Un bâtiment de l’Empa spécialement « optimisé »

Le futur bâtiment de laboratoire de l’Empa, actuellement en construction à Dübendorf sur le nouveau campus de recherche « co-operate », a fêté son couronnement le 14 juillet. Ce bâtiment abritera un jour, entre autres, des instruments de recherche très sensibles. Pour les protéger des vibrations, les experts ont conçu et planifié la structure en conséquence – des dalles de béton massives aux plus petits détails.

L’extension du campus commun de l’Empa et de l’Eawag à Dübendorf progresse rapidement : Le 5 mai 2021, les travaux de construction ont débuté par la cérémonie de pose de la première pierre, à laquelle ont participé des représentants des maîtres d’ouvrage Empa et Eawag, de l’entreprise générale d’exécution Implenia Schweiz AG, du bureau d’architectes SAM Architekten et de la ville de Dübendorf. Le lendemain, les excavatrices sont arrivées et les travaux de terrassement ont commencé.

Près de quatre mois plus tard, la pose de la première pierre a eu lieu le 3 septembre, toujours en présence des représentants des partenaires impliqués dans le projet et d’une cinquantaine d’invités. À cette occasion, une capsule temporelle a été placée dans les fondations du nouveau bâtiment du laboratoire, avec pour contenu quelques objets typiques de l’époque.

Le 14 juillet, la prochaine étape a été franchie : Le gros œuvre du bâtiment de laboratoires est terminé et a atteint sa pleine hauteur. La tradition veut que l’on procède alors à la cérémonie d’inauguration, au cours de laquelle un petit arbre est placé sur le toit, signe bien visible de l’achèvement du gros œuvre. Pour une fois, cependant, la cérémonie n’est pas centrée sur les représentants de la direction de toutes les entreprises impliquées dans le projet, mais sur les personnes qui ont réellement effectué le travail, les ouvriers de la construction. Ils sont remerciés par le maître d’ouvrage pour leur précieux travail. Un travail qui leur a posé de nombreux défis, à commencer par la préparation du sous-sol.

Un bâtiment à faible niveau de vibrations

C’est un risque que l’Empa prend en compte dans son futur bâtiment de laboratoires – de la planification préliminaire à l’achèvement du bâtiment, qui offrira de la place pour une trentaine de laboratoires et 30 bureaux à partir du printemps 2024. Les exigences relatives aux bâtiments à faible niveau de vibrations sont élevées ; elles sont normalisées et décrites dans des règlements techniques à l’aide de catégories VC (« Vibration Criteria »), qui sont également utilisées dans le domaine des micro- et nanotechnologies, ainsi que des niveaux de vibration admissibles.

La norme « VC-C », par exemple, est « une norme appropriée pour les microscopes optiques d’un grossissement allant jusqu’à 1000x », dit-elle : elle s’applique dans le bâtiment de l’Empa dans toutes les salles de laboratoire en surface. En revanche, les exigences « VC-E » plus strictes s’appliquent à la zone du sous-sol où sont installés les appareils les plus sensibles. « Exigée pour des équipements de la plus haute précision, précise la directive technique, elle ne peut être satisfaite que dans quelques cas, de préférence sur des dalles de sol qui ne comportent pas de sous-sol. »

Entre deux sources de vibrations

Il fallait donc examiner au préalable si ces exigences pouvaient être satisfaites sur le site du campus de l’Empa. L’emplacement semblait défavorable : à la limite nord, une ligne de chemin de fer avec des trains lourds et la route très fréquentée qui borde le site au sud – à l’avenir également avec une ligne de tramway prévue qui augmentera encore les vibrations dans le sol.

Au cours de l’été 2018, des spécialistes du bureau d’ingénieurs Heiland und Mistler, basé à Bochum, ont étudié l’intensité des vibrations du sol là où se trouve le campus de l’Empa – en mesurant pendant une heure les vibrations à la surface du sol et à une profondeur de quatre mètres. En outre, ils ont enregistré les vibrations du sol sur une voie de tramway voisine à Dübendorf afin de tenir compte de cette future charge. Et ils ont également enregistré les champs magnétiques aux deux endroits (voir encadré).

Les résultats ont montré que les vibrations sur le site de construction choisi sont en principe suffisamment faibles pour répondre aux spécifications strictes. « C’est finalement logique« , déclare Kevin Olas, qui dirige le projet pour l’Empa, « là, au milieu du site, nous sommes suffisamment éloignés des deux sources. »

Maintenant, la question était : comment construire ? Pour que la structure puisse « avaler » de manière fiable les vibrations existantes, deux stratégies ont été discutées : Les experts ont déconseillé un roulement « élastique« , par exemple par le biais d’une fondation sur élastomères – en raison de la méthode de construction complexe et d’une durée de vie éventuellement plus courte. Au lieu de cela, on a opté pour la variante « masse et rigidité » : construire un bâtiment si lourd et si rigide, dit Kevin Olas, que les vibrations ne peuvent pas « exciter » le bâtiment en premier lieu. « C’est finalement plus efficace », affirme Kevin Olas – comme un pétrolier si massif que même les vagues de tempête ne le font pas vaciller, comme l’explique Dieter Heiland, expert en dynamique structurelle.

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Grandes masses et petits détails

Le résultat est « une structure en béton super rigide qui ne peut pratiquement pas vibrer », explique Kevin Olas, architecte de formation – en d’autres termes, une structure extrêmement lourde. C’est l’une des raisons pour lesquelles 48 pieux d’une « fondation combinée pieux-dalle » transfèrent les charges par frottement latéral dans une couche de sol plus porteuse à une profondeur pouvant atteindre 18 mètres. Prenons l’exemple des plafonds en béton : ils font 53 centimètres d’épaisseur et sont surmontés de sept centimètres de chape composite : « D’un point de vue structurel, des plafonds aussi épais n’auraient pas été nécessaires« , explique Kevin Olas.

Dans la zone destinée aux équipements de mesure hautement sensibles, la dalle de sol a même une épaisseur de 80 centimètres. « C’est le supertanker dans notre supertanker, pour ainsi dire », dit Kevin Olas, « statiquement presque absurde, mais pour la protection contre les vibrations, il n’y a tout simplement pas d’autre moyen. » Et sous les fondations, cette zone repose sur des feuilles de verre mousse plus dures que les panneaux isolants en polystyrène conformes – un détail qui garantit un comportement encore plus rigide à la déflexion.

Bien sûr, d’autres influences que les trains et les voitures peuvent également déclencher des vibrations indésirables. Les humains, par exemple : Dans le pire des cas, leurs pas peuvent causer des problèmes – mais les calculs de dynamique structurelle effectués par le bureau d’ingénieurs zurichois WaltGalmarini montrent que les plafonds sont suffisamment solides et rigides pour ne pas être trop affectés par les individus. Ou encore le centre de ventilation : comme ces systèmes installés sur le toit peuvent transmettre des vibrations aux plafonds, ils doivent être « découplés » à l’aide d’un montage à ressort spécialement adapté.

Ces mesures, et bien d’autres, ne seront pas visibles lorsque le bâtiment des laboratoires de l’Empa sera achevé au printemps 2024 et occupé en été 2024. Les visiteurs soucieux du détail reconnaîtront néanmoins que le bâtiment est systématiquement conçu pour minimiser les vibrations – sur les chaussées des voies d’accès : Leur surface est construite pour être aussi lisse et « silencieuse » que possible, par exemple grâce à une forte proportion de vides d’air, afin d’éviter les plus petites vibrations des véhicules.

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Mesures du champ magnétique

Outre les vibrations, les variations des champs magnétiques peuvent également affecter le fonctionnement d’équipements sensibles. Les mesures effectuées sur place ont montré qu’une compensation active serait nécessaire pour un microscope électronique à balayage, par exemple, en utilisant des bobines dites de Helmholtz qui génèrent un champ magnétique homogène. Les principales causes de modification des champs sont le trafic routier du côté sud et la ligne de chemin de fer du côté nord du site. Avec la future ligne de tramway, les experts s’attendent à ce que les changements de champ soient si importants que d’autres mesures de protection seront nécessaires, comme un câble de compensation entre les rails, qui réduirait considérablement les champs magnétiques causés par le fonctionnement du tramway.

Auteur : REMIGIUS NIDERÖST

Crédit image / EMPA