Sur un simulateur de séisme unique en plein air, des ingénieurs ont récemment soumis à des tests le plus haut bâtiment à ossature d'acier jamais testé de cette manière. La structure de dix étages, haute d'environ 30 mètres, a oscillé, s'est tordue et a tremblé tandis que de puissants vérins hydrauliques reproduisaient les forces dévastatrices de certains des séismes les plus tristement célèbres, y compris le tremblement de terre de Loma Prieta de magnitude 6,9 qui a frappé la Californie en 1989. L'objectif principal de ce projet ambitieux était de déterminer scientifiquement si les limites de hauteur existantes pour les bâtiments construits en acier formé à froid pouvaient être considérablement augmentées, ouvrant la voie à une nouvelle ère dans la construction.

Cette série de tests s'est déroulée sur une plateforme sismique, plus connue sous le nom de « table vibrante », à l'Université de Californie à San Diego (UC San Diego), une installation financée par la National Science Foundation (NSF) américaine. Il s'agit de l'un des trois plus grands simulateurs de séismes au monde et le seul à être situé en plein air. Cette caractéristique est d'une importance cruciale pour les tests qui repoussent les limites, comme celui-ci, car elle permet de tester des structures de plus de 27 mètres de haut, un exploit qui ne peut être réalisé nulle part ailleurs dans le monde. Il y a à peine deux ans, sur la même plateforme, un bâtiment en bois massif de 35 mètres a également été testé, alors le plus haut bâtiment jamais soumis à une simulation sismique.

Focus sur le matériau du futur : L'acier formé à froid

Les recherches de cette année sont axées sur un bâtiment dont la structure porteuse est en acier formé à froid (CFS). Ce matériau se distingue par sa légèreté, sa durabilité et, ce qui est extrêmement important, son incombustibilité. Sa composante écologique est également importante, étant donné qu'il est produit à partir de 60 à 70 % de métal recyclé. Malgré ces avantages, les codes de construction actuels dans de nombreuses régions, y compris les zones sismiquement actives, limitent la hauteur des structures en CFS à 20 mètres, soit six étages. Les chercheurs ont posé une question clé : cette limite peut-elle être portée en toute sécurité à 10 étages, soit 30 mètres ? Les résultats des tests jusqu'à présent suggèrent fortement une réponse affirmative.

« Le bâtiment s'est comporté remarquablement bien », a déclaré Tara Hutchinson, chef de projet et professeure au Département de génie des structures de l'UC San Diego. « Malgré une série de 18 simulations sismiques d'intensité croissante – y compris trois séismes extrêmement puissants qui étaient au niveau ou même au-dessus de ce que les concepteurs doivent prendre en compte dans leurs calculs – le système structurel porteur a conservé son intégrité. »

Bien que certains dommages aux éléments non structurels du bâtiment aient été attendus, les aspects de sécurité clés sont restés fonctionnels. Les cages d'escalier, qui sont d'une importance vitale pour l'évacuation en toute sécurité des occupants et conçues pour se déplacer avec le bâtiment, sont restées entièrement praticables et utilisables même après les plus forts tremblements de terre. « À l'intérieur de ce bâtiment, nous avons installé près d'un millier de capteurs pour mesurer sa réponse en termes d'accélération, de déplacement et de contraintes locales. Nous disposons d'un ensemble de données exceptionnel à analyser qui nous aidera à terme à améliorer les codes de construction et à soutenir le désir des communautés de concepteurs d'utiliser ce matériau excellent dans la construction de bâtiments plus hauts, plus légers et plus résilients », a ajouté Hutchinson.

L'un des principaux avantages de l'acier formé à froid est sa faible masse, ce qui permet d'assembler des unités modulaires en usine. Ces unités sont ensuite assemblées sur le chantier pour former un bâtiment complet, rappelant l'assemblage de briques Lego géantes. Cette technique réduit considérablement le temps de construction par rapport à la construction traditionnelle de l'ossature du bâtiment à partir de zéro sur le site même.

La merveille technologique en coulisses : Le simulateur de séisme amélioré

Ces tests ont également souligné l'importance de la récente mise à niveau de 17 millions de dollars de la plateforme sismique, également financée par la NSF. Le projet, achevé en avril 2022, a doté le simulateur de la capacité de se déplacer selon six degrés de liberté (6-DDL). Avant la mise à niveau, la plateforme ne pouvait se déplacer que dans une seule direction, est-ouest. Maintenant, elle peut également se déplacer de haut en bas (vertical), du nord au sud (latéral) et effectuer des mouvements de rotation connus sous le nom de tangage (pitch), roulis (roll) et lacet (yaw).

Les enregistrements de vrais tremblements de terre montrent que le sol не se contente pas de trembler dans une seule direction. Il se déplace d'avant en arrière, de haut en bas, d'un côté à l'autre, et oscille même. « Ici, nous sommes en mesure de simuler ce que nous appelons des conditions de tremblement de terre presque réelles », a expliqué Joel Conte, l'un des principaux chercheurs du simulateur et professeur à l'UC San Diego. Au cours d'un des tests, les chercheurs ont observé une quantité importante de mouvement de torsion dans les mouvements du bâtiment – quelque chose qui n'aurait pas pu être observé lorsque la plateforme se déplaçait de manière unidimensionnelle. « Les mouvements que nous avons vus aujourd'hui ont démontré pourquoi la mise à niveau de la plateforme était essentielle pour la science que nous menons ici », a renchéri Ben Schafer, co-directeur du projet CFS10 et professeur d'ingénierie à l'Université Johns Hopkins.

Et après ? Test de résistance au feu après un séisme

La série de tests, cependant, n'est pas encore terminée. Outre un examen détaillé de l'état physique du bâtiment après les essais sismiques, l'équipe de recherche se prépare pour la phase finale : un essai au feu en direct, qui aura lieu en juillet 2025. Ces essais, dirigés par le professeur Richard Emberley de Cal Poly-San Luis Obispo, visent à comprendre la propagation de la température, de la fumée et des particules à travers les parties du bâtiment préalablement endommagées par le tremblement de terre. Il s'agit d'un scénario réaliste connu sous le nom d'« incendie post-séisme » (fire-following earthquake), qui peut être déclenché par des fuites de gaz ou d'autres matières dangereuses servant de source d'inflammation.

« L'acier formé à froid est un matériau incombustible, contrairement au bois et à certains autres matériaux de construction, ce qui est une caractéristique bénéfique importante si les incendies sont une source de préoccupation », a souligné Hutchinson. Comprendre comment une structure endommagée se comporte en cas d'incendie est crucial pour l'élaboration de normes de sécurité complètes.

Un large soutien pour l'avenir de la construction

Le projet CFS10 n'aurait pas été possible sans un large soutien des milieux universitaires, gouvernementaux et industriels. Outre le financement essentiel de la NSF, les tests ont également été parrainés par le ministère américain du Logement et du Développement urbain, la Commission de sécurité sismique de Californie, le Bureau des services d'urgence du gouverneur de Californie et l'Institut national des normes et de la technologie.

Un soutien important a également été fourni par de nombreuses organisations industrielles, telles que l'American Iron and Steel Institute, la Steel Framing Industry Association et l'American Institute of Steel Construction. De nombreuses entreprises ont apporté des contributions significatives aux efforts de conception et de construction, notamment ClarkDietrich, Clark Construction, Standard Drywall Inc., Mid-Rise Modular, Bapko Metal, Grabber Fastening et autres. Cette forte collaboration témoigne d'un intérêt commun pour les innovations qui permettront de construire des communautés plus sûres et plus résilientes à l'avenir.

Source : Université de Californie