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Du béton déformable pour des bâtiments à l'épreuve des séismes

Actuellement, lorsque les ingénieurs créent des structures capables de résister aux séismes, ils s'appuient exclusivement que sur des méthodes basées sur les contraintes. Ils ne peuvent pas déterminer comment la structure s'adaptera aux vibrations sismiques, qui peuvent provoquer des ruptures non désirées. On espère qu'un concept innovant de structure en béton renforcé hautement déformable permettra de résoudre ce problème, tout en optimisant l'utilisation des ressources, minimisant les coûts et garantissant la sécurité.
Du béton déformable pour des bâtiments à l'épreuve des séismes
Le projet SHDS (Seismic-resistant Highly Deformable Structures) s'appuie sur les résultats d'un autre projet financé par l'UE appelé ANAGENNISI, qui consiste à recycler les particules de caoutchouc de pneumatiques pour remplacer les granulats du béton, qu'ils soient fins ou grossiers.

En utilisant ce «béton à forte déformation» (HDC) dans des poutres de liaison souples et en développant des murs de contreventement ductiles, l'équipe cherche à développer une structure avec des performances contrôlées dans laquelle les dommages structurels se limitent à des éléments spécifiques dédiés. Ce procédé se traduit par des réparations plus faciles et plus rapides, tout en contribuant à une économie circulaire.

Le Dr David Escolano, bénéficiaire d'une bourse individuelle à l'Université de Sheffield et coordinateur de SHDS, nous fait part des avancées déjà réalisées par ce projet ambitieux.

Le projet considère les performances de la structure plutôt que sa résistance. À quel point cela est-il important?

Le Dr David Escolano: Dans le cadre des méthodes basées sur les forces, l'action sismique est définie en utilisant des «forces équivalentes» latérales distribuées sur la hauteur de la structure. L'amplitude élastique de ces forces dépend du niveau de risque sur le site (accélérations du sol) et, pour les sites présentant un risque sismique élevé, les codes en vigueur permettent de réduire les forces latérales. On obtient ainsi des structures plus rentables, à condition bien sûr que ces structures puissent subir une certaine quantité de dégâts avant de s'effondrer.

Si cette philosophie de conception est simple, facile à utiliser et efficace pour éviter des pertes potentielles de vies, les ingénieurs s'orientent vers une philosophie de conception qui leur permettrait de concevoir des structures capables de résister à des séismes d'intensité différente dans des niveaux de dommages spécifiés, c'est-à-dire une conception basée sur la performance (PBD). Cette conception permettrait de développer des structures optimales, de maximiser l'utilisation des ressources et de réduire les coûts, tout en assurant des niveaux de sécurité acceptables. Elle permettrait d'autre part aux concepteurs d'expérimenter de nouvelles solutions de conception, des matériaux innovants et des composants structurels de façon à atteindre les niveaux de performance désirés.

Dans ce contexte, qu'apporte le projet SHDS?

Le projet SHDS se concentre sur un composant structurel très spécifique: les poutres de liaisons dans les systèmes de murs couplés. Sur la hauteur de la structure, deux murs structuraux (ou plus) sont reliés par des poutres selon un schéma régulier, ce qui améliore les performances sismiques de chaque mur et fournit une source très stable de dissipation de l'énergie.

Comme le comportement global du système dépend fortement de la capacité de déformation des poutres de liaison, notre objectif est de développer des solutions innovantes pour fabriquer de poutres de liaison ayant une capacité de déformation sans égale grâce à l'utilisation d'un béton HDC récemment développé.

Qu'est-ce que le béton HDC et qu'apporte-t-il au projet?

Le béton HDC est un produit du projet ANAGENNISI qui cherche des méthodes pour utiliser tous les composants des pneumatiques usagés dans des bétons à haute valeur ajoutée. L'un de ses axes d'activité consiste à remplacer les agrégats minéraux du béton par des particules de caoutchouc, ainsi qu'à augmenter la capacité de déformation du béton, traditionnellement cassant.

Comme une déformabilité élevée exige une forte teneur en caoutchouc, ce qui peut en retour considérablement réduire la résistance à la compression (jusqu'à 90 %), le béton HDC utilise des enveloppes composites de pointe pour améliorer cette résistance jusqu'à un niveau suffisant, tout en conservant l'importante capacité de déformation axiale du béton caoutchouté. Une enveloppe d'aramide de seulement 1,6 mm d'épaisseur enroulée autour de colonnes de béton caoutchouté peut apporter des améliorations extraordinaires en termes de résistance et de déformabilité.

Deux de vos principaux arguments en faveur de ce nouveau béton sont sa durabilité et sa facilité de réparation.

Pouvez-vous développer ces points?
La conception basée sur la performance permet aux ingénieurs de concevoir des composants prédéterminés et bien réalisés qui peuvent concentrer les dégâts lors des séismes. De ce fait, les réparations post-sismiques des structures conçues par PBD porteront essentiellement sur ces composants plutôt que sur l'intégralité de la structure. Les poutres de liaison développées dans ce projet fonctionnent comme des «fusibles» et constituent les premiers éléments à subir des dégâts considérables pendant un séisme, protégeant en retour la majorité des autres composants structurels et non structurels.

En ce qui concerne la durabilité, les poutres de liaison proposées peuvent être facilement remplacées après des évènements sismiques majeurs, ce qui réduit les coûts de réparation et limite l'impact sur la communauté en permettant une occupation beaucoup plus rapide. D'autre part, les poutres de liaison proposées utilisent des matériaux récupérés des pneus usagés, contribuant à réaliser une économie plus verte grâce à la réduction des déchets et de la pression sur les matériaux bruts.

Que pouvez-vous nous dire au sujet des résultats de la phase de test jusqu'à présent?

En ce qui concerne le matériau, nous avons testé plus de 300 cylindres/cubes pour analyser les propriétés à l'état frais et durci du béton caoutchouté. Nous avons testé différents mélanges et proportions de caoutchouc, ce qui a débouché sur le développement d'un mélange optimisé où 60 % des agrégats minéraux grossiers et fins sont remplacés par du caoutchouc. Ce mélange optimisé a été adopté pour le développement final du béton HDC.

Différents types d'enveloppes composites avancées ont été testés pour fournir la combinaison optimale de capacité de déformation et de résistance, dont des aramides et des polymères renforcés de fibres de carbone (FRP). Le béton HDC développé atteint des résistances à la compression convenant à des fins structurelles (40-120 MPa) avec des déformations axiales maximales 20 fois supérieures à ce qui est possible avec le béton traditionnel.
Jusqu'à présent, les résultats de SHDS sont très encourageants et montrent que les poutres de liaison en HDC peuvent résister à des charges similaires à celles de leurs homologues traditionnelles, tout en ayant une capacité de déformation quatre fois supérieure.

Avez-vous déjà eu des contacts avec des investisseurs potentiels?

Nous n'avons encore contacté aucun investisseur potentiel. Pour les applications structurelles, nous pensons que nous en sommes à un niveau de maturité technologique de 5. Nous ne sommes donc pas prêts pour la commercialisation. Nous continuons à développer cette technologie et nous devons mieux comprendre le matériau et ses performances structurelles avant d'être prêts à passer au niveau supérieur. Nous menons également des essais pour évaluer la durabilité à long terme du nouveau HDC.

Il faut également garder à l'esprit que nos nouvelles solutions de matériaux et d'ingénierie ne sont couverts par aucune des normes existantes et il reste beaucoup à faire dans ce domaine pour permettre l'adoption et l'utilisation de ces nouvelles technologies. Ceci étant, nous sommes enthousiasmés par les résultats obtenus jusqu'à présent et nous espérons que l'industrie de la construction percevra l'intérêt des innovations que nous proposons.

Quels sont vos plans après fin du projet?

Le travail sur SHDS a débouché sur certains résultats très positifs, mais a également fait surgir un certain nombre de questions très intéressantes sur le comportement physique et structurel du béton HDC, ainsi que sur ses possibles utilisations dans des applications structurelles. Si nous en avons la possibilité, nous voudrions mieux comprendre ce matériau et étudier ses performances à long terme (y compris le fluage et l'usure) et sa réponse à des évènements comme le feu ou les impacts.

SHDS
Financé au titre de H2020-EU.1.3.2.
page CORDIS du projet

Source: Entretien extrait du magazine research*eu consacré aux résultats, n° 60 p 8-9

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