Louis A. Simpson and Kimberly K. Querrey Biomedical Research Center (centre de recherche biomédicale)

Northwestern University, Chicago, Illinois, États-Unis

Étude des vibrations en vue d'assurer la performance d'équipements de laboratoire sensibles

Le Louis A. Simpson and Kimberly K. Querrey Biomedical Research Center est un établissement de 600 000 pieds carrés situé dans le secteur médical universitaire de la Northwestern University. Conçu afin de servir de plaque tournante aux activités de recherche médicale de l’université, l’établissement comprendra, une fois terminé, neuf étages de laboratoires de 40 000 pieds carrés chacun, avec la possibilité d'ajouter des laboratoires au fil du temps. Parmi d’autres fonctions, le Simpson Querrey Centre, qui a été conçu par la firme d'architectes Perkins + Will, fournira des installations aux chercheurs en médecine pédiatrique qui étudient les maladies infantiles persistant jusqu'à l’âge adulte, notamment l’anémie à cellules falciformes, le métabolisme de l’obésité en bas âge, l’asthme, la fibrose kystique et les maladies cardiovasculaires.

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  • Le défi

    Les bruits de pas des occupants d'un immeuble sont souvent la source de vibration la plus importante aux étages supérieurs des établissements de recherche et de soins de santé. Le mouvement des étages de ces établissements peut causer de l’inconfort aux occupants et interférer avec la performance du matériel sensible à la vibration. Afin de s’assurer que leurs laboratoires permettent d'effectuer des travaux cliniques et de recherche de façon efficace, les installations de pointe doivent faire l'objet de modifications précises à leur conception afin de créer des environnements où il y a peu de vibrations. 

    Notre équipe a été engagée dans le but de mener une étude qui pourrait quantifier la résistance aux vibrations d’une zone sensible du Simpson Querrey Biomedical Research Center. Il fallait s'assurer que la structure du plancher soit suffisamment rigide et massive de manière à résister aux forces exercées par la circulation des occupants. Le but ultime de ce travail était d’offrir des conditions optimales aux personnes et aux appareils de pointe.

  • Notre approche

    Notre démarche s’est amorcée par une activité qui se poursuivrait tout au long du projet : travailler en étroite collaboration avec les ingénieurs en structure de manière à comprendre les fonctions de recherche et les impératifs conceptuels des espaces à l'étude. Après nous être assurés que nous avions les bonnes informations contextuelles sur lesquelles fonder notre analyse technique, nous avons procédé en deux phases :

    Établir des critères de vibration.

    Afin d’élaborer des recommandations servant à atténuer les vibrations, il nous fallait d’abord établir les niveaux de vibration qui seraient acceptables à divers endroits sur l'étage à l'étude. Les limites varieraient d’un endroit à l’autre selon l’utilisation prévue et la sensibilité du matériel en place. Par exemple, les zones de laboratoire du bâtiment devaient satisfaire à des critères rigoureux garantissant les performances de microscopes possédant des grossissements de 100 X. Après avoir obtenu un portrait détaillé des critères de vibration acceptables à chaque emplacement, nous avons pu procéder à notre analyse des bruits de pas afin de déterminer si les vibrations prévues respectaient ou non les taux acceptables.

    Analyser les répercussions des bruits de pas.

    Quand une personne marche sur un étage, le bruit de ses pas exerce des forces qui dépendent essentiellement de son poids et de sa vitesse de marche. Afin de prédire par calcul les répercussions de la vibration des bruits de pas, nous avons utilisé des méthodes d'analyse fondées sur des paramètres de conception publiés. Nous avons utilisé un logiciel d'analyse structurale non linéaire de manière à élaborer un modèle d'éléments finis qui représentait la partie de l’immeuble à l'étude et nous avons ensuite utilisé ce modèle dans le but de représenter le comportement dynamique du plancher — afin de montrer comment le plancher vibrerait. L’étape suivante consistait à appliquer les résultats du modèle d'éléments finis à notre logiciel exclusif d’analyse du plancher, FASTmapTM, qui produit des estimations des réponses à la vibration à tous les endroits sur l’ensemble de la surface de plancher.

    Une fois l’analyse complète achevée, nous avons illustré les résultats à l’aide de tracés de contours montrant les effets de la vibration lorsque quelqu'un marche à chacune des vitesses que nous avons étudiées. Ces tracés nous ont permis de démontrer aux concepteurs où, selon la conception actuelle, le niveau requis de performance pourrait ne pas être atteint étant donné la sensibilité des appareils à proximité; ces simples visualisations ont permis de saisir des informations détaillées et complexes.

    Une fois que nous avons pu identifier des endroits particulièrement préoccupants, nous avons été en mesure de proposer des modifications précises à la charpente du plancher — soit l’ajout d’éléments de structure ou l'augmentation de la rigidité des éléments. C'est grâce au travail en étroite collaboration avec les ingénieurs de structure que nous avons pu incorporer ces adaptations à la conception de manière itérative et vérifier leur performance; le système structurel du plancher a ainsi évolué jusqu’à atteindre des niveaux de vibrations appropriés à toutes les vitesses de marche pertinentes.

  • Le résultat

    Notre analyse a permis aux concepteurs d’affiner leur plan et d’aller de l’avant, sachant qu’ils étaient en mesure de contrôler les répercussions des bruits de pas dans une gamme de vitesses. Ce travail de collaboration a garanti à la fois l’efficacité de la conception et sa capacité à donner un rendement selon le niveau nécessaire, et nous a permis de s’assurer que le Louis A. Simpson and Kimberly K. Querrey Biomedical Research Center pourrait fonctionner comme une véritable installation de recherche de pointe. Nous sommes fiers d’avoir contribué à ce projet qui avait, dès le début, placé l'importante fonction scientifique du centre de recherche au cœur des éléments de conception. Comme l'a dit Ralph Johnson, responsable de la conception chez Perkins + Will, l'idée n’a jamais été de « créer une sculpture et d'intégrer le plan [les laboratoires]. La priorité était la recherche et les laboratoires. Lorsque l’on pense ainsi, la forme du bâtiment peut se matérialiser. »