Péter les plombs pour la science

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Avec une taille de neuf mètres et une capacité allant jusqu’à 500 gT, la centrifugeuse géotechnique de l’ETH Zurich est la plus puissante d’Europe. (Photo : Ioannis Anastasopoulos / ETH Zurich)
La planification et la construction de la centrifugeuse la plus puissante d’Europe ont duré sept ans. Après un an et demi de recherche, l’inauguration officielle peut désormais être célébrée sur le campus du Hönggerberg. Ce n’est pas un hasard si l’inauguration a lieu aujourd’hui.

Sous terre, derrière une immense porte métallique, se cache dans une pièce ronde et lumineuse le joyau du Geotechnical Centrifuge Center (GCC) : la centrifugeuse bleue de neuf mètres de diamètre. Aucun effort n’a été épargné lors de la construction de l’installation de recherche. Afin d’éviter les interférences avec les mesures très sensibles effectuées dans les laboratoires entourant le GCC, la centrifugeuse a été installée dans un boîtier en béton qui repose sur quatre systèmes de ressorts en acier. Certes, la centrifugeuse la plus puissante d’Europe est déjà au service de la science depuis juin 2023, mais ce n’est qu’aujourd’hui que l’ETH Zurich célèbre cette infrastructure hors du commun à une date exceptionnelle.

Ioannis Anastasopoulos, professeur et chef du département Construction, environnement et géomatique de l’ETH Zurich, a dû attendre longtemps ce jour. Mais le fait que l’inauguration de la centrifugeuse tombe exactement le 17 janvier 2025 n’est pas un hasard. D’une part, on ne voulait pas arriver les mains vides lors de l’inauguration, mais présenter des résultats de recherche, et d’autre part, le choix de cette date a aussi des raisons personnelles. Car aujourd’hui, c’est le 30e anniversaire du tremblement de terre de Kobe au Japon. Au moment de la catastrophe, Anastasopoulos étudiait le génie civil. Cet événement a posé les jalons de la suite de sa carrière : il a décidé d’étudier les tremblements de terre.

Lui et son équipe utilisent la centrifugeuse pour étudier le comportement des constructions avec leurs fondations et la nature du sol lorsqu’elles sont exposées aux forces naturelles les plus diverses. Pour ce faire, ils fixent des modèles des constructions à une extrémité de la poutre, qui est mobile. Ensuite, les modèles sont accélérés de manière à multiplier les forces G qui agissent sur le modèle. Les modèles sont soumis à des forces allant jusqu’à 100 g, soit cent fois la force de gravité terrestre. En effet, le sol dans les modèles à échelle réduite représente la réalité de manière déformée, car le niveau de contrainte du sol dans le modèle ne correspond pas à celui du monde réel. Les forces G extrêmes compensent ce fait en ramenant les tensions dans le sol du modèle au niveau du problème réel. C’est la seule façon d’obtenir des résultats proches de la réalité.

Faire du neuf avec du vieux - une infrastructure de recherche recyclée

Ce qui se présente comme une infrastructure de recherche ultramoderne a en réalité déjà fait plusieurs tours. L’EPFZ a délibérément choisi de ne pas acquérir une nouvelle centrifugeuse, mais de racheter un modèle usagé à l’université de Bochum. Il a certes fallu réviser l’ensemble de l’installation et l’équiper de nouvelles pièces, mais cette démarche a coûté environ un quart du prix de l’achat d’une nouvelle centrifugeuse de même capacité.

Mais remettre en état et assembler une telle centrifugeuse n’est pas un jeu d’enfant. Alors que le laboratoire de recherche du Hönggerberg était en construction, la pandémie de coronavirus est survenue, entraînant diverses interruptions de la chaîne d’approvisionnement et des retards supplémentaires. Malgré toutes ces circonstances difficiles, la centrifugeuse a toutefois pu être mise en service seulement un an plus tard que prévu. Pour Anastasopoulos, c’est clairement un succès : "Par moments, nous n’étions plus sûrs de la date à laquelle la centrifugeuse fonctionnerait réellement. De plus, nous avions toute une série de projets qui en dépendaient. Nous sommes donc d’autant plus heureux de pouvoir présenter un premier résultat d’essai".

La centrifugeuse tourne - aussi sur le temps

Aujourd’hui, la nouvelle "ancienne" centrifugeuse est en service depuis environ un an et demi et elle tourne à plein régime. En règle générale, un à trois tests sont effectués chaque semaine. Dix à quinze chercheurs et techniciens autour d’Anastasopoulos veillent à ce que les expériences puissent être réalisées et à ce que la centrifugeuse fonctionne parfaitement.

Le nombre de rotations de la centrifugeuse dépend toujours de la complexité du modèle testé. C’est la préparation du modèle qui prend le plus de temps, car les conditions du sol et des constructions doivent être reproduites au plus près de la réalité. Ce qui est fascinant avec la centrifugeuse, c’est que les forces G supplémentaires permettent de recréer des effets sur plusieurs années en un temps très court.

Parcs éoliens, ponts, Brienz et Leimbach

Les exemples de projets concrets sont nombreux. L’un d’entre eux, actuellement en cours au GCC, concerne l’ancrage au sol de parcs éoliens offshore. Loin en mer, les éoliennes sont exposées à diverses forces naturelles. Exposées aux tempêtes et aux tremblements de terre, les structures peuvent parfois s’incliner. Même des inclinaisons de 0,5 degré peuvent endommager les systèmes mécaniques et réduire considérablement la durée de vie de l’éolienne.

Les parcs éoliens offshore sont plutôt rares en Suisse. Tout le contraire des ponts. Il y en a quelques-uns en Suisse et beaucoup d’entre eux ont déjà un nombre considérable d’années au compteur. La grande majorité d’entre eux (plus de 90%) ont été construits avant les années 90, et ce sans aucune conception parasismique ou avec une simple conception parasismique nécessitant une mise à niveau. Alors que la mise à niveau des piles de pont est relativement simple, le renforcement des fondations peut être difficile, coûteux et prendre beaucoup de temps. C’est particulièrement vrai pour les groupes de pieux utilisés pour les ponts. C’est là qu’intervient le travail de recherche d’Anastasopoulos et de son équipe : "Nos tests de centrifugation sont essentiels pour la sécurité de nos infrastructures de transport. Les expériences de centrifugation peuvent nous conduire à des solutions innovantes qui minimisent l’empreinte CO2 et les coûts de mise à niveau des fondations, tout en améliorant la sécurité sismique".

Les mouvements de terrain à Brienz, dans les Grisons, qui menacent tout un village, et à Leimbach, à Zurich, préoccupent de nombreux chercheurs. Ici, la centrifugeuse pourrait aider à comprendre les causes et les processus qui conduisent à des mouvements aussi massifs.

La diversité des thèmes de recherche et des possibilités d’utilisation montre que la centrifugeuse sera très utilisée à l’avenir.