La plus grande centrifugeuse de recherche d'Europe

En août dernier, le début du processus d'installation a été un spectacle en soi. Les ouvriers ont mis un peu moins d'une heure pour soulever à l'aide d'une grue une chambre circulaire en béton de 245 tonnes et la placer dans le sol de la cour intérieure du bâtiment HIF d'une hauteur de 25 mètres.

Mercredi dernier, l'élément clé de la nouvelle installation de recherche de l'Institut de géotechnique de l'ETH Zurich a été mis en place : la centrifugeuse, pesant environ 20 tonnes, a été descendue dans la chambre en béton à l'aide d'une grue mobile. Le défi consistait à placer la centrifugeuse précisément au centre de la chambre en béton, en assurant la verticalité de son axe. Et cette position devait être précise au millimètre près.

La chambre est soutenue par des ressorts en acier spéciaux qui absorberont les vibrations de la centrifugeuse et les empêcheront de se propager dans le sous-sol du campus. Cette installation sera non seulement la centrifugeuse géotechnique de plus grande capacité en Europe, mais aussi la première au monde à être isolée des vibrations.

Modélisation pour améliorer la durabilité et la résilience aux risques naturels

La nouvelle centrifugeuse fera partie d'un centre de recherche pour la modélisation centrifuge au département d'ingénierie civile, environnementale et géomatique de l'ETH Zurich, et permettra aux chercheur·ses de simuler des tremblements de terre, des mouvements de sol (par exemple, des glissements de terrain) et des risques liés à l'eau (par exemple, des inondations, des tsunamis) pour les structures géotechniques. Ces simulations seront utilisées pour optimiser la conception de nouvelles structures et la modernisation de structures existantes (ponts, bâtiments et barrages), en réduisant les risques potentiels posés par les risques naturels aux structures et aux infrastructures, tout en minimisant l'utilisation des ressources naturelles et l'empreinte carbone associée.

La centrifugeuse elle-même a une structure simple, consistant essentiellement en un bras rotatif de 9 mètres de long avec deux balanciers attachés, sur lequel les modèles de sol-structure sont installés. En tournant, la centrifugeuse peut développer une accélération centrifuge de 250 fois l'accélération gravitationnelle (g), techniquement appelée «250 g».

La centrifugeuse a une capacité de 500 gtonnes, ce qui signifie qu'elle peut transporter jusqu'à 2 tonnes de spécimen dans un champ gravitationnel accru de 250 g (2 tonnes multipliées par 250 g donnent 500 gtonnes). L'étape suivante consistera à équiper l'installation d'un simulateur de tremblement de terre, capable de simuler les mouvements réels d'un séisme.

Le champ de gravité amélioré est indispensable pour réaliser une modélisation réaliste du sol dans un environnement de laboratoire à échelle réduite. Le comportement du sol dépend largement du niveau de contrainte. Les modèles qui se contentent de réduire l'échelle géométrique du problème réel (prototype) (profondeur de la couche de sol, dimensions de la structure) ne peuvent fournir des résultats réalistes. En augmentant le champ gravitationnel, la centrifugeuse réalise une mise à l'échelle correcte des contraintes.

Ainsi, les chercheur·ses pourront utiliser la centrifugeuse pour simuler de manière réaliste les performances des structures à grande échelle et les mouvements du sol. Pour ce faire, il·les placeront les modèles du sol, y compris les couches de sol et la structure, sur les balançoires et les accéléreront jusqu'à l'accélération centrifuge souhaitée. Par exemple, 30 cm de sol dans la centrifugeuse accélérée à 100 g correspondent à une profondeur de 30 mètres dans la réalité. Le simulateur de tremblement de terre a une capacité de charge allant jusqu'à 700 kg.

De Bochum à Zurich

La centrifugeuse elle-même n'est pas complètement neuve, mais provient de Bochum, où elle n'était plus utilisée. Les roulements, les moteurs, l'hydraulique et l'électronique ont tous été renouvelés et modernisés. Les travaux nécessaires à l'installation complète de la centrifugeuse et à son raccordement aux médias nécessaires sont toujours en cours ; elle devrait être prête à être utilisée d'ici la fin de l'année, mais dans un premier temps à puissance réduite seulement. Elle devrait être pleinement fonctionnelle à partir de la fin de l'été 2022, une fois que l'alimentation électrique sera entièrement installée et que la deuxième phase des travaux de construction actuels du bâtiment d'enseignement et de recherche HIF sera achevée.

L'installation de la centrifugeuse s'inscrit dans le cadre de la rénovation et de l'extension du bâtiment HIF, qui a été construit en 1976 et abrite le département de génie civil, environnemental et géomatique (D-BAUG). La première étape, qui concerne la nouvelle aile d'extension avec des laboratoires supplémentaires, devrait être prête à la fin du mois de juin 2021. Cette partie du bâtiment réunira pour la première fois les neuf chaires d'ingénierie environnementale. En outre, de nouveaux espaces de rencontre seront également aménagés pour favoriser les échanges scientifiques. L'ensemble du processus de rénovation et d'extension du HIF se poursuivra jusqu'à l'achèvement de la troisième étape en 2023.