Figure 1 pagode HORYU JI à Nara construite en 594 ap J.C. elle mesure 32,55m de haut et son toit le plus large  fait 14.27 m de côté

Omniprésente, la forêt japonaise couvre 70 % du territoire mais justifie-t-elle les constructions en bois ? Contrairement à quelques idées répandues, ces tours en bois ont été choisies parce qu’elles sont moins sensibles aux séismes, le bois par sa composition en fibres, est souple, léger et sa déformation absorbe mieux les vibrations (énergie destructrice des séismes) de courte durée. Par ailleurs, les japonais ont compris rapidement que les maisons en pierre deviennent des tombeaux quand elles s’écroulent. Si les tremblements de terre restent meurtriers, c’est dû particulièrement aux incendies. On peut remarquer que les régions sensibles aux séismes utilisent des constructions en bois.

L’arrivée du bouddhisme au Japon à partir du VII siècle ap.J.C. via la Chine et la Corée, apporte une nouvelle façon de construire les temples, radicalement différente de la conception japonaise à cette époque. La conception chinoise de base est simple fig. 2 Les poutres sont assemblées sur des poteaux et forment une structure autonome juste posée sur le sol et le plus souvent sur des blocs de pierre fig 3. En cas de séisme, l’ensemble de la structure tremble et se déplace. C’est ce que j’appelle le théorème du tabouret. Soumis à une secousse latérale, il se déplace mais ne se renverse pas. Les murs n’ont pas de rôle porteur, ils remplissent les espaces entre poutres et poteaux pour isoler les pièces de l’extérieur.  Les assemblages qui relient les poutres et poteaux, sont particulièrement savants, ils sont appelés au Japon kumimono.

Utilisés couramment en Chine au VIII av J.C., ces assemblages répartissent la charge sur les colonnes et réduisent l’effort sur les poutres horizontales. Tout est assemblé sans le moindre clou, tout s’emboîte et s’imbrique l’un dans l’autre par des tenons, abouts, languettes et mortaises. Prenons un cas simple, le temple Jodo-ji à ONO bâti en 1194 : la conception superpose une succession de bras, encastrés dans les poteaux en porte à faux (fig 4) sur les extrémités desquelles, d’autres bras supportent les poutres dans le sens de la longueur Ce système va être multiplié à l’envi.
Cette complexité est recherchée par les charpentiers qui cherchent à se différencier et par les commanditaires, pour rendre visible leur rang dans la société. La multiplication des bras permet des avant-toits plus profonds qui donnent à la toiture une silhouette élégante, caractéristique des maisons japonaises. Les kumimono, contribuent aussi, par la multiplication des surfaces assemblées qui frottent entre elles, à dissiper l’énergie au moment d’un séisme et à maintenir la cohésion de la structure.

Le Japon a recensé 33 pagodes, toutes construites en bois, aucun document n’atteste que les pagodes à 5 toits se soient écroulées à la suite d’un tremblement de terre. La plus ancienne Horyu-ji de 32,45 m de haut a été construite en 594 ap J.C. la plus haute culmine à 54,84 m. Même s’ils disent ne pas avoir complètement éclairci cette problématique, les chercheurs, néanmoins ont dégagé les grands facteurs de ce succès dont les effets s’additionnent. Les trois premiers facteurs sont l’utilisation du bois, la structure « poteau-poutre » posée sur sol et la multiplicité des assemblages (On en compte plus de mille dans une pagode). Mais d’autres facteurs apparaissent, comme l’indépendance des étages. Chaque étage n’est pas fixé avec le précédent mais empilé dessus, avec des butées de contact laissant une liberté de déplacement entre les deux étages qui ainsi dissipe l’énergie par frottement lors des secousses.

fig7 et 8
On peut remarquer que l’envergure globale des avant-toits et du toit est quatre fois plus importante que le corps central. Cette disposition provoque ce que l’on appelle, l’effet pendulaire.  La conception de la charpente des étages permet par leur point d’appui fig 7 de créer leur propre force de rappel pour remettre le toit dans sa position initiale. Tous les étages sont soumis à l’effet pendulaire pendant les séismes, mais l’association de l’oscillation et de l’indépendance des étages provoque un phénomène appelé « la danse du serpent ». fig 8
Dans la configuration de « la danse du serpent » le risque est qu’un étage peut glisser par rapport à un autre. Le shinbashira est une colonne qui traverse donc les étages et les retient lors des sollicitations sismiques. Le shinbashira de la pagode Horyu–ji, par exemple, joue ce rôle qui stabilise les mouvements relatifs des différents étages. Le shinbashira est maintenu vertical dans le sol. Les poteaux du rez de chaussée sont eux juste posés sur le sol. Cette première conception s’est montrée efficace depuis l’année 594. Mais cette conception va évoluer au VII siècle et le shinshabira sera posé sur le sol.
Puis au XII siècle le shinshabira va s’accrocher de tout son poids à la toiture du dernier étage pour créer ce que nous appelons aujourd’hui une masse d’amortissement (ou amortisseur dynamique). Nous voyons ce dispositif dans la pagode  Nikkō Tōshō-gū vers 1650 fig 9 . Le shinbashira, qui n’est pas lié aux étages intermédiaires a un certain degré de liberté et peut osciller à la même fréquence ou une fréquence proche de celle du bâtiment, mais de manière déphasée ce qui atténue considérablement les oscillations, il joue un vrai rôle d’amortisseur. Ce dispositif va inspirer les constructions actuelles…
Figure 9 Horyu-ji 594 et Figure 9 Nikko Tosho-gu 1650

Les tours actuelles au Japon ne sont pas les plus hautes : à Dubaï, Burj Khalifa mesure 828 m, à Djeddah, l’Arabie Saoudite construit une tour de 1007m. Au Japon mais il est vrai qu’il existe un projet le « Sky mile tower » 1700 m de haut à Tokyo, à croire que cette discipline est devenue olympique ! Au-delà d’une course à la hauteur, certaines techniques de base antisismiques actuelles s’inspirent de la conception des pagodes. Le design des pagodes n’explique pas tout, et bien d’autres progrès techniques, dans la conception et les matériaux, ont été faits depuis et ont permis ces constructions en hauteur.  
Au début de l’ère Meiji (1868) le Japon s’ouvre aux techniques et matériaux occidentaux. Le fer, la brique, la pierre etc, sont utilisés, la conception et l’esthétique des bâtiments deviennent semblables aux nôtres mais ces constructions ne résistent pas aux tremblements de terre notamment ceux de Nagoya 1891 et de Tokyo en 1925. Il faudra attendre 1968, au lendemain des jeux olympiques de Tokyo de 1964, pour que l’immeuble appelé « kazumigaseki building » soit construit, et soit considéré comme le premier vrai building avec ses 156 m de hauteur. On constate depuis 2006, que 100 % des constructions antisismiques utilisent des structures non enfouies mais posées sur le sol et des amortisseurs de masse dont la vibration est déphasée du reste de la structure. Les amortisseurs de masse, suivant la thèse de M.A.Allani , ont été optimisés sous la forme  AMA = Amortisseur à Masse Accordée (ou ADA amortisseur Dynamique Accordé ou TDM Tuned Mass Damper). Les AMAs sont conçus principalement sous deux formes, dont la plus connue est celle formée d’une masse attachée à la structure principale à l’aide d’un ressort et d’un amortisseur (masse-ressort-amortisseur).  C’est le cas de la tour « Mode Gakuen spiral tower » à Nagoya et la tour « Tokyo skytree ».

Gérard Rembault (Bo. 167)
Historien de l’art Ecole du Louvre


SOURCES
- Thèse « Conception et optimisation d’amortisseurs à masse accordée pour les structures du génie civil » / Anissa Allani/ L’UNIVERSITÉ PARIS-EST / Novembre 2015
- “Structural Mechanism and morphology of timber tower in Japan” MASARU Abe & MARMORU Kawaguch, iAABE nov 2020
- “Earthquake response4 of ancient five-story pagoda structure of Horyu-ji temple in Japan” Tadashi Nagase, Yoshinori Takahashi, Koji Nakahara, Toshibaru Hisatoku
- “Earthquake response monitoring and seismic performance of five storied timber pagoda” K.FUJITA, T.HANAZATO, I.SAKAMOTO , 13ème world conference Vancouver 2004

REMERCIEMENTS
J’ai pu rédiger cet article avec l’aide de S.AMANO,  天野　幸子 pour les traductions, les commentaires des spécialités des structures antisismiques de la société SETEC, et la relecture de et G.Giovaninni (Bo167) et JL.Penot (CL164).


Tokyo skytree
La tour fut construite, pour signifier la puissance du Japon et marquer le paysage de Tokyo.  Haute de 634 m soit bien au-dessus de la « Tokyo tower » de 333 m (à peine plus haute que la tour Eiffel) qui fut construite en  1958. Son aspect visuel est marqué par une base de forme triangulaire, tripode qui devient ronde dans la hauteur. Sa conception suit le schéma classique des pagodes, une colonne centrale comme un shinbashira sur toute la hauteur reliée par des liaisons souples, amortisseurs hydrauliques, à la structure extérieure.
Le shinbashira est en béton armé de 375 mètres de haut.  La structure extérieure à l’instar des étages de la pagode comporte des escaliers et espaces de service. Ce shinbashira joue le même rôle que dans une pagode. Attaché à la structure dans sa partie supérieure, son poids assure le rôle d’amortisseur de masse. Le gain de ce dispositif a été estimé puis constaté à 40% de diminution des mouvements de la tour.

La tour Taipei à Taiwan
La tour « Taipei 101 » de 509 m édifiée en 2015 utilise un pendule de 730 tonnes d’acier (fig 20) qui a été placé dans la tour suspendue par des câbles entre les 87 e et 91 e étages. Le pendule se balance dans le sens opposé à celui de la tour et minimise les déplacements de l’ensemble. D’énormes amortisseurs viennent compléter le système. Cette technique est aussi largement répandue dans les structures sollicitées au tangage, comme les bateaux.

Mode Gakuen Spiral Tower à Nagoya
La tour Mode Gakuen spiral tower est construite autour d’un noyau central composé de 12 piliers en tube d’acier remplis de béton. Les trois ailes en structure tubulaire s’élancent autour de ce noyau. Cette conception provoque, par le poids des ailes notamment, des efforts horizontaux qui créent des efforts de torsion sur le noyau. Cet effet est accentué en cas de séisme, mais leur structure est jalonnée de 26 poteaux amortisseurs hydrauliques qui créent une liaison souple fig 12. En cas de sollicitations maximales, l’excédent d’énergie est absorbé par des déformations plastiques de la structure. Mais l’élément principal antisismique reste l’amortisseur de masse placé au sommet de la tour comme l’était le shinbashira accroché au dernier étage auquel s’ajoute l’effet des poteaux amortisseurs.
L’effet sur la stabilité est tout à fait significatif, l’amortisseur de masse, permet une absorption des vibrations et réduit de 22% les déformations.

Passerelle du Millenium à Londres
La première construction équipée d’un AMA, du premier type, est la tour CN Tower à Toronto, 553 mètres (Canada). La passerelle du Millenium à Londres construite en 2000 utilise des AMAs verticaux installés sous le tablier afin de corriger l’effet des excitations induites par les piétons. En raison des limitations en hauteur et aussi pour améliorer la vue, les câbles de suspension ont été tendus au-dessous du niveau de la plate-forme, donnant ainsi un profil très peu profond. Le pont repose sur deux piliers enfoncés dans le fleuve et s’étend sur une longueur totale de 325 mètres. Il existe d’autres applications qui utilisent le deuxième type d’AMA, c’est celui à masse accordée pendulaire. L’utilisation la plus connue de ce type d’amortisseur est celle du pendule de 730 tonnes au sein de la tour de Taipei à Taiwan. 
La tour « Taipei 101 » de 509 m édifiée en 2015 fig 19 utilise un pendule de 730 tonnes d’acier fig 20 qui a été placé dans la tour suspendue par des câbles entre les 87 e et 91 e étages. Le pendule se balance dans le sens opposé à celui de la tour et minimise les déplacements de l’ensemble. D’énormes amortisseurs viennent compléter le système. Cette technique est aussi largement répandue dans les structures sollicitées au tangage comme les bateaux.