Sacrifier les premiers étages peut sauver des vies
Davide Wüthrich et Anton Schleiss dans le canal de test du Laboratoire. © Alain Herzog / EPFL 2018
Tsunamis, tempêtes, ruptures de barrage… Bien que rares, la survenue de telles catastrophes reste dramatique pour un pays. Une thèse de l’EPFL montre que des mesures de construction adaptées pourraient en réduire significativement la force destructrice.
Davide Wüthrich vient de terminer une thèse sur la prévention des catastrophes liées à l’impact violent d’une vague sur un bâtiment. Ses résultats montrent que cet impact peut être significativement réduit en créant de larges ouvertures dans les premiers étages des maisons situées en bordure de rivière, de lac, de mer et d’océan. Proposer des mesures architecturales face à de telles catastrophes est une nouveauté dans ce secteur. Ses travaux ont ainsi déjà suscité l’attention d’une agence de recherche japonaise, intéressée à essayer d’en modéliser numériquement les résultats, et connaissent un prolongement dans le cadre d’un travail de master à l’EPFL. La soutenance publique de sa thèse se tiendra le 9 mars, à l'EPFL.
«Nos résultats montrent qu’il y a une relation linéaire entre l’architecture du bâtiment et la réduction de l’impact de la vague: lorsque qu’une façade exposée présente 60% d’ouvertures, grâce à l’ajout de portes et de fenêtres, la force de la vague sur la structure sera réduite de 60%. Et pour que ses habitants puissent se réfugier sur son toit en cas de catastrophe, une maison située en face d’un plan d’eau devrait comporter selon nous au moins trois à cinq étages, selon la hauteur de la vague attendue», explique Davide Wüthrich.
Le chercheur estime que les ingénieurs en structure pourraient mieux intégrer ces données dans la conception des bâtiments exposés à ces dangers, un peu à l’image des normes sismiques: «Celles-ci tiennent déjà compte de l’impact de forces horizontales sur un bâtiment, mais sur le temps court des séismes, alors qu’un tsunami opérera une charge horizontale sur un temps plus long», précise l’ingénieur. D’autres pays essaient déjà de limiter les dégâts de ce type de catastrophes en les intégrant dans leurs normes de constructions. Ce n’est toutefois pas le cas de la Suisse.
Les recommandations formulées par cette étude s’appliquent à plusieurs scénarios catastrophes: les ruptures de barrages, les tsunamis, les ondes de tempêtes, les «vagues d’impulsion», provoquées, par exemple, par un glissement de terrain dans un lac, et le phénomène dit du «mascaret», lié à la montée de la marée à l’entrée d’une rivière. Des accidents que le chercheur a étudié dans la région de Bordeaux, mais qui surviennent aussi en Chine et en Angleterre. «Physiquement, les phénomènes en jeu sont similaires. Et nous parlons à chaque fois de hauteurs de vagues identiques, allant de 10 à 30 mètres. Nos résultats peuvent donc s’appliquer à des cas a priori différents», précise le chercheur.
Recherche expérimentale
Alors que les algorithmes et le big data fourmillent dans de nombreux laboratoires de l’EPFL, certains domaines restent tributaires de la recherche expérimentale, en raison de la complexité de certains processus physiques. En génie civil, c’est le cas du Laboratoire de constructions hydrauliques (LCH), dirigé par le professeur Anton Schleiss. Il n’est ainsi pas rare d’y découvrir de singulières reproductions miniatures d’infrastructures hydrauliques. L’installation utilisée par Davide Wüthrich n’échappe pas à la règle. Dotée d’un canal d’une longueur de 15,5 mètres, elle est surmontée d’une tour de contrôle chargée de récolter les données. A l’extrémité se trouve un réservoir d’eau et une vanne, destinés à imiter l’arrivée brutale d’une grande vague, onde de tempête et tsunami, dans le canal. Au centre, une petite boîte carrée en métal avec des ouvertures amovibles représente le bâtiment soumis au choc.
Equation empirique
Le tout a permis à Davide Wüthrich de simuler plus de 350 fois l’impact d’une vague sur une maison en variant le nombre, la hauteur et la taille des ouvertures de la maison, soit le nombre de fenêtres et de portes susceptibles de freiner la force de l’impact sur la structure. A chaque fois, le bâtiment devait résister à l’impact. Les habitants devaient également pouvoir se réfugier son toit pendant la traversée de la vague, une attitude courante dans les pays soumis à de telles catastrophes.
Au préalable, le chercheur a étudié le comportement hydrodynamique de la vague sans la présence d’un bâtiment et les risques d’obstructions des ouvertures par des corps flottants (voitures, meubles, bateaux, etc.). Les avantages du déversement de l’eau par-dessus le bâtiment ont aussi été considérés. Au bout du compte, les données récoltées ont permis de développer une équation empirique qui évalue la force de la vague sur le bâtiment en fonction de la géométrie des ouvertures et des propriétés hydrodynamiques de la vague (hauteur d’eau et vitesse). Les ouvertures dans les étages du bas se sont montrées les plus efficaces pour freiner l’impact et réduire les hauteurs d’eau en amont du bâtiment.
Changement de mentalités
Pourquoi étudier des phénomènes aussi rarissimes? Le chercheur rappelle que la Suisse n’est pas à l’abri de telles catastrophes en mentionnant le tsunami qui a balayé le lac Léman en l’an 563. Celui-ci résultait précisément d’une vague d’impulsion provoquée par l’effondrement d’un pan de montagne dans le lac. Plus généralement, il indique que les mentalités ont changé après le tsunami du 26 décembre 2004 qui a causé la mort de 280'000 personnes et provoqué sur les côtes de l’océan indien des dégâts évalués à 11 milliards de dollars. Idem après le tsunami survenu au Chili en 2010. La communauté scientifique serait ainsi passée du fatalisme face à ces catastrophes à la prévention: «Après avoir été négligées pendant des années, les études scientifiques sur les tsunamis ont repris depuis 2004, avec un pic de publications en 2010. Le tsunami de Fukushima en 2011 [qui a causé 16'000 morts et 226 milliards de dollars de dégâts, ndrl], a permis de vérifier les hypothèses de ces nouvelles études. Ce foisonnement d’études ne permet toutefois pas toujours d’y voir très clair et ce sont toujours uniquement les forces que l’on mesure, au lieu de proposer des adaptations de l’architecture du bâtiment.»
Davide Wüthrich, «Extreme hydrodynamic impact onto buildings», sous la direction du prof. Anton Schleiss et Dr. Michael Pfister, Février 2018.
Wüthrich, D., Pfister, M. Nistor, I. and Schleiss, A.J. (2018). Experimental study of tsunami‐like waves on dry ad wet bed generated with a vertical release technique. ASCE Journal of Waterways, Port, Coastal and Ocean Engineering (accepted for publication). (DOI: 10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000447)
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