Dans l'atelier du géant

Au premier coup d'œil, 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 Hönggerberg. 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 cœur 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 contrôlée, 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 Božidar Stojadinović 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 côté se trouve une boîte bleu vif d'où dépassent deux manomètres et deux leviers - une pompe hydraulique actionnée à la main. Devant ce pont de contrôle 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 nœud 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.

Eruptif plutôt 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 bâtiment 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, ça a nettoyé l'armature de traction dans le nœud", dit le copropriétaire de "WaltGalmarini", qui connaît 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. Bientôt, 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 bientôt 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 lâche 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'emboîtaient 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 gît 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 nœud. 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 nœuds 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.