Développement et optimisation de la conception de voussoirs de tunnels préfabriqués ultra-durables en béton armé d'armature en matériaux composites de PRF

Dans les projets de creusement de tunnels routiers, de métros ou de chemins de fer au Québec et en Amérique du Nord, la longueur ou la spécificité du terrain nécessitent souvent l’utilisation d’un tunnelier comme dans le cas de construction actuelle du Réseau Express Métropolitain (REM) à Montréal. Le tunnelier est une machine qui permet de percer les tunnels en creusant la roche ou le sol. En même temps qu’il creuse, le tunnelier pose des éléments préfabriqués en béton armé appelés voussoirs, qui tapissent la paroi. A l’intérieur de la machine, les voussoirs en béton préfabriqué sont stockés et installés au fur et à mesure de sa progression par un érecteur. Les voussoirs en béton préfabriqué déposés sur la paroi du tunnel s’emboîtent pour former un anneau. Le rôle des voussoirs en béton préfabriqué dans les tunnels est essentiel car il assure la stabilité des parois et la sécurité des usagers. Les voussoirs en béton préfabriqué utilisés présentement dans le monde entier sont armés d’armature d’acier qui malheureusement se dégradent rapidement dans les conditions de sites corrosives (sels de déglaçage, gel-dégel, eaux souterraines agressives, milieu marin, etc.) à cause de la corrosion d’acier et nécessitent des centaines de millions de dollars de dépenses annuelles en réparation et entretien. Une solution efficace à ce problème de corrosion consiste à remplacer les armatures d’acier par des barres non corrodables de polymère renforcé de fibres (PRF). Ce projet vise l’optimisation des voussoirs de tunnels en béton armé de PRF dans le but d’améliorer leur durée de vie utile et de diminuer substantiellement le coût de leur entretien comparativement aux systèmes structuraux traditionnels utilisant l’armature d’acier. Les activités de recherche comportent des études expérimentales en laboratoire sur des prototypes de voussoirs en béton renforcés de PRF et des modélisations analytiques. Les paramètres significatifs suivants affectant le comportement à la flexion sous charges statiques et cycliques, au poinçonnement et à la poussée du tunnelier des voussoirs seront étudiés : le type de renforcement, le taux d’armature, l’intensité des charges, la résistance du béton, et la distribution du renforcement en cisaillement. De plus, ce projet de recherche comprend l’utilisation d’une large gamme de bétons à haute performance afin d’optimiser le comportement, la construction et la durabilité de tels voussoirs de tunnels préfabriqués. Ce projet permettra de développer de nouvelles équations et modèles analytiques pour prédire efficacement le comportement structural de voussoirs en béton renforcés de PRF et faire des recommandations de dimensionnement pour l’utilisation des PRF comme armature de renforcement. Les résultats de cette recherche novatrice permettront la réalisation de plusieurs projets de tunnels au Québec dont le 3e lien entre les villes de Lévis et Québec et au Canada dans les années à venir. Ce projet va permettre la formation de 20 personnels hautement qualifiés incluant 4 étudiants de 3e cycle, 3 étudiants de 2e cycle, 4 chercheurs postdoctoraux et 6 étudiants de 1er cycle.