Shaken Not Stirred : la masse la plus élevée

Le 9 mai, une tour de 10 étages a été délibérément secouée avec des forces égales à un séisme de magnitude 6,7, suivi, quelques minutes plus tard, par l'équivalent d'un séisme de magnitude 7,7. Conçue par LEVER Architecture, basée à Portland, en Oregon et à Los Angeles, en collaboration avec plusieurs partenaires universitaires et industriels, la structure a oscillé et secoué sous la contrainte sévère, mais elle est ensuite revenue instantanément à sa position verticale d'origine, apparemment indemne. Le bâtiment - qui avait été construit, à un coût compris entre 3 et 4 millions de dollars, spécifiquement pour tester et démontrer la résilience sismique du bois massif - est la pièce maîtresse du projet TallWood de l'infrastructure de recherche en ingénierie des risques naturels (NHERI). Après ces simulations tant attendues, chacune précédée d'un compte à rebours évoquant un lancement de fusée, les participants se sont applaudis et se sont embrassés, célébrant le succès.

La structure d'essai, qui a pris environ neuf mois à construire, restera debout pendant près d'un an sur la "table à secousses" du centre d'ingénierie structurelle Englekirk de l'Université de Californie à San Diego, où elle a été érigée. Ce grand simulateur de tremblement de terre - avec un plateau ou une plaque de 25 pieds sur 40 pieds et de 3 pieds d'épaisseur, sur lequel le bâtiment a été boulonné - a été mis à niveau en 2022, avec six axes de mouvement, lui permettant de reproduire toute la gamme de mouvement 3D possible lors d'un événement sismique. La tour intègre différents types et applications de bois massif, les produits de bois d'ingénierie multicouches dont les avantages incluent la résistance structurelle, la durabilité et les propriétés de résistance aux tremblements de terre. Il s'agit de la plus haute structure à grande échelle principalement en bois massif jamais soumise à ce type d'essai.

Les essais récents, qui ont été contrôlés par ordinateur et ont duré un peu moins d'une minute chacun (conformément aux durées réelles des tremblements de terre), ont simulé deux secousses majeures du passé : le tremblement de terre de Northridge en Californie en 1994, suivi du tremblement de terre encore plus fort de Chi-Chi en 1999 à Taïwan. Malgré la brièveté de chaque événement reconstitué, ce projet financé par la National Science Foundation avait mis des années à se préparer, impliquant de nombreuses entités différentes. Dirigé par le chercheur principal Shiling Pei de la Colorado School of Mines, il a engagé un consortium d'institutions de recherche, dont la Colorado State University, l'Oregon State University, la Lehigh University, l'Université de Washington, l'Université du Nevada, Reno, l'Université de Californie à San Diego et la propre de Pei. De plus, de nombreux partenaires de l'industrie ont fourni des matériaux, des produits de construction, des services de construction et/ou de l'expertise.

Pour apprendre le plus possible de chaque événement simulé, l'équipe de conception a intégré un large éventail de conditions et de composants de construction. À 112 pieds de haut, la tour a des plaques de sol de 32 pieds sur 34 pieds, s'étendant partiellement au-delà de la table vibrante, permettant aux chercheurs de tester les performances des porte-à-faux. Selon le rôle structurel et le niveau dans le bâtiment, différents types de bois massif, y compris le bois lamellé-croisé (CLT), le lamellé-collé (glulam), le lamellé cloué (NLT), le lamellé-goujon (DLT) et le bois en placage stratifié (LVL) forment des éléments tels que des dalles de plancher, des murs, des colonnes et des poutres.

Bien qu'il n'y ait eu que des ressources pour le revêtement extérieur des trois étages inférieurs, chaque quadrant élargit la portée de la recherche avec son propre type de système de revêtement et/ou de fenêtres. Alors que la peau du cadre en ballon est indépendante des dalles de plancher, d'autres revêtements se connectent directement à ces plans horizontaux. Les variations de façade vont d'un système de mur-rideau vitré à deux types de fenestration perforée. "Nous nous sommes assurés d'inclure, par exemple, des fenêtres en ruban qui se rejoignent dans un coin", explique le directeur de LEVER, Jonathan Heppner, "car c'est souvent un point faible lors d'un tremblement de terre".

Parmi les nombreuses mesures d'adaptation au mouvement, les joints de dilatation séparent certains matériaux et certaines cloisons non structurelles ont des têtes de déviation avec des pistes pour permettre le déplacement sismique. De même, l'escalier autoportant de 10 étages près du noyau du bâtiment a des connexions flexibles sur la plupart des étages, pour permettre la dérive lors d'événements sismiques.

Photo publiée avec l'aimable autorisation de LEVER Architecture

La caractéristique la plus innovante de la tour est peut-être son "mur basculant" en bois massif. Comme l'explique Pei, "c'est un plan en bois massif qui s'élève sur toute la hauteur du bâtiment et est ancré au sol par des tiges d'acier post-tendues (bien qu'il puisse s'agir de câbles à la place). Lorsqu'il est soumis à des forces latérales, le mur oscille d'avant en arrière, ce qui réduit l'impact sismique. Une fois le tremblement de terre terminé, les tiges tendues, ou câbles, ramènent le bâtiment au centre ou à l'aplomb. " Bien que des équipes aux États-Unis et en Nouvelle-Zélande aient étudié les murs à bascule en béton, la réalisation d'une version en bois massif est une avancée significative. La structure d'essai comprend quatre de ces murs - deux le long de la périphérie du bâtiment et deux près de son noyau - constitués de CLT et de panneaux à plis massifs (MPP) avec des plaques de flexion en acier en forme de U intégrées à intervalles réguliers, pour absorber les forces de bascule lors d'un tremblement de terre. "Et s'ils deviennent trop sollicités", dit Heppner, "ils sont remplaçables par la suite, comme des fusibles." Comme pour de nombreuses parties structurelles et non structurelles de la tour, elles sont conçues pour minimiser les dommages causés par les tremblements de terre ou, dans les conditions les plus extrêmes, assurer la survie du bâtiment avec des réparations relativement faciles.

"L'analyse post-séisme ici nous apprendra beaucoup", déclare le directeur fondateur de LEVER, Thomas Robinson, "car il y a plus de 800 capteurs de collecte de données dans tout le bâtiment". Alors que l'enquête se poursuit, une simulation d'un tremblement de terre violent a suivi les reconstitutions de Northridge et de Chi-Chi; finalement, les étages supérieurs de la tour seront supprimés pour permettre aux chercheurs d'étudier des questions impliquant, par exemple, la masse construite par rapport à la fréquence des tremblements de terre.

Soulignant la valeur du projet test, souligne Pei, "le bois massif fait partie d'une tendance majeure dans l'architecture et la construction, mais sa performance sismique dans les structures hautes n'est pas aussi bien comprise que les autres systèmes de construction existants". Comme plusieurs enquêteurs l'ont mentionné lors de la simulation du 9 mai, l'espoir est que ce projet fasse progresser l'utilisation du bois massif, en particulier dans les zones sujettes aux tremblements de terre, et conduise à des modifications profondes du code du bâtiment pour les structures résidentielles et commerciales.

Projet NHERI Tall Wood - Essais sismiques d'une structure en bois massif de 10 étages de LEVER Architecture.