Lorsqu’un séisme frappe une ville, on pense naturellement aux bâtiments endommagés ou effondrés. Pourtant, les conséquences de ces dommages peuvent dépasser largement l’emprise des constructions, c’est-à-dire la surface qu’elles occupent au sol. Les débris provenant des bâtiments peuvent atteindre les rues, réduire l’espace disponible pour la circulation et parfois empêcher le passage des véhicules de secours.
C’est à cette interaction entre dommages aux bâtiments et accessibilité du réseau routier que se sont intéressés des chercheurs de l’University of Illinois Urbana-Champaign. Leur étude propose une méthode probabiliste permettant d’estimer le risque de blocage d’une route en tenant compte des dommages aux bâtiments, de la distance atteinte par les débris et de la géométrie de la rue. Pour développer leur modèle permettant d’estimer jusqu’où les débris peuvent aller, les chercheurs se sont notamment appuyés sur des observations réalisées après le séisme de 2010 en Haïti.
Un bâtiment endommagé ne constitue pas seulement un problème structural et une source de pertes économiques. Les débris qu’il produit peuvent également atteindre les rues, réduire leur accessibilité et, dans certains cas, bloquer le passage des ambulances, des pompiers et des autres véhicules de secours. Les conséquences du dommage peuvent ainsi s’étendre bien au-delà du bâtiment lui-même et affecter la résilience de toute une ville.
Quand les débris rendent-ils une route impraticable ?
La présence de débris sur une route ne signifie pas nécessairement que celle-ci est complètement bloquée. Une rue suffisamment large peut encore permettre le passage d’un véhicule de secours, même si une partie de la chaussée est occupée. Le blocage dépend donc à la fois de l’espace atteint par les débris et de la largeur qui doit rester disponible pour circuler.
Pour représenter cette situation, les chercheurs comparent deux grandeurs : la demande, qui représente la portion de la route susceptible d’être occupée par les débris, et la capacité, qui représente l’espace que la route peut perdre tout en conservant un passage suffisant pour un véhicule d’urgence.
Lorsque la demande créée par les débris dépasse la capacité disponible de la route, la section est considérée comme bloquée.
Des observations en Haïti pour comprendre la dispersion des débris
Pour développer le modèle de distance des débris, les chercheurs ont utilisé des données provenant de Port-au-Prince après le séisme du 12 janvier 2010. Ils ont comparé des images satellitaires prises avant et après le séisme afin d’identifier l’emprise originale des bâtiments et la zone occupée ensuite par leurs débris. Les chercheurs ont retenu 174 bâtiments endommagés dont les limites des débris étaient suffisamment visibles pour réduire l’incertitude associée aux mesures.
Les images prises avant le séisme permettent d’identifier l’emprise initiale du bâtiment, c’est-à-dire la surface qu’il occupait au sol. Les images prises après le séisme permettent ensuite de délimiter la zone dans laquelle ses débris se sont dispersés. La distance des débris correspond alors à la distance entre le bord de l’emprise initiale du bâtiment et le point le plus éloigné atteint par les débris.
Pour chaque bâtiment, les chercheurs ont notamment considéré sa hauteur, sa largeur, sa longueur ainsi que son niveau de dommage. Une analyse de sensibilité a ensuite été réalisée afin de déterminer dans quelle mesure chacune de ces dimensions pouvait modifier la distance atteinte par les débris. Parmi les dimensions étudiées, la hauteur du bâtiment est celle qui influence le plus la distance des débris. Dans l’analyse de sensibilité, une variation de la hauteur entraîne des changements plus importants de la distance prédite que des variations comparables de la largeur ou de la longueur du bâtiment. Les bâtiments utilisés pour développer le modèle appartenaient à une catégorie particulière de HAZUS : les bâtiments C3 pré-code. Il s’agit de bâtiments à ossature en béton avec remplissage en maçonnerie non armée, construits sans exigences spécifiques de conception sismique correspondant à la classification considérée.
Les paramètres obtenus ne doivent pas être appliqués automatiquement à toutes les constructions haïtiennes. De nouvelles données seraient nécessaires pour calibrer le modèle pour d’autres typologies de bâtiments.
La géométrie des rues influence aussi le risque de blocage
Toutes les routes ne réagissent pas de la même manière à la présence de débris. Les auteurs proposent quatre catégories de sections routières selon deux caractéristiques principales : la présence de bâtiments sur un seul côté ou sur les deux côtés, et la présence ou non d’un terre-plein central surélevé.
Entre un bâtiment et les voies de circulation peuvent se trouver un trottoir, une zone de stationnement ou d’autres éléments routiers. Ces espaces peuvent recevoir une partie des débris avant que ceux-ci n’atteignent les voies utilisées par les véhicules. Ils ne sont donc pas nécessairement utilisés pour la circulation d’urgence, mais ils peuvent contribuer à maintenir les débris à distance des voies. Plus la distance entre le bâtiment et les voies est importante, plus les débris doivent parcourir une grande distance avant d’affecter directement la circulation.
Du dommage aux bâtiments à la probabilité de blocage d’une route
Deux bâtiments présentant des dimensions et un niveau de dommage similaires ne produiront pas nécessairement la même quantité de débris, et ces débris ne se retrouveront pas nécessairement à la même distance du bâtiment. Il existe donc une incertitude importante. Les chercheurs ont utilisé une approche bayésienne afin de calibrer leur modèle probabiliste à partir des observations disponibles en Haïti.
Au lieu de prédire une distance unique de débris, le modèle permet de représenter une distribution de valeurs possibles et donc d’intégrer explicitement l’incertitude dans l’analyse.
En génie parasismique, une courbe de fragilité décrit généralement la probabilité qu’un bâtiment atteigne ou dépasse un certain état de dommage pour un niveau donné d’intensité sismique. Dans cette étude, le même principe est appliqué au blocage des routes. Au lieu d’estimer la probabilité qu’un bâtiment atteigne un état de dommage, les chercheurs estiment la probabilité qu’une route soit bloquée pour un niveau donné d’intensité sismique.
Lorsque l’intensité du séisme augmente, la probabilité de dommages importants aux bâtiments augmente également. Ces dommages peuvent produire davantage de débris et accroître la probabilité que ceux-ci occupent une largeur suffisante de la chaussée pour empêcher le passage d’un véhicule de secours. La courbe de fragilité permet ainsi de relier progressivement l’intensité du séisme à la probabilité de blocage de la route.
D’une section de rue à une route entière
Pour atteindre sa destination, une ambulance doit généralement emprunter plusieurs sections de route successives. Même si la majorité de ces sections restent accessibles, le blocage de certaines d’entre elles peut suffire à interrompre l’itinéraire. Les chercheurs combinent donc les probabilités de blocage des différentes sections afin d’évaluer si une route reste praticable dans son ensemble. Cette approche permet de passer du risque de blocage d’une section individuelle à l’évaluation de l’accessibilité du réseau routier.
Même si la majorité d’une route reste accessible, une seule section complètement bloquée peut suffire à interrompre un itinéraire entier.
Pour une route sans terre-plein central, les différentes sections peuvent être représentées comme un système en série. Le blocage d’une section peut alors suffire à interrompre la route. Lorsqu’un terre-plein sépare physiquement les deux directions, la représentation devient plus complexe et les auteurs utilisent une combinaison de systèmes en série et en parallèle.
Une application du modèle
Après avoir développé le modèle à partir des données haïtiennes, les chercheurs l’appliquent à une zone urbaine fictive comprenant plusieurs bâtiments et plusieurs configurations routières. Le scénario sismique utilisé pour cet exemple est situé dans le Tennessee, aux États-Unis. Il est donc important de distinguer deux parties de l’étude :
Dans l’exemple présenté dans l’étude, une route sans terre-plein central présente une probabilité de blocage d’environ 0.332, soit 33.2 %. Pour la configuration avec terre-plein central, cette probabilité est beaucoup plus faible : environ 0.00623, soit 0.62 %. Cette comparaison illustre une meilleure fiabilité de la seconde configuration dans le scénario analysé. Ces résultats dépendent toutefois des caractéristiques des routes, des bâtiments et du séisme considérés dans l’étude et ne doivent donc pas être interprétés comme des valeurs générales applicables à toutes les routes.
Ce que cette recherche peut nous apprendre pour Haïti
L’intérêt de cette étude dépasse la simple prédiction des débris. Elle montre que la vulnérabilité d’une ville ne peut pas être analysée uniquement bâtiment par bâtiment. Une structure peut rester debout après un séisme, mais son fonctionnement peut être fortement affecté si les routes permettant d’y accéder deviennent impraticables.
Un hôpital peut rester opérationnel après un séisme tout en devenant difficile d’accès si plusieurs rues environnantes sont bloquées par les débris de bâtiments voisins.
Les bâtiments, les routes et les services d’urgence ne fonctionnent pas indépendamment les uns des autres. Une défaillance dans une partie du système peut provoquer des conséquences ailleurs. Cette approche rejoint donc une conception plus large de la résilience : comprendre non seulement si une infrastructure résiste, mais aussi si les fonctions essentielles de la ville restent accessibles après une catastrophe.
Une méthode comme celle proposée dans cette étude pourrait contribuer à identifier les sections routières dont le blocage aurait les conséquences les plus importantes. Dans une application régionale plus complète, cette information pourrait être combinée avec la localisation des hôpitaux, casernes de pompiers, abris d’urgence et autres infrastructures essentielles. L’objectif ne serait alors plus simplement d’estimer le dommage, mais de déterminer les itinéraires qui doivent conserver une probabilité élevée de rester accessibles.
Après un séisme, le problème ne s’arrête pas aux bâtiments endommagés. Les débris peuvent transformer un dommage structural local en problème d’accessibilité à l’échelle de toute une ville.
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