« Trois, deux, un ! » Le plus haut bâtiment à ossature métallique jamais testé sur un simulateur de tremblement de terre a commencé à bouger lentement, à osciller et à se tordre. La structure de 10 étages et 30 mètres de haut subissait des simulations de tremblements de terre réels, notamment celui de Loma Prieta de 1989, d’une magnitude de 6,9, dans le cadre d’une initiative visant à déterminer si les limites de hauteur des bâtiments en acier formé à froid pouvaient être augmentées.
Les essais ont été réalisés sur un simulateur de tremblement de terre, également appelé table vibrante, financé par la Fondation nationale de la science des États-Unis, à l’université de Californie à San Diego. Cette table vibrante est l’une des trois plus grandes au monde et la seule située à l’extérieur. L’emplacement en plein air est particulièrement crucial pour des essais comme ceux-ci, qui repoussent les limites de hauteur des bâtiments. En effet, la table vibrante est le seul endroit au monde où des bâtiments de plus de 27 mètres de haut peuvent être testés. Il y a deux ans, les chercheurs ont secoué un bâtiment en bois massif de 35 mètres de haut sur la table vibrante de l’université de Californie à San Diego, le plus haut bâtiment jamais testé sur un simulateur sismique.
Les tests de cette année se concentrent sur un bâtiment en acier formé à froid, ou CFS, un matériau léger et durable, incombustible et composé de 60 à 70 % de métal recyclé. Actuellement, les codes de construction limitent ce type de construction à 20 mètres, soit six étages. Les chercheurs se demandent si cette limite pourrait être portée à 10 étages, soit 30 mètres, y compris dans les zones sismiques actives. Les résultats des tests obtenus jusqu’à présent indiquent que oui.
« Le bâtiment a très bien résisté », a déclaré Tara Hutchinson, responsable du projet et professeure au département d’ingénierie structurelle de l’université de Californie à San Diego. « Malgré 18 tests sismiques d’intensité croissante, dont trois très importants, supérieurs à ce que les ingénieurs concepteurs doivent prendre en compte lors de la conception d’un bâtiment, le système structurel porteur a conservé son intégrité. »
Mais les chercheurs s’attendaient à ce que les composants non structurels du bâtiment subissent certains dommages. Les escaliers, essentiels pour permettre aux occupants du bâtiment d’évacuer celui-ci en toute sécurité et conçus pour se déplacer avec le bâtiment, étaient toujours fonctionnels.
« Nous avons installé près d’un millier de capteurs dans ce bâtiment afin de mesurer sa réponse en termes d’accélération, de déplacement et de contraintes locales. Nous disposons ainsi d’un ensemble exceptionnel de données à analyser et à assimiler, qui nous aideront à améliorer les codes de construction et à soutenir la volonté des concepteurs d’utiliser cet excellent matériau dans la construction de bâtiments plus hauts, plus légers et plus résistants », a ajouté M. Hutchinson.
Comme il s’agit d’un matériau léger, l’acier formé à froid peut être assemblé en unités modulaires, qui peuvent ensuite être assemblées pour former un bâtiment complet, comme une version géante de Legos. Cette technique réduit considérablement le temps de construction par rapport à la construction de la structure du bâtiment à partir de zéro.
« Le CFS présente de nombreuses caractéristiques très intéressantes qui profiteront aux communautés résilientes à l’avenir », a affirmé M. Hutchinson.
Importante mise à niveau financée par la NSF
Les essais ont également souligné l’importance d’une mise à niveau majeure de la table vibrante financée par la NSF. Le projet de 17 millions de dollars, achevé en avril 2022, a permis à la table de se déplacer dans six degrés de liberté. Avant la mise à niveau, la table ne pouvait se déplacer que dans une seule direction, d’est en ouest. Désormais, elle peut également se déplacer de haut en bas, du nord au sud, et effectuer des mouvements de roulis, de tangage et de lacet. Par exemple, dans cette série de tests, l’équipe a soumis le bâtiment à des mouvements 1D, 2D et 3D en utilisant le même enregistrement sismique, simplement en désactivant différents degrés de liberté.
Les enregistrements des séismes passés montrent que le sol ne tremble pas dans une seule direction, mais qu’il se déplace d’avant en arrière, de haut en bas, d’un côté à l’autre et peut même vaciller, a déclaré Joel Conte, l’un des principaux chercheurs de la table vibrante et professeur au département d’ingénierie structurelle de l’université de Californie à San Diego.
« Ici, nous sommes en mesure de simuler ce que nous appelons des conditions sismiques proches de la réalité », a-t-il dit. Lors d’un test réalisé le 23 juin, les chercheurs ont remarqué un certain mouvement de torsion dans les mouvements du bâtiment, ce qui ne se serait pas produit si la table n’avait pu se déplacer que dans une seule direction.
« Les mouvements que nous avons observés aujourd’hui ont démontré pourquoi la mise à niveau de cette table était essentielle pour les recherches scientifiques que nous menons ici », a précisé Ben Schafer, co-responsable du projet CFS10 et professeur d’ingénierie à l’université Johns Hopkins.
Prochains essais au feu
Mais la série d’essais n’est pas encore terminée. En plus d’examiner attentivement l’état physique du bâtiment après les essais sismiques, l’équipe de recherche se prépare pour une phase finale d’essais au feu réel qui aura lieu ce mois-ci. Ces essais au feu sont dirigés par le professeur Richard Emberley de Cal Poly-San Luis Obispo et visent à comprendre la propagation de la température, de la fumée et des particules dans les compartiments du bâtiment endommagés par le séisme, un scénario réel appelé « incendie consécutif à un tremblement de terre ».
Ceux-ci pourraient être déclenchés par du gaz ou d’autres substances dangereuses servant de source d’inflammation. « Le CFS est incombustible, contrairement au bois et à certains autres matériaux de construction, ce qui constitue une caractéristique avantageuse importante en cas d’incendie », a conclu M. Hutchinson.
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