207 - Vers des infrastructures résilientes face aux catastrophes naturelles et événements extrêmes

Les barrages hydro-électriques produisent près de 97% de l’électricité consommée au Québec. Ces aménagements d’importance vitale peuvent subir divers types de charges extrêmes : poussée des glaces, séismes, crues, etc. C’est pourquoi, ces dernières décennies, nombre de travaux d’ingénierie et de recherche se sont intéressés au développement et à l’amélioration de méthodes d’évaluation de la sécurité de ces ouvrages. Cependant, dans le cas des barrages-poids en béton, la sélection des valeurs des propriétés mécaniques le long des interfaces barrage-fondation est toujours associée à d’importantes incertitudes, notamment vis-à-vis de l'influence de la rugosité. Dans ce travail, une procédure originale est développée pour modéliser, au moyen d’éléments-finis non-linéaires, à différentes échelles, des contacts roc-béton rugueux non-liés, afin de mieux comprendre le comportement en cisaillement des interfaces barrage-fondation.

Dans un premier temps, cette procédure est appliquée pour reproduire des essais de cisaillement menés sur des contacts roc-béton de petite et moyenne échelles, c’est à dire : (i) des carottes forées de barrages existants de diamètre d’environ 10 cm; (ii) des échantillons rectangulaires de longueur d’environ 50 cm. Les prédictions des modèles 3D d’éléments finis non-linéaires résultants sont alors comparées vis-à-vis des données expérimentales correspondantes, validant ainsi la procédure. En outre, les résultats démontrent les effets majeurs des propriétés de rugosité et des conditions d’emboitement des contacts roc-béton sur leur résistance au cisaillement, quelle que soit l’échelle considérée.

Dans un second temps, la procédure proposée est utilisée pour modéliser des contacts roc-béton rugueux de grande échelle, i.e. des interfaces barrage-fondation considérées dans leur ensemble. Pour ce faire, des relevés bathymétriques et LiDAR de surfaces de fondation rocheuses proches de barrages existants sont traités pour obtenir des géométries rugueuses d’interfaces barrage-fondation réalistes. Ces profils sont alors implémentés au sein de modèles d’éléments finis pour évaluer la stabilité au glissement de deux barrage-poids de hauteurs différentes. La réponse non-linéaire des interfaces barrage-fondation est analysée de manière détaillée par le biais d’angles de friction limites, de facteurs de sécurité au glissement, et de distributions des contraintes de cisaillement. Ce travail permet alors d’illustrer les possibles effets de plusieurs propriétés des systèmes barrage-fondation sur la stabilité de l’ouvrage, telles que : les irrégularités géométriques, les clés de cisaillement, les sous-pressions, la taille du barrage, le module d’élasticité et la résistance mécanique du roc.

Au final, les résultats confirment la contribution majeure des propriétés de rugosité sur la stabilité au glissement des barrages-poids en béton. Ce projet est le résultat d’une collaboration de longue date entre les mondes de l’académique (Polytechnique Montréal) et de l’industrie en ingénierie des barrages (Hydro-Québec).

Les dommages causés par la fatigue des brins sont l’une de formes les plus courantes de défaillance des câbles de lignes de transport d’énergie et peuvent menacer le fonctionnement sécuritaire et stable des lignes. Les ruptures par fatigue sont causées par les vibrations des lignes dues au vent et sont généralement observées sur les brins dans les régions proches des pinces de suspension. Traditionnellement, l'étude du comportement en fatigue des conducteurs se fait à travers des essais expérimentaux de l'ensemble câble-pince de suspension réalisés sur des bancs d'essais qui émulent les conditions de charge et de vibration du câble. Dans ces essais, l'objectif est d'associer le nombre de cycles avant l'apparition de la rupture du brins au niveau de traction et de vibration du conducteur. En fait, la rupture par fatigue des conducteurs est un problème qui se produit à l'échelle locale par accumulation de dommages à la surface des fils, en raison du phénomène de fatigue associée au contact entre les fils ou entre les fils et la pince de suspension. Par conséquent, la compréhension du phénomène de la fatigue des câbles à partir d'une perspective locale du problème de la fatigue de contact peut conduire à une meilleure évaluation de la performance en fatigue des lignes de transport d’énergie. Ce travail propose une stratégie de prévision de la durée de vie des câbles conducteurs d'électricité basée sur les forces locales causant des dommages par fatigue dans les régions critiques des câbles. Des simulations numériques de l'assemblage câble-pince de suspension sont utilisées pour déterminer la distribution des contraintes le long du câble pendant le chargement cyclique. Dans la méthodologie proposée, l'utilisation d'indicateurs de fatigue, par exemple l'indicateur Smith-Watson-Topper, devrait détecter la région la plus critique du câble du point de vue de la fatigue. Des modèles locaux de ces régions utilisant des techniques de sous-modélisation devraient fournir le champ de contrainte autour des points de contact situés dans ces régions. Pour tenir compte des dommages en fatigue, la combinaison de la méthode des distances critiques avec des modèles de fatigue multiaxiale devrait permettre de prédire le nombre de cycles pour la rupture des brins dans cette région et donc du câble conducteur. Les travaux sont en cours de développement pour le câble conducteur en aluminium renforcé d’acier (ACSR) et le conducteur en alliage d'aluminium (AAAC). Des essais de fatigue par fretting des fils utilisés dans ces conducteurs doivent être réalisés pour l'étalonnage du modèle de fatigue. Après l'étalonnage, le modèle de fatigue devrait être capable de prédire la durée de vie en fatigue des câbles sous différents niveaux de traction et de vibration. Des résultats partiels générés pour le câble conducteur AAAC 900 MCM montrent que le modèle des éléments de poutre est capable de prédire avec une bonne précision la distribution de la déformation du câble monté sur la pince de suspension par rapport aux résultats expérimentaux. On observe également que l'utilisation du modèle de fatigue de Smith-Watson-Topper comme indicateur de l'endommagement par fatigue permet de prédire que les défaillances des brins de ce câble sont localisées dans la portion supérieure, dans la dernière couche, jusqu'à 20 mm après le bord du sabot. Ces résultats montrent une bonne précision de la région de défaillance par fatigue du câble en comparaison avec des essais expérimentaux.

Le développement des structures innovatives résistantes aux séismes a été l’objectif des chercheurs dans les dernières décennies.  L’intérêt dans l’installation des appareils pour dissiper l’énergie en tant que fusible est fondée dans la possibilité de réduire la déformation interétage, la déformation résiduelle, et la réduction de dommage global sur la structure.

Cette présentation démontre les problématiques concernant la conception des structures en acier avec amortisseurs à friction, et l’amélioration du système par l’ajout de rigidité. Deux bâtiments fictifs de 8 étages à Vancouver, Colombie-Britannique ont été conçue, un uniquement avec des contreventements concentriques et amortisseurs à friction, et l’autre avec l’ajout d’un cadre résistant aux moments conçu avec un cisaillement à la base de seulement 25%V. Un facteur de réduction pour la ductilité et la sur-résistance de 4, R_dR_o, est suggérer et présenter pour la structure ainsi que la marge de sécurité d’effondrement.

Le système hybride est conçu avec l’intention que les contreventements concentriques avec amortisseur reprendront la majorité d’action inélastique et le cadre résistant aux moments est conçu pour l’auto-centrage du système. Cette présentation démontre qu’un système seulement contreventé avec amortisseur à friction ne résiste pas les charges de conception et n’est pas recommander dans les zones séismiques. Par contre, le comportement des structures hybrides en acier composées de contreventements concentriques avec amortisseurs à friction et cadres résistants aux moments, satisfait entièrement les critères de sécurité d’effondrement.

Les modèles probabilistes de la demande sismique et l'analyse de la fragilité sont des éléments clés du génie parasismique basé sur la performance. L'évaluation de la performance des systèmes structuraux à composants multiples, comme les ponts routiers, est facilitée par la prise en compte de l'interaction entre les composants. Les formulations analytiques classiques capables d'incorporer cette caractéristique et de gérer les incertitudes reposent sur des hypothèses communes : la demande sismique suit une loi log-normale et la dépendance linéaire entre les réponses des composantes structurelles. Néanmoins, ces hypothèses ne sont pas toujours valides. Une méthodologie est donc proposée pour la construction de modèles probabilistes de demande sismique basés sur l'analyse à bandes multiples (MSA) et sur des modèles de mélange gaussien (GM). Cette méthode s'appelle MSA-GM et est plus flexible que les autres stratégies classiques par rapport aux hypothèses généralement adoptées. Une étude de cas sur un pont au Québec est présentée pour analyser, dans un premier temps, la validité des hypothèses sur la demande sismique, et, plus tard, leur impact sur les courbes de fragilité. Les avantages de la méthodologie proposée sont mis en évidence tout au long de ces analyses.

Le bulletin de rendement des infrastructures canadiennes de 2019 indique que « l'état de nos infrastructures est à risque ». Les ponts sont au cœur de cette problématique d'infrastructure vieillissante. Les tabliers des ponts construits avec les matériaux de construction traditionnels sont devenus plus vulnérables face à l’augmentation de la demande du trafic et aux conditions environnementales agressives. Plusieurs tabliers de ponts en Amérique du nord et notamment au Québec sont défectueux et devraient être réhabilités ou remplacés prochainement. Dans ce contexte, l'utilisation des alliages d'aluminium dans la conception et fabrication des platelages des ponts routiers offre des promesses considérables. Cependant, à ce jour, ce potentiel est largement sous-exploité, principalement en raison du manque de connaissances et de l’expérience insuffisante. La présente présentation résume les travaux de recherche élaborés à l’université Laval sur l’application des alliages d’aluminium dans la conception des platelages des ponts routiers en aluminium en considérant certaines conditions de chargement extrême et environnementales extrêmes. La récente conception du platelage innovante consiste à assembler des panneaux extrudés en aluminium et donc présente plusieurs connexions à concevoir adéquatement.

D’abord, une connexion innovante a été proposée et vérifiée entre le platelage et les dispositifs de retenue. Des simulations numériques ont été menées pour valider les essais de collisions requis pour la conception des dispositifs de retenues.

Ensuite, les connexions platelage en aluminium - poutres en acier sont investiguées sous des conditions thermiques extrêmes. D’ailleurs, la différence significative entre les coefficients de dilatation thermique de l’acier et l’aluminium représente un facteur critique à considérer dans la conception. Des connexions spécifiques ont été examinées afin de connecter les poutres en acier au platelage en aluminium dans l’optique de créer l’action composite.

Finalement, le phénomène de fatigue compromettant les structures métalliques en général et bien évidemment les platelages en aluminium soudés sera investigué. Afin d’améliorer la résistance en fatigue des joints soudés dans le platelage, le soudage par friction malaxage a été proposé. Cependant, l’insuffisance des normes au niveau de la qualification de la résistance en fatigue des joins soudés par friction malaxage limite son exploitation. Ainsi, des essais de fatigue à grandes échelle permettront de standardiser la résistance en fatigue de ces joints dans les platelages des ponts routiers en aluminium.

La vulnérabilité sismique des composants non-structuraux (CNS) d’un bâtiment de 6 étages situé sur le campus de l’école de technologie supérieure à Montréal est évaluée selon la méthode paramétrique de la norme CSA S832-14-Réduction du risque sismique associé à la défaillance des composants fonctionnels et opérationnels des bâtiments (CFO) dans les bâtiments et selon l’approche probabiliste proposée dans le FEMA P-58-Seismic Performance Assessment of Buildings. Les CNS considérés dans cette étude sont les cloisons, les murs rideaux, les luminaires, les faux plafonds, le système de ventilation et l’équipement de protection contre l’incendie.

Tout d’abord, un inventaire des CNS par étage a été établi et chaque CNS est décrit par sa quantité, sa position dans le bâtiment, le type de sa retenue et son raccordement. Le bâtiment a été défini par sa géométrie, la surface en plan de chaque étage, le type du système structural, sa période fondamentale de vibration, son occupation et le type de sol. L’aléa sismique uniforme de Montréal (site classe C) a été utilisé avec deux périodes de retour, soit 475 ans pour un séisme modéré (10% en 50 ans) et 2475 ans pour un séisme rare (2% en 50 ans) et l’intégrité structurale du bâtiment a été assumée intacte durant le séisme.

Ensuite, le niveau du risque sismique de chaque CNS a été évalué suivant la méthode qualitative proposée dans la norme CSA S832-14. Cela comprend la détermination de l’indice de risque R calculé comme étant le produit de l’indice de vulnérabilité sismique, V, lié à la probabilité de défaillance du CNS lors d’un tremblement de terre de référence et l’indice de conséquence de sa défaillance ou de son dysfonctionnement, C. Finalement, la probabilité du degré de dommage de chaque CNS a été évaluée à partir des courbes de fragilités du FEMA P 58 et qui sont implémentées dans le l’outil PACT-Performance Assessment Calculation Tool.

Finalement, les courbes de vulnérabilité disponibles dans l’outil PACT ont permis d’évaluer l’aspect économique associé au niveau de dommage attendu en cas d’un séisme d’une intensité donnée. Donc, le coût de réparation par rapport au prix original et le nombre de jours requis pour la réparation de chaque CNS ont été évalués pour chaque période de retour. D’autre part, le niveau de risque évalué avec la méthode du CSA S832 a permis de prioriser la mise en œuvre des stratégies d’atténuation des effets du séisme, sans pour autant donner des informations sur le degré de dommage attendu lors d’un séisme.