Numéro d'été — août 2006

Prendre le pouls des constructions

La prochaine fois que vous circulerez sur un pont ou marcherez dans un grand édifice, pensez quelques instants au peu de choses que nous savons de la solidité de ces constructions. On peut les inspecter de l’extérieur, mais les contraintes et les forces internes qui s’exercent sur
leur charpente demeurent presque impossibles à mesurer de manière pratique. Si les choses tournaient mal, une catastrophe pourrait se produire sans prévenir.

Les constructeurs – tout comme nous tous –vivent avec cette incertitude depuis que la construction de bâtiments existe. Une physicienne de l’Université d’Ottawa, Xiaoyi Bao, contribue toutefois à nous faire entrer dans une nouvelle ère, où les constructions nous renseigneront beaucoup mieux sur leur état, nous indiquant si elles sont solides et sûres ou sur le point de s’effondrer.

L’information proviendra de capteurs perfectionnés enfouis dans les matériaux de construction comme le béton ou les composants métalliques. Ces capteurs sont constitués de fibres optiques qui transmettent des signaux, tout comme ils le font pour les communications téléphoniques ou par Internet, mais qui réagissent aux forces qui s’exercent dans la construction environnante. Grâce à la surveillance constante des forces, les données obtenues peuvent prévenir des changements assez importants pour causer de graves dommages.

Cette technique existe déjà et elle est utilisée dans des sites expérimentaux un peu partout en Amérique du Nord, notamment au pont de la Confédération qui relie le Nouveau-Brunswick et l’Île-du-Prince-Édouard. L’incapacité des capteurs de localiser le problème qu’ils peuvent détecter en a cependant limité l’utilité.

Mme Bao tente depuis plus d’une décennie de corriger cette lacune. Ses efforts d’avant-garde ont amélioré de façon spectaculaire la capacité des relais à fibres optiques de réunir de l’information sur le moment et l’endroit où des changements surviennent dans une construction. Ses travaux ont d’ailleurs retenu l’attention d’universitaires et d’entrepreneurs partout dans le monde, qui veulent participer à des projets de construction qui continuent à fournir de l’information longtemps après la fin de la construction initiale.

L’entretien des oléoducs et des gazoducs dans le Grand Nord canadien fait partie des projets les plus importants. Le glissement du pergélisol dans l’Arctique peut endommager des sections des conduits les plus robustes, ce qui cause des perturbations coûteuses de l’approvisionnement. Les entreprises chargées de l’entretien de ces lointaines installations sont très désireuses de connaître à l’avance exactement où et quand des problèmes risquent de surgir.

C’est ainsi que l’an dernier, Mme Bao s’est retrouvée dans une installation éloignée au nord de l’Alberta, où ces entreprises font l’essai de conduits. Elle leur a fait la démonstration d’une solution de rechange aux « tensiomètres », ces fils enroulés à intervalles réguliers autour du métal, que l’industrie a l’habitude d’utiliser. Les lectures obtenues ne sont pas qu’intermittentes, il faut aussi calculer des moyennes pour toute la longueur du conduit, ce qui complique la tâche de déterminer les endroits où un entretien peut s’imposer.

Par comparaison, Mme Bao et ses collègues ont fait courir une série de lignes à fibres optiques le long d’un conduit sous tension. De cette manière, les déformations structurelles ont été isolées à moins de cinq centimètres dès qu’elles ont commencé à se former, démontrant ainsi la faisabilité d’un système d’alarme qui pourrait courir tout le long du pipeline.

« Le tensiomètre se trouve en un endroit seulement; il ne va pas donner toutes les données, dit Mme Bao. Par contre, notre système continu le fait et rend compte de l’état de toute la construction, dit-elle. Le défi est considérable, mais il vaut la peine d’être relevé. »

Titulaire de la chaire de recherche du Canada en fibre optique et photonique depuis 2003, Mme Bao a créé un laboratoire où travaillent de nombreux étudiants de deuxième et troisième cycles, des boursiers d’études postdoctorales et des adjoints de recherche qui, à l’aide d’appareils très diversifiés, examinent différents moyens d’envoyer des signaux lumineux dans les réseaux à fibres optiques. Grâce à l’aide du CRSNG et de la Fondation canadienne pour l’innovation, elle est devenue un membre à part entière d’une communauté de chercheurs aux aspirations semblables partout au pays.

Mme Bao est un membre actif du Réseau des centres d’excellence voué aux innovations en structures avec systèmes de détection intégrés (ISIS). Elle a participé aux programmes du Centre qui ont trait à la surveillance des capteurs à fibres optiques installés dans un pont au New Hampshire et dans la tour de refroidissement d’un réacteur nucléaire près de Trois-Rivières, au Québec, ce qui permet d’étudier le comportement de ces constructions à un niveau de détail inégalé jusqu’à maintenant.

En fait, les réalisations de Mme Bao ont été tout particulièrement satisfaisantes pour le président d’ISIS, Aftab Mufti, qui se souvient de lui avoir demandé de faire partie du Réseau à la fin des années 1990.

« C’est une experte reconnue de l’optique, mais ce sont ses connaissances sur le génie civil et le comportement des matériaux–comment des constructions s’effondrent, se détériorent et vieillissent–qui me plaisent surtout », dit-il.

David Lau, professeur de génie civil à l’Université Carleton, qui fait partie des chefs de file du programme de surveillance du pont de la Confédération, admire, comme M. Mufti, le travail de Mme Bao. Il collabore maintenant avec elle à la création d’un laboratoire qui étudiera comment la prochaine génération de systèmes de surveillance pourrait suivre l’effet des mouvements sismiques sur les composants des bâtiments, par exemple les poutres.

« Pour progresser, il faut trouver des solutions différentes à des problèmes difficiles », dit M. Lau, en parlant des exigences de ce type de recherche multidisciplinaire. « C’est parce que nous venons souvent de milieux très différents que nous saisissons les avantages que peut offrir une collaboration comme la nôtre. »

Selon Mme Bao, « il est très difficile de passer des expériences à la pratique ». Elle explique qu’il est beaucoup plus complexe de surveiller le comportement non linéaire de constructions installées que tout ce qui peut se faire en laboratoire. « Une fois qu’on a compris la physique, toutefois, on peut optimiser les systèmes. Le reste n’est que mathématique. »

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