Le séisme de Kobe du 17 janvier 1995, dont l’intensité au cœur de l’agglomération a atteint la valeur de 7 sur l’échelle macrosismique japonaise (plus haute valeur possible), a constitué un choc d’autant plus terrible pour la population japonaise que cette dernière se croyait mieux préparée à ce type d’évènement. L’ampleur des dommages (6437 morts et 43792 blessés recensés, 120 000 bâtiments détruits ou endommagés) est due à de nombreux facteurs : méconnaissance des jeux de faille à proximité de Kobe, inadéquation de certaines normes de construction, incendies causés par la rupture de conduites de gaz, retard des secours…). Ce séisme a eu un impact majeur sur les politiques de mitigation du risque sismique à Kobe (urbanisme de la reconstruction intégrant très explicitement le risque incendie et la gestion de crise post-catastrophe) et dans tout le Japon (renouvellement du code parasismique japonais et augmentation exponentielle du nombre de bâtiments équipés d’isolateurs parasismiques).

Nous formulons l’hypothèse selon laquelle cette catastrophe a également eu un impact significatif immédiat sur les pratiques du projet architectural au Japon. Nous nous appuyons pour cela sur l’analyse d’un projet emblématique dont les premières études ont démarré dans les semaines qui ont suivi le séisme de Kobe : la médiathèque de Sendaï, conçue par l’architecte Toyo Ito  Si ce dernier n’a jamais revendiqué l’intégration du risque sismique dans sa pratique, ni théorisé sur la façon dont il pourrait contribuer à la renouveler, sa collaboration avec l’ingénieur Mutsuro Sasaki semble avoir produit un jalon majeur dans l’histoire de l’architecture parasismique.

L’analyse est structurée autour de thèmes majeurs du génie parasismique : régularité en plan, régularité en élévation, diaphragmes horizontaux, masses et ductilité. Nous tenterons ainsi de montrer comment la dimension parasismique est indissociable d’un projet manifestant la volonté de Ito de faire évoluer le plan libre pour l’adapter au monde contemporain en concevant un milieu homogène mais non uniforme, un continuum spatial, aquatique ou forestier selon les métaphores proposée par l’architecte, offrant une multitude de lieux singuliers et mouvants.

Régularité en plan

À chaque étage, les coordonnées et diamètres des treize colonnes sont distribués de manière aléatoire. De même que les positions et dimensions des arbres d’une forêt obéissent à des lois de probabilité conditionnées par des règles physiques et biologiques, celles des colonnes sont partiellement conditionnées par deux grands impératifs structuraux obéissant à leurs propres logiques : la transmission des charges gravitaires et celle des charges sismiques latérales.

Au cours du processus de conception, a fortiori dans un contexte de forte sismicité, il est pratique de dissocier clairement les éléments de structure verticaux dédiés à la reprise des charges latérales de ceux dédiés à la simple reprise des charges gravitaires. Cette « spécialisation » des éléments de structure verticaux facilite le travail de dimensionnement de l’ingénieur mais aussi celui de l’architecte qui peut alors manipuler plus librement des éléments aux fonctions plus élémentaires et intelligibles.

Ici, la reprise des charges latérales a été confiée à quatre colonnes disposées à chaque angle : de plus grands diamètres, composés de tubes de plus grandes sections et triangulées, elles représentent à elles-seules l’intégralité des rigidités et résistances latérales. De par leurs positions elles définissent autant les arêtes de la coupe tridimensionnelle d’un continuum forestier (en référence à la métaphore employée par l’architecte lui-même [1]), qu’elles lui appartiennent.

Figure 1 – Colonnes dédiées à la reprises des charges latérales et diaphragme horizontal en rouge, colonnes dédiées à la reprise des charges gravitaires en bleu (d’après photo de chantier issue de [x]).

Les autres colonnes, déchargées de cette fonction très contraignante, ont donc pu être dimensionnées et positionnées plus librement, d’autant que leur morphologie leurs confèrent des capacités portantes naturellement élevées et facilement modulables.

D’un point de vue parasismique, le principe de la colonne creuse de section circulaire (au lieu de sections elliptiques initialement envisagées par Ito [2] permet de conférer une bidirectionnalité à chaque colonne d’angle.  Ainsi, avec seulement quatre éléments de structure verticaux affectés aux charges latérales, l’édifice dispose, dans le plan horizontal, de huit blocages de degrés de liberté en translation et quatre en rotation, ce qui lui confère un fort degré d’hyperstaticité et donc l’assurance d’une stabilité globale même en cas de défaillances locales.

Surtout, la localisation des quatre colonnes d’angles est optimale à double titre : le barycentre de leurs rigidités, proche du centre de gravité du bâtiment, minimise les actions de torsion provoquées par les secousses sismiques (couple agissant) tandis que leur éloignement les unes des autres maximise leur capacité à s’y opposer (couple résistant). Conjuguée à l’action favorable des diaphragmes horizontaux, cette distribution « régulière en plan » des rigidités latérales permet non seulement de réduire les charges globales à reprendre mais aussi de les répartir de façon homogène sur les quatre colonnes.

Régularité en élévation

En élévation, les colonnes ondulent, se contractent ou se dilatent légèrement. Ces variations progressives et continues permettent de proposer à chaque niveau, sans ruptures, des espaces aux qualités bien spécifiques. En particulier, l’alternance systématique d’étages de faible hauteur (de 3,50 à 4,20 m) et grande hauteur (de 5,00 à 6,90 m), à la manière d’une onde de compression se propageant à la verticale, permet d’accentuer la perception de ces variations.

Synthèses de la colonne servante de Kahn et de la colonne évanescente du pavillon de Mies, ces structures, creuses et translucides, participent au continuum spatial dans la troisième dimension en accueillant ascenseurs et escaliers, contribuant aux flux d’air et de lumière naturelle, tout en reliant visuellement les étages.

Ces variations géométriques ne nuisent aucunement au fonctionnement mécanique des neuf colonnes centrales, dédiées aux charges gravitaire : le caractère rectiligne de chaque segment de tube, associé à des liaisons articulées et centrées aux nervures des plateaux, favorisent un fonctionnement en compression pure, les diamètres des colonnes annulent tout risque de flambement et la transmission directes des charges gravitaires jusqu’aux fondations est assurée par la continuité des colonnes.

Mais l’enjeu structural majeur réside dans la transmission des charges sismiques, le comportement favorable de l’édifice étant fortement conditionné par :

  •  une transmission la plus directe possible des charges latérales jusqu’aux fondations,
  •  des masses et rigidités latérales de valeurs constantes ou progressivement décroissantes des niveaux inférieurs aux niveaux supérieurs.

À  l’instar des transmissions des charges gravitaires, celles des charges latérales sont directes, sans aucune discontinuité jusqu’aux fondations.

Les masses des plateaux sont quasiment identiques à chaque étage et les masses linéiques des colonnes sont presque constantes sur toute la hauteur du bâtiment (les variations de diamètres n’ont  pas d‘influence notable) ; les masses structurales sont donc réparties très régulièrement du premier au dernier niveau. Quant aux masses d’exploitation, elles semblent obéir à une logique de décroissance progressive, les lieux  de stockage étant plutôt situés au sous-sol, les rayonnages de livres dans les étages inférieurs et les activités plus « légères » dans les étages supérieurs.

Pour chaque colonne d’angle, le moment d’inertie d’une section transversale, caractéristique de la rigidité latérale, peut être considérés comme proportionnels au cube du diamètre. Si les évolutions des rigidités de chaque colonne, peuvent, parfois, sembler défavorables, elles se compensent toutefois les unes les autres, selon une logique d’adaptation quasi biologique, de telle sorte que l’évolution globale des rigidités latérales est continument décroissante (figure 2).

Figure 2 – Évolution verticale des rigidités latérales : contributions individuelles en blanc et globale en noir.

Enfin, les planchers, de par leur très faible rigidité en flexion vis-à-vis de celle des colonnes, ont une influence très faible sur les déformations de ces dernières, ce qui, associé à la très grande rigidité au cisaillement des colonnes,  contribue à rendre possible les variations, parfois très marquées, de hauteurs d’étages.

Diaphragmes horizontaux

En cas de séisme, chaque plancher a pour fonction de récolter l’ensemble des charges latérales et de les transmettre aux éléments verticaux susceptibles de les transmettre jusqu’aux fondations. Ce rôle de « diaphragme horizontal » est d’autant mieux assuré que la rigidité dans son plan est élevée vis-à-vis de celle des éléments verticaux recevant les charges latérales. Il est en particulier préjudiciable que des trémies, de par leurs dimensions ou localisations, affectent son pouvoir de transmission. Le problème est ici résolu naturellement par les colonnes creuses qui ajoutent ainsi une nouvelle fonction à leur palette de structure servante. A l’exception d’une trémie d’escaliers mécaniques dans les planchers hauts des 1er et 2e étages, aucune trémie ne vient donc perturber le cheminement des forces, des colonnes centrales aux colonnes d’angles.

Masses

La volonté de continuum spatial était a priori compatible avec une grande variété de trames et portées entre appuis : des très petites portées employée par J. Ishigami pour le KAIT (de l’ordre de 2 à 6 m), aux très grandes portées utilisée par Piano et Rogers pour le Centre Beaubourg (45 m). Ici, les portées primaires de 10 à 17 m dans une direction et 7 à 11 m dans l’autre ont été fortement déterminées par la double nécessité de donner à chaque colonne creuse un diamètre suffisant pour assurer ses fonctions servantes et trouver, entre le plein des colonnes et les vides qui les séparent, un équilibre propre à générer les qualités spatiales recherchées.

Ces portées pourraient être qualifiées de modestes si elles étaient franchies par des poutres de grande inertie. Mais la volonté de continuum spatial imposait de préserver la planéité des sous-faces de plancher tout en minimisant leur épaisseur. Enfin, l’action sismique étant proportionnelle à la masse du bâtiment et les planchers en représentant une large part, la minimisation de leurs masses était un enjeu majeur.

Plusieurs stratégies ont été conjointement mise en œuvre pour concilier tous ces enjeux et conférer aux planchers une épaisseur totale de 47 cm et une masse surfacique de l’ordre de 300 kg/m², analogue à celle d’une construction ordinaire.

La première est d’avoir opté pour le matériau de construction le plus performant en termes de rapport entre rigidité et masse : l’acier. Sa performance est encore accrue si l’on considère les possibilités quasiment infinies, à condition de disposer d’une main d’œuvre qualifiée, en termes de façonnages et d’optimisation des épaisseurs de parois.

La seconde est d’avoir opté pour une structure de type caisson, parfaitement adaptée aux appuis larges offerts par les colonnes creuses. En outre, le faible entraxe des nervures (1 m) permet une collaboration quasi optimale entre les nervures (âmes) et les tôles  hautes et basses (membrures tendues ou comprimées) dans les directions principales de franchissement en même temps qu’il rigidifie et renforce le plancher en tant que diaphragme horizontal.

La troisième est d’avoir optimisé l’organisation des nervures primaires (entre appuis) et secondaires : les nervures primaires les plus longues ne supportent qu’elles-mêmes tandis que les plus courtes supportent aussi les nervures secondaires (figure 3).

La quatrième est d’avoir profité du caractère circulaire des appuis pour faire des nervures concentriques qu’elles génèrent des anneaux de compression capables de s’opposer à la rotation des nervures radiales. La combinaison de l’articulation de chaque nervure à son appui (anneau de section en H formant l’intersection entre chaque colonne et chaque plancher) et le blocage en rotation mentionné précédemment, fabrique donc l’équivalent d’un encastrement qui augmente de manière considérable la rigidité des éléments de franchissement, sans qu’aucun moment de flexion pénalisant ne soit transmis aux appuis.

La cinquième est d’avoir fait collaborer la dalle de béton allégé (7 cm d’épaisseur) assurant le dernier niveau de franchissement tout en améliorant la sécurité incendie et le confort acoustique, grâce à la mise en place d’un réseau de connecteurs faits de simples tronçons de fers à béton soudés à plat sur les tôles supérieures du caisson.

Ductilité

La plupart des assemblages de la superstructure (planchers et colonnes) ont été réalisées par soudage en atelier mais aussi, dans une large mesure, sur le chantier lui-même. Ce choix répond d’abord à la volonté de continuum spatial, aucun joint ou élément saillant ne devant perturber la continuité de la matière. Il témoigne en même temps de la volonté de maintenir l’intégralité de la superstructure dans le domaine élastique (c’est-à-dire intacte), sans pièces fusibles, même en cas de séisme majeur. Ce choix a nécessité le recours à une main d’œuvre hautement qualifiée, issue de l’industrie navale. Au-delà, il a signifié un déplacement de curseur de côté de l’intelligence de conception et du façonnage de la matière brute par une main d’œuvre locale et qualifiée plutôt que le recours à des solutions industrielles globalisées, lui conférant une portée dépassant le contexte des pays économiquement développés.

Le paradigme dominant du génie parasismique contemporain, auquel la médiathèque ne déroge pas, réside cependant dans le « dimensionnement en capacité » : certains éléments structuraux stratégiques sont délibérément conçus pour être endommagés en cas de séisme violent mais continuer à assurer leur fonction grâce à une grande ductilité.

Ces éléments stratégiques sont disposés au 1er sous-sol, à l’aplomb de chaque colonne d’angle et au-dessus de soubassements tubulaires en béton armé situés au 2nd sous-sol. Chacune de ces structures est composée de 16 montants tubulaires, articulés en pieds, répartis régulièrement autour d’un cercle formant la base de la colonne portée et connectés entre eux par des traverses dont les sections en H ont des moments d’inertie très inférieurs à ceux des tubes.  La grande souplesse de ces structures leur permet, lors de secousses sismiques horizontales, d’absorber une grande partie des déformations imposées et de soulager d’autant la superstructure qu’elles supportent. En outre, la grande ductilité des traverses (autrement dit leur capacité à se déformer jusqu’à plastification sans rupture), leur permet de dissiper une partie considérable de l’énergie mécanique sous forme de chaleur, ce qui se traduit par une augmentation de température des traverses. Après chaque séisme majeur, ces dernières peuvent être facilement déposées et remplacées.

Ce dispositif « sacrificiel », s’il protège considérablement des vibrations la superstructure en cas de séisme, induit de très grands déplacements relatifs entre la base du bâtiment et le sol environnant. Une bande fusible intégrée dans le calepinage du sol urbain permet donc d’absorber ces déplacements tout en marquant une subtile limite entre la médiathèque et l’espace public, dans le continuum du sol urbain. Ainsi, ce pur projet d’ingénierie, non visible et non accessible au public, n’est pour autant pas totalement exclu de l’architecture qu’il sert.

Conclusion

Les colonnes creuses de la médiathèque  de Sendaï participent une réinvention du système poteau-dalle en conjuguant les idéaux formels et fonctionnels du plan-libre à un système structural à la fois flexible (grâce à une dissociation des fonctions de reprises des charges latérales et de reprise des charges gravitaires) et rationnel (grâce à la linéarité des appuis offerts à la dalle et les performances mécaniques latérales bi-directionnelles naturelles des colonnes).

En tant que structures servantes elles contribuent simultanément, en plus de l’accueil des flux verticaux (usagers, air et lumière naturelle), à la continuité mécanique des diaphragmes  formés par les plateaux et à la création « de plans et espaces continus et ininterrompus » [3].

Leur nature même, faite d’épaisseur, de rondeur et de translucidité, associée à leur flexibilité spatiale, concoure enfin à la constitution d’un espace homogène (un « milieu » miesien [4]) mais non uniforme car libéré de sa grille cartésienne.

Les colonnes creuses, présentes dès les premières esquisses et objets d’une conception partagée entre Ito et Sasaki, comme en témoignent très concrètement leurs échanges de fax [5], semblent donc avoir joué un rôle central dans l’intégration des enjeux sismiques dans ce projet d’architecture. Il est même probable que les contraintes de régularité induites par la conception parasismique, en épurant le design des colonnes de tout formalisme superflu, leur ait permis de « se trouver ».

Si la médiathèque a rapidement acquis le statut d’icône de l’architecture contemporaine, sa première mise à l’épreuve d’un séisme violent a eu lieu dix ans après son inauguration : le séisme du Tohoku du 11 mars 2011, d’une intensité 6+ sur l’échelle macrosismique japonaise (deuxième plus forte possible) dans la préfecture de Miyagi, a fortement sollicité la médiathèque mais n’a causé aucun dommage à l’exception de la chute d’un faux plafond.

Références

[1] Toyo Ito, 2006, cité dans J. Lucan, 2016
[2] D’après des échanges de fax entre Ito et Sasaki publiés dans F. Migayrou et al (2017)
[3] Ito, 2001, cité dans Lucan, 2016
[4] Lucan, 2016
[5] F. Migayrou et al., 2017

Illustrations