Tourner pour la science

Une porte métallique géante mène à une salle souterraine circulaire et lumineuse. C'est là que se trouve le fleuron du Geotechnical Centrifuge Center (GCC) : la centrifugeuse à faisceau bleu, d'une longueur totale de neuf mètres. La construction de cette installation de recherche n'a pas été une mince affaire, mais les constructeurs et constructrices ont relevé le défi. Afin d'éviter toute interférence avec les mesures très sensibles effectuées dans les laboratoires entourant le GCC, la chambre de la centrifugeuse est isolée des vibrations et repose sur quatre ressorts en acier. La centrifugeuse de plus grande capacité d'Europe est opérationnelle et fournit des données de recherche depuis juin 2023, mais l'ETH Zurich célèbre aujourd'hui cet extraordinaire élément d'infrastructure à une date très spéciale.

C'est un jour que Ioannis Anastasopoulos, professeur d'ingénierie géotechnique et directeur du département d'ingénierie civile, environnementale et géomatique de l'ETH Zurich, attend depuis longtemps. Ce n'est pas un hasard si l'inauguration de la centrifugeuse tombe précisément le 17 janvier 2025. Si Ioannis Anastasopoulos ne voulait pas se présenter à cette cérémonie les mains vides, préférant présenter les premiers résultats de ses recherches, cette date revêt pour lui une grande importance personnelle. Il s'agit du 30^e anniversaire du grand tremblement de terre de Hanshin de 1995, qui a dévasté la ville de Kobe au Japon. Au moment de la catastrophe, Ioannis Anastasopoulos était étudiant en génie civil. Cet événement a joué un rôle déterminant dans sa future carrière, puisqu'il l'a incité à se consacrer à l'ingénierie géotechnique des tremblements de terre.

Avec son équipe, il utilise la centrifugeuse pour mener des recherches sur le comportement des bâtiments et des structures de génie civil, y compris leurs fondations et le sol sous-jacent, lorsqu'ils sont exposés aux différentes forces de la nature. Pour ce faire, elles et ils créent des modèles à échelle réduite et les placent à l'une des extrémités de la centrifugeuse à poutre tournante. Les modèles sont ensuite accélérés si fortement que les forces g qui agissent sur eux se multiplient. Les modèles sont ainsi soumis à des forces pouvant atteindre 100 g, soit cent fois la force de gravitation terrestre. Les modèles de sol à échelle réduite ne peuvent pas représenter fidèlement la réalité, car les contraintes dans le sol sont beaucoup plus faibles que dans la réalité, ce qui affecte les propriétés du matériau du sol testé. Le champ gravitationnel accru de la centrifugeuse multiplie les contraintes qui se développent dans le modèle, reflétant ainsi les conditions réelles, ce qui en fait le seul moyen d'obtenir des résultats réalistes.

Donner une nouvelle vie à une vieille centrifugeuse

Si cette infrastructure de recherche peut sembler ultramoderne, elle a en fait déjà quelques histoires à raconter sur sa vie passée. L'ETH Zurich a délibérément décidé de ne pas acquérir une nouvelle centrifugeuse, mais d'en racheter une à l'Université de la Ruhr à Bochum qui avait été mise hors service. Bien qu'une révision complète ait été nécessaire et que de nouvelles pièces aient dû être montées, cette approche n'a coûté qu'environ un quart du prix d'achat d'une centrifugeuse neuve de même capacité.

La remise à neuf et la modernisation d'une centrifugeuse de cette taille est une tâche ardue. La remise à neuf a été réalisée parallèlement à la construction de l'installation à Hönggerberg. Toutes deux ont été retardées par la pandémie de Covid et les perturbations de la chaîne d'approvisionnement qui en ont résulté. Malgré ces défis, la centrifugeuse a été mise en service avec seulement un an de retard sur le calendrier initial. Pour Ioannis Anastasopoulos, il s'agit d'un succès retentissant : «Parfois, nous n'étions pas sûrs et sûres de la date à laquelle la centrifugeuse serait réellement opérationnelle, alors que de nombreux projets en dépendent. Nous sommes donc heureuses et heureux de pouvoir produire les premiers résultats expérimentaux.»

Un tourbillon d'activités

La centrifugeuse est en service depuis environ dix-huit mois et fonctionne à plein régime. Elle est généralement utilisée pour effectuer un à trois tests par semaine. Ioannis Anastasopoulos est assisté par une équipe de 10 à 15 chercheurs et chercheuses et techniciennes et techniciens, qui veillent à ce que les expériences puissent être menées et à ce que la centrifugeuse fonctionne correctement.

La fréquence des expériences dépend de la complexité du modèle testé. La préparation du modèle prend la majeure partie du temps, car les conditions structurelles et géotechniques doivent être reproduites de la manière la plus réaliste possible. Grâce aux forces g supplémentaires générées par cette centrifugeuse extraordinaire, des effets qui mettent des années à se manifester dans le monde réel peuvent être simulés en quelques heures seulement.

Parcs éoliens, ponts, Brienz et Leimbach

La centrifugeuse peut être utilisée à de multiples fins. Un exemple de recherche actuellement menée au GCC concerne les fondations des éoliennes offshore, qui sont cruciales pour la transition vers les énergies renouvelables. Loin en mer, les éoliennes sont exposées à toutes sortes de risques naturels. Exposées aux tempêtes et aux tremblements de terre, ces structures sont susceptibles de basculer, ce qui nécessite une meilleure compréhension de leur réponse mécanique. Une inclinaison de seulement 0,5 degré peut endommager les systèmes mécaniques et réduire considérablement la durée de vie d'un parc éolien.

Si les parcs éoliens offshore sont rares en Suisse, il n'en va pas de même pour les ponts. Le pays en compte en effet un certain nombre. La grande majorité d'entre eux (plus de 90%) ont été construits avant les années 90, ont une conception sismique rudimentaire et ont besoin d'être modernisés. En outre, les ponts existants doivent être élargis pour répondre à l'augmentation des volumes de mobilité. Si la modernisation des piles d'un pont est relativement simple, le renforcement des fondations peut s'avérer difficile, coûteux et fastidieux. C'est particulièrement vrai pour les groupes de pieux, qui sont couramment utilisés pour les ponts. C'est là que les travaux de recherche de Ioannis Anastasopoulos et de son équipe entrent en jeu : «Nos essais en centrifugeuse sont essentiels pour la sécurité de nos infrastructures de transport. Les expériences en centrifugeuse peuvent nous permettre de développer des solutions innovantes qui minimisent notre empreinte carbone et le coût de la modernisation des fondations, tout en améliorant la sécurité sismique».

Dans le canton des Grisons, tout le village de Brienz est menacé par des mouvements de terrain, tandis que la région de Leimbach, à Zurich, bouge constamment en raison d'un lent glissement de terrain rampant. Ici, la centrifugeuse pourrait aider à mieux comprendre les causes de rupture et les processus qui conduisent à de tels mouvements massifs, contribuant ainsi à la quantification du risque pour la population touchée.

Avec des sujets de recherche et des domaines d'application aussi variés, il est clair que la centrifugeuse a un avenir bien rempli.