Les tremblements de terre sont depuis toujours des phénomènes terrifiants,
plus meurtriers au fur et à mesure de l’accroissement des villes,
l'effondrement de bâtiments représentant le risque majeur.
Pourquoi les immeubles s'écroulent-ils
et quels sont les moyens de prévention ?
En regardant des films catastrophes, vous pouvez penser que
la cause de l'effondrement d'un bâtiment provient du sol
qui se met à trembler violemment ou même à se fendre.
Mais cela n'est pas tout à fait vrai.
D'abord, la plupart des immeubles ne sont pas situés sur une ligne de faille
et la tectonique des plaques se situe bien plus bas que le niveau des fondations.
Alors que se passe-t-il exactement ?
La cause des tremblements de terre et ses conséquences sur les bâtiments
est un peu plus compliquée.
Pour illustrer cela, les architectes et ingénieurs utilisent
des maquettes comme des portiques en 2 D
ou des tiges surmontées de boules représentant la masse de l'immeuble.
Même aussi simplistes, ces maquettes peuvent se révéler très utiles,
car prédire la réaction d'un immeuble lors d'un séisme
est avant tout une question de physique.
La plupart des effondrements
ne sont pas dus au séisme en soi.
Quand le sol bouge sous un immeuble,
cela impacte les fondations et les premiers étages,
des ondes de choc parcourent toute la construction,
la faisant osciller d'avant en arrière.
La force de l'oscillation dépend de deux principaux facteurs :
la masse de la construction, concentrée à la base,
et sa rigidité,
qui va causer un certain nombre de déformations.
En plus des matériaux de construction et du type de pilier,
la rigidité est surtout fonction de la hauteur.
De petits immeubles seront plus rigides et oscilleront moins,
alors que les grands immeubles seront plus flexibles.
Suffirait-il alors de construire des immeubles plus petits
pour limiter au maximum les vibrations ?
Le tremblement de terre de 1985 à Mexico est la preuve du contraire.
Durant le séisme,
de nombreux immeubles entre 6 et 15 étages se sont écroulés.
Alors que des immeubles voisins plus petits sont restés debout,
et que des immeubles de plus de 15 étages furent eux aussi moins endommagés.
Les oscillations de ceux qui se sont
écroulés étaient plus violentes que le séisme en lui-même.
Comment est-ce possible ?
Il faut chercher du côté de la fréquence de résonance.
Dans un système d'oscillation,
la fréquence est le nombre de cycles d'oscillations en une seconde.
C'est l'inverse d'une période,
qui est la durée en secondes d'un cycle d'oscillation.
La fréquence naturelle d'un immeuble, déterminée par sa masse et sa rigidité,
est la fréquence à laquelle les vibrations vont se concentrer.
Augmenter la masse d'une construction réduit sa vitesse naturelle de vibration,
alors qu’augmenter sa rigidité la fera osciller plus rapidement.
Dans l'équation prenant en compte ces 2 éléments,
la fréquence naturelle est proportionnelle à la rigidité,
alors qu'elle est inversement proportionnelle à la masse.
Ce qui s'est passé à Mexico est ce qu'on appelle un effet de résonance,
où la fréquence des ondes sismiques
correspondaient à la fréquence naturelle des immeubles de taille moyenne.
Comme une poussée au bon moment sur une balançoire,
chaque nouvelle onde sismique amplifiait la vibration de l'immeuble
dans le même sens,
le poussant un peu plus loin et encore un peu plus loin,
et même davantage que le déplacement initial.
Aujourd'hui, les ingénieurs travaillent
avec des géologues et des sismologues pour mesurer
les mouvements de terrain lors de séismes,
afin d'éviter les effondrements dus aux problèmes de résonance,
prenant en compte des facteurs comme le type de sol et de défaillance,
ainsi que les données provenant de précédents séismes.
Des fréquences de mouvement lentes causeront moins de dégâts
aux immeubles hauts et souples,
alors que des fréquences plus rapides seront plus dangereuses
pour les constructions petites et rigides.
Les ingénieurs ont trouvé des moyens d'absorber les chocs
et de limiter les déformations au moyen de systèmes innovants.
On utilise des isolateurs flexibles
dans les fondations pour isoler et limiter les déformations,
et des amortisseurs de vibrations pour annuler la résonance
en oscillant à l'inverse des fréquences naturelles
afin de réduire les vibrations.
Au final, ce ne sont pas les immeubles les plus robustes qui résisteront
mais les mieux conçus.