Dans l'atelier du géant

Un gratte-ciel en bois de 80 mètres de haut sera bientôt construit à Zoug. Un projet pionnier pour lequel des recherches fondamentales sont menées dans la halle de construction de l'Hönggerberg.
Une vue du laboratoire révèle l'échelle impressionnante des installations de recherche. (Image : Daniel Winkler)

À première vue, cet immense espace éclairé au néon pourrait être confondu avec un chantier naval quelque part dans le port de Hambourg. Un pont roulant mobile se dresse au-dessus, prêt à hisser d'énormes éléments en acier, des colonnes en béton et des poutres en bois à travers le hall. Autour de nous, des boulons aussi longs et épais que l'avant-bras d'un adulte et des écrous aussi gros que des assiettes. Sommes-nous dans une sorte d'atelier de géant ?

«D'une manière générale, notre approche des tests consiste à augmenter sans cesse la charge sur un objet jusqu'à ce qu'il soit détruit», explique Dominik Werne en souriant. Depuis 12 ans, il dirige une équipe à la Bauhalle, le laboratoire de recherche expérimentale de l'Institut d'ingénierie structurelle (IBK) sur le campus Hönggerberg. Avec quatre employés permanents, il participe aux expériences menées pour le compte des sept chaires professorales de l'institut. Dominik Werne montre le sol vert pastel sous nos pieds, expliquant que c'est peut-être la partie la plus importante de toute l'installation. Constitué d'un béton d'un mètre d'épaisseur fortement renforcé par de l'acier, il peut supporter un poids total de plusieurs milliers de tonnes. À la manière d'un Meccano, les montages d'essai sont assemblés selon les besoins à partir de divers composants, dont certains pèsent plusieurs tonnes. «La planification et la construction d'un montage d'essai peuvent prendre des mois», explique Dominik Werne. En fait, cela prend souvent beaucoup plus de temps que les expériences elles-mêmes.

Les installations d'essai sont situées de part et d'autre d'une allée centrale délimitée par du ruban jaune. Ils comprennent le LUSET, un énorme cadre en acier de 10 mètres sur 10, dont les rouages sont constitués de 100 vérins hydrauliques contrôlables individuellement. Le LUSET permet d'effectuer des essais à grande échelle sur des éléments de coque en béton armé, de manière contrôlée et sans à-coups, en reproduisant les conditions réelles. Il a été commandé par la chaire du professeur Walter Kaufmann. Son équipe réalise des essais pour des clients tels que l'Office fédéral des routes (OFROU) afin de déterminer si les ponts doivent être rénovés. En diagonale, se trouve le tout aussi imposant MAST, qui comporte deux murs en béton armé d'environ 3 mètres de long et 2 mètres de haut, situés sous une traverse modulaire en acier, qui peut être déplacée par de puissants vérins. Le professeur Božidar Stojadinović a conçu le MAST pour simuler des tremblements de terre au ralenti et analyser leurs effets sur des éléments structurels en grandeur nature. «En théorie, nous pourrions même construire une petite maison dans le dispositif d'essai et tester sa capacité à résister aux tremblements de terre», explique Dominik Werne.

Les ingénieurs et la croix

«Tenez bon ! Je vois une fissure», crie une voix à l'extrémité nord du laboratoire. Il fait partie d'un groupe de six hommes : deux du bureau d'ingénieurs zurichois WaltGalmarini, trois doctorants de l'IBK et un ingénieur du laboratoire. Ils sont regroupés autour d'un bureau et regardent plusieurs écrans d'ordinateur. À côté d'eux se trouve une boîte bleu vif avec deux manomètres et deux leviers qui en sortent - une pompe hydraulique à commande manuelle. Devant ce poste de commandement temporaire se trouve une croix en bois composée d'une colonne en bois de 4,4 mètres de long et de deux poutres. La moitié de chaque poutre est constituée du même bois de placage stratifié (LVL) en hêtre que la colonne, mais la moitié inférieure de chaque poutre comprend une couche de béton. Les deux poutres sont reliées à la colonne par des tiges filetées collées dans le bois. Pour fixer les poutres en place, les ingénieurs chercheurs ont coulé du mortier à haute résistance dans un joint d'environ 10 centimètres de large. C'est ce joint entre la colonne et les poutres qui est testé aujourd'hui. Pour effectuer leurs tests, l'équipe du laboratoire a installé la croix entre deux lourds cylindres hydrauliques maintenus en place par deux murs de réaction en acier, chacun pesant plusieurs tonnes.

Les ingénieurs ont commencé à faire monter la pression à sept heures ce matin, augmentant progressivement la charge pour voir ce que la croix peut supporter. L'objectif de l'expérience est d'en savoir plus sur la rigidité, la capacité de charge et la ductilité de la structure. Au-dessus de la croix, trois caméras infrarouges sont fixées à une poutre en acier. Elles surveillent 78 points de mesure marqués sur les sections en béton de la croix afin de mesurer tout déplacement supérieur à 0,1 millimètre. Ces données peuvent ensuite être utilisées pour tracer des courbes et des diagrammes montrant où et quel type de déformation se produit sous différents niveaux de charge.

Peu après neuf heures et demie, alors que la charge de traction dépasse les 200 kilonewtons, soit l'équivalent du poids de 20 tonnes, les premières fines fissures commencent à apparaître dans le béton. Un doctorant qui actionne la pompe hydraulique manuelle relâche le levier afin de ne plus exercer de pression. Un employé de WaltGalmarini s'approche du béton et trace soigneusement le contour des fissures avec un marqueur bleu, en ajoutant un «2» pour indiquer qu'elles ont atteint le «niveau de charge 2». Plus tard, cela aidera les ingénieurs à déterminer quelles fissures se sont produites sous quels niveaux de charge. Ils prennent également des notes et des photos de la configuration actuelle des fissures. Il est ensuite temps de relâcher la pression sur la croix en vue de l'étape suivante.

Utilisation pionnière du bois

Les expériences menées aujourd'hui sur le banc d'essai sont conçues pour imiter le comportement d'un bâtiment en bois de 80 mètres de haut en cas de vents violents. Une force de 200 kilonewtons est à peu près équivalente à celle à laquelle la construction à ossature en bois du bâtiment serait confrontée lors de la plus grande tempête qui pourrait vraisemblablement frapper la Suisse. La croix du banc d'essai est un élément crucial dans le développement d'un bâtiment en bois de 80 mètres de haut connu sous le nom de «Projet Pi», dont la construction devrait commencer à Zoug en 2022. Conçue par WaltGalmarini, cette tour sera construite par l'entreprise générale Implenia, avec le soutien scientifique d'Andrea Frangi, professeur de structures en bois à l'IBK. Ce projet pionnier, qui figure parmi les plus hauts bâtiments en bois jamais construits, innovera également en renonçant au noyau en béton armé habituellement utilisé dans ce type de structure pour le remplacer par une ossature en bois composée de LVL de hêtre de 40 centimètres de large.

Auparavant interdit en Suisse pour des raisons de sécurité incendie, ce type de structure a finalement reçu le feu vert en 2015. Désormais, les ingénieurs espèrent le combiner avec les dernières innovations en matière de construction en bois. «Les bois durs sont plus difficiles à usiner, mais ils ont de meilleures propriétés mécaniques que les bois tendres», explique Andrea Frangi. «Cela en fait un bon choix pour les charges élevées auxquelles sont soumis les immeubles de grande hauteur». Le LVL est fabriqué en déroulant des grumes de hêtre, puis en collant ensemble les placages de bois de 2 à 3 millimètres d'épaisseur pour produire des composants offrant une capacité de charge optimale avec des sections transversales plus petites. Les structures en bois sont généralement plus légères que les immeubles de grande hauteur en béton classiques. Elles présentent également une meilleure performance environnementale, chaque mètre cube de bois dans un projet de construction immobilisant environ une tonne de CO₂. La réduction de l'utilisation du béton est un avantage supplémentaire, puisque la production de ciment représente environ huit pour cent des émissions mondiales de carbone.

La dalle composite bois-béton - qui sera utilisée sur les 27 étages du Projet Pi - est une autre innovation du groupe d'Andrea Frangi. Les essais de charge réalisés en laboratoire montrent qu'elle offre la même capacité de charge que les dalles en béton armé classiques tout en étant 30% plus légère. Elle offre également des performances acoustiques et vibratoires qui répondent à toutes les normes en vigueur.

Fragilité et ductilité

«Bang !» Un bruit sourd et métallique se répercute dans la salle. Il est presque quatre heures de l'après-midi et la charge de traction sur les deux poutres vient d'atteindre 510 kilonewtons (51 tonnes), ce qui équivaut à environ deux fois la force à laquelle le bâtiment est légalement tenu de résister. De longues fissures - d'environ 2 centimètres de large chacune - sont visibles dans la section en béton de l'une des poutres. C'est à cet endroit que les dalles composites horizontales en bois-béton seraient reliées à la colonne verticale en bois. Andreas Galmarini et son collègue ingénieur se précipitent à l'endroit où les fissures sont apparues et commencent à prendre des photos et à tracer leur contour avec le marqueur bleu. «C'en est fini de l'armature de traction au niveau de la jonction poteau-poutre», s'exclame le copropriétaire de WaltGalmarini, qui se souvient bien du laboratoire où il était doctorant à l'ETH Zurich.

Cette rupture soudaine n'avait pas été prévue dans la modélisation des ingénieurs. Ils s'attendaient à voir une augmentation progressive de la déformation avant la fissuration - en d'autres termes, le type de comportement ductile qui signalerait une défaillance imminente.

Cela démontre l'importance de la recherche expérimentale dans le domaine du génie civil, déclare Andrea Frangi : «Nous pouvons faire une grande partie des calculs sur nos bureaux - même en utilisant des logiciels sophistiqués pour simuler le comportement de support de charge des composants. Mais, en fin de compte, il faut valider ce genre de modèles par des essais, surtout lorsqu'il s'agit de nouveaux développements.»

Un doctorant du groupe d'Andrea Frangi tend la main vers le levier de la pompe hydraulique et recommence à pomper. Il est temps que la deuxième poutre subisse des «tests jusqu'à l'échec», comme l'appellent les ingénieurs. Bientôt, l'étudiant enlève son pull, le visage devenant progressivement plus rouge à mesure que le levier devient de plus en plus difficile à déplacer. À 500 kilonewtons, un bref craquement ponctue l'air. Le levier se met à bouger plus facilement, et la courbe du portable s'aplatit. «Parfait !», dit le collègue d'Andreas Galmarini. «Nous devrions voir une transition en douceur à partir de ce point». La rupture ductile recherchée par les ingénieurs en structure a finalement été atteinte, les matériaux subissant une déformation plastique progressive au lieu d'une rupture structurelle soudaine.

Le doctorant continue de pomper, et le manomètre atteint bientôt 300 bars. Pendant ce temps, une fissure dans le béton s'élargit. À 550 kilonewtons, un autre craquement aigu se fait entendre, cette fois deux fois de suite, et encore plus fort que pour la première poutre. Le doctorant lâche le levier. La fissure dans le joint en béton, large de plusieurs centimètres, laisse entrevoir des barres d'acier et des gravats. La force énorme a fait exploser deux des anneaux métalliques emboîtés que les ingénieurs testaient comme alternative de jonction entre la colonne et les poutres.

Des informations d'une grande valeur

Les ingénieurs utilisent des appareils photo reflex et des smartphones pour documenter la destruction de la croix, qui s'affaisse dans la lumière déclinante du laboratoire. Ils inspectent une fois de plus les deux poutres de tous les côtés, tirant le maximum d'informations du béton éclaté et spéculant sur ce qui s'est passé au plus profond du joint poteau-poutre. Dans une semaine, ils testeront une deuxième croix avec deux autres modifications de conception. Ensuite, les ingénieurs de WaltGalmarini décideront avec Andrea Frangi quel système d'assemblage Implenia sera utilisé pour la construction des 27 étages de la tour en bois de 80 mètres de haut.

«La seule façon d'obtenir ce type de données sur le comportement du béton, de l'acier et du bois dans des conditions extrêmes est de se rendre dans une région récemment touchée par un tremblement de terre ou un typhon», explique Andreas Galmarini. Il a lui-même passé du temps dans des zones sismiques lorsqu'il travaillait pour le Corps suisse d'aide humanitaire (CSA). Mais même là, il était impossible de suivre la dynamique des matériaux et des structures avec les méthodes de ralenti disponibles en laboratoire. «Ces données valent de l'or», se réjouit-il, avant de retourner inspecter la plaie béante dans le béton.