Capsule #1 : Utilisation des forces de la nature au profit de l’ingénierie – Château d’eau en Haïti

Sujet : Construction d’un château d’eau en Haïti.Chateau

Concepteur : Olivier Girard ing. M.Sc.A.

Résumé : Utilisation des « vagues » dans le réservoir pour réduire les efforts sismiques – Idée simple – Économie 4 millions US$.

Le projet consiste à la construction d’un château d’eau dans la région de Ouanaminthe située à l’intérieur de la république d’Haïti. Le château d’eau est une portion d’un projet de traitement et de distribution d’eau potable d’une municipalité d’environ 100 000 âmes privées de cette denrée essentielle. Bien qu’il s’agisse d’un projet simple de compréhension, un défi très important en ingénierie se cache derrière cette simplicité.

En effet, l’île d’Haïti est dans une zone sismique très importante telle qu’en a fait foi le tremblement de terre du 12 janvier 2010, un évenement très malheureux faisant maintenant parti de l’histoire d’Haïti. Au niveau de l’ingénierie, l’aléa sismique (période de récurrence 2500 ans) d’Haïti fleurte avec les régions les plus sismiques du globe. À titre indicatif, l’accélération spectrale de design des faibles périodes varie entre 1,5 g à 2,0 g sur l’île d’Haïti. Seules quelques régions du globe possèdent des accélérations spectrales de design plus élevées (Japon : de l’ordre de 2,0 g et le Chili : de l’ordre de 2,3 g). À titre de comparaison, l’île de Vancouver qui est la région canadienne comportant le plus fort risque sismique (risque sismique élevé) fait pâle figure à côté d’Haiti avec « seulement » 1,2 g d’accélération spectrale de design pour les courtes périodes. La ressource suivante est très utile pour les ingénieurs responsables du design sismique : http://geohazards.usgs.gov/designmaps/ww/.

Le défi est d’autant plus important puisque les paramètres qui accentuent le risque sismique est la MASSE de la structure et la HAUTEUR de la masse par rapport au sol. Plus la masse est importante et loin du sol, plus les efforts sismiques sont grands. Dans le cas à l’étude, nous sommes en présence d’une structure qui ne pourrait être plus critique puisque pratiquement 100% de la masse, masse très importante, est située au point le plus haut du bâtiment. De plus, pour des fins de dimensionnement, puisque la structure doit assurer des services essentiels (eau potable et protection incendie), les ingénieurs doivent multiplier l’ensemble des aléas sismiques par 1,5 afin d’assurer que les services continuent sans failles suite à un évènement sismique. Finalement, le budget de construction est très limité voire inexistant !

Il va sans dire, que le défi d’ingénierie que représente ce genre de projet en est un de taille !

L’idée qui a permis de réduire substantiellement les coûts de construction est la suivante : permettre à un maximum d’eau de faire des vagues durant un évènement sismique. Pour y arriver, il faut simplement avoir un réservoir plus grand que la quantité d’eau prévue au devis. Le vide ainsi créé permettra à l’eau de faire un maximum de vagues. D’un point de vue plus technique, la quantité d’eau en mouvement dans le réservoir peut être « exclue » de la masse sismique excitée puisque cette dernière est excitée suivant une période de vibration très longue, période de vibration qui n’est pas critique lors d’un séisme. Il s’agit d’un avantage important puisque nous réussissons à diminuer la masse effective de la structure et il s’agit d’un principe analogue à l’isolation à la base. La norme AWWA-D100 possède des outils très pratiques afin de déterminer le pourcentage d’eau qui fera une vague et la période de vibration de la vague en fonction des dimensions du réservoir.

L’idée est simple, mais il fallait y penser.

Nous avons préparé un vidéo très simple qui permet de bien comprendre l’impact d’un réservoir à moitié remplie vs un réservoir plein. Dans le cas présenté, il s’agit d’une même bouteille d’eau, l’une complètement remplie et l’autre avec un vide substantiel dans la bouteille. Les vagues dans une des deux bouteilles permettront de stabiliser la bouteille lors d’une excitation (une poussée). Il s’agit de phénomène connexe mais pas tout à fait identique à celui utilisé pour le réservoir d’eau. Bien entendu, le vidéo n’a pas l’objectif de faire une démonstration scientifique exhaustive mais de démontrer les interactions possibles entre les structures et les fluides.