Dans l'atelier du géant
Une tour de 80 mètres de haut en bois sera bient?t construite à Zoug. Un projet pionnier pour lequel la recherche fondamentale est menée dans le hall de construction du H?nggerberg.
Au premier coup d'?il, on se croirait dans un chantier naval quelque part dans la zone portuaire de Hambourg : un vaste hall, des néons et, au plafond, une grue suspendue sur rails qui hisse à travers la pièce des éléments en acier, des piliers en béton et des poutres en bois pesant plusieurs tonnes. Avec cela, des vis aussi longues et épaisses que les avant-bras d'un adulte, et des écrous au rayon d'une assiette - comme si c'était l'atelier d'un géant.
"Chez nous, tester quelque chose signifie généralement le charger jusqu'à ce qu'il soit détruit", dit Dominik Werne en riant. Il dirige depuis douze ans l'équipe des halls de construction de l'Institut de statique et construction (IBK) sur le campus du H?nggerberg. Avec quatre collaborateurs permanents, il assiste les sept chaires de l'institut dans leurs expériences. Werne montre du doigt le sol vert pastel en dessous de nous, le c?ur de la halle. Du béton d'un mètre d'épaisseur, renforcé par des dizaines d'armatures en acier, de sorte qu'il peut supporter un poids total de plusieurs milliers de tonnes. Comme dans un système Meccano, les bancs d'essai peuvent être assemblés librement à partir de différents éléments pesant parfois plusieurs tonnes. "La planification et la construction d'un banc d'essai durent souvent des mois", explique Werne. Nettement plus longtemps que les expériences qui suivent.
Les bancs d'essai s'alignent à droite et à gauche le long d'un couloir marqué d'un ruban adhésif jaune. Par exemple "LUSET", un colosse de dix mètres sur dix dont les entrailles sont constituées de cent vérins hydrauliques pilotables individuellement. Il permet d'écraser des plaques de béton renforcées d'acier - de manière bien contr?lée, afin d'imiter les conditions naturelles. Le groupe de recherche du professeur Walter Kaufmann y réalise également des essais pour l'Office fédéral des routes (OFROU), afin de tester si les ponts doivent être rénovés. En face, se trouve un autre géant appelé "MAST". Sous des poutres massives en acier se trouve un mur en béton armé d'environ trois mètres de long et deux mètres de haut. Des plaques métalliques posées sur le bord supérieur du mur peuvent être déplacées par d'énormes vérins afin de simuler les forces d'un tremblement de terre au ralenti. Le professeur Bo?idar Stojadinovi? analyse ainsi le comportement du béton et de l'acier dans des conditions sismiques. "En principe, on pourrait aussi construire une petite maison dans le banc d'essai et tester sa résistance aux séismes", explique Werne.
Les ingénieurs et la croix
"Stop ! Je vois une première fissure ici", crie quelqu'un à l'extrémité nord du hall de construction. Il fait partie d'un groupe de six hommes, deux du bureau d'ingénieurs zurichois "WaltGalmarini", trois doctorants de l'IBK et un technicien du hall de construction. Ils sont réunis autour d'une table avec plusieurs écrans d'ordinateur ; à c?té se trouve une bo?te bleu vif d'où dépassent deux manomètres et deux leviers - une pompe hydraulique actionnée à la main. Devant ce pont de contr?le temporaire se trouve une croix en bois composée d'un pilier en bois de 4,4 mètres de long et de deux traverses. Celles-ci sont composées pour moitié du même bois de placage de hêtre que le pilier, mais sont recouvertes d'une couche de béton sur leur face inférieure. Les deux traverses sont reliées au poteau par des tiges filetées collées dans le bois. Pour la fixation des traverses, un joint d'une dizaine de centimètres de large a été coulé avec un mortier de scellement très résistant. Ce n?ud poteaux-traverses doit être testé aujourd'hui. Pour cela, la croix a été installée entre deux cylindres hydrauliques costauds, fixés au sol par des parois de poussée en acier de plusieurs tonnes.
Les ingénieurs se sont rassemblés à sept heures du matin dans le hall de construction pour soumettre la croix à des contraintes en flexion. Ce faisant, ils veulent en savoir plus sur sa rigidité, sa capacité de charge et sa ductilité. Trois caméras infrarouges sont fixées sur une poutre en acier, bien au-dessus de la croix. Elles mesurent tout déplacement de plus de 0,1 millimètre à l'aide de 78 points de mesure préalablement marqués sur le béton de la croix. Ces valeurs permettent de tracer des courbes et des diagrammes qui montrent quelles déformations se sont produites à quel endroit et sous quelle charge.
Peu après 9h30 et à un peu plus de 200 kilonewtons de traction, ce qui correspond à une charge de 20 tonnes, les premières fines fissures apparaissent dans le béton. Le doctorant qui actionne la pompe hydraulique manuelle pour la mise en pression l?che le levier. Un collaborateur de "WaltGalmarini" suit soigneusement les fissures dans le béton avec un marqueur bleu et les marque d'un 2, ce qui signifie niveau de charge 2. Ainsi, les ingénieurs peuvent encore déterminer plus tard à quelle charge telle ou telle fissure est apparue. Ils prennent des photos de l'image actuelle des fissures et prennent des notes. Ensuite, la pression est à nouveau rel?chée.
Projet pionnier en bois
Ce qui est simulé aujourd'hui sur le banc d'essai de la chaire de construction en bois, c'est le comportement d'une tour en bois de 80 mètres de haut en cas de vent fort. Les 200 kilonewtons correspondent à peu près aux forces qui s'exerceraient sur l'ossature en bois du b?timent lors d'une tempête maximale attendue en Suisse. La croix du banc d'essai est un élément critique du "Projet Pi", le nom de la construction en bois de 80 mètres de haut qui doit être réalisée à Zoug à partir de 2022. La structure porteuse est con?ue par "WaltGalmarini", elle sera construite par l'entrepreneur général Implenia et accompagnée scientifiquement par Andrea Frangi, professeur de construction en bois à l'IBK. Il s'agira de l'un des plus grands immeubles en bois jamais construits. Un projet pionnier, car les ingénieurs ont totalement renoncé à un noyau en béton armé, encore courant aujourd'hui. Dans le "projet Pi", celui-ci est remplacé par une structure porteuse massive en bois, composée de bois de hêtre contreplaqué de 40 centimètres de large.
Un tel mode de construction n'est autorisé en Suisse que depuis 2015 en raison de la protection contre les incendies. A cela s'ajoutent des innovations dans la construction en bois. "Les bois feuillus sont certes plus difficiles à travailler, mais ils ont des propriétés mécaniques bien meilleures que les résineux", explique Frangi. "C'est pourquoi ils sont bien adaptés aux charges élevées dans la construction d'immeubles". En déroulant des troncs de hêtre et en collant ensuite les placages de bois de deux à trois millimètres d'épaisseur, on obtient des éléments de construction avec une capacité portante optimisée pour des sections transversales plus petites. Il en résulte des constructions plus légères par rapport aux gratte-ciel traditionnels en béton. Et un meilleur bilan environnemental : pour chaque mètre cube de bois utilisé, environ une tonne de CO? est stockée dans le matériau. ? cela s'ajoute la réduction de l'utilisation de béton, dont la production de ciment génère environ huit pour cent des émissions globales de CO?. Le plafond hybride bois-béton qui sera installé sur 27 étages du "Projet Pi" est également une nouveauté du groupe Frangi. Il est 30 pour cent plus léger que les plafonds traditionnels en béton et en acier, tout en conservant la même capacité de charge, comme l'ont montré des tests de charge dans le hall de construction. Et son comportement acoustique et vibratoire est également conforme aux normes.
Une construction en béton et bois en forme de croix de plusieurs mètres de long soumise à un test de charge. (Image : Daniel Winkler)
Les ingénieurs examinent les fissures qui sont apparues sous l'effet de la charge. (Image : Daniel Winkler)
Eruptif plut?t que ductile
"Baam !" Une sourde détonation d'acier envahit la halle. Il est près de 16 heures, la contrainte de traction sur les deux traverses s'élevait dernièrement à 510 kilonewtons (51 tonnes), ce qui correspond à environ deux fois la force à laquelle le b?timent doit légalement résister. Sur l'une des deux traverses, on peut voir de longues fissures dans le béton, d'environ deux centimètres de large. C'est à cet endroit que les planchers mixtes bois-béton horizontaux seront un jour reliés aux piliers en bois verticaux. Andreas Galmarini se précipite avec son collaborateur à l'endroit de la fissure, prend des photos et les marque à nouveau avec le stylo bleu. "Maintenant, ?a a nettoyé l'armature de traction dans le n?ud", dit le copropriétaire de "WaltGalmarini", qui conna?t encore la halle de construction pour y avoir fait sa propre thèse de doctorat à l'ETH.
La rupture soudaine et inopinée s'écarte des modèles de calcul des ingénieurs. En fait, ils s'attendaient à un comportement ductile, c'est-à-dire à une déformation qui augmente fortement avant la rupture et qui annonce la défaillance. C'est là que l'on voit l'importance de la recherche expérimentale dans le domaine de la construction, explique Frangi : "Nous pouvons certes calculer énormément de choses à notre bureau et simuler le comportement statique porteur d'éléments de construction à l'aide de logiciels sophistiqués. Mais de tels modèles doivent être validés par des essais, en particulier pour les innovations".
Un doctorant du groupe de Frangi saisit à nouveau le levier de la pompe hydraulique et commence à pomper. Il s'agit maintenant de "charger la rupture", comme on dit dans le jargon des ingénieurs, sur le deuxième verrou. Bient?t, il retire son pull, le sang lui monte à la tête, la résistance du levier est de plus en plus grande. A 500 kilonewtons, un craquement se fait entendre pendant une fraction de seconde. La résistance diminue ensuite, la courbe sur l'ordinateur portable s'aplatit. "Magnifique !", commente le collaborateur de Galmarini. "Nous sommes maintenant arrivés au point de fluage, et le comportement à la rupture ductile que les ingénieurs civils souhaitent pour leurs ouvrages se manifeste. Pas de défaillance soudaine de la structure porteuse, mais une déformation plastique lente des matériaux.
Le doctorant continue à pomper ; le manomètre affiche bient?t 300 bars. Pendant ce temps, une fissure dans le mortier s'élargit. A 550 kilonewtons, un nouveau claquement se produit. Cette fois-ci deux fois de suite - et encore plus fort que lors du premier verrou. Le doctorant l?che le levier. La fissure dans le joint de mortier est maintenant large de plusieurs centimètres et laisse entrevoir des barres de fer recouvertes de gravats. L'énorme force a fait sauter deux des boucles métalliques qui s'embo?taient et qui avaient été testées comme liaison alternative entre la traverse et le pilier.
Des connaissances précieuses comme l'or
Avec des smartphones et des appareils photo reflex, les ingénieurs documentent la croix détruite, qui g?t comme affaissée dans la lumière blafarde du hall. Une fois encore, les deux barres sont inspectées sous tous les angles, les éclatements de béton sont interprétés et les spéculations vont bon train sur le comportement exact à l'intérieur du n?ud. Une semaine plus tard, une deuxième croix est testée avec deux autres variantes de construction. Ensuite, les ingénieurs de "WaltGalmarini" décideront, avec Andrea Frangi, quels systèmes de n?uds d'Implenia seront utilisés pour la construction des 27 étages de la tour en bois de 80 mètres de haut.
"Nous ne pouvons normalement collecter de telles données sur le comportement du béton, de l'acier et du bois dans des situations extrêmes que dans des régions où un tremblement de terre ou un typhon a récemment fait rage", explique Galmarini. Il s'est lui-même déjà rendu dans des zones sismiques pour le Corps suisse d'aide humanitaire (CSA). Mais même là-bas, la dynamique des matériaux et de la construction ne peut pas être suivie au ralenti, comme ici dans le hall de construction. "Pour nous, c'est précieux comme de l'or !", dit l'ingénieur, euphorique, avant de se tourner à nouveau vers l'inspection de la plaie béante dans le béton.
Ce texte est paru dans l'édition 21/01 du magazine de l'ETH. Globe a été publié.