Un « shaker » pour la recherche de construction: Secoué, pas remué

Dübendorf, St. Gallen und Thun, 10.09.2024 - Les constructions en bois à plusieurs étages sont à la mode. Pour que des vents violents ou un tremblement de terre ne puissent pas les endommager, il faut prévoir suffisamment de raidisseurs dans la structure porteuse. Les calculs informatiques fournissent les bases nécessaires à cet effet. Afin de les vérifier dans la pratique et d'améliorer les modèles informatiques, les chercheurs de l'Empa utilisent un « shaker » de deux tonnes.

Dans le plus grand laboratoire de l'Empa à Dübendorf, la halle de construction, une expérience impressionnante sera montée pour la journée portes ouvertes du 14 septembre 2024. La pièce maîtresse de cette expérience est le « shaker ». Ce ne sera pas un barman qui préparera des cocktails pour les visiteurs, mais les ingénieurs civils de l'Empa René Steiger, Pedro Palma et Robert Widmann du département de recherche « Structures d'ingénierie » qui montreront comment faire vibrer un modèle de structure porteuse, comme cela peut se produire lors de tremblements de terre. Sur le modèle, les chercheurs montrent comment la répartition du poids et de la rigidité dans la structure porteuse influence son comportement vibratoire.

Le contexte de cette démonstration : les maisons en bois sont de plus en plus appréciées en Suisse, notamment en raison de la durabilité de ce matériau de construction renouvelable. Aujourd'hui, on construit en Suisse des bâtiments en bois de plus de 20 étages et d'une hauteur allant jusqu'à 75 mètres. La majorité des immeubles d'habitation en bois sont toutefois des bâtiments de 4 à 5 étages, souvent construits en ossature bois. Pour garantir la rigidité horizontale de la structure porteuse d'une construction composée d'éléments d'ossature en bois préfabriqués et de panneaux dérivés du bois cloués, et pour prévenir les dommages causés par de fortes rafales de vent ou par des tremblements de terre, les ingénieurs en construction peuvent recourir à différentes solutions : soit ils prévoient des murs porteurs supplémentaires, soit ils augmentent la résistance des murs existants en utilisant des éléments plus épais, des matériaux plus résistants ou davantage de moyens d'assemblage. En fin de compte, cela signifie plus de matériel et une charge de travail accrue. Et cela se traduit par des coûts plus élevés. A cela s'ajoute le fait que : Le renforcement n'est pas la meilleure solution dans tous les cas. Pour absorber les secousses sismiques, il est parfois même préférable que la construction ne soit pas trop rigide, mais puisse réagir de manière souple jusqu'à un certain point. Cela doit également être pris en compte dans les calculs sur ordinateur.

Les données issues de la pratique aident les architectes et les planificateurs

L'ensemble du secteur de la construction en bois, mais aussi les architectes, les ingénieurs et les maîtres d'ouvrage sont donc intéressés par des données aussi proches que possible de la pratique concernant la rigidité, les temps de vibration de base et l'amortissement des bâtiments en bois à plusieurs étages, afin de trouver la meilleure solution pour leur objet. C'est la seule façon de garantir que la quantité exacte de matériau nécessaire est utilisée - et en plus aux bons endroits.

Pendant longtemps, il n'existait que des valeurs approximatives calculées, mais pas de données collectées sur un objet réel concernant les propriétés dynamiques d'une construction en bois à plusieurs étages dans le mode de construction habituel dans notre pays. Des essais de tables vibrantes ont certes été réalisés au Japon et en Amérique du Nord, mais ils ne sont pas facilement transposables aux conditions suisses, car ils simulent de forts séismes. De plus, les constructions japonaises et nord-américaines se distinguent nettement de celles de la Suisse. Cela s'explique par des exigences différentes en matière d'isolation thermique, d'insonorisation et de protection contre l'incendie. Dans les normes de construction, les ingénieurs ne trouvent que des valeurs moyennes concernant la rigidité des différents assemblages par clous, agrafes ou vis, des éléments de l'ossature en bois et des matériaux de parement. Ce qui manque, ce sont des données sur la rigidité d'éléments de mur entiers ou de murs qui s'étendent sur plusieurs étages.

Le « shaker » qui fait vibrer une maison

C'est là qu'intervient le « shaker » de l'Empa, l'oscillateur horizontal hydraulique qui peut mettre en mouvement de manière contrôlée jusqu'à 1000 kg de masse oscillante. Il y a quelques années, il a été utilisé de manière importante pour la recherche sur la construction à ossature bois lorsqu'il a été hissé par une grue à l'étage supérieur d'un immeuble en bois en construction à Oberglatt dans le canton de Zurich. Grâce à la commande précise du vérin servo-hydraulique, les 1000 kg de masse installés sur l’oscillateur se sont mis en mouvement de manière répétée et ont fait vibrer la maison en bois à l'horizontale. Exactement comme on pourrait s'y attendre en cas de coups de vent ou de petits tremblements de terre dans l'Unterland zurichois. Pendant ce temps, des accéléromètres mesuraient les mouvements horizontaux du bâtiment sur trois étages et fournissaient des valeurs sur la rigidité de la structure porteuse, la fréquence propre et l'amortissement. Les mesures ont été effectuées pendant trois phases de construction différentes.

Les chercheurs ont ainsi pu suivre directement sur l'objet comment la structure porteuse gagnait de plus en plus en rigidité : alors que dans la première phase, seuls les murs porteurs faisaient office de raidisseurs, dans la deuxième phase, les parements des murs non porteurs étaient également agrafés, et dans la troisième phase, les fenêtres étaient installées. « Les premiers résultats ont déjà montré que les calculs effectués sur le modèle ne correspondaient pas aux expériences », explique René Steiger. La structure porteuse s'est avérée beaucoup plus rigide que ce qui avait été calculé sur la base des données des normes et des modèles utilisés.

De telles mesures dans la pratique, tout comme les projets du laboratoire de l'Empa, fournissent des informations sur l'effet général des matériaux de construction utilisés sur la rigidité, la fréquence propre et l'amortissement des constructions. Par leur travail, les scientifiques aident à compléter les normes et les modèles informatiques, et ils aident les ingénieurs civils et les architectes à optimiser leur planification. Et ils renforcent ainsi également la compétitivité du bois en tant que matériau durable pour les constructions à plusieurs étages.

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Dr. René Steiger
Ingenieur-Strukturen
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