Jamais peur. Si vous n'êtes pas prêt à vivre dans une maison en forme de ballon de football qui résiste aux tremblements de terre et flotte sur l'eau, vous pouvez avoir d'autres options entre vos mains. © Yuriko Nakao/Reuters/Corbis L'âge du bronze a vu l'essor de plusieurs civilisations prospères, dont quelques-uns qui ont réussi à construire des villes impressionnantes avec des grilles ordonnées et une plomberie sophistiquée. Maintenant, les scientifiques pensent que l'activité tectonique peut avoir contribué à la disparition de certaines de ces cultures anciennes. Par exemple, des recherches menées dans la ville de Megiddo (qui fait maintenant partie de l'actuel Israël) suggèrent qu'un tremblement de terre massif a peut-être dévasté la ville, menant aux couches de type sandwich trouvées dans les fouilles. Et une série de tremblements de terre a peut-être fait tomber la civilisation harappéenne (dans ce qui est maintenant le Pakistan), qui disparut brutalement en 1900 avant notre ère.
Nous sommes tout aussi sensibles aujourd'hui aux séquelles de puissants tremblements de terre. Lorsqu'il est exposé aux forces latérales soudaines produites par les ondes sismiques, même les bâtiments et les ponts modernes peuvent échouer complètement et s'effondrer, écraser les gens, sur et autour d'eux. Si quoi que ce soit, le problème s'est aggravé à mesure que de plus en plus de personnes vivent dans des environnements urbains et que les structures se sont développées. Heureusement, au cours des dernières décennies, architectes et ingénieurs ont mis au point un certain nombre de technologies intelligentes pour garantir que les maisons, les immeubles d'habitation et les gratte-ciel se plient mais ne se cassent pas. Par conséquent, les habitants du bâtiment peuvent sortir indemnes et commencer à ramasser les morceaux.
Dans les pages suivantes, nous avons assemblé 10 de ces technologies anti-tremblement. Certains existent depuis plusieurs années. Autres, comme le premier élément de notre compte à rebours, sont des idées relativement nouvelles qui sont encore testées.
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Il s'avère que l'ancien Capitole de l'État de l'Utah était considéré comme vulnérable à un tremblement de terre modéré, alors il a accroché son propre système d'isolation de base, qui a été achevé en 2007. iStockphoto/Thinkstock Les ingénieurs et les sismologues ont privilégié l'isolation des bases pendant des années comme moyen de protéger les bâtiments lors d'un tremblement de terre. Comme son nom l'indique, ce concept repose sur la séparation de la sous-structure d'un bâtiment de sa superstructure. L'un de ces systèmes consiste à faire flotter un bâtiment au-dessus de ses fondations sur des paliers en plomb-caoutchouc, qui contiennent un noyau de plomb solide enveloppé dans des couches alternées de caoutchouc et d'acier. Des plaques d'acier fixent les appuis au bâtiment et à ses fondations puis, quand un tremblement de terre frappe, permettre à la fondation de bouger sans déplacer la structure au-dessus d'elle.
Maintenant, certains ingénieurs japonais ont poussé l'isolation de la base à un nouveau niveau. Leur système fait léviter un bâtiment sur un coussin d'air. Voici comment cela fonctionne :Des capteurs sur le bâtiment détectent l'activité sismique révélatrice d'un tremblement de terre. Le réseau de capteurs communique avec un compresseur d'air, lequel, dans la demi-seconde après avoir été alerté, force l'air entre le bâtiment et ses fondations. Le coussin d'air soulève la structure jusqu'à 1,18 pouces (3 centimètres) du sol, l'isolant des forces qui pourraient le déchirer. Quand le tremblement de terre s'apaise, le compresseur s'éteint, et le bâtiment retombe sur ses fondations. La seule chose qui manque est la chanson thème du "Greatest American Hero".
Les amortisseurs ne sont pas réservés qu'aux voitures. Si vous alliez au saut en parachute de Coney Island à l'époque, tu aurais été content de voir les amortisseurs reposer en bas, prêt à adoucir votre atterrissage. iStockphoto/Thinkstock Une autre technologie éprouvée pour aider les bâtiments à résister aux tremblements de terre s'inspire de l'industrie automobile. Vous connaissez le amortisseur -- l'appareil qui contrôle les mouvements de ressort indésirables dans votre voiture. Les amortisseurs ralentissent et réduisent l'amplitude des mouvements vibratoires en transformant l'énergie cinétique de votre suspension rebondissante en énergie thermique qui peut être dissipée par le fluide hydraulique. En physique, c'est ce qu'on appelle amortissement , c'est pourquoi certaines personnes appellent les amortisseurs des amortisseurs.
Il s'avère que les amortisseurs peuvent être utiles lors de la conception de bâtiments résistants aux séismes. Les ingénieurs placent généralement des registres à chaque niveau d'un bâtiment, avec une extrémité attachée à une colonne et l'autre extrémité attachée à une poutre. Chaque amortisseur est constitué d'une tête de piston qui se déplace à l'intérieur d'un cylindre rempli d'huile de silicone. Lorsqu'un tremblement de terre frappe, le mouvement horizontal du bâtiment fait pousser le piston dans chaque amortisseur contre l'huile, transformer l'énergie mécanique du séisme en chaleur.
L'amortisseur de masse accordé à Taipei 101 à Taiwan © Victor Fraile/Corbis L'amortissement peut prendre plusieurs formes. Une autre solution, surtout pour les gratte-ciel, consiste à suspendre une masse énorme près du sommet de la structure. Des câbles d'acier soutiennent la masse, tandis que les amortisseurs à fluide visqueux se situent entre la masse et le bâtiment qu'il essaie de protéger. Lorsque l'activité sismique fait osciller le bâtiment, le pendule se déplace en sens inverse, dissiper l'énergie.
Les ingénieurs appellent ces systèmes amortisseurs de masse réglés parce que chaque pendule est réglé précisément sur la fréquence vibratoire naturelle d'une structure. Si le mouvement du sol fait osciller un bâtiment à sa fréquence de résonance, le bâtiment vibrera avec une grande quantité d'énergie et subira probablement des dommages. Le travail d'un amortisseur de masse accordé est de contrer la résonance et de minimiser la réponse dynamique de la structure.
Taipei 101, qui fait référence au nombre d'étages dans le 1, gratte-ciel de 667 pieds (508 mètres de haut), utilise un amortisseur de masse accordé pour minimiser les effets vibratoires associés aux tremblements de terre et aux vents forts. Au cœur du système se trouve un 730 tonnes (660 tonnes métriques), boule dorée suspendue par huit câbles en acier. C'est le plus grand et le plus lourd amortisseur de masse accordé au monde.
Vous savez comment un fusible électrique saute s'il est surchargé ? Les ingénieurs essaient d'intégrer ce concept dans la protection antisismique des bâtiments. iStock/Thinkstock Dans le monde de l'électricité, un fusible assure une protection en défaillant si le courant dans un circuit dépasse un certain niveau. Cela interrompt le flux d'électricité et empêche la surchauffe et les incendies. Après l'incident, vous remplacez simplement le fusible et restaurez le système à la normale.
Des chercheurs de l'Université de Stanford et de l'Université de l'Illinois ont expérimenté un concept similaire dans le but de construire un bâtiment résistant aux séismes. Ils appellent leur idée un système de bascule contrôlé parce que les cadres en acier qui composent la structure sont élastiques et peuvent basculer sur la fondation. Mais ce ne serait pas en soi une solution idéale.
En plus des cadres en acier, les chercheurs ont introduit des câbles verticaux qui ancrent le haut de chaque cadre à la fondation et limitent le mouvement de bascule. Non seulement que, les câbles ont une capacité d'auto-centrage, ce qui signifie qu'ils peuvent tirer toute la structure vers le haut lorsque les secousses s'arrêtent. Les composants finaux sont les fusibles en acier remplaçables placés entre deux cadres ou à la base des colonnes. Les dents métalliques des fusibles absorbent l'énergie sismique lorsque le bâtiment bascule. S'ils « soufflent » lors d'un tremblement de terre, ils peuvent être remplacés relativement rapidement et à moindre coût pour restaurer le bâtiment à son état d'origine, forme de coupe de ruban.
Un bâtiment à ossature de bois de quatre étages est testé dans les conditions d'un certain nombre de tremblements de terre historiques à l'aide de la plus grande table vibrante extérieure au monde par des chercheurs de l'Université de San Diego en Californie le 17 août 2013. © Mike Blake/Reuters/Corbis Dans de nombreux immeubles de grande hauteur modernes, les ingénieurs utilisent la construction noyau-mur pour augmenter les performances sismiques à moindre coût. Dans cette conception, un noyau en béton armé traverse le cœur de la structure, entourant les bancs d'ascenseurs. Pour les bâtiments de très grande hauteur, le mur central peut être assez important - au moins 30 pieds dans chaque direction du plan et 18 à 30 pouces d'épaisseur.
Alors que la construction des murs à noyau aide les bâtiments à résister aux tremblements de terre, ce n'est pas une technologie parfaite. Les chercheurs ont découvert que les bâtiments à base fixe avec des murs centraux peuvent encore subir des déformations inélastiques importantes, des forces de cisaillement importantes et des accélérations de sol dommageables. Une solution, comme nous l'avons déjà évoqué, implique l'isolation de la base - flottant le bâtiment sur des roulements en plomb-caoutchouc. Cette conception réduit les accélérations du sol et les forces de cisaillement mais n'empêche pas la déformation à la base du noyau-mur.
Une meilleure solution pour les structures dans les zones sismiques nécessite un mur à noyau basculant combiné à une isolation de base. Un mur à noyau basculant bascule au niveau du sol pour empêcher le béton dans le mur d'être déformé de façon permanente. Pour y parvenir, les ingénieurs renforcent les deux niveaux inférieurs du bâtiment avec de l'acier et incorporent une post-tension sur toute la hauteur. Dans les systèmes de post-tension, des tendons en acier sont enfilés à travers la paroi centrale. Les tendons agissent comme des élastiques, qui peut être étroitement étiré par des vérins hydrauliques pour augmenter la résistance à la traction du noyau-mur.
Nous sommes habitués à voir des anneaux concentriques dans l'eau ondulante. Certains sismologues pensent que les anneaux concentriques en plastique pourraient être utiles pour protéger les bâtiments des dommages causés par les tremblements de terre. Mais qu'arrive-t-il aux bâtiments voisins si les ondes de surface continuent leur chemin à pleine puissance ? Hemera/Thinkstock Vous pouvez penser à l'eau ou au son lorsque vous abordez le sujet des vagues, mais les tremblements de terre produisent aussi des vagues, classés par les géologues comme corps et ondes de surface . Les premiers voyagent rapidement à l'intérieur de la Terre. Ces derniers se déplacent plus lentement à travers la croûte supérieure et comprennent un sous-ensemble de vagues - connu sous le nom de Les vagues de Rayleigh -- qui déplacent le sol verticalement. Ce mouvement de haut en bas provoque la plupart des secousses et des dommages associés à un tremblement de terre.
Imaginez maintenant si vous pouviez interrompre la transmission de certaines ondes sismiques. Serait-il possible de dévier l'énergie ou de la détourner autour des zones urbaines ? Certains scientifiques le pensent, et ils ont surnommé leur solution la "cape d'invisibilité sismique" pour sa capacité à rendre un bâtiment invisible aux ondes de surface. Les ingénieurs pensent pouvoir confectionner la « cape » à partir de 100 anneaux concentriques en plastique enterrés sous les fondations d'un bâtiment [source :Barras]. A l'approche des ondes sismiques, ils entrent dans les anneaux à une extrémité et deviennent contenus dans le système. Attelé dans la "cape, " les vagues ne peuvent pas transmettre leur énergie à la structure au-dessus. Elles contournent simplement les fondations du bâtiment et émergent de l'autre côté, où ils sortent des anneaux et reprennent leur voyage au long cours. Une équipe française a testé le concept en 2013.
Ryô Ota, un chef de groupe pour la société Olympus Optical au Japon, contient un tube en alliage à mémoire de forme. Les ingénieurs pensent que ces matériaux intelligents pourraient s'avérer utiles pour prévenir les dommages causés aux bâtiments par les tremblements de terre. © TWPhoto/Corbis Comme nous en avons discuté plus tôt dans le compte à rebours, la plasticité des matériaux représente un défi majeur pour les ingénieurs essayant de construire des structures antisismiques. Plasticité décrit la déformation qui se produit dans n'importe quel matériau lorsque des forces lui sont appliquées. Si les forces sont assez fortes, la forme du matériau peut être modifiée de façon permanente, ce qui compromet sa capacité à fonctionner correctement. L'acier peut subir une déformation plastique, mais le béton aussi. Et pourtant, ces deux matériaux sont largement utilisés dans presque tous les projets de construction commerciale.
Entrer le alliage à mémoire de forme , qui peut supporter de lourdes contraintes tout en reprenant sa forme d'origine. De nombreux ingénieurs expérimentent ces matériaux dits intelligents en remplacement de la construction traditionnelle en acier et en béton. Un alliage prometteur est le nickel-titane, ou nitinol, qui offre 10 à 30 % d'élasticité en plus que l'acier [source :Raffiee]. Dans une étude de 2012, chercheurs de l'Université du Nevada, Réno, ont comparé les performances sismiques de colonnes de pont en acier et en béton avec des colonnes en nitinol et en béton. L'alliage à mémoire de forme a surpassé les matériaux traditionnels à tous les niveaux et a subi beaucoup moins de dommages [source :Raffiee].
Ce panneau d'avertissement de tremblement de terre a été affiché à l'entrée de la basilique de la Mission Carmel à Carmel, Californie. La basilique a commencé à faire l'objet d'une modernisation parasismique en 2012. © Michael Fiala/Reuters/Corbis Il est logique de considérer la résistance aux tremblements de terre lorsque vous construisez une nouvelle structure, mais la modernisation des bâtiments anciens pour améliorer leurs performances sismiques est tout aussi importante. Les ingénieurs ont découvert que l'ajout de systèmes d'isolation de base aux structures est à la fois faisable et économiquement attractif. Une autre solution prometteuse, beaucoup plus facile à mettre en œuvre, nécessite une technologie connue sous le nom de film plastique renforcé de fibres , ou PRF . Les fabricants produisent ces enveloppes en mélangeant des fibres de carbone avec des polymères liants, comme l'époxy, polyester, vinylester ou nylon, pour créer un poids léger, mais incroyablement fort, matériau composite.
Dans les applications de rénovation, les ingénieurs enroulent simplement le matériau autour des colonnes de support en béton des ponts ou des bâtiments, puis pompent de l'époxy sous pression dans l'espace entre la colonne et le matériau. Sur la base des exigences de conception, les ingénieurs peuvent répéter ce processus six ou huit fois, créant une poutre enveloppée de momie avec une résistance et une ductilité nettement plus élevées. Étonnamment, même les colonnes endommagées par le tremblement de terre peuvent être réparées avec des enveloppes en fibre de carbone. Dans une étude, les chercheurs ont découvert que les colonnes affaiblies des ponts routiers enveloppées dans le matériau composite étaient de 24 à 38 % plus résistantes que les colonnes non emballées [source :Saadatmanesh].
Moules :elles sont savoureuses et pratiques pour résister aux tremblements de terre. iStock/Thinkstock Alors que les ingénieurs se contentent d'alliages à mémoire de forme et d'enveloppes en fibre de carbone, ils anticipent un avenir dans lequel des matériaux encore meilleurs pourraient être disponibles pour la construction antisismique. Et l'inspiration pour ces matériaux peut probablement venir du règne animal. Considérez la modeste moule, un mollusque bivalve trouvé attaché aux roches océaniques ou, après l'avoir retiré et cuit à la vapeur dans du vin, dans notre assiette. Pour rester attachés à leurs perchoirs précaires, les moules sécrètent des fibres collantes appelées fils byssaux . Certains de ces fils sont raides et rigides, tandis que d'autres sont flexibles et élastiques. Quand une vague s'écrase sur une moule, il reste en place car les brins flexibles absorbent le choc et dissipent l'énergie. Les chercheurs ont même calculé le rapport exact des fibres rigides aux fibres flexibles - 80:20 - qui donne à la moule son caractère collant [source :Qin]. Il s'agit maintenant de développer des matériaux de construction qui imitent la moule et son étrange capacité à rester en place.
Un autre fil intéressant vient de l'extrémité sud des araignées. Nous savons tous que, livre pour livre, la soie d'araignée est plus solide que l'acier (demandez à Peter Parker), mais les scientifiques du MIT pensent que c'est la réponse dynamique du matériau naturel soumis à de fortes contraintes qui le rend si unique. Lorsque les chercheurs ont tiré et tiré sur des brins individuels de soie d'araignée, ils ont trouvé que les fils étaient initialement raides, puis extensible, puis raide à nouveau. C'est ce complexe, réponse non linéaire qui rend les toiles d'araignées si résistantes et le fil d'araignée un matériau si tentant à imiter dans la prochaine génération de construction antisismique.
Dans cette illustration, vous pouvez voir la cathédrale en carton conçue par l'architecte japonais Shigeru Ban. La structure provisoire, qui utilise aussi du bois, en acier et un socle en béton, accueillera 700 mécènes tandis qu'une cathédrale permanente est construite. Cathédrale de Christchurch via Getty Images Et qu'en est-il des pays en développement, où il n'est pas économiquement faisable d'intégrer des technologies antisismiques dans les maisons et les immeubles de bureaux ? Sont-ils condamnés à subir des milliers de victimes chaque fois que la terre tremble ? Pas nécessairement. Des équipes d'ingénieurs travaillent partout dans le monde pour concevoir des structures antisismiques en utilisant des matériaux disponibles localement ou facilement disponibles. Par exemple, au Perou, les chercheurs ont rendu les structures traditionnelles en adobe beaucoup plus solides en renforçant les murs avec un treillis en plastique. En Inde, les ingénieurs ont utilisé avec succès le bambou pour renforcer le béton. Et en Indonésie, certaines maisons reposent désormais sur des roulements faciles à fabriquer fabriqués à partir de vieux pneus remplis de sable ou de pierre.
Même le carton peut devenir un solide, matériau de construction durable. L'architecte japonais Shigeru Ban a conçu plusieurs structures qui incorporent des tubes en carton recouverts de polyuréthane comme éléments de charpente principaux. En 2013, Ban a dévoilé l'un de ses projets - la cathédrale de transition - à Christchurch, Nouvelle-Zélande. L'église utilise 98 tubes géants en carton renforcés de poutres en bois [source :Slezak]. Parce que la structure en carton et bois est extrêmement légère et flexible, il se comporte bien mieux que le béton lors d'événements sismiques. Et s'il s'effondre, il est beaucoup moins susceptible d'écraser les personnes rassemblées à l'intérieur. En tout, cela donne envie de traiter les tubes en carton nichés dans votre rouleau de papier toilette avec un peu plus de respect.
Lorsque le tremblement de terre de Virginie en 2011 a frappé, J'étais à environ 89 kilomètres de l'épicentre. Il a produit un grondement semblable à celui d'une locomotive et a déplacé la terre d'une manière troublante difficile à décrire. Dans les petites villes de Louisa et Mineral, près de la maison de ma mère, quelques structures se sont effondrées, et beaucoup d'autres ont subi des dommages importants. Alors que le séisme lui-même était effrayant, ce qui était plus troublant, c'était notre sentiment collectif que, étant si loin du Cercle de feu et de la menace constante d'activité tectonique, nous étions en quelque sorte isolés de ce genre d'événements. Je me demande si les codes du bâtiment en Virginie ont été mis à jour pour intégrer certaines de ces technologies antisismiques.
