Type de document
Rapports de recherche scientifique
Année de publication
2016
Langue
Français
Résumé
Parmi tous les accidents professionnels, les chutes de hauteur revêtent une importance particulière en raison non seulement des coûts élevés d’indemnisation qui en découlent, mais surtout du taux élevé des lésions graves ou mortelles qui y est associé. Les règlements en matière de sécurité professionnelle au Québec stipulent qu’il faut protéger les travailleurs lorsqu’ils sont exposés à un risque de chute d’une hauteur de trois mètres ou plus. Si l’élimination à la source des risques ou la pose des protections collectives ne sont pas réalisables, l’une des mesures disponibles contre les chutes de hauteur est le port d’un système individuel d’arrêt de chute (SIAC) composé, entre autres, d’un harnais pour la préhension du corps, d’un système de liaison fait d’une longe et d’un absorbeur d’énergie, et d’un ancrage. Afin de permettre la mobilité verticale du travailleur, cet ancrage est généralement une corde d’assurance verticale. Ces cordes sont fabriquées à partir de fibres polymères dont la performance peut être altérée lors des expositions prolongées aux agents de vieillissement environnementaux tels que le rayonnement ultraviolet (UV) et l’humidité. Malgré l’importance capitale que représentent ces cordes lors de l’arrêt d’une chute, la façon dont leur résistance mécanique change avec le temps d’utilisation est souvent méconnue et les critères de désuétude utilisés manquent de fondement scientifique.
Ce projet porte sur l’effet des expositions prolongées aux intempéries sur les propriétés de certaines cordes d’assurance verticales, notamment sur leur résistance mécanique. Sept types de cordes ont été étudiés : kernmantle, multiline, polyamide, polyester, polyéthylène, polypropylène et polysteelMD. Les cordes ont été soumises au vieillissement accéléré en chambre environnementale en laboratoire et au vieillissement naturel statique (soleil et intempéries, mais sans utilisation). Au bout de 6, 12, 18 et 24 mois d’exposition naturelle, des essais de caractérisation mécanique et physico-chimique ont été effectués afin de suivre l’évolution des propriétés des cordes. Le but ultime de ce projet est de construire un modèle validé expérimentalement (équation logistique) pour extrapoler la résistance du matériau en fonction de la durée d’exposition environnementale.
La caractérisation physico-chimique des cordes, dont on a besoin pour déceler les différents mécanismes de vieillissement, a été axée sur l’identification des possibles changements concernant la structure chimique des fibres polymères qui les composent, notamment en ce qui a trait à la masse molaire. Dans ce but, des analyses par spectroscopie infrarouge ont été réalisées afin de repérer l’apparition de nouvelles bandes d’absorption qui sont souvent reliées à des réactions d’oxydation se produisant à la suite des processus de coupures de chaîne de polymère, ainsi que des essais de rhéologie ou de viscosimétrie capillaire visant à estimer la viscosité du polymère fondu ou en solution. La viscosité est reliée à la masse molaire chez les polymères. De même, des analyses par calorimétrie différentielle à balayage ont été effectuées pour évaluer l’impact des traitements de vieillissement sur la cristallinité des fibres polymères, ainsi que des inspections visuelles et des analyses de microscopie électronique à balayage afin d’évaluer les éventuelles modifications de la morphologie des fibres dues aux traitements de vieillissement. La caractérisation mécanique des cordes a été faite en fonction des résultats des tests de rupture en traction en choisissant la force de rupture comme variable dépendante en conformité avec les normes applicables et les pratiques courantes dans l’industrie.
Les essais de rupture effectués sur les cordes soumises à des traitements de vieillissement montrent que, parmi les cordes étudiées, le kernmantle exhibe le meilleur comportement en termes de rétention de résistance mécanique. La remarquable tenue du kernmantle face au vieillissement peut être attribuée à sa construction gaine-âme. Le polypropylène (PP) et le polysteelMD, en revanche, offrent une piètre performance à la suite des traitements de vieillissement. Les essais de caractérisation physico-chimique des cordes après le vieillissement ont révélé que le polypropylène et le polysteelMD ont subi un processus généralisé d’oxydation qui, dans le cas du PP, conduit à une diminution sensible de la masse molaire des fibres polymères. Les cordes en multiline, en polyamide et en polyester subissent une perte modérée de résistance mécanique, alors que l’effet des traitements de vieillissement sur la résistance des cordes en polyéthylène est presque négligeable, malgré qu’elles affichent une valeur de résistance mécanique initiale qui ne rencontre pas les critères de résistance minimale stipulés par les normes. Les cordes en polyamide ont éprouvé une réduction de leur longueur qui pourrait être attribuable à une densification du matériau. Les essais de caractérisation montrent que les cordes faites en polyoléfines (PE, PP et leurs copolymères) ne sont pas des options convenables lors du choix du matériau des cordes d’assurance verticale.
À l’exception du kernmantle, toutes les courbes de résistance mécanique en fonction du temps d’exposition en plein air ont été modélisées de façon satisfaisante à l’aide de l’équation logistique. Selon les paramètres du modèle pour chaque corde, les résistances résiduelles théoriques des cordes en multiline et en polyester ne tomberont pas au-dessous du seuil minimal de 27 kN même si elles sont exposées aux intempéries pendant une très longue période (5 ans et plus) alors que les cordes en polyamide, polypropylène et polysteel atteignent le seuil minimal de 27 kN au bout de 4, 0,5 et 1 ans respectivement.
Abstract
Of all occupational accidents, falls from heights are especially serious, not only because of the high compensation costs involved, but also because of the high rate of severe or even fatal injuries associated with them. Quebec occupational safety regulations stipulate that workers must be protected when they are exposed to a risk of falling from a height of three metres or more. If the source of the risks cannot be eliminated or collective means of protection cannot be installed, one protective measure that can be taken against falls from heights is to wear a personal fall arrest system (PFAS) that includes a full body harness, a connecting system consisting of a lanyard and an energy absorber, and an anchorage. To allow the worker vertical mobility, the anchorage is usually a vertical lifeline. These lifelines are made of polymer fibres whose performance can degrade under prolonged exposure to weathering agents such as ultraviolet (UV) radiation and moisture. Despite the crucial role that lifelines play in arresting falls, the way their mechanical strength declines with wear over time is often poorly understood and the deterioration criteria used lack a scientific foundation.
This project concerns the impact of prolonged weathering on the properties of certain vertical lifelines, especially their mechanical strength. Seven types of rope were studied: kernmantle, multiline, polyamide, polyester, polyethylene, polypropylene and PolysteelTM. The ropes were submitted to accelerated aging in a laboratory environmental chamber and to static natural aging (sun and weather, but without use). Following 6, 12, 18 and 24 months of natural exposure, mechanical and physicochemical characterization tests were performed to track changes in rope properties. The ultimate goal of the project was to build an experimentally validated model (logistic equation) to extrapolate material strength on the basis of length of environmental exposure.
The physicochemical characterization of the ropes, which is required to determine the various aging mechanisms, focused on identifying possible changes in the chemical structure of their polymer fibres, especially with respect to molar mass. To this end, infrared spectroscopy analyses were performed to identify any new absorption bands, which are often related to oxidation reactions occurring as a result of the chain scission of the polymers, as well as rheology or capillary viscometry testing to estimate the viscosity of the polymer melt or in solution. Viscosity is related to the molar mass of the polymers. Similarly, differential scanning calorimetry analyses were conducted to assess the impact of the aging treatments on the crystallinity of the polymer fibres, in addition to visual inspections and scanning electron microscopy analyses to assess possible changes in fibre morphology as a result of the aging treatments. Mechanical characterization of the ropes was done on the basis of tensile breaking test results, taking the breaking force as the dependent variable, in accordance with the applicable standards and current industry practices.
The breaking tests performed on the lifelines subjected to aging treatments showed that, among the ropes studied, kernmantle exhibited the best behaviour in terms of retention of mechanical strength. The remarkable performance of kernmantle with respect to aging can be attributed to its core-sheath construction. Polypropylene and Polysteel, on the other hand, offered poor performance when exposed to aging treatments. Physicochemical characterization testing of the ropes after aging revealed that the polypropylene and Polysteel models had suffered a generalized oxidation process that, in the case of polypropylene, caused a significant reduction in the molar mass of the polymer fibres. The multiline, polyamide and polyester ropes suffered moderate loss of mechanical strength, whereas aging treatments had virtually no effect on the strength of the polyethylene ropes, despite the fact that their initial mechanical strength did not meet the minimum criteria stipulated in the standards. Polyamide ropes shrank in length, possibly due to a densification of the material. Characterization testing showed that ropes made of polyolefins (polyethylene, polypropylene and their copolymers) are not suitable options as materials for vertical lifelines.
With the exception of kernmantle, all the mechanical strength curves based on time of exposure outdoors were modelled satisfactorily by means of the logistic equation. According to the parameters of the model for each lifeline, the theoretical residual strength of multiline and polyester ropes will not drop below the minimum threshold of 27 kN, even if they are exposed to weather for a very long time (5 years or more), whereas polyamide, polypropylene and Polysteel ropes decline to the minimum threshold of 27 kN after 4 years, 0.5 years and 1 year respectively.
ISBN
9782896318834
Mots-clés
Filin d'amarrage, Lifeline, Vieillissement de l'équipement, Ageing of equipment, Usure, Wear, Essai du matériel, Equipment testing, Résistance à la traction, Tensile strength, Propriété physico-chimique, Physico-chemical property, Modèle mathématique, Mathematical model, Québec, Essai de rupture à la traction, Tensile strength test, Force de rupture, Breaking force
Numéro de projet IRSST
0099-5150
Numéro de publication IRSST
R-925
Citation recommandée
Arrieta, C., Lan, A., Nguyen-Tri, P. et Vu-Khanh, T. (2016). Étude sur le vieillissement, la dégradation et la durée de vie des équipements de protection contre les chutes : cordes d’assurance (Rapport n° R-925). IRSST.