Centre d'études interuniversitaire des structures sous charges extrêmes (CEISCE)

Vous êtes ici

Recherche

Les travaux de recherche du CEISCE sont prioritaires pour la sécurité et l’économie du Québec. Ils permettent notamment de développer et de mettre en application de nouvelles techniques de conception, d’évaluation, de réhabilitation et de protection d’une multitude d’infrastructures critiques face aux effets des événements extrêmes (séismes, glaces et verglas, crues et inondations, températures extrêmes, vents, chocs et explosions, glissements de terrain).

   
Axe 1 - Ponts

Le réseau des ponts au Québec comprend plus de 2500 ponts à travées multiples. Un grand nombre de ces ouvrages stratégiques ont été construits avant l'avènement des normes modernes, et ont subi une détérioration significative, accélérée par le climat sévère du Québec. 

Cet axe de recherche vise à :

  1. Déterminer la vulnérabilité des ponts aux sollicitations extrêmes générées par les séismes, les chocs de véhicules, les variations extrêmes de température, et les crues,
  2. Évaluer les risques,
  3. Hiérarchiser les ponts dans un processus de réhabilitation ou de déploiement d'équipes d'inspection post-événement,
  4. Développer des solutions économiques de protection et de réhabilitation.
Thème 1.1 - Séismes

Un grand nombre des ponts au Québec n'ont pas été dimensionnés en tenant compte de l'aléa sismique de la région en raison des pratiques de conception antérieures. Ce thème vise à développer et à appliquer une stratégie globale d'évaluation et de réhabilitation sismique des ponts qui sera présentée aux autorités municipales et provinciales, incluant la détermination de la vulnérabilité et des déficiences sismiques, l'évaluation des risques, la prédiction de l'endommagement, le développement de techniques de protection et de réhabilitation économiques et la priorisation des interventions associées. Des modèles de simulation numérique seront développés et validés par des essais au laboratoire sur des spécimens à grande échelle (eg. piles, isolateurs et amortisseurs sismiques). Les méthodes et les résultats seront implémentés dans des outils novateurs de conception et d'évaluation basées sur la performance sismique, et les solutions proposées appliquées en chantier à des cas concrets.

Thème 1.2 - Crues

Les outils fiables pour évaluer la vulnérabilité des ponts aux effets des crues, surtout rapides, et les stratégies de réhabilitation ad-hoc font défaut au Québec. Les écoulements à haut débit générés par ces crues peuvent conduire à l'instabilité ou la défaillance de composants critiques (piles, culées, tabliers), et parfois l'effondrement de l'ouvrage. Ce thème vise à :

  1. développer des modèles de simulation numérique pour évaluer la vulnérabilité des ponts aux crues;
  2. développer et réaliser des protocoles d'essais au laboratoire pour valider les simulations numériques;
  3. proposer des solutions de réhabilitation anti-crues;
  4. appliquer la méthodologie proposée à des cas d'étude réels de ponts au Québec. Un indice de vulnérabilité des ponts aux effets des crues sera développé en vue d'être utilisé par les autorités municipales et provinciales comme outil d'aide à la priorisation des interventions de réhabilitation et la préparation des plans d'évacuation d'urgence.
Thème 1.3 - Chocs de véhicules

Les collisions des véhicules avec les structures de ponts peuvent compromettre la sécurité des usagers de la route et causer des pertes économiques majeures en raison des interruptions de trafic occasionnées. Ce thème vise à :

  1. développer des modèles numériques fiables pour évaluer la vulnérabilité des structures de ponts (piles et tabliers) aux impacts des véhicules et les risques associés;
  2. réaliser des essais au laboratoire sur des spécimens de piles et de tabliers de ponts à grande échelle pour valider les simulations numériques;
  3. déterminer la charge équivalente à l'impact d'un véhicule typique du trafic du Québec sur un tablier de pont, une donnée clef dans l'évaluation du risque et des conséquences, mais qui n'est pas traitée dans les normes canadiennes actuelles;
  4. proposer et tester expérimentalement des solutions de réhabilitation anticollision;
  5. développer un indice de vulnérabilité des ponts aux impacts de véhicules pour prioriser ceux à protéger.
Thème 1.4 - Basses températures et glaces

Lorsqu'exposés aux basses températures, les matériaux constitutifs et les dispositifs de protection sismique des ponts (eg. isolateurs et amortisseurs sismiques) peuvent changer de propriétés par rapport à la température de conception, et ainsi perdre leur efficacité, ou pire nuire au comportement sécuritaire de l'ouvrage. Les crues accompagnées de blocs massifs de glace en dérive peuvent intensifier les effets des chocs sur les piles et les tabliers. Ce thème vise donc à développer :

  1. des modèles de couplage thermomécanique et leur validation expérimentale pour évaluer la vulnérabilité des ponts aux effets des séismes combinés aux basses températures;
  2. un protocole expérimental pour améliorer les essais cycliques prescrits par la norme CSA-S6 afin de qualifier les systèmes de protection sismiques sous basses températures;
  3. des modèles de simulations multiphysiques pour évaluer l'effet des blocs de glace en dérive lors des crues sur l'intégrité structurale des ponts.
Axe 2 - Bâtiments résidentiels et à bureaux

Les bâtiments résidentiels et à bureau au Québec sont exposés à une multitude d'aléas menaçant leur intégrité structurale, incluant notamment les séismes, le vent et la neige. Ce thème a pour but de mettre en commun les expertises complémentaires des chercheurs du CEISCE pour évaluer la vulnérabilité structurale de cette catégorie importante de bâtiments face aux aléas étudiés, et proposer des solutions de réhabilitation à la fois novatrices et économiques. Les méthodes de conception et de réhabilitation seront développées en étudiant, numériquement et expérimentalement, non seulement la déformabilité et la résistance d'une composante structurale à la fois (eg. une zone critique d'un mur, une toiture), mais également la compatibilité des déformations et la redistribution des efforts dans l'ensemble du bâtiment sous sollicitations tridimensionnelles (3D). Les objectifs spécifiques de performance structurale et de réhabilitation seront reliés aux niveaux d'aléas anticipés au Québec.

Thème 2.1 - Séismes

Les structures relativement rigides, telles que les bâtiments multiétages avec murs de refend en béton armé, ou de faible hauteur en acier ou en maçonnerie, réagissent fortement aux séismes au Québec. Il existe encore beaucoup d'incertitudes quant à la conception et à la réhabilitation sismique de ces structures. Dans ce thème, le CEISCE poursuivra la réalisation d'essais à grande échelle des systèmes structuraux identifiés ci-dessus sur table vibrante ou par simulation hybride spécimen-modèle. On vise à :

  1. développer des modèles numériques pour simuler adéquatement le comportement non linéaire;
  2. obtenir des données expérimentales de spécimens à grande échelle;
  3. développer des techniques de réhabilitation économiques (eg. chemisage par matériaux composites, contreventements dissipateurs d'énergie, bercement contrôlé);
  4. améliorer les détails de conception et de réhabilitation sismiques optimisés de ces systèmes structuraux et les consigner dans des lignes directrices.
Thème 2.2 - Vent

Les dernières années ont connu une recrudescence et une récurrence croissante de vents violents dans plusieurs régions du Québec. Ces vents sont critiques pour l'intégrité structurale des bâtiments résidentiels et à bureaux de grande hauteur, mais aussi ceux présentant une configuration irrégulière, indépendamment de leur hauteur. Dans ce thème, les chercheurs du CEISCE collaborent à diminuer les incertitudes reliées aux charges de vent sur les bâtiments, et à améliorer et simplifier leur calcul selon le Code National du Bâtiment (ce calcul est en effet complexe et souvent imprécis dans le cas de bâtiments irréguliers. Ces travaux se basent sur les résultats expérimentaux d'essais en soufflerie, et sur des modèles avancés de dynamique des fluides que les chercheurs développeront pour tenir compte des interactions vent-bâtiment et de l'irrégularité géométrique. Une importance particulière sera donnée à la résistance au vent des revêtements extérieurs et des toitures des bâtiments.

Axe 3 - Bâtiments prioritaires

Dans cet axe, les chercheurs du CEISCE poursuivront leurs travaux sur l'élaboration d'un programme d'évaluation de la vulnérabilité des bâtiments prioritaires au Québec (eg. écoles, hôpitaux, casernes de pompiers, postes de police, centres d'hébergement d'urgence) et leur réhabilitation face aux aléas des séismes, du vent et de la neige. La plupart de ces ouvrages critiques doivent demeurer fonctionnels pendant et après un événement extrême. Les travaux de recherche déboucheront sur des outils d'aide à la décision priorisant les réhabilitations des bâtiments sensibles selon leur niveau de vulnérabilité. Une carte interactive intégrant les résultats obtenus sera produite pour Montréal et Québec. Des guides de pratique sur l'optimisation de la réhabilitation des bâtiments prioritaires seront développés et présentés lors d'ateliers au profit des ingénieurs et architectes dans différentes régions du Québec, ainsi qu'aux ministères concernés (éducation, transports, sécurité publique).

Thème 3.1 - Séismes

Le CEISCE poursuivra la mise au point d'une stratégie de réhabilitation sismique des écoles et des bâtiments prioritaires basée sur la prédiction de leur performance en fonction du niveau d'aléa sismique anticipé. La priorisation des bâtiments à réhabiliter se base sur l'analyse des données récoltées sur leur configuration structurale (matériaux, géométrie) et la microzonation sismique. Plus d'une centaine d'écoles de la région de Montréal, du centre du Québec, et des Cantons de l'Est ont déjà été évaluées. Un programme expérimental d'envergure sera poursuivi pour mieux caractériser le comportement des bâtiments de petites à moyenne hauteur, en réalisant des essais sismiques sur différentes composantes structurales (eg. cadres non ductiles et murs en maçonnerie ou en béton armé). Les résultats de ces essais serviront à valider des modèles numériques plus précis pour évaluer la vulnérabilité sismique des bâtiments priorisés et optimiser les réhabilitations appropriées.

Thème 3.2 - Vent

Les écoles et les hôpitaux ont souvent des configurations structurales irrégulières, pouvant les rendre vulnérables aux effets du vent. Cette problématique particulière est abordée par cette recherche, connexe au thème 2.2. L'évaluation expérimentale et numérique des pressions du vent s'exerçant sur les bâtiments de forme irrégulière se poursuivra pour fournir des recommandations sur la conception durable et la réhabilitation des écoles et des hôpitaux face au vent. Il est prévu de réaliser une série d'essais en soufflerie pour un certain nombre de configurations afin d'identifier les tendances et établir dans quelle mesure les normes actuelles sont valables en fonction des formes irrégulières testées. Une attention particulière sera dédiée aux effets de la torsion induits par le vent, un comportement critique encore mal compris. Le CEISCE se penchera également la vulnérabilité des toitures des bâtiments prioritaires aux effets du vent et leur réhabilitation économique et durable.

Thème 3.3 - Neige et verglas

On chiffre à près de 3 milliards de dollars le coût de la tempête de verglas de 1998 au Québec. De cette tempête, on se souvient principalement des effondrements en chaîne des pylônes des lignes de transport d'électricité. Ce qui est moins connu, c'est que durant la tempête de verglas, la résistance ultime des toitures de plusieurs écoles et arénas servant d'abris était pratiquement atteinte en raison de l'augmentation des charges de neige et de pluie. Quelques effondrements et endommagements d'abris critiques ont même été observés. Ce thème de recherche vise principalement à réévaluer les charges et les facteurs de sécurité actuellement prescrits dans le Code National du Bâtiment pour les calculs des surcharges de neige et de verglas exceptionnelles.

Axe 4 - Bâtiments industriels

Les bâtiments industriels en acier à faible hauteur (BAFH) avec toit métallique constituent une grande portion des bâtiments commerciaux en Amérique du Nord. Ils incluent la majorité des bâtiments commerciaux, usines, entrepôts, centres commerciaux, centres de traitement des eaux, chevalements de mines, etc. de 1 à 3 étages. Le récent rapport du GIEC (2018) indiquait qu'ils constituent la catégorie avec les plus lourdes pertes économiques en cas d'événements extrêmes, comme les vents ou les séismes. 

Dans cet axe de recherche, les chercheurs viseront à développer des méthodes de conception innovantes (analyse des causes structurales des dommages, modification aux codes et développement de systèmes de contrôle) pour réduire les impacts des vents et des séismes sur les BAFH. Ils étudieront aussi, expérimentalement et numériquement, les effets du froid sur la résilience de ces structures, qui sont encore très mal cernés et qui touchent particulièrement le Québec avec ses hivers rigoureux.

Thème 4.1 - Séismes et vent

La résistance de ces structures aux charges latérales dynamiques induites par le vent et les séismes dépend de l'effet diaphragme du toit, et il n'existe actuellement que très peu d'information sur leur comportement dynamique. Ce thème du CEISCE porte sur la caractérisation des propriétés dynamiques des BAFH. Les travaux comprendront des essais dynamiques sur plusieurs BAFH construits au Québec pour améliorer la prévision des charges sismiques selon le Code national du bâtiment et pour valider les modèles numériques. Des simulations numériques exhaustives seront ensuite réalisées pour développer des règles de conception reflétant le comportement des BAFH, incluant les effets de la flexibilité des diaphragmes de toit. Ces travaux conduiront à des bâtiments plus économiques tout en optimisant leur résistance aux charges dynamiques.

Thème 4.2 - Basses températures

Au Québec, il est important de concevoir et d'évaluer le comportement sismique des structures en tenant compte des basses températures. Dans ce thème, les chercheurs étudient la capacité en ductilité des composants en acier des bâtiments industriels sous sollicitations sismiques à très basse température. Des études antérieures limitées suggèrent que les températures froides peuvent affecter considérablement la ductilité des composantes en acier. Un programme de plusieurs types d'essais sur des spécimens en acier soumis à de très basses températures sera réalisé. Aussi, le fonctionnement des équipements de protection sismique (isolateurs et amortisseurs) peut être affecté par les basses températures. L'adaptation de ces équipements aux conditions climatiques sévères doit être validée pour assurer des niveaux de performance adéquats. Des essais statiques et dynamiques de caractérisation du comportement sismique des structures avec différents systèmes d'isolation sismique seront réalisés.

Axe 5 - Barrages en béton et structure connexes

Les aménagements hydrauliques revêtent une importance sociale et économique majeure au Québec. La Loi sur la sécurité des barrages, entrée en vigueur en 2002 suite aux inondations du Saguenay (1996), oblige les propriétaires de ces ouvrages à évaluer régulièrement leur comportement sécuritaire, notamment sous l'effet des séismes et des crues.

Cet axe de recherche vise à consolider la grande expertise qu'ils ont développée dans ce domaine, en remédiant aux carences persistantes dans le processus d'évaluation fiable de la sécurité des barrages et des structures connexes et leur réhabilitation. À cet effet, des outils d'avant-garde et des lignes directrices seront développés en se basant sur :

  1. un large éventail de méthodes numériques adaptées aux besoins de l'ingénieur;
  2. des essais au laboratoire sur des spécimens de composants critiques;
  3. des données récoltées directement sur des sites de barrages (eg. essais dynamiques in situ, LiDAR).
Thème 5.1 - Séismes

Ce thème de recherche se concentre sur l'évaluation et la réhabilitation sismiques des barrages et des structures critiques connexes (eg. tours de levage des vannes, évacuateurs de crue). On vise notamment à :

  1. améliorer et normaliser les évaluations sismiques des barrages, en développant de modèles de simulation avancée (éléments finis ou discrets) tenant compte des interactions barrage-réservoir-fondation, de la fissuration du béton, des glissements aux joints, des couplages hydromécaniques, des effets 3D, et des divers mécanismes de dissipation d'énergie;
  2. développer des techniques de réhabilitation (eg. renforcement en acier ou câbles de post-tension);
  3. développer et appliquer des protocoles d'essai novateurs (eg. sur table vibrante ou par simulation hybride spécimen-modèle) sur des spécimens de composants critiques de barrages et de structures connexes en vue de valider les modèles numériques et évaluer la performance des techniques de réhabilitation proposées.
Thème 5.2 - Crues

Les champs de pression et les forces associées aux écoulements d'eau submergeant les barrages en béton sont traditionnellement déterminés en utilisant des méthodes simplifiées ou empiriques, pouvant négliger les effets des irrégularités géométriques 3D, de l'interaction fluide-structure et de la présence des débris ou de blocs de glace. Ce thème a pour objectifs :

  1. de développer des outils de simulation numérique avancée (eg. éléments de volumes 'CFD', particules sans maillage 'SPH') adaptées à l'étude des barrages submergés et tenant compte des paramètres précités;
  2. d'effectuer des validations modèle-à-modèle (efficacité, performance et précision) et/ou modèle-à-expérience des simulations développées;
  3. de coupler les analyses hydrodynamiques à ceux de la stabilité structurale des barrages afin d'évaluer leurs facteurs de sécurité au glissement en cas de crue;
  4. de développer des techniques de réhabilitation visant à réduire la vulnérabilité des barrages aux crues.
Axe 6 - Réseau de transport d'électricité

Les lignes aériennes de transport d'électricité et les postes de transformation sont des infrastructures essentielles au Québec, notamment pendant et après un événement extrême.

Cet axe de recherche vise le développement de techniques d'avant-garde de conception et d'évaluation de ces structures stratégiques en tenant compte des conditions extrêmes auxquelles elles sont exposées : les glaces extrêmes, la combinaison de vents et de glaces, les tempêtes de vent synoptiques ou locales (tornades et rafales descendantes), les bris de composants (accidentels ou actes de vandalisme), les instabilités des câbles (vibrations par détachement tourbillonnaire et galop), et les accélérations sismiques.

Ces travaux se basent sur :

  1. une évaluation probabiliste de l'aléa climatique et sismique;
  2. des modèles numériques avancés du comportement complexe des systèmes de câbles, de supports et/ou de postes;
  3. des essais in situ et au laboratoire par simulation hybride spécimen-modèle.
Thème 6.1 - Vent, verglas et séismes

La fiabilité et la sécurité du réseau de transport d'électricité nécessitent une meilleure compréhension des effets du vent, du verglas et des séismes sur le réseau, et une amélioration des méthodes de calcul en termes de précision et d'efficacité. Dans ce thème, les chercheurs du CEISCE poursuivent le développement et l'application de nouvelles méthodes avancées de simulation numérique du comportement des composants critiques (eg. pylônes à treillis, câbles, conducteurs, connexions, fondations, structures de postes). Différentes approches numériques (eg. éléments finis, éléments de volumes 'CFD', particules sans maillage 'SPH') seront introduites, appliquées à des cas réels et comparées (efficacité, performance, et précision). Les données implémentées dans les modèles seront récoltées in situ (eg. par vibrations ambiantes). Des solutions innovantes pour atténuer les effets des charges précitées (eg. amortisseurs, spirales antiaccumulation de glace) seront développées et/ou testées.

Thème 6.2 - Bris de composants

Les bris de composants peuvent occasionner des mécanismes de ruine, parfois en cascade, affectant ainsi la fiabilité d'une large portion du réseau. Par exemple, la rupture d'un conducteur génère une pulsion dynamique qui peut se propager de support en support, entraînant ainsi des défaillances en chaîne. Dans ce thème, les chercheurs du CEISCE développeront des modèles numériques originaux pour, en premier lieu, simuler et mieux comprendre la dynamique des bris de composants (incluant les non-linéarités des matériaux, paramètre négligé dans les modèles actuels), et ensuite limiter les conséquences de ces bris en introduisant des dissipateurs d'énergie et/ou des supports plutôt ductiles que résistants (eg. pylônes anti-cascades). Les modèles numériques et les techniques de protection proposés seront validés par des essais novateurs au laboratoire basés sur la simulation spécimen-modèle.

Axe 7 - Stabilité des pentes et structures souterraines

Les glissements de terrain par instabilité gravitaire, occasionnée directement ou non par des séismes, peuvent déclencher le mouvement de volumes importants de sol, et menacer l'intégrité structurale des ouvrages sur une grande étendue. Les structures souterraines de réseaux de distribution d'eau potable et d'électricité, qui ont un rôle névralgique dans la société, sont également vulnérables aux séismes. En dépit de leur simplicité, les méthodes d'évaluation sismique actuelles comportent plusieurs limitations (eg. ne tenant pas compte, ou peu, des amplifications dynamiques, des effets 3D, de l'amortissement, et de la résistance au cisaillement).

Cet axe de recherche vise à développer de nouvelles méthodes d'analyse de la stabilité des pentes, des ouvrages en remblai et des structures souterraines. Plusieurs approches seront adoptées, variant des méthodes simplifiées aux simulations avancées des réponses de site (eg. sols mous au Québec) incluant des modèles constitutifs d'avant-garde.

Thème 7.1 - Glissements de terrain

Dans ce thème de recherche, le CEISCE vise à proposer des outils performants et efficaces pour analyser les mouvements de terrain, la stabilité des talus ou des ouvrages en remblai, les effets de site, et le comportement des sols sous chargements vibratoires extrêmes reliés aux séismes et aux activités de construction. Une des approches adoptées consistera à isoler les effets des paramètres les plus influents dans ce type d'analyse (eg. période naturelle du dépôt, amplification des mouvements sismiques, contenu fréquentiel), et à les intégrer dans de nouvelles méthodes pratiques destinées aux ingénieurs. Les chercheurs du CEISCE poursuivront leurs travaux sur l'analyse du potentiel de liquéfaction des sols en cas de séisme et les conséquences sur les structures. Les lois constitutives et les simulations numériques proposées seront validées par des essais au laboratoire sur des spécimens réduits de sol (eg. caractérisation de matériaux, simulateur sismique et table vibrante).

Thème 7.2 - Structures souterraines

Ce thème se concentre sur la vulnérabilité sismique des réseaux souterrains de distribution d'eau potable ou d'électricité (RSDEE). L'impact des séismes sur l'approvisionnement en eau est en effet peu documenté au Québec. Le même constat s'applique au réseau enfoui de distribution d'électricité. L'objectif de ce thème est de combler ces carences. Les chercheurs du CEISCE collaboreront à développer des simulations numériques pour quantifier et comparer les risques de dommages et/ou de ruptures des RSDEE lors d'un séisme. Une attention particulière sera dédiée aux :

  1. facteurs influençant la probabilité de rupture d'une RSDEE;
  2. les conséquences potentielles des ruptures (individuelles ou se produisant en séquence) sur l'approvisionnement en eau potable et en électricité et leur priorisation. Plusieurs scénarios seront étudiés selon une approche probabiliste (i.e. simulations de Monte Carlo). La méthodologie sera illustrée en l'appliquant aux RSDEE de la région de Montréal.