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Sécurité antisismique intégrée – les villes et conceptions à la pointe de l’innovation

Each year, there are approximately 500,000 detectable earthquakes around the world, about 20 of which are large ones. And only a few of those occur in densely populated areas. But why is it that earthquakes of similar magnitudes can have such widely varying effects? For instance, cities in New Zealand, Chile and Haiti experienced similarly sized major quakes in 2010. Christchurch and Santiago suffered, but Port Au Prince was devastated. Most of the injuries from earthquakes come from collapsing buildings, so everything from zoning and planning to design and construction are key factors in creating safer buildings. URBAN HUB looks at some of the cities and ideas at the cutting edge of earthquake safety.
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Intelligentes à l’intérieur comme à l’extérieur - De nombreux aspects des villes intelligentes relèvent simplement d’un urbanisme réussi, intégrant à la fois les avancées des technologies numériques et la nouvelle compréhension de principes plus anciens, à savoir les notions de relations, de communauté, de durabilité environnementale, de démocratie participative, de bonne gouvernance et de transparence.
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Fait le 09/05/2018

Pourquoi les séismes représentent-ils un tel défi ?

Lorsque les plaques tectoniques de la Terre se heurtent, les ondes ainsi causées font trembler le sol et tout ce qui se trouve dessus. Les bâtiments sont construits pour supporter la charge verticale de la structure. Mais les séismes créent aussi une charge latérale qui rend les constructions sûres plus compliquées.

Compliquées mais pas impossibles. Il existe de nombreuses méthodes éprouvées permettant de construire des bâtiments antisismiques. Malheureusement, ces méthodes ne sont pas toujours utilisées. Par exemple, la majeure partie de la dévastation du grand séisme de Mexico en septembre 2017 fut causée par l’effondrement de bâtiments construits avec des dalles plates en béton bon marché – ce qui est désormais illégal dans de nombreux pays.

À l’inverse, le gratte-ciel de 57 étages Torre Mayor, dans la même ville, fut construit avec des matériaux et des technologies appropriés. Le bâtiment de 225 m de haut repose sur une fondation supportée par 252 pieux enfoncés profondément dans le sol, ce qui ancre une superstructure faite de colonnes en acier enrobées de béton armé et d’acier de construction. À l’intérieur du bâtiment, 98 amortisseurs parasismiques absorbent et neutralisent les vibrations sismiques. En septembre 2017, ce bâtiment s’en est sorti avec brio !

« Les édifices de petite à moyenne taille sont fondamentalement plus sensibles aux tremblements de terre, tandis qu’un bâtiment de 100 étages, ironiquement, n’est pas concerné par cette fréquence sismique et n’entre donc pas en résonance. »

David Malott, Chairman, Conseil sur les grands immeubles et l’habitat urbain

Torre Mayor abrite diverses fonctions parasismiques.

Réglementations : la première étape pour des villes résistant aux séismes

La majeure partie de la dévastation de Mexico aurait pu être évitée au moyen d’une réglementation adaptée. Cela inclut des éléments tels que des codes de zonage et de construction indiquant où et comment un édifice peut être construit ainsi que la question importante de savoir si les règles sont vraiment appliquées.

Les gouvernements donnent le ton en matière de sécurité publique en développant une bonne planification de l’usage des terrains et un microzonage sismique (par ex. par type de sol, type de défaut, etc.). L’ingénierie parasismique est une science, mais les experts ne peuvent utiliser pleinement leurs connaissances que si des règles adaptées sont mises en place et respectées.

Les ingénieurs peuvent alors déployer leurs outils, à commencer par des méthodes de préconstruction comme l’analyse de l’interaction entre le sol et la structure et l’analyse spectrale spécifique au site. Les chercheurs testent des simulations à l’échelle sur de gigantesques « tables vibrantes » dans des laboratoires, de Kobe (Japon) et Delhi (Inde) à Alger (Algérie) et Reno (États-Unis).

Ils poursuivent leur travail avec divers outils numériques, des instrumentations en temps réel et des logiciels de visualisation 3D, adaptant et calibrant la conception du projet à mesure de son développement. Cela donne une solution sur-mesure pour la combinaison spécifique de risques et de dangers à laquelle chaque bâtiment fait face.

 

Une expérience mouvementée : une grande table vibrante située près de Kobe.

Isoler la base

Les réglementations forment un cadre qui permet aux experts de la conception et de la construction de montrer leurs compétences et leur créativité. L’un des domaines évident pour cela se trouve au niveau des fondations.

Les techniques d’isolation de base permettent à un bâtiment de flotter sur un système de paliers tels qu’un palier métallique ou en caoutchouc avec un noyau en plomb, des ressorts ultra-résistants, des cylindres rembourrés, des coulisseaux ou même des coussins d’air. Les terminaux de l’immense aéroport international Sabiha Gökçen récemment construit à Istanbul (Turquie) utilisent 300 systèmes d’isolation de base capables de résister à un séisme de 8,0 Mw.

L’objectif d’une telle isolation de base parasismique est d’absorber de manière passive ou de dévier l’énergie cinétique du séisme en insérant un tampon élastique ou coulissant entre la base ou la substructure et la superstructure du bâtiment. Un autre exemple récent est le nouveau siège futuriste d’Apple près de San Francisco (États-Unis) qui repose sur 700 isolateurs de base. Les édifices utilisant cette technique sont généralement aussi entourés d’une « douve » qui leur permet de bouger librement sans endommager les structures voisines.

Contrôler les vibrations des bâtiments

Si l’objectif de l’isolation de la base est de réduire la charge sismique à la base du bâtiment, celui des techniques de contrôle des vibrations est de disperser, de dissiper ou d’absorber l’énergie des ondes au sein du bâtiment.

L’une de ces méthodes est même devenue une attraction touristique – entre le 87e et le 92e étage du très grand Taipei 101 à Taipei (Taïwan). Ici, ce qui ressemble à une balle métallique dorée de 728 tonnes fait office de plus grand système d’amortissement par masse d’équilibrage (TMD) du monde. Utile pour contrer les vents forts et les ondes sismiques, le TMD se déplace comme un pendule dans la direction opposée aux vibrations agissant sur le bâtiment, ce qui neutralise l’énergie et maintient l’édifice en équilibre.

À Tokyo (Japon), la Mori Tower de 238 m utilise un système au cœur du bâtiment pour contrer de manière semi-active l’énergie sismique. Des amortisseurs en acier doux à proximité de la base intérieure permettent au bâtiment de s’étirer et de se balancer en toute sécurité. Ils sont connectés à des amortisseurs à huile qui utilisent la résistance du fluide pour absorber les vibrations tandis que des amortisseurs à frein intégrés convertissent simultanément d’autres vibrations en chaleur de friction.

Utiliser de meilleurs matériaux

Outre les réglementations, la conception et les techniques, les matériaux sont aussi importants. Ils doivent associer rigidité et malléabilité, c’est-à-dire être capables de plier sans rompre. Les matériaux fragiles comme la maçonnerie non armée ou les blocs de béton sont les matériaux les plus dangereux durant un tremblement de terre.

Prenons le cas du nouveau Wilshire Grand Center de 73 étages – le bâtiment le plus grand de Los Angeles. Il utilise des alliages à mémoire de forme (AMF) dans ses jambes de force résistant à l’équerrage. Ils se courbent de manière dynamique sous pression mais retrouvent ensuite leur forme initiale. S’ils atteignent la limite de leur élasticité, ils s’échauffent et l’énergie cinétique produite par le séisme est transformée de manière sûre en énergie thermique. Le bâtiment abrite aussi un cœur rectangulaire massif et des poutres en porte-à-faux à étages multiples et, comme à Taipei, la plupart ne sont pas dissimulées.

De manière générale, les concepteurs optent de plus en plus pour les toits plus légers, des fondations plus solides et des structures plus flexibles (tout en restant solides). Le béton armé d’acier, l’acier de construction, le béton armé intelligent (IRC) avec des câbles AMF intégrés et même les polymères à mémoire de forme sont quelques-uns des matériaux utilisés aujourd’hui pour les constructions.

Qu’en est-il des anciens bâtiments ?

Les anciens bâtiments doivent aussi résister aux tremblements de terre. De nombreuses nouvelles méthodes pour la sécurité antisismique sont aussi utilisées pour les moderniser. Ajouter une isolation parasismique de la base est une façon répandue de protéger les anciens édifices historiques, comme dans le « City-County Building » à Salt Lake City (États-Unis) et le siège de la Banque du Japon à Tokyo, vieux de 122 ans. 

Une autre façon de moderniser la sécurité parasismique des bâtiments est d’ajouter une structure extérieure en acier. À Wellington (Nouvelle-Zélande), Rostrevor House utilise un CCE (cadre à contreventement excentrique en acier) pour ajouter de manière non onéreuse de la résistance à sa structure. À Nomi (Japon), un rideau de cellules de thermoplastique de 9 mm et des tiges en fibre de carbone aident le bâtiment Fa-bo à osciller en toute sécurité au rythme des ondes sismiques.

Des méthodes plus anciennes sont également reconsidérées. Par exemple, à Quito (Équateur), la solidité flexible du bambou est promue par le gouvernement local pour les édifices plus petits. Le travail du Fraunhofer WKI à Braunschweig (Allemagne) est encore plus ambitieux. Cet institut pour la recherche avancée sur le bois étudie l’utilisation de grandes poutres en bois massif pour supporter la charge dans les grands bâtiments. Si cela ne semble pas suffisamment high-tech, ils travaillent également sur des connecteurs ultra-durables en acier élastique contrôlés par des capteurs pour aider les édifices à maintenir leur intégrité structurelle durant les séismes.

Fa-bo à Japon
« Le bois est extrêmement durable, léger mais solide et parfait pour les tremblements de terre. Ses propriétés mécaniques peuvent très bien être comparées à celles des composites hautement durables – mais pour des coûts de matériaux nettement plus bas. »

Norbert Rüther, Chef de projet, Fraunhofer WKI

Planification urbaine et anticipation globale

Créer une sécurité parasismique est une tâche aux multiples facettes – une partie de celle-ci est appelée la planification urbaine globale d’atténuation des risques. Par exemple, les villes à risque doivent aussi protéger les sites dangereux et l’infrastructure vitale et les services d’urgence doivent être capables d’agir rapidement. De nombreuses villes utilisent des capteurs sismiques intelligents pour avertir d’un séisme avant les plus fortes ondes de choc.

La sensibilisation et la préparation des citoyens avant, pendant et après un séisme font aussi partie de la politique publique. À Bogota (Colombie), par exemple, les propriétaires de maisons reçoivent les outils nécessaires pour moderniser la résistance de leurs demeures. Dans des villes de toute l’Amérique du Nord, comme Seattle et Vancouver, les simulations annuelles de séismes Great Shakeout allient des conseils pratiques et d’entraînement au plaisir et à des jeux.

La sécurité des ascenseurs fait aussi partie de la vision globale. Les fabricants responsables étudient constamment la manière dont les séismes affectent les hauts bâtiments et les composants de leurs ascenseurs. Par exemple, thyssenkrupp Elevator conduit des recherches avec l’université de Tongji à Shanghai sur le sujet. L’entreprise utilise également un système d’amortisseur par masse actif (AMD) dans ces nouvelles tours tests à Zhongshan City (Chine) et Rottweil (Allemagne). Ces bâtiments peuvent réellement simuler un séisme afin que les scientifiques continuent de protéger les appareils de mobilité que nous utilisons chaque jour.

En attendant, les ascenseurs utilisent des détecteurs sismiques intégrés pour avertir en amont de l’imminence d’un séisme. Des commutateurs dirigent alors automatiquement l’ascenseur au prochain étage disponible et ouvrent les portes.

Construire des villes à résistance sismique

La préparation parasismique s’étend dans toutes les directions, des idées nouvelle génération comme ViBa, une barrière vibrante à placer sous les rues et autour des bâtiments pour absorber les ondes de choc, à un meilleur zonage, une meilleure application des réglementations et plus d’engagement des citoyens pour la préparation à l’inévitable dans les zones à risque. Les villes parasismiques représentent une tâche complexe qui implique la technologie, la planification, la conception, les matériaux et la préparation des citoyens. Voilà comment nous pouvons maintenir la sûreté de nos villes – dans les zones à risque sismique et partout ailleurs !

 

This short video by The Economist shows some of the techniques being applied to make buildings more earthquake-proof. Note that one of the techniques is hundreds of years old but has been updated and resized for use in supertall skyscrapers.