La terre tremble des millions de fois chaque année. Souvent, ces séismes se produisent dans des lieux familiers, tels que les récents séismes meurtriers en Équateur et au Japon. À d'autres moments, un tremblement de terre peut frapper un endroit moins familier avec les trembleurs de terre, comme le tremblement de terre de magnitude 5, 8 qui a frappé Virginia en 2011 et endommagé le Monument de Washington.
Les structures historiques sont souvent vulnérables lors d'un séisme. Plusieurs sites du patrimoine mondial au Népal ont été détruits ou gravement endommagés en 2015 lors d'un séisme de magnitude 7, 8 et de répliques d'une magnitude de 7, 3. Les anciennes méthodes de construction et les matériaux de construction vieillissants rendent la plupart des structures historiques moins capables de résister aux vibrations provoquées par un séisme ou par des vents violents. Les techniques de construction modernes peuvent être utilisées pour mettre à jour ces structures afin d'atténuer certains des dommages potentiels, mais même dans ce cas, elles sont plus vulnérables que leurs homologues modernes.
Des ingénieurs du Marshall Space Flight Center de la NASA à Huntsville, en Alabama, affirment qu’ils peuvent aider les structures historiques à survivre à ces événements dévastateurs. Ils ont développé un moyen de changer la façon dont les bâtiments réagissent aux mouvements causés par les mouvements de la croûte terrestre. Et tout a commencé avec une fusée.
La technologie provient des travaux de la fusée Ares, un lanceur conçu pour le programme Constellation qui, avant son annulation en 2010, devait remplacer la navette spatiale pour le transport des astronautes dans l'espace. La fusée a tellement vibré qu'elle aurait blessé quiconque à bord. Les ingénieurs de la NASA ont donc dû trouver un moyen de rendre le véhicule sécuritaire. Cependant, le moyen habituel de contrôler les tremblements, en ajoutant plus de poids, n’était pas une option, car la fusée aurait été trop lourde pour se dégager de l’atmosphère terrestre.
L’équipe a trouvé un moyen d’utiliser le carburant de la fusée pour résoudre le problème. Et la même solution peut fonctionner pour les bâtiments vibrants, y compris ceux construits il y a des centaines d'années, explique Rob Berry, chef de projet de la NASA chez Marshall.
Les structures historiques peuvent manquer des types de connexions, telles que le renforcement en acier, qui transforment les différentes pièces d'un bâtiment en un système cohérent plus durable. Cependant, les ingénieurs peuvent rénover ces bâtiments avec des liens externes qui les maintiennent ensemble. "Sur [certains] bâtiments, vous verrez des plaques à l'extérieur avec un boulon qui les traverse et un gros écrou au bout", a déclaré Michael Kreger, directeur du Laboratoire des structures à grande échelle de l'Université de l'Alabama. . "Ils vont généralement peindre ces choses en noir, donc on dirait qu'ils y sont depuis toujours."
Une autre option consiste à supprimer les finitions intérieures, telles que les panneaux et les moulures de finition, et à construire de nouveaux murs renforcés d'acier autour des originaux. Ces murs sont ensuite recouverts, de sorte que les modifications ne peuvent pas être vues.
Ces efforts sont coûteux, cependant, et ne mettent pas l'ensemble de la structure en conformité avec les codes du bâtiment actuels, dit Kreger. Et certaines structures historiques ne disposent pas de l'espace nécessaire pour ajouter des murs ou dissimuler des poutres en acier afin d'atténuer les effets des tremblements de terre.
Les nouveaux bâtiments intègrent nombre de ces technologies lors de la construction. La méthode la plus courante pour réduire le mouvement d'un bâtiment a été un dispositif appelé amortisseur de masse ajusté (TMD). Un exemple de ceci serait un objet très lourd, la masse, ajouté à un bâtiment au dessus de ressorts réglés à une fréquence spécifique. Lorsqu'un tremblement de terre se produit ou que le vent souffle, la masse est mise en mouvement par le mouvement du bâtiment. Ce poids supplémentaire se déplace dans la direction opposée et réduit le mouvement global du bâtiment. Un tel appareil n'est pas parfait, cependant. Le bâtiment doit être déplacé avant que le TMD ne fonctionne, et les premières secondes d'un tremblement de terre peuvent être incroyablement destructives.
L'équipe de Berry a trouvé une nouvelle façon d'utiliser le bâtiment lui-même ou une petite quantité de masse supplémentaire pour provoquer une chute plus spectaculaire. La plupart des TMD utilisent un objet égal à environ 1 à 2% du poids du bâtiment pour obtenir une réduction de mouvement d'environ 50%. Dans un gratte-ciel, cet objet peut peser jusqu'à 2 millions de livres. Pour résoudre le problème des fusées, les ingénieurs de la NASA ont utilisé ce carburant pour atténuer les vibrations et ont permis une réduction de 95% des mouvements de leur fusée de 650 000 livres. Cela a été possible avec un simple dispositif ressemblant à un ballon appelé coupleur à structure fluide, dit Berry.
Pensez à un ballon. Mettez de l'air à l'intérieur du ballon, il grossit; évacuez l'air et il devient plus petit », dit-il. «Si je dépose [le ballon] dans une piscine, l'eau va réagir. Lorsque ce ballon se contracte, l'eau suit la contraction du ballon. Si ça se dilate, le fluide s'en éloigne.
Comme l'eau réagit au mouvement du ballon, il est possible de changer la fréquence naturelle du liquide en ajustant la pression à l'intérieur du ballon. Avec un bâtiment, un ingénieur peut utiliser ce concept pour ajuster le déplacement de la structure.
Les ingénieurs déterminent d’abord la fréquence naturelle du bâtiment pour savoir quand il commencera à bouger. Ensuite, ils fixent le coupleur (ballon) à une fréquence différente. En plaçant le coupleur dans un plan d'eau, comme dans une piscine, ou en ajoutant des tuyaux remplis d'eau fixés au toit, l'eau modifie les vibrations naturelles du bâtiment. Le liquide agit comme une ancre pour une balançoire - la balançoire bougera toujours, mais il sera beaucoup plus difficile à pousser. De même, le bâtiment bouge moins lors d'un séisme ou de vents violents.
La NASA a testé avec succès ce concept sur sa propre structure historique, le Dynamic Structural Test Facility, en 2013. Mais Berry et son équipe ont reconnu que toutes les conceptions de bâtiment ne permettraient pas d'ajouter ce type de système à base de fluide. Ils ont donc appliqué ce qu'ils avaient appris pour mettre au point un dispositif mécanique qui prendrait moins de place tout en fournissant le même type d'ancrage.
L'équipe a mis au point une nouvelle version de cette technologie, appelée DTM (Disruptive Tuned Mass), qui utilise un gros morceau de métal plutôt que de l'eau pour atténuer le mouvement d'un bâtiment. Il est beaucoup plus petit qu'un TMD conventionnel et coûte beaucoup moins cher à produire - mais est tout aussi efficace.
Plus tôt ce mois-ci, Kreger et ses collègues, sceptiques quant aux affirmations de la NASA, ont testé le dispositif lors de son premier test lors d'un tremblement de terre simulé au Centre for Sustainable Infrastructure de l'Université de l'Alabama. C'était un succès.
«Le test a clairement montré que la masse réglée perturbatrice était supérieure à celle de l'amortisseur de masse réglé, et qu'elle était également utile pour l'atténuation des tremblements de terre», déclare Berry. Cette nouvelle approche, a-t-il déclaré, "est un autre excellent exemple de technologie où les technologies dérivées du programme spatial peuvent offrir de nouvelles capacités à l'industrie".
Kreger accepte et espère collaborer avec la NASA pour tester et développer les futurs systèmes DTM.
Ces technologies sont des prototypes, mais la NASA collabore avec des entreprises privées pour développer des produits commerciaux pouvant être utilisés pour atténuer les effets des tremblements de terre dans les bâtiments publics et privés, y compris les structures historiques.
Cette nouvelle technologie pourrait même aider le Washington Monument à résister aux vibrations des tremblements de terre et du vent, explique Berry. «Je parie qu'ils ont examiné les différentes manières d'atténuer», dit-il. «Mais si le même tremblement de terre avait eu lieu avec une masse réglée perturbatrice installée, la réponse aurait été totalement différente. Nous aurions pu couper la réponse. "
Il continue: «J'aimerais beaucoup que les gens du Monument de Washington appellent. Cette technologie a été développée avec l'argent des contribuables, elle leur appartient donc. ”
