Les bâtiments peuvent être conçus pour résister aux tremblements de terre. Pourquoi les États-Unis n'en construisent-ils pas plus ? - Le lac des cygnes de Shijiazhuang Co., Ltd

Par Thomas Fuller, Anjali Singhvi, Mika Gröndahl et Derek Watkins3 juin

Bâtiment conçu

trembler moins

Conventionnel

bâtiment

Bâtiment conçu

trembler moins

Conventionnel

bâtiment

Par Thomas Fuller, Anjali Singhvi, Mika Gröndahl et Derek Watkins 7 juin 2019

Lorsque la secousse a commencé à 5 h 46, Yasuhisa Itakura, architecte dans une grande entreprise de construction japonaise à Kobe, était assis à son bureau et terminait un rapport sur lequel il avait travaillé toute la nuit. Son bureau vacilla, mais les livres restèrent sur leurs étagères et rien ne tomba de son bureau.

"Je me suis dit, ce tremblement de terre n'est pas si important", a déclaré M. Itakura.

C'était, en fait, catastrophique. Le tremblement de terre du Grand Hanshin du 17 janvier 1995 a tué plus de 6 000 personnes dans et autour de la ville portuaire industrielle.

M. Itakura avait été protégé de la violence du tremblement de terre parce que son immeuble de bureaux de trois étages reposait sur une fondation expérimentale en caoutchouc - une première version d'une technique d'ingénierie appelée isolation de base.

La technique qui protégeait le bâtiment de M. Itakura est aujourd'hui utilisée dans environ 9 000 structures au Japon, contre seulement deux douzaines au moment du tremblement de terre de Kobe. Des milliers d'autres bâtiments dans le pays ont été équipés de dispositifs d'absorption des chocs qui peuvent réduire considérablement les dommages et empêcher l'effondrement.

Le Chili, la Chine, l'Italie, le Mexique, le Pérou, la Turquie et d'autres pays vulnérables aux tremblements de terre ont adopté les technologies à des degrés divers.

Mais à quelques exceptions près, dont le nouveau siège social d'Apple dans la Silicon Valley, les innovations n'ont été utilisées qu'avec parcimonie aux États-Unis. Les défenseurs de la sécurité sismique décrivent cela comme une occasion manquée d'économiser des milliards de dollars en coûts de reconstruction après les inévitables frappes de Big One.

Dos

Les tremblements de terre sont bien sûr des phénomènes naturels. Mais l'ampleur des dégâts qu'ils causent est fonction des décisions prises par les politiciens, les ingénieurs et les dirigeants d'entreprise. Le Japon et les États-Unis, deux des pays les plus avancés au monde sur le plan technologique, ont le même problème - comment protéger les personnes et la société contre les tremblements de terre - et pourtant ils ont réagi de manière très différente.

Le Japon, par le biais de mandats gouvernementaux et de sa culture d'ingénierie, construit des structures plus solides capables de résister aux tremblements de terre et d'être utilisées immédiatement après. Les États-Unis établissent une norme minimale et moins protectrice, étant entendu que de nombreux bâtiments seront gravement endommagés.

Les deux approches reflètent des attitudes différentes envers le risque, le rôle du gouvernement et la responsabilité sociale collective. Analogue au débat américain sur l'assurance maladie, la philosophie américaine a été de faire des bâtiments plus résilients un choix individuel, et non un mandat gouvernemental.

« Voulons-nous ressembler davantage au Japon et sommes-nous prêts à en payer le prix ? a déclaré Joyce Fuss, présidente de la Structural Engineers Association of California. "Beaucoup de gens diraient" non "et peut-être que certaines personnes diraient" oui "."

PLANCHER DU BÂTIMENT

Section d'un isolateur de roulement en caoutchouc de plomb

Noyau de plomb

Couches d'acier

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Mouvement du sol

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Mouvement du sol

Le calcul du risque est inhérent à l'approche américaine de l'ingénierie sismique : de nombreux ingénieurs américains partent du principe qu'un bâtiment, qui pourrait être utilisé pendant 50 ans avant d'être démoli et remplacé par un nouveau, a une chance relativement faible d'être touché par un énorme tremblement de terre.

"Si vous dépensez de l'argent aujourd'hui et que le tremblement de terre se produit demain, alors félicitations, vous avez fait du bon travail", a déclaré Ron Hamburger, un ingénieur en structure américain qui est peut-être la principale autorité en matière de code du bâtiment. "Mais le fait est que des tremblements de terre vraiment importants affecteront un endroit comme San Francisco ou Los Angeles peut-être une fois tous les 100 à 200 ans."

"A quel point vous sentez-vous chanceux?" il ajouta.

Dans des villes comme San Francisco, où le prix médian d'une maison dépasse largement le million de dollars, l'idée de rendre les coûts de construction encore plus chers risque d'être impopulaire, même si l'objectif est de préserver la ville à long terme.

Les grands tremblements de terre sont environ 10 fois plus fréquents au Japon que sur le continent américain, selon Hiroo Kanamori, professeur émérite de sismologie au California Institute of Technology.

Mais l'histoire sismique suggère que la Californie pourrait être à l'origine de grands tremblements de terre, qui se produisent souvent en grappes.

Dans le nord de la Californie, les cinq derniers tremblements de terre majeurs le long de la faille Hayward, la fissure déchiquetée dans la terre qui traverse les villes fortement peuplées de Berkeley et d'Oakland de l'autre côté de la baie de San Francisco, se sont produits en moyenne tous les 140 ans.

Le dernier remonte à 151 ans. (L'histoire sismique a également montré que la prévision des tremblements de terre est une course folle.)

[À risque dans un grand tremblement de terre : 39 des plus grands gratte-ciel de San Francisco]

Le dernier tremblement de terre majeur aux États-Unis contigus, qui a causé 20 milliards de dollars de dégâts dans la région de Los Angeles, remonte à un quart de siècle.

"La terre a été paisible en Amérique", a déclaré Masayoshi Nakashima, président de l'Association internationale d'ingénierie parasismique. "Les jeunes générations en particulier ne sont pas forcément familiarisées avec la réalité des tremblements de terre."

Le débat sur l'opportunité de construire des bâtiments plus résilients aux États-Unis s'est tenu largement hors de vue du public, parmi les ingénieurs et autres spécialistes.

Mais l'enjeu est de savoir si des endroits comme la Silicon Valley, Seattle, Salt Lake City, San Francisco ou Los Angeles pourraient être contraints de fermer après un coup direct – et pour combien de temps.

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Une étude fédérale de l'année dernière a révélé qu'un quart des bâtiments de la région de la baie de San Francisco seraient considérablement endommagés après un tremblement de terre de magnitude 7, une catastrophe qui serait aggravée par le fait que neuf bâtiments commerciaux sur 10 et huit sur 10 maisons en Californie ne sont pas assurées contre les tremblements de terre.

"Les villes ne seront pas utilisables avant plusieurs mois, voire des années", a déclaré H. Kit Miyamoto, membre de la California Seismic Safety Commission, un organisme gouvernemental qui conseille la législature de l'État et le gouverneur sur les questions liées aux tremblements de terre. "Les bâtiments jetables équivalent à une ville jetable."

Lors d'un tremblement de terre grave, la plupart des bâtiments américains sont conçus pour s'effondrer comme une voiture lors d'une collision frontale, dissipant l'énergie du tremblement de terre par des dommages. L'objectif est de préserver des vies, mais le bâtiment - comme une voiture après un accident - peut être inutile.

Combien de balancement est autorisé

Plus un bâtiment oscille lors d'un tremblement de terre, un concept connu des ingénieurs sous le nom de dérive, plus le potentiel de dommages est élevé. Les codes de construction américains autorisent deux fois plus de dérive que les codes japonais.

Combien de balancement est autorisé

M. Hamburger, l'ingénieur en structure, estime que la moitié de tous les bâtiments de San Francisco pourraient être considérés comme inoccupables immédiatement après un tremblement de terre majeur.

Certaines villes comme San Francisco envisagent des règles qui exigeraient que les bâtiments soient plus rigides, similaires à ceux du Japon. Il n'y a pas de construction antisismique, mais les experts disent que les bâtiments américains pourraient être beaucoup plus résistants pour un coût supplémentaire minime.

Une étude fédérale pluriannuelle a conclu que réparer les bâtiments après un tremblement de terre coûte quatre fois plus cher que de les construire plus solidement en premier lieu. Les États-Unis perdent environ 4 milliards de dollars pour chaque année où ils retardent un code du bâtiment plus strict pour les tremblements de terre, selon l'étude.

M. Miyamoto, qui a grandi au Japon mais vit maintenant en Californie, a déclaré qu'il y avait un désaccord de plus en plus vif entre le Japon et les États-Unis sur l'ingénierie sismique.

"Les Japonais sont complètement sidérés par la façon dont nous concevons ici", a-t-il déclaré.

Châssis en acier

Noyau en béton

Noyau en béton armé

Colonnes en béton

Amortisseurs diagonaux

Poutres et poteaux en acier

Partie de

bâtiment

montré

Les gratte-ciel américains sont généralement construits avec un noyau en béton qui résiste à la plupart des forces sismiques d'un tremblement de terre.

La construction japonaise de grande hauteur utilise généralement une grille de poutres et de colonnes en acier qui répartit uniformément les forces sismiques sur la structure et des amortisseurs diagonaux qui servent d'amortisseurs.

Noyau en béton

Châssis en acier

Partie de

bâtiment

montré

Amortisseurs diagonaux

Poutres et poteaux en acier

Colonnes en béton

Noyau en béton armé

Les gratte-ciel américains sont généralement construits avec un noyau en béton qui résiste à la plupart des forces sismiques d'un tremblement de terre.

Noyau en béton

Noyau en béton armé

Colonnes en béton

Partie de

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Les gratte-ciel américains sont généralement construits avec un noyau en béton qui résiste à la plupart des forces sismiques d'un tremblement de terre.

Châssis en acier

Amortisseurs diagonaux

Poutres et poteaux en acier

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Noyau en béton

Colonnes en béton

Renforcé

noyau en béton

Les gratte-ciel américains sont généralement construits avec un noyau en béton qui résiste à la plupart des forces sismiques d'un tremblement de terre.

Châssis en acier

Amortisseurs diagonaux

Poutres et poteaux en acier

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Noyau en béton

Colonnes en béton

Noyau en béton armé

Les gratte-ciel américains sont généralement construits avec un noyau en béton qui résiste à la plupart des forces sismiques d'un tremblement de terre.

Châssis en acier

Amortisseurs diagonaux

Poutres en acier

et colonnes

La protection des immeubles de grande hauteur contre les tremblements de terre fait partie des efforts les plus importants pour les ingénieurs. L'effondrement d'un seul gratte-ciel pourrait avoir des effets catastrophiques. Les immeubles de grande hauteur sont peut-être aussi la plus grande pomme de discorde entre les ingénieurs américains et japonais.

La plupart des nouveaux immeubles de grande hauteur aux États-Unis sont construits autour d'un noyau en béton armé, une technique que les ingénieurs japonais évitent parce qu'ils disent qu'elle fonctionne de manière imprévisible lors d'un tremblement de terre. Les immeubles de grande hauteur au Japon sont presque toujours construits en acier.

Le Japon, bien sûr, présente encore de nombreuses vulnérabilités, dont certaines ont été mises en évidence lorsque le tremblement de terre de Tohoku en 2011 a créé un tsunami qui a percé les digues, tuant environ 16 000 personnes et propageant les radiations d'un réacteur nucléaire endommagé.

Le pays compte de nombreux bâtiments plus anciens construits avant les modifications majeures apportées au code du bâtiment de 1981, et même les innovations sismiques du pays sont de qualité et d'efficacité variables, comme l'ont souligné les révélations de l'année dernière selon lesquelles un fabricant d'amortisseurs sismiques avait falsifié ses données de performance.

Mais dans l'ensemble, selon les ingénieurs japonais, les tremblements de terre des deux dernières décennies ont prouvé l'efficacité des réglementations et des innovations plus strictes du pays.

Kobe et le tremblement de terre de Tohoku en 2011 ont entraîné une forte augmentation de la demande de bâtiments plus robustes, les consommateurs étant prêts à payer un supplément pour les dernières technologies. Une entreprise a développé des airbags gonflables qui se déploient sous une maison en bois lorsqu'un grand tremblement de terre est détecté.

Sur les 9 000 structures japonaises isolées à la base, 4 300 sont des bâtiments à plusieurs étages, dont beaucoup sont des bureaux, des condominiums et des bâtiments gouvernementaux, et 4 700 sont des maisons, selon la Japan Society of Seismic Isolation.

L'isolation de la base est annoncée à la télévision japonaise et dans le métro de Tokyo, vantant les systèmes sismiques des condominiums nouvellement construits. Nice Corporation, une entreprise de construction japonaise, affirme qu'un bâtiment isolé de sept étages coûte 13 à 15 % de plus qu'un bâtiment conventionnel. Ian Aiken, un ingénieur spécialisé dans les technologies sismiques, affirme que les systèmes peuvent coûter aussi peu que 5 % de plus.

De nombreux nouveaux bâtiments au Japon ne sont pas isolés à la base, mais même les bâtiments conventionnels sont généralement plus solides et plus rigides que les bâtiments américains, selon M. Hamburger, l'expert en code, et d'autres ingénieurs qui ont travaillé dans les deux pays.

Le soi-disant mouvement de résilience – concevoir des bâtiments pour mieux résister aux catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre – a gagné des adhérents aux États-Unis ces dernières années. Le Canada étudie également des exigences de résistance plus élevées pour ses bâtiments. Mais les défenseurs américains disent qu'ils font face à un certain nombre d'obstacles.

Evan Reis, co-fondateur du US Resiliency Council, une organisation à but non lucratif, affirme que le plus grand obstacle est que, contrairement au Japon, les bâtiments changent fréquemment de mains en Amérique et les développeurs qui les construisent ne voient pas l'intérêt de les rendre plus robustes.

"La pensée à court terme est absolument le plus grand méchant", a déclaré M. Reis. "Les gens sont prêts à lancer les dés."

[Le grand pari sismique de San Francisco]

Les efforts de la législature californienne pour renforcer les lois sismiques ont échoué l'année dernière. Un projet de loi qui aurait exigé que les bâtiments soient fonctionnels après un tremblement de terre a été édulcoré dans les comités, puis opposé son veto par le gouverneur de l'époque, Jerry Brown.

Les experts disent qu'il y a peu d'avantages politiques à préconiser des bâtiments plus solides, car le public ignore en grande partie que les bâtiments sont conçus pour être endommagés lors d'un grand tremblement de terre.

"Le bâtiment va être puni et, espérons-le, nous permettre de sortir vivants", a déclaré Richard J. McCarthy, directeur exécutif de la California Seismic Safety Commission.

La commission a lancé cette année une campagne pour avertir la population que le code du bâtiment la protège moins qu'elle ne le pense.

Amarnath Kasalanati, directeur associé du Pacific Earthquake Engineering Research Center de l'Université de Californie à Berkeley, déclare qu'il est paradoxal que davantage de bâtiments aux États-Unis n'utilisent pas de technologies sismiques innovantes, car les scientifiques et ingénieurs américains ont été les premiers leaders dans le domaine.

M. Kasalanati estime qu'il y a 175 bâtiments isolés à la base aux États-Unis, principalement des musées, des hôpitaux et des bâtiments plus anciens comme les mairies de San Francisco et de Los Angeles qui ont été modernisés avec des isolateurs.

Une entreprise américaine qui a aidé à développer des dispositifs d'isolation sismique a expédié 70 % des 20 000 dispositifs qu'elle a produits à l'étranger.

Un bâtiment remarquable aux États-Unis qui utilise les appareils est le nouveau siège social géant d'Apple dans la Silicon Valley.

Steve Jobs, le co-fondateur d'Apple, est décédé avant le début de la construction du bâtiment. Mais lorsqu'il a présenté les plans de la structure circulaire à gaine de verre, il l'a décrite comme "un peu comme un vaisseau spatial".

Comme on le voit lors d'une visite rare, l'orbe de quatre étages, qui contient 12 000 personnes et est à peu près aussi large que le Pentagone, est la Rolls-Royce des bâtiments isolés à la base.

[À l'intérieur du siège social d'Apple prêt pour les tremblements de terre]

Le bâtiment, qui a une fondation en béton qui ressemble à une baignoire, n'est pas attaché au sol - s'il existait des grues ou des hélicoptères suffisamment puissants, ils pourraient le soulever.

À la base des près de 700 colonnes de support du bâtiment se trouvent des rondelles en acier inoxydable qui reposent sur des soucoupes en acier massives. Lorsqu'un tremblement de terre fait trembler le sol, les rondelles glissent sur les soucoupes jusqu'à quatre pieds, ralenties par la friction.

Soucoupes en acier

PLANCHER DU BÂTIMENT

Section d'un isolateur à pendule à triple frottement

FONDATION

Partie de

bâtiment

montré

Mouvement du sol

BÂTIMENT

Section d'un triple frottement

isolateur de pendule

Soucoupes en acier

FONDATION

Partie de

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Mouvement du sol

Section d'un triple

isolateur de pendule à friction

Soucoupes en acier

PLANCHER DU BÂTIMENT

FONDATION

Partie de

bâtiment

montré

Mouvement du sol

L'effet net pour les occupants est que lorsque le sol oscille d'avant en arrière, le bâtiment bouge beaucoup moins.

L'un des concepteurs du bâtiment était Jony Ive, l'homme qui était responsable de l'apparence des produits Apple tels que l'iPhone et l'iPad.

Originaire de Grande-Bretagne, M. Ive a déclaré avoir trouvé la menace de tremblements de terre "tout à fait alarmante" lorsqu'il a déménagé en Californie dans les années 1990 et a été surpris par la nonchalance californienne à leur égard.

M. Ive a déclaré que lui et M. Jobs n'avaient jamais envisagé d'utiliser une fondation conventionnelle pour le bâtiment.

"Nous aurions trouvé cela tout à fait bizarre de ne pas protéger notre investissement", a-t-il déclaré.

Photographies de modèles de construction comparant la construction de gratte-ciel et la dérive par Tony Cenicola. Photographie de Yousur-Al-Hlou et Jonah M. Kessel. Suzuki Kantaro a contribué aux reportages de Tokyo. Production supplémentaire par Abe Sater et Michael Cordero. Sources : Kit Miyamoto, président et chef de la direction, Miyamoto International ; Akira Wada, professeur émérite, Tokyo Institute of Technology ; Ibbi Almufti, directeur associé de la technologie de pointe et de la recherche, Arup à San Francisco ; Ryota Kidokoro, associé principal, Arup à Tokyo ; Ron Hamburger, directeur principal, Simpson Gumpertz & Heger à San Francisco.Remarque : Pour montrer en quoi l'utilisation des technologies sismiques au Japon diffère de la construction de bâtiments conventionnels aux États-Unis, les journalistes du New York Times ont créé des modèles de construction qui illustrent ce qui peut se produire lors d'un tremblement de terre.