Le Salk Institute est le fruit d’une quatrième collaboration entre l’architecte Louis I. Kahn et l’ingénieur August Komendant, spécialiste des structures en béton précontraint. Jonas Salk, chercheur en biologie médicale et développeur du premier vaccin contre la polio en 1955, désirait construire un institut dédié à la recherche médicale, porteur de valeurs humanistes et promouvant le dialogue entre artistes et scientifiques. Cet institut devait notamment accueillir huit laboratoires dirigés par autant de chercheurs titulaires du Prix Nobel. Salk rencontra Kahn en 1959, au moment où ce dernier suivait les travaux de son premier projet majeur médiatisé (et sa première collaboration avec Komendant) : les laboratoires Richards à Philadelphie, également dédiés à la recherche en biologie médicale. Kahn et Salk visitèrent le site d’implantation en 1960 à La Jolla (Californie). La zone, désertique, se développait de part et d’autre d’un ruisseau et faisait face à l’Océan Pacifique (vue aérienne). Après plusieurs versions intermédiaires, la conception définitive fut achevée en 1962. Les travaux démarrèrent en 1964 et le bâtiment fut livré en 1965.

Le complexe est composé de deux ailes en vis-à-vis séparées par un large jardin minéral (photos, plans, coupes). Chaque aile est composée d’un bloc principal se développant sur trois « double-niveaux », dont le premier est encaissé dans le sol. Chaque double niveau est composé d’un niveau inférieur, espace libre de tout point porteur, destiné à accueillir un laboratoire (espace « servi ») et d’un niveau supérieur, exclusivement destiné à accueillir deux dispositifs techniques (espace « servant ») : des poutres Vierendeel de hauteur d’étage qui assurent le franchissement dans la direction transversale et des gaines de très grandes sections qui, passant à travers les alvéoles des poutres, assurent l’extraction de l’air vicié et l’injection d’air conditionné. Des poutres Vierendeel avaient déjà été employées aux laboratoires Richards à l’initiative de Komendant et pour des raisons analogues. Pour ce nouveau projet, Kahn, se réappropriant le principe structural malgré les réticences initiales de Komendant (qui y voit « une solution hybride incorrecte ») [1], prolonge sa logique d’organisation de l’espace selon la dualité servant/servi vers la troisième dimension .

La Jolla est située dans une zone où l’aléa sismique est considéré comme élevé (niveau 4 sur une échelle américaine qui en comporte 5). Des séismes de magnitude supérieure à 2.5 ont lieu régulièrement dans un rayon de 30 miles. On estime aujourd’hui à 68 % (resp. 23 %) la probabilité qu’un séisme de magnitude supérieure à 5.0 (resp. 6.0) survienne sur une période de 50 ans [2]. Dans ses mémoires [3], Komendant rapporte qu’un tremblement de terre significatif eu lieu en 1965, peu de temps après la livraison du bâtiment. Beaucoup de bâtiments des environs subirent de légers dommages mais le Salk resta intact malgré des secousses largement perçues pas les occupants. D’après Komendant, le sol est « ferme, mélange léger de gravier et de sable ». On peut donc supposer que la souplesse naturelle des deux blocs principaux (contreventement par ossature) leur confère un premier avantage en limitant sérieusement le risque de résonance avec le sol. Cela explique en partie le succès de 1965.

Bien que parfaitement au courant de l’existence du risque sismique, il est très improbable que Kahn et Komendant aient explicitement intégré les principes de conception parasismique dès les premières phases du projet, l’emploi des poutres Vierendeel étant a priori une véritable erreur sur ce plan-là : en l’absence de murs porteurs, les portiques formés par l’encastrement de ces poutres aux poteaux périphériques auraient assuré l’intégralité du contreventement transversal, conduisant à un non-respect majeur du principe de « poteau fort-poutre faible­ » ; le rapport phénoménal entre le module d’inertie des poutres et celui des poteaux aurait en effet conduit à une concentration des contraintes en pied et en tête des poteaux (là où des moments fléchissants forts côtoient des modules d’inertie faibles), réduisant rapidement le degré d’hyperstaticité de la structure et risquant d’entrainer son effondrement brutal.

Principe de « poteau fort-poutre faible ». Lorsque ce principe n'est pas respecté (a), l'apparition de rotules plastiques en tête et pied de poteaux peut rapidement provoquer une instabilité de la structure. Lorsque ce principe est respecté (b), les rotules plastiques apparaissent aux extrémités des poutres et ne provoquent pas d'instabilité.

Principe de « poteau fort-poutre faible ». Lorsque ce principe de conception parasismique n’est pas respecté (a), l’apparition de rotules plastiques en tête et pied de poteaux peut rapidement provoquer une instabilité de la structure. Lorsqu’il est respecté (b), les rotules plastiques apparaissent aux extrémités des poutres et ne provoquent pas d’instabilité.

Les ingénieurs du Bureau de la construction de San Diego ne s’y trompent d’ailleurs pas quand ils expliquent à Komendant que seule une structure en acier permettrait de compenser cette erreur de conception et conférer au système de contreventement une ductilité suffisante, compatible avec les règles de construction parasismique locales [3]. Suggestion difficilement acceptable pour Komendant, apôtre du béton précontraint ; inenvisageable pour Kahn qui a fait de l’emploi du béton une quête personnelle et fait peu de cas de l’acier comme matériau de construction. « La ductilité est-elle le seul problème ? » demande Komendant. « Oui, pas d’autre problème » lui répond l’ingénieur en chef du Bureau de la construction. Une solution est trouvée dans les mois qui suivent et validée le jour même de la soumission des plans définitifs au Bureau de la construction.

Des poteaux en béton précontraint ne sont pas capables d’absorber l’ensemble des déformations imposées sans rupture fragile ? Qu’à cela ne tienne ! Komendant profite du principe-même de précontrainte pour saucissonner un peu plus la structure et glisser, à chaque interface  poteau-poutre, une couche d’environ un centimètre d’épaisseur faite d’une plaque d’acier revêtue d’un alliage de plomb et zinc. Ces couches sont suffisamment souples pour que la quasi intégralité des déformations horizontales s’y concentrent naturellement et assez ductiles pour que ces déformations puissent se prolonger dans le domaine plastique sans rupture. On peut raisonnablement supposer que chacun de ces appuis ductiles autorise un déplacement relatif de l’ordre du centimètre, soit un déplacement total en tête du bâtiment de l’ordre de 4 cm. Nous ne disposons malheureusement d’aucun document  permettant d’en savoir plus sur les dimensions et caractéristiques exactes de ces appuis (avis aux aimables lecteurs qui auraient des informations à ce sujet et souhaiteraient les faire partager). Le dispositif est complété par des câbles de précontrainte dont la légère post-tension permet de ramener la structure à sa position d’équilibre après déformation (et donc d’assurer sa stabilité, au sens strict du terme).

Comportement sous séisme du bloc principal. Version initiale (à gauche) : les déformations horizontales imposées par le séisme se traduisent par une plastification mal contrôlée des têtes et pieds de poteaux. Version finale (à droite) : les déformations horizontales imposées par le séisme sont localisées dans des appuis ductiles (en rouge).

Comportement sous séisme du bloc principal. Version initiale (à gauche) : les déformations horizontales imposées par le séisme se traduisent par une plastification mal contrôlée des têtes et pieds de poteaux. Version finale (à droite) : les déformations horizontales imposées sont localisées dans des appuis ductiles (en rouge).

En cas de grands déplacements, la plastification des appuis permet, en absorbant puis dissipant l’énergie sismique, de réduire l’amplitude des accélérations imposées au bâtiment. D’où un bénéfice en termes de réduction des charges sismiques horizontales mais aussi en termes de confort pour les occupants. Il est cependant probable que ces appuis doivent être remplacés après chaque séisme majeur.

Le bloc principal est mécaniquement dissocié des blocs est et ouest ainsi que des cinq tours nord et cinq tours sud. Cette dissociation structurale, principe classique de la construction parasismique, permet d’éviter les oscillations différentielles entre blocs et les endommagements qui en résulteraient, en particulier dans les angles rentrants, sièges naturels de concentrations de contraintes. Cette dissociation est d’autant plus pertinente que le contreventement des blocs périphériques est exclusivement assuré par des voiles en béton armé, ce qui leur confère un comportement dynamique très différent de celui du bloc principal. La dimension de ce joint serait d’un demi pouce (environ 1,3 cm) d’après [1], valeur qui semble étonnamment faible et mériterait d’être vérifiée (second avis aux aimables lecteurs qui disposeraient d’informations à ce sujet).

Plan type d'un laboratoire (aile sud). Un des principes de la conception parasimique consiste en la dissociation structurale du bloc principal des dix tours servantes et des deux blocs est et ouest par un joint parasismique.

Plan type d’un laboratoire (aile sud). Un des principes de sa conception parasismique consiste en la dissociation structurale du bloc principal des dix tours servantes et des deux blocs est et ouest par un joint parasismique (en rouge).

Le marquage de cette dissociation par un joint rempli de néoprène rouge plut beaucoup à Kahn, si l’on en croit Komendant [3], car elle lui évoquait les joints en plomb utilisés dans l’architecture médiévale. De plus, l’attribution  à chaque « pièce » (au sens kahnien du terme) d’une structure clairement dissociée des autres n’était sans doute pas pour lui déplaire.

Références :
  1. Thomas Leslie, Louis I. Kahn – Building art, building science, George Braziller, 2005.
  2. http://www.homefacts.com/earthquakes/California/San-Diego-County/La-Jolla.html
  3. August Komendant, Dix-huit années avec Louis I. Kahn, Éditions du Linteau, 2006
Illustrations :

Tous les croquis ont été réalisés par l’auteur. Le deuxième s’appuie sur une illustration tirée de [3].