser pour la perte d'armature et les dommages au béton. Les recherches d'ISIS Canada, fondées sur ces connaissances de base, visent à intégrer dans l'enveloppe en PRF des systèmes de télésurveillance permettant, grâce aux données transmises à distance, d'évaluer l'efficacité de la réparation.
Pour déterminer l'effet de l'enveloppe en PRF sur la
corrosion après la réparation, on effectue une surveillance continue de la corrosion de
l'élément réparé, en collaboration avec la firme Corrosion Services Company Ltd. de
Toronto, à l'aide d'une sonde à éléments multiples. La télésurveillance de la
corrosion consécutive à la réparation se fait à l'aide de capteurs à fibres optiques
longue portée intégrés aux matériaux composites appliqués à l'extérieur de la
structure. Une telle réparation, dite « intelligente », permet non seulement de
rétablir la fonction structurale, mais aussi d'obtenir en continu des renseignements sur
d'éventuels progrès de la corrosion après la réparation.
John Bonacci, Ph.D., ing., de l'Université de Toronto, est le directeur de projet
d'ISIS Canada sur la réparation et la télésurveillance d'ouvrages corrodés à l'aide
d'enveloppes intelligentes en PRF.
Un chercheur ISIS récipiendaire d'un financement de contrepartie
Khaled Soudki, Ph.D., directeur de projet d'ISIS Canada à
l'Université de Waterloo, a obtenu un soutien financier considérable pour ses travaux de
recherche visant la réparation de structures corrodées à l'aide de polymères
renforcés de fibres. Monsieur Soudki s'est vu octroyer des fonds par la Fondation
canadienne pour l'innovation, dans le cadre de son programme des nouveaux débouchés.
Huit nouveaux professeurs à l'Université de Waterloo bénéficieront du montant de 192
533 $, auquel s'ajoute un montant équivalent du tout nouveau Fonds de recherche et de
développement de l'Ontario (ORDCF), programme de 14,5 millions de dollars établi pour
renforcer l'infrastructure scientifique, notamment les laboratoires, l'équipement, etc.
dont disposent les chercheurs récemment nommés membres du corps professoral
d'institutions de recherche provinciale. L'annonce a été faite le 10 décembre 1998 par
le ministre de l'Énergie, des Sciences et de la Technologie, M. Jim Wilson. « Ce nouvel
investissement du Fonds de recherche et de développement de l'Ontario apporte un soutien
supplémentaire aux jeunes chercheurs, groupe que nous avons ciblé avec les Prix
d'excellence en recherche décernés par notre premier ministre », a déclaré le
ministre Wilson. « Ces deux programmes nous rapprocheront de notre objectif qui est
d'attirer et de retenir dans notre province l'élite des jeunes chercheurs ».
Khaled Soudki, Ph.D., ing., Université de Waterloo, est le directeur de projet d'ISIS
Canada pour la réparation de structures en béton corrodées à l'aide de PRF.
Le quai de Hall's Harbour
Le 21 février 1998, au petit matin, les citoyens de Hall's Harbour, en Nouvelle-Écosse, ont constaté que la partie du milieu du brise-lames situé à l'ouest de leur quai s'était effondrée pendant la nuit. Cette petite localité, qui est le port d'attache d'une flotte de pêche active, possède un important vivier à homards dont la production est destinée à l'exportation, en plus d'être une destination touristique recherchée. De plus, le village possède le seul port bien protégé, sur la Baie de Fundy au nord de Digby, qui est ouvert pendant tous les mois d'hiver. Après l'effondrement d'une partie du quai sur 50 mètres de long, il était de la plus haute urgence de remettre en état cette structure datant de 1904.
On a retenu les services de la firme de génie-conseil Vaughan Engineering Associates Limited pour effectuer une évaluation des travaux à exécuter. Diverses solutions conventionnelles ont été examinées pour la reconstruction : le quai en bois traditionnel; les caissons en béton; les palplanches métalliques; et l'option du tablier en béton monté sur piles. La solution du tablier en béton monté sur piles était de loin la meilleure sur le plan avantages-coût. Comme le coût et la longévité étaient des facteurs importants pour l'évaluation, il a été décidé de se tourner vers des solutions faisant appel à des technologies, matériaux et méthodes de pointe. Dans ce but, Vaughan Engineering travaille de concert avec ISIS Canada à l'Université Dalhousie. Dans leurs travaux préliminaires, les ingénieurs de Vaughan et de l'équipe d'ISIS-Dalhousie ont démontré que le coût des matériaux et technologies de pointe n'est pas plus élevé que celui des méthodes conventionnelles. Par contre, les avantages à long terme sont beaucoup attrayants, étant donné que l'absence d'armature d'acier prolonge la vie du quai. Au lieu d'une trentaine d'années, la durée de vie utile du quai pourrait atteindre 60 à 80 ans, avec un minimum d'entretien.
Ce dernier point revêt une grande importance puisque les localités assument seules l'entretien de leurs quais. L'ajout de capteurs à fibres optiques de télésurveillance intégrés dans les tiges de fibres de verre permettra de compiler des données fiables appuyant les applications des polymères renforcés de fibres dans d'autres structures en milieu marin.
Au début de 1998, une équipe de chercheurs d'ISIS a
entrepris les travaux préliminaires de conception. Cette équipe comprend des
représentants du Centre CAO/FAO de Nouvelle-Écosse situé à l'Université Dalhousie,
des Universités de Sherbrooke et de Colombie-Britannique, l'expert-conseil en
applications techniques d'ISIS Canada, de même que la firme de génie-conseil CAN/ACM
Consultants Ltd. Faisant appel à leurs très nombreux contacts, ils ont réuni un
consortium de compagnies intéressées, comprenant des fournisseurs de matériaux, des
concepteurs, une compagnie de construction et une compagnie spécialisée dans le béton
préfabriqué, qui se sont toutes engagées à travailler au projet et à fournir des
matériaux et des produits divers au prix coûtant ou à des rabais intéressants. Leur
intérêt commercial dans ce projet découle de la possibilité de créer un quai
modulaire dont les piliers, ainsi que les poutres et les dalles du tablier, comporteraient
une armature de polymères renforcés de fibres, avec capteurs à fibres optiques
intégrés. Ce modèle pourrait ensuite être commercialisé partout au Canada et dans le
monde.
Aftab Mufti, Ph.D., ing., de l'Université Dalhousie, dirige le thème de recherche
d'ISIS Canada sur le traitement intelligent et la télésurveillance. Il est le directeur
de projet pour le quai de Hall's Harbour. John Newhook, Ph.D., ing., est directeur de
projet adjoint.
Le pont du boulevard Country Hills
En 1996, CH2M Gore & Storrie Limited, avec l'aide de Gamil Tadros, Ph.D., d'ISIS Canada, a entrepris à l'Université de Calgary un programme d'essai de matériaux pour étudier la possibilité de renforcer des poutres de ponts existants à l'aide de bandes de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC). En 1997, cette même firme a été chargée par la ville de Calgary de renforcer le pont qui permet au boulevard Country Hill de passer par-dessus la route Deerfoot Trail, dans le nord-est de Calgary.
L'un des principaux problèmes du pont était que son tablier mince subirait une trop grande contrainte de flexion à pleine charge CS-600, en raison des angles obliques aux culées et aux piles du pont. Pour renforcer selon le procédé conventionnel, il aurait fallu briser le tablier pour le diviser en bandes, ajouter des renforts et revêtir le tout d'une nouvelle enveloppe de béton. Il aurait aussi fallu mener les travaux bande par bande, à l'aveuglette, étant donné qu'au moins une voie du pont devait être ouverte à la circulation en tout temps et parce que l'on craignait qu'en procédant autrement, on pourrait affaiblir le tablier au point d'en provoquer l'effondrement. Pour éviter ce problème et pour renforcer le tablier sans avoir à le démolir, on a choisi la solution de rechange consistant à appliquer des bandes de PRFC.
Des bandes de Carbodur, provenant de la compagnie Sika Canada inc., ont été posées à huit endroits de la dalle de béton où l'on a constaté le besoin de renfort. Les bandes ont été installées à des intervalles de 500 mm. La surface du tablier était rugueuse et l'on a d'abord appliqué un époxy de nivellement, le Sikadur 30. Une couche de 2 mm de cet époxy a aussi été appliquée sur chacune des bandes, en utilisant un outil d'application convexe, de manière qu'initialement une plus grande quantité de résine soit appliquée au milieu de la bande. Une fois la bande installée, l'excédent d'époxy est enlevé en appliquant une légère pression sur la bande à l'aide d'un rouleau. Un jour plus tard, le dos de la bande, qui devait être en contact avec le revêtement du nouveau tablier, a été nettoyé, poncé et revêtu d'une couche d'agent liant Sika Armatec 110, environ quatre heures avant la pose du nouveau revêtement.
L'encouragement et l'approche dynamique de la ville de
Calgary, sous la direction de Mme Jadwiga Kroman et de M. Peter Wilson, ont rendu possible
le renforcement de ce pont à l'aide de polymères renforcés de fibres.
Gamil Tadros, Ph.D., ing., est l'expert-conseil en applications techniques d'ISIS
Canada. Il travaille à Calgary.
Prolongement du boulevard Bishop Grandin
Environ 26 000 véhicules par jour circulent sur le boulevard Bishop Grandin à Winnipeg, mettant à l'épreuve les 780 goujons en PRF de verre utilisés dans les joints en béton à la place de goujons conventionnels en acier recouverts d'époxy. C'est la première application en service réel au Canada de goujons en PRF utilisés pour le revêtement routier en béton. Il s'agit d'une réalisation conjointe de la ville de Winnipeg, de la firme UMA Engineering et de ISIS Canada.
En général, les ruptures de revêtements routiers en béton sont causées par les forces d'expansion qui se produisent pendant l'oxydation des goujons d'acier conventionnels. Des essais menés en laboratoire à l'Université du Manitoba, avant l'installation sur le terrain, ont démontré que des joints faisant appel à des goujons en PRF de verre seraient plus efficaces que les joints traditionnels utilisant des goujons en acier.
Trois fabricants de PRF résistant à la corrosion ont participé à cette application sur le terrain : RJD Industries, de Laguna Hill, Californie; Glasforms Inc., de San José, Californie; et Creative Pultrusions, d'Alum Bank, Pennsylvanie.
Une application sur le terrain réalisée par ISIS Canada se mérite un Prix international pour l'avancement de l'industrie
L'Institut du béton préfabriqué et précontraint décerne un prix annuel à des projets démontrant un degré supérieur de créativité et d'innovation, contribuant ainsi à faire progresser l'expertise technologique dans ce secteur. Le Prix Harry H. Edwards de 1998 pour le progrès de l'industrie a été accordé au pont Taylor du Manitoba. Il est indéniable que la conception de ce pont est très novatrice, puisqu'il est doté de la technologie la plus récente en matière de capteurs à fibres optiques et d'armatures en polymères renforcés de fibres (PRF).
Expliquant leur choix, les membres du jury ont déclaré : « Ce projet met en évidence une conception inhabituelle qui tire profit du PRFC à la fois pour les câbles de précontrainte et l'armature. Cette technique offre un potentiel énorme pour l'avenir. Ce procédé devrait posséder une très grande résistance à la corrosion et devrait également permettre d'augmenter la capacité de charge. Ce dernier élément est une caractéristique très attrayante. »
Doug Stewart, de Wardrop Engineering, ingénieur désigné pour le pont Taylor et récipiendaire du prix PCI, a fait remarquer que le prix permet de faire connaître des travaux de recherche importants qui sont en voie de passer rapidement des laboratoires universitaires et privés aux applications sur le terrain, grâce à des partenariats avec des compagnies comme Wardrop Engineering. Cela attire l'attention sur un projet d'avant-garde du Manitoba et fait la promotion de l'innovation canadienne.
À l'occasion d'une cérémonie de remise des prix qui a eu lieu le 8 octobre 1998 à l'Université du Manitoba, en présence du premier ministre provincial Gary Filmon comme conférencier invité, M. John Fowler, président de l'Institut canadien du béton préfabriqué et précontraint, a présenté le prix à Wardrop Engineering. Des prix de participation ont également été présentés au propriétaire du pont, la province du Manitoba; à l'inventeur de la nouvelle technologie, ISIS Canada; et au fabricant des éléments de béton préfabriqués, Con-Force Structures Limited.
Le financement pour la conception et la mise en oeuvre de la nouvelle technologie provenait de la province du Manitoba, de Industrie, Sciences et Technologie par l'entremise du Fonds japonais des sciences et de la technologie, et du Programme d'aide à la recherche industrielle.
Bourses de recherche en génie
Deux bourses de recherche en génie de 5 000 $ sont remises chaque année par ISIS Canada à des femmes ou des Autochtones qui sont diplômés d'un programme canadien de génie ou de sciences appliquées, ou qui sont actuellement inscrits à un programme menant à un tel diplôme et qui comptent poursuivre des études de deuxième cycle en génie ou en sciences appliquées. Pour de plus amples détails, communiquer avec le bureau de ISIS.
La date d'échéance pour la présentation des demandes est le 31 mars 1999.