L’objectif de l’analyse du comportement structural d’une coque mince en béton tel que le canoë est de mieux comprendre le comportement du canoë de béton sous les cas de chargement auxquels il est soumis et de déterminer des critères de conception. La compréhension de son comportement permet ensuite l’optimisation de ses performances.

La modélisation a permis de comprendre comment le canoë réagit sous les chargements statiques. Les deux cas de chargement sur appuis simples démontrent que le canoë réagit longitudinalement comme une poutre en U à inertie variable et soumise à des charges de flexion. Dans cette direction, la coque agit comme une membrane soit en traction ou en compression. Dans la direction transversale, le canoë ouvre sur appuis simples à l’endroit et se referme sur appuis simples à l’envers. La coque agit alors en flexion transversale, soit l’intérieur ou l’extérieur de la coque en traction et l’autre en compression. Il est intéressant de noter que les contraintes et déformations sur appuis simples à l’envers sont beaucoup plus faibles que dans le cas de chargement à l’endroit. Le cas de chargement sur appuis simples à l’envers n’est donc pas nécessaire pour la conception d’un canoë. Le comportement du canoë sous les cas de chargements à deux et quatre rameurs ressemble aux cas de chargement sur appuis simples, mais avec une charge répartie qui représente la pression hydrostatique. Le canoë se comporte encore comme une poutre en U sur appuis simples, mais avec un chargement réparti variable sur la longueur. Dans les deux cas, le canoë est en flexion longitudinale négative et en flexion transversale positive. Les contraintes et les déformations sont du même ordre de grandeur que le cas de chargement sur appuis simples. Dépendamment du poids du canoë et des rameurs, n’importe lequel des cas de chargement peut être critique. Ici, c’est le cas de chargement à deux rameurs qui est le plus critique.

Les analyses par éléments finis permettent alors de bien comprendre le comportement du canoë et de ses sous-structures. Les membrures influencent grandement la rigidité transversale du canoë. Le cheminement des contraintes est également influencé par la présence des membrures. La compréhension de l’influence de chacune des sous-structures sur le comportement du canoë permet d’optimiser la masse et la rigidité du canoë.

Dans le cas où les formes ou les propriétés des matériaux sont différentes, les analyses doivent être recommencées pour déterminer les nouvelles contraintes et déformations, mais le comportement général restera similaire. Les analyses par éléments finis permettent alors d’optimiser les performances (la masse) du canoë.

L’optimisation de la masse du canoë est grandement fonction des propriétés des composites et du béton. La conception des bétons a permis de développer deux mélanges performants, soit un pour la coque et un pour les membrures. Ces deux mélanges possèdent de bonnes propriétés mécaniques en fonction de leur faible densité. Dans la conception d’une coque mince, la résistance en traction est très importante. L’ajout de microfibres de carbone dans le mélange a permis d’augmenter grandement la résistance en traction. Toutefois, les microfibres diminuent beaucoup la maniabilité du béton frais. Le volume maximal de microfibres qui peut être ajouté au mélange est de 1% pour la coque et de 2% pour les membrures. Ces deux mélanges ont ensuite servi de matrice pour les composites.

Les essais réalisés sur les composites permettent de déterminer les propriétés physiques et mécaniques qui seront utilisées dans la conception du canoë. Deux essais sont nécessaires afin de bien caractériser les composites, soit l’essai de compression ASTM C 39 et l’essai de flexion en quatre points ASTM C 1018. Ces essais permettent de déterminer les propriétés utiles à la conception, soit le module élastique, la limite élastique et la résistance ultime pour la traction et la compression. L’essai de traction n’est pas considéré car ses résultats sont trop variables.

La loi de comportement pour les composites utilisés est déterminée en fonction des essais. Les résultats ont démontré que les composites utilisés peuvent être considérés linéaires élastiques et isotropes avant l’apparition de fissures. Les composites utilisés sont isotropes car le volume de fibres continues est inférieur au volume de fibre minimum. Les propriétés mécaniques sont donc identiques peu importe la direction des fibres. Dans le cas où le volume de fibre minimum serait excédé, les propriétés mécaniques devraient alors être déterminées en fonction de l’angle des fibres continues.

Les fibres continues créent des plans de faiblesse dans les composites car l’adhérence n’est jamais parfaite entre les tissus et le béton. Il serait intéressant de développer un mélange et une technique de mise en place qui permettrait d’enlever les tissus d’armature et de les remplacer par des bétons comprenant des microfibres et des macrofibres. Les macrofibres joueraient alors le rôle des fibres continues, soit de reprendre les efforts une fois que la première fissure est apparue, pour ainsi ajouter de la ductilité et de la ténacité au composite.

Afin de vérifier le modèle, le canoë de béton Apogée 2002 fut soumis à des essais in-situ . Les cas de chargement effectués sont les mêmes que dans les analyses par éléments finis. Les déformations mesurées au cours des essais ont démontré une grande similitude entre le comportement réel du canoë et de ses sous-structures et celui prédit par le modèle. Le comportement et l’intensité des déformations pour chaque cas de chargement sont similaires aux analyses par éléments finis. Il est alors possible de confirmer que les analyses du comportement réalisées par éléments finis sont valides et correspondent bien à la réalité.

Pour compléter les analyses, des essais dynamiques ont été réalisés sur le canoë de béton Apogée 2002 . Les essais consistent à représenter le canoë en situation de course à deux rameurs. Les essais ont démontré que les coups de rame provoquent une amplification des contraintes peu élevées pour la majorité de la coque et des sous-structures. Les essais montrent également que les virages à 180° engendrent une faible augmentation des contraintes. Ces essais permettent alors de trouver le facteur d’amplification des contraintes à utiliser pour tenir compte des effets dynamiques lors des courses à deux rameurs. Un facteur d’amplification de 1,25 doit être appliqué pour l’ensemble du canoë sauf la membrure 4 où le facteur d’amplification doit être de 1,8.

Le canoë possède des comportements locaux causés par des charges concentrées. Les genoux des rameurs produisent un champ de contraintes assez important sur la coque. Des essais in-situ ont permis de déterminer ce champ de contraintes afin de déterminer quelle doit être la résistance de la coque autour du genou d’un rameur. Les essais montrent que la coque doit résister à des contraintes de 4 MPa tant en traction qu’en compression.

Les analyses par éléments finis, l’expérience et les essais in-situ ont permis de déterminer les critères de conception de déformation. Afin que le canoë soit efficace en course et qu’il ne se fissure pas, il est démontré que le canoë ne doit pas subir de trop grandes déformations transversales ou longitudinales. Les critères de déformation établis doivent respecter une déformation transversale inférieure à 5 mm et une flèche inférieure à 5 mm.

Le comportement du canoë est maintenant mieux compris, les recherches futures pourraient approfondir certains points qui sont moins bien optimisés. Dans un premier temps, des essais supplémentaires en régime dynamique pourraient être effectués avec quatre rameurs pour voir si ce cas de chargement peut être plus critique. En deuxième lieu, c’est l’optimisation du canoë et de sa masse qui est le sujet le plus chaud. Des recherches futures pourraient s’orienter vers une amélioration des propriétés des composites. Entre autres, il serait intéressant d’introduire des macrofibres de carbone dans le but de remplacer les fibres continues qui servent à assurer la ductilité et la ténacité du composite. De plus, le contrôle de la qualité du composite, et particulièrement de l’épaisseur de la coque, devrait être amélioré car un mauvais contrôle de l’épaisseur (plus ou moins un millimètre) rend plus difficile l’optimisation du canoë.