Building better bridges

Construire de meilleurs ponts

Le Réseau de recherche ISIS Canada fournit aux ingénieurs civils des outils plus intelligents pour la construction, la réfection et la surveillance des structures
10 novembre 2009
Chad Glowak, ingénieur d
Zoom

Chad Glowak, ingénieur d'études chez ISIS (à gauche), Aftab Mufti, président d'ISIS (au centre), et Evangeline Murison, directrice du centre de ressources.
Tamara Nathaniel

(reproduit avec l’autorisation de ResearchLIFE, numéro d’été 2009, Université du Manitoba, umanitoba.ca/research)

C’est en 1952 qu’Aftab Mufti, un garçon de 12 ans habitant à Karachi, au Pakistan, a commencé à construire des ponts. Cet été-là, sa mère avait fait un potager et pour l’aider à l’arroser, Aftab et son frère aîné Mehtab avaient creusé un canal qui reliait l’étang de leur cour arrière à la parcelle de terrain. Toutefois, comme la rigole s’asséchait souvent, les enfants se relayaient pour y verser de l’eau avec le seul seau qu’ils possédaient.

Un jour, le garçon, qui s’ennuyait, a assemblé des pierres, des brindilles et de la boue et il a construit un pont que son frère a ensuite essayé de détruire en l’inondant. Jour après jour, la même scène se répétait, les deux enfants s’amusant à construire et à détruire des ponts. Aftab étudiait les défauts de conception de ses créations et ne cessait d’y apporter des améliorations. Des années plus tard, encouragé par son père, il s’est orienté vers une carrière en génie civil. Il est aujourd’hui président d’ISIS Canada, un groupe de 150 chercheurs provenant de 15 universités canadiennes à l’origine de changements de paradigme dans le secteur de la recherche en génie civil.

Pendant qu’Aftab Mufti jouait dans sa cour, Urs Meier, en Suisse, passait ses étés avec sa grand-mère qui avait côtoyé, à l’école élémentaire, le célèbre ingénieur en bâtiment Othmar Ammann. Le soir, au coucher, au lieu de lui lire des contes, la grand-mère lui racontait des anecdotes sur l’ingénieur, lui montrant des images des ponts qu’il avait construits. Fasciné par cet univers, Urs Meier décida d’étudier à la même université qu’Othmar Ammann – le Polytechnikum de Zurich. Des années plus tard, en 1988, après avoir étudié dans des laboratoires américains, il rentre dans son pays natal habité d’une idée qui attirera l’attention d’Aftab Mufti : grâce à l’utilisation de nouveaux matériaux qu’on appelle des polymères renforcés de fibres (PRF), il a le projet de construire au-dessus du détroit de Gibraltar un pont doté d’une seule portée de 8,4 kilomètres de long (les méthodes classiques limitent la portée d’un pont à 4 kilomètres.)

« Ce projet a tellement stimulé notre réflexion que nous sommes allés rencontrer Urs Meier. Il était sur la bonne voie, déclare Aftab Mufti. Vous voyez, il affirmait que ces nouveaux matériaux dureraient longtemps, à l’intérieur comme à l’extérieur du béton. Alors nous étions très intéressés. Outre la fascination qu’exerçait sur nous cette innovation, nous voulions savoir comment il utilisait ce matériau et comment le Canada pourrait adopter cette nouvelle manière de faire les choses. C’est ainsi qu’ISIS a vu le jour. »

ISIS – le Réseau de recherche du Canada Innovations en structures avec systèmes de détection intégrés – a toujours eu son siège social à l’Université du Manitoba et, depuis 2000, c’est Aftab Mufti qui en dirige les destinées. À son retour de Zurich, il a demandé à la Société canadienne de génie civil de former un comité technique sur les matériaux composites évolués pour les ponts et les structures. Elle a accepté et l’a nommé président du comité. Celui-ci a pris de l’expansion et est devenu, en 1995, le Réseau de recherche du Canada ISIS, se joignant aux Réseaux de centres d’excellence financés par le gouvernement fédéral. Ces centres reçoivent du financement pendant une période maximale de 14 ans, échéance qu’ISIS a atteint cette année. Alors, à ce jour, qu’a-t-il accompli et comment se présente son avenir?

Il y a 20 ans, aucun Canadien n’étudiait l’utilisation de PRF pour les ouvrages de génie civil. Aujourd’hui, plus de 200 chercheurs travaillent dans ce domaine. L’organisme maintenant connu sous le nom d’ISIS a participé à au moins 150 chantiers faisant appel à ces matériaux : le premier, le pont Beddington de Calgary, construit en 1993, est encore aujourd’hui en parfait état.

« Il y a 10 ans, toute initiative canadienne qui utilisait des PRF portait le logo d’ISIS, affirme Doug Thomson, ingénieur électricien et informaticien à l’Université du Manitoba et futur coprésident du centre de ressources ISIS. Maintenant, je crois qu’en raison des vastes retombées du réseau, ce n’est plus vrai. La grande majorité des projets suivent leur cours sans la participation d’ISIS, ce qui signifie que la technologie n’est plus au stade de la démonstration de principe propre à la recherche; elle fait désormais partie des outils courants qu’emploient les spécialistes des structures. »

De fait, au fil des ans, ISIS a élaboré huit manuels de conception et a joué un rôle actif au sein des comités des codes nationaux. L’un de ces codes (S6-06) prend en compte le travail de Dagmar Svecova, professeure agrégée de génie civil à l’Université du Manitoba et autre future coprésidente d’ISIS. Elle étudie des façons de remettre en état les ponts en bois, qui se comptent par centaines au Manitoba. Des gens des quatre coins du Canada l’appellent désormais pour en apprendre davantage sur le sujet.

« En ce moment, nous proposons de prendre une défonceuse, de creuser une rainure dans les longerons – poutres longitudinales –, d’y appliquer de la résine époxyde, puis des barres en PRF, et le tour est joué. On peut même le faire pendant que des usagers circulent sur le pont. »

Certains de ces ponts font partie des 60 projets de démonstration dont se sert actuellement ISIS pour convaincre l’industrie de la construction, milieu conservateur de nature, d’adopter ces nouvelles technologies. Les cultures sont lentes à changer, mais elles changent néanmoins; dans une étude d’impact réalisée en 2005, 90 % des 160 répondants ont déclaré qu’ils continueraient à utiliser les technologies d’ISIS. Pour favoriser la diffusion de ces technologies, ISIS a produit neuf modules pédagogiques maintenant employés dans des classes de 52 pays et le réseau a formé 650 étudiants.

Le logo d’ISIS figure sur 2 500 documents techniques (revues scientifiques et congrès), cinq brevets et cinq accords internationaux. Toutefois, ce qui impressionne véritablement les tiers, c’est l’esprit de collaboration d’ISIS : 150 chercheurs de 15 universités. Lors d’un congrès à Zurich l’été dernier, Urs Meier a entendu quatre collègues américains s’étonner devant cette capacité de collaboration d’ISIS. « Ils étaient surpris, précise-t-il. Mais, pour moi, cela ne faisait que confirmer ce que j’avais observé il y a 20 ans. »

L’ancienne déesse égyptienne Isis était mariée à Osiris, et le couple était tenu en très haute estime. Ce sont eux qui ont apporté la civilisation à l’humanité; ils ont inventé de nouveaux métiers et ont conçu de nouvelles méthodes pour pratiquer des activités utilitaires auparavant inconnues. Alors qu’Urs Meier avait étudié les câbles, ISIS s’est intéressé aux barres d’armature. Les tiges d’acier fréquemment employées dans les tabliers de béton (la portion du pont sur laquelle roulent vos pneus) ont une flexibilité incompatible avec le béton et ce mariage peu harmonieux finit par occasionner des fissures, puis de la corrosion, donc des réparations coûteuses. Une solution consiste à enlever l’acier du tablier et à l’utiliser plutôt sous le tablier pour relier les poutres. En 1993, ce concept a valu à Aftab Mufti le prix P.L. Pratley remis par la Société canadienne de génie civil au meilleur article sur la conception de ponts.

Il a approfondi cette idée et, en 2007, a obtenu une seconde fois le prix Pratley pour son concept de tablier constitué entièrement de polymères renforcés de fibres de verre (PRFV), un matériau léger et 10 fois plus résistant que l’acier. Puisque aucun élément de ce pont n’est sujet à la corrosion, les modèles mathématiques semblent indiquer que la structure pourrait durer 100 ans, une énorme amélioration par rapport aux 10 à 40 ans actuels.

Quand ISIS a proposé pour la première fois d’utiliser des tiges de PRFV comme barres d’armature, Urs Meier était sceptique et craignait des réactions chimiques indésirables – les environnements alcalins comme le béton peuvent affecter l’intégrité du verre. Mais après avoir enfoui les PRFV dans le béton et les avoir exposés à l’environnement durant neuf ans, ils ont prélevé un échantillon par carottage et constaté que le verre était en parfait état.

« Il ne fait aucun doute qu’ISIS est aujourd’hui un chef de file mondial dans cette discipline, indique Urs Meier. Je dirais que ces membres sont en tête du peloton depuis huit ou dix ans. Et vous savez, c’est frustrant pour moi de l’admettre, parce qu’à un certain moment, nous étions au premier rang. »

Il n’est donc pas surprenant qu’en août 2008, à titre de nouveaux experts sur ces matériaux, les chercheurs d’ISIS aient reçu du financement fédéral pour devenir un centre de ressources techniques afin d’aider d’autres scientifiques à concevoir et à réparer des structures renforcées de PRF et de PRFV.

Toutefois, ISIS ne veut pas limiter son rôle à celui de centre de ressources. Car si ces nouveaux ponts sont constitués de matériaux non corrosifs, comment déceler alors la fragilité d’une structure? À l’aide de capteurs. ISIS a inventé un nouveau terme, la civionique, pour décrire les capteurs qu’ils ont mis au point afin de surveiller l’état d’une structure.

Il existe deux grands types de capteurs : à câble et sans fil. Le capteur à câble fournit de l’information continue sur l’état de la structure et détecte immédiatement toute anomalie. Il s’apparente à un feu de circulation. Sans capteurs, les inspections de pont donnent le feu vert (tout va bien) ou déclenchent un feu rouge (le pont a échoué la vérification, il faut le fermer). Les capteurs à câble font office de feu orange – ils signalent certains défauts nécessitant une attention immédiate. Les capteurs sans fil, auxquels Doug Thomson travaille, peuvent, après une installation simple et peu coûteuse, fournir des instantanés sur les données de référence. Le chercheur les compare aux cordes d’une guitare. En grattant les cordes, on peut juger de l’état de l’instrument. La même idée s’applique à ces capteurs qui détectent tout déplacement; quand une partie du pont bouge, cela modifie la forme du capteur, dont la tonalité change quand il reçoit une pulsation – un « grattement » électromagnétique si l’on veut. Si une partie du pont présente des défaillances, « l’air » joué par le capteur nous en informera.

Le Canada possède peu de données sur la question, mais aux États-Unis, on a établi qu’environ 20 000 ponts sont structurellement défectueux, c’est-à-dire incapables de transporter les charges pour lesquelles ils ont été conçus. De ces 20 000 ouvrages, Doug Thomson affirme que seulement 40 ont été l’objet de vérifications. Les autres se sont retrouvés sur la liste à la suite d’inspections visuelles et de calculs. Toutefois, si on était en mesure d’évaluer un pont et de déclarer en toute confiance que sa durée de vie utile est cinq ans plus longue que ce qu’on prévoyait, alors, pour chaque pont, on économiserait des millions de dollars en travaux de réfection inutiles.

« Aux États-Unis seulement, on estime, en s’appuyant sur des données prudentes, que l’augmentation de la durée de vie utile des ponts grâce à l’installation de capteurs permettrait d’économiser au moins 10 milliards de dollars en réparations inutiles. C’est un choix facile à défendre », poursuit Doug Thomson.

Néanmoins, les capteurs n’ont pas encore été adoptés à grande échelle. Aftab Mufti croit cependant que cela va changer au fur et à mesure que des diplômés d’ISIS investiront le domaine.

« Je crois que le legs le plus précieux que laissera ISIS sera ses 650 employés hautement qualifiés parce que ces gens sont des rejetons d’ISIS et qu’ils commenceront à appliquer ces idées dans tous les domaines d’ingénierie. Que demander de mieux? » ajoute-t-il.

Au Canada, ISIS est un chef de file dans le secteur du monitorage. Le centre surveille déjà des ouvrages dans la région manitobaine et il a les compétences pour offrir ce service à l’échelle nationale. De fait, ISIS espère que son nouveau rôle sera celui de centre national de monitorage de l’état des structures. À l’instar de la Colombie-Britannique qui abrite TRIUMF, le laboratoire national pour la recherche en physique nucléaire et en physique des particules, et de l’Alberta, où se trouve l’Institut national de nanotechnologie, peut-être le Manitoba possédera-t-il un jour son propre centre national de monitorage de l’infrastructure canadienne issu d’ISIS. En suivant de près comment se comporte une structure, non seulement on économise sur les réparations, mais cela permet aussi aux ingénieurs d’avoir accès à des données sur lesquelles ils s’appuient pour améliorer la conception et les matériaux.

« Les idées ne cessent jamais de circuler. Quelqu’un a une idée, la met en œuvre, puis d’autres l’améliorent. Ainsi, ISIS a lancé des idées, que d’autres ont reprises et développées », explique Aftab Mufti.

« Personne ne trouve une idée inédite. Beaucoup de gens y pensent, mais certains le font d’une manière qui leur permet de réussir. »