Dossier gratte ciels

Dossier TPE : Les Gratte-ciels
1
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
La problématique est : « Comment un gratte-ciel résiste aux phénomènes physiques et
géologiques ? »
Sommaire :
Introduction en deux parties : 1- Définition
2- Partie historique
Partie 1 : Conception/ Fondation des gratte-ciels :
1) Conception
2) Fondations
3) Structures
4) La construction
5) Les façades
Partie 2 : Phénomènes géologiques :
1) Les causes des séismes : A) les effets des séismes : a) les secousses
b) la liquéfaction
2) Les systèmes parasismiques : a) L’isolation sismique
b) Par mouvement de masse
3) Explications :
4) La résistance du sol : 1) Le calcul théorique
2) Les différents types de sol
2
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Partie 3 : Phénomènes physiques :
1) Les différentes structures
2)
Les forces qui s’exercent sur un gratte-ciel
3) Contraintes et solutions à de nouveaux records.
Conclusion :
Introduction :
1) Définition : Le gratte-ciel est un immeuble de très grande hauteur, constitué d’une juxtaposition
d’étage. Ce n’est pas une tour et il n’y a pas de hauteur officielle pour le définir.
2) Historique : Il existe depuis des temps anciens des bâtiments de très grands hauteur comme :
la Pyramide de Khéops (150m)
les Cathédrales (+/- 100m)
Dès la fin du XIXe siècle, un mouvement de construction est né à New-York, la construction de grands
bâtiments. Au début du 20ème siècle, de nouveaux bâtiments avec une certaine hauteur naîtront
comme le New-York Tribune Building qui mesurera 78mètres. Et le New-York Wale Building avec ses
94mètres. On ne sait pas quel a été le premier gratte-ciel. En 1931, l’Empire State Building sort de
terre, il mesure 381 mètres.
Au XXIe siècle, le plus grand gratte-ciel est le Burj Khalifa qui mesure 828mètres. Sur presque un
siècle la hauteur des bâtiments à évoluer de 750 mètres.
Partie 1 : Constructions/Fondations des gratte-ciels.
1) Conception
2) Fondations
3) Structures
4) La construction
5) Les Façades
1) Conception
Le maître d’œuvre réalise un appel d’offre, mais tous les architectes ne sont pas spécialisés en
gratte-ciel, souvent, les architectes concernés travaillent à l’échelle mondiale.
Ex : Le client peut choisir parmi plusieurs modélisations, en 1932, il y a eu 17 maquettes
3
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
différentes pour l’Empire State Building. L'architecte doit penser à respecter la notion de
développement durable. Mais aussi au transport, ascenseurs, penser aux notions de sécurité il
faut par exemple prévoir les séismes, les incendies, et ensuite prévoir l’esthétique
2) Fondations
Les fondations doivent assurer la stabilité du bâtiment, et permettrons à celui-ci de résister
aux séismes. Une tour est, très lourde, plusieurs millions de tonnes se concentrent sur une
petite surface et les éléments de structure (piliers, poteaux).
Ex : Le quartier de Manhattan, est sur un sol entièrement rocheux, ce qui a permis de réaliser
des constructions de cette hauteur.
On essaiera toujours de répartir au maximum les efforts sur la plus grande surface possible.
Pour les tours à structure noyau en béton armé, les forces s’exercent sur une surface encore
plus petite, pour répartir ces charges. Pour le World Trade Center, la roche acceptable pour
supporter les charges se situait 20.5 m de profondeur, on a réalisé une excavation de 440 000
mètres carrés de surface. Celle-ci a été stabilisée par des murs en béton armé de presque un
mètre de large. Des radiers de fondations ont été coulés afin de recevoir les poteaux des tours.
Les pieds des poteaux ont été ancrés par l’intermédiaire d’une semelle en béton armé de 1 m
d’épaisseur. Les fondations du bâtiments doivent pouvoir le soutenir et lui permettre de
résister aux vents, tremblements de terre et autres phénomènes, naturels ou non ,il faut savoir
que la nature du terrain joue un rôle important dans la construction du gratte-ciels, le bâtiment
doit avoir un point d'ancrage solide, si cela est respecter les fondations d'un gratte-ciel
peuvent atteindre 100m de profondeur .Mais malheureusement la nature du terrain est parfois
surestimée, et la forte croissance du nombre de buildings dans certaines villes engendre
d'autant plus de problèmes. C'est ainsi que le sol de certains pays s’affaissent.
3) Structures
Les structures peuvent être variables, les matériaux de construction sont souvent choisis par
rapport à l’offre présente dans le pays concerné par la construction.
Au début des gratte-ciel, les gratte-ciel étaient entièrement réalisés en construction métallique.
Mais là aussi, la technique, n’a pas toujours été la même qu’aujourd’hui, tout simplement
pour des raisons de technologies. L’amélioration des liaisons entre éléments a, par exemple,
permis de passer de 10-15 étages fin 19° siècle à 30-40 étages en 1930. L’utilisation du béton
armé ne viendra que bien plus tard vers le milieu du siècle. On apportera ensuite
régulièrement des améliorations aux différentes techniques. Pour atteindre de grandes
hauteurs, on essaiera d’utiliser les matériaux les plus légers possibles, ce qui diminuera la
quantité de matériaux à utiliser.
. La structure est parfois en relation avec l’aspect extérieur et donc les façades
Jusqu’aux années 50, on crée des gratte-ciel à ossature acier, seules les liaisons évoluent, elles
se rigidifient, s’améliorent techniquement. Le système est assez classique, poutres - poteaux,
les profilés peuvent varier selon le poids à supporter.
4
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
En Europe, l’histoire des IGH ne commence vraiment qu’en 1950. On choisira d’améliorer le
système
me à noyau béton, où tout s’organise autour du noyau central, qui assure le
contreventement, et dans lequel passent les ascenseurs. Les étages sont suspendus au noyau,
par exemple, pour la Tour du
midi à Bruxelles
Le noyau central est constitué de
quatre poteaux d’angle carrés de
70 centimètres de côté en acier,
stabilisés par des parois en béton
armé. A chaque étage quatre
poutres métalliques traversent le
noyau central dans le même
sens. Elles ont une épaisseur
décroissante de 1.23 mètres près
du noyau à 0.43 mètres à
l'extrémité et à chaque étage le
sens change. Les extrémités des
poutres sont ensuite suspendues
aux poutres supérieures afin de
créer un ensemble rigide. Tous les efforts exercés par le vent sont transmis au noyau central,
par l’intermédiaire
re de planchers. La membrane inférieure des poutres est enrobée par du
béton, ce qui améliore son efficacité en compression, et améliore la protection incendie,
principal souci des concepteurs. Les tours en noyau béton permettent d’atteindre jusqu’à 50
étages,
ges, et permettent de réduire l’emprise sur les sols, on peut ainsi faire passer une route
sous le gratte-ciel
ciel ou préserver un monument historique environnant. On a plus tard doublé
ou même triplé la structure centrale. Cela permet de réaliser des gratte-ciel
gratte iel encore plus
hauts.
Il existe des bâtiments à structure acier, ce qui permet d’augmenter considérablement la
hauteur, sans augmenter le nombre de matériaux utilisés et donc le prix. Pour les gratte-ciel
gratte
les plus hauts, il y a plusieurs possibilités de structures
s
différentes :
L’ossature métallique : l’ossature extérieure entoure la totalité de l’immeuble, elle est liée
avec la structure interne, l’immeuble est un coffre très rigide, le World Trade Center reposait
sur ce système. Sur chaque côté extérieur,
extérieur, 59 poteaux creux étaient régulièrement espacés, le
long des 63.5m de côté de l’immeuble, au niveau de chaque plancher, ces poteaux étaient
assemblés rigidement par des poutres horizontales, les planchers forment un tube carré très
rigide qui transmet toutes
tes les charges dues au vent aux fondations. Les 44 poteaux du noyau
intérieur, sont donc entièrement consacrés aux charges verticales. Afin de ne pas déformer les
planchers, les poteaux extérieurs et intérieurs sont dimensionnés de telle façon qu’ils subissent
subi
les mêmes déformations verticales. Horizontalement, les poteaux extérieurs, peuvent
supporter une contrainte plus importante, c’est ce qui permettra, de supporter les charges du
vent.
Comme nous l’avons vu, il n’existe pas de structure de gratte-ciel
gratte l unique, chaque projet est
original, il existe par exemple une structure à piliers externes géants en acier béton où
l’intérieur de la structure est semblable à celle du World Trade Center, mais qui permet d’être
encore plus solide et donc plus haut et d’atteindre
d’atteindre plus de 120 étages. Les Petronas Towers
ont, elles, une liaison structurelle qu’est la passerelle de plus de cinquante tonnes, ce qui
5
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
permet qu’elles ne soient trop larges.
De plus les bâtiments dépassant 40 étages doivent adopter
Une configuration leur permettant de résister aux vents et autres phénomènes. En effet, arrivé
au étages très élevé (100m) les vents peut être dangereux pour les gratte ciels dans les
premières constructions on pouvait observer des déplacements du sommet du bâtiment
d'environ 1m
Les structures des bâtiments peuvent être très différentes, les matériaux de plus sont choisis
suivant la disponibilité des pays. Il était inconcevable de monter quotidiennement autant
d'étages en escalier (L’escalier est une construction architecturale constituée d'une suite
régulière de degrés permettant de passer d'un niveau à un autre. En outre, la pression (La
pression est la force exercée sur une surface donnée.) de l'eau courante n'était pas suffisante
pour s'élever à plus de 15m.
Le noyau central est l'élément assurant la rigidité de l'édifice, il parcourt le bâtiment sur toute
sa hauteur et contient généralement les ascenseurs. Les efforts exercés par le vent sont
retransmis au noyau par l'intermédiaire d'éléments horizontaux positionnés dans le plancher
des étages. Les gratte-ciel à noyau central peuvent atteindre une hauteur d'une cinquantaine
d'étages tout en réduisant l'emprise au sol. Le doublement voire le triplement de la structure
centrale a ensuite permis d'atteindre des hauteurs d'environ 70 étages.
Il existe, pour la construction des gratte-ciels, plusieurs types de structures:
•Le noyau central: structure «basique»
Les gratte-ciel sont traditionnellement construits sous forme d'une tour monolithique
organisée autour d'un noyau central généralement en béton, qui assure la rigidité et porte tout
le bâtiment. Il comprend notamment les voies de circulation verticale et les conduites. Selon
sa composition et l’armature extérieure à laquelle il est joint, il permet de supporter des
immeubles d’environ 70 étages.
•Noyau central plus manchon à ossature d’acier.
L'ossature extérieure entoure la totalité de l'édifice et est reliée aux éléments horizontaux
des planchers par des amortisseurs, permettant d'absorber les effets du vent. Cette structure
extérieure est préfabriquée puis solidarisée avec des boulons à haute résistance. Ce système
permet d’atteindre environ 100 étages.
(cf: le World Trade Center pouvait grâce à cette structure reprendre des vents exerçant une
pression sur les façades de 200 kg/m2 avec un déplacement du dernier étage de seulement
28cm).
•Ossature extérieure triangulaire:
Des renforts triangulés sont ajoutés à la structure extérieure et permettent de renforcer la
stabilité de l'ensemble. Ce type d’ossature permet de dépasser les 100 étages!
6
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
(John Hancock Centre de Chicago)
•Prismes en faisceaux:
L’assemblage d'un ensemble de minces tours, permettant une plus forte solidité, surtout au
niveau de la base, tout en étant assez léger permet la construction de tours d’environ 120
étages.
La juxtaposition de minces tours prismatiques crée une structure très solide et légère comme
par exemple les Sears Towers de Chicago.
4) La construction
Déjà évoquée auparavant, elle est toujours très spectaculaire, souvent plus à cause de son
envergure que de sa complexité. Ex de construction celle des Petronas Towers elle a duré 5
ans. Le chantier se déplace au fur et à mesure de l’avancement, en même temps, le matériel de
construction doit suivre lui aussi : grues, matériaux
matériaux et échafaudages doivent être acheminés
vers le haut. Une grue fixe, à l’extérieur du bâtiment, ne suffit qu’au début de la construction,
la grue sera itinérante, et placée selon, le type de construction, à l’extérieur, sur les
échafaudages, à l’intérieur
ur s'il n’y a pas de noyau central. Pour construire un gratte-ciel
gratte
à
cœur béton, on met en place un coffrage itinérant, qui au fur et à mesure de l’avancement du
travail, s’appuie sur ce qui est déjà effectué pour monter, petit à petit, on crée l’enveloppe du
noyau béton. Une fois l’enveloppe réalisée, on place le gros ferraillage, et on peut couler
l’intérieur du noyau. La vitesse maximum est d’environ un étage par jour, pour monter la
passerelle des Petronas Towers, il aura fallu 32 heures.
5) Les Façades
Les façades, sont ce qui fait le renommée d’une tour, elles jouent différents rôles, elles
expriment, un style, une époque. Pour le Wool worth building, on a cherché à exprimer les
différentes sollicitations des éléments porteurs, on a ainsi essayé de donner du rythme vivant à
la façade.
7
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Pendant une certaine période, on a directement
cherché à laisser visibles les poteaux, à les
extérioriser ou à les mettre en valeur, toujours
dans la même optique. Par exemple, les poteaux
visibles puissants et très espacés, montrent que
l’on maîtrise d’énormes efforts. On a parfois
voulu cacher les éléments de structure en
utilisant une couleur foncée, on a mis en relief
d’autres parties en utilisant une couleur claire,
d’un revêtement en céramique par exemple. A
cette époque, on utilise, pour revêtir la façade,
du métal ou de la pierre. On peut dire que c’est
dans la façade que les architectes de tours
poussent leur recherche dans un souci
d’originalité ou au contraire d’intégration.
On commence bien plus tard à supprimer les
éléments verticaux, pour obtenir des bandes
horizontales d’un étage. On ne tarde plus, à faire
disparaître complètement les éléments de
structure grâce à des murs rideaux que l’on suspendra à la structure après que celle-ci ait été
assemblée.
Les façades se développent au rythme de l’amélioration des matériaux, avec l’aluminium et
le verre on arrive à créer des surfaces parfaitement planes et très uniformes. Pour cela on
utilise des panneaux préfabriqués, que l’on emboîte les uns dans les autres, étant donné que
l’on ne leur demande que de fermer la structure. Le Seagram Building est fait de façades
réalisées avec un alliage de bronze.
Pour le World Trade Center, on a utilisé 43000 fenêtres en vitrage spécial, teinté, et thermo
réfléchissant (La thermo-réflexion est la capacité à renvoyer la chaleur ou le froid). D’un autre
côté, on peut remarquer que le coût d’un vitrage intégral est impressionnant, le remplacement
des vitres peut coûter autant que le bâtiment lui-même au bout de 30 ans.
Le radier est, en règle générale, une base ou une plate-forme stable sur laquelle reposent
d’autres éléments. L’architecture de cette plate-forme dépend du contexte où elle est utilisée.
Partie 2 : Phénomènes géologiques
Définition : Les phénomènes géologiques sont liés à l’activité des sols.
8
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
I.
Les causes des séismes.
La Terre est découpée en plaques. Chaque plaque est une zone calme entourée de zones
actives sismiquement et volcaniquement. Cette sismicité est causée par :
-la subduction (enfoncement d’une plaque)
-une zone d’accrétion (agrandissement)
-faille transformante
Les zones de subductions se situent principalement sur les rives de l’Océan Pacifique, on
l’appelle la ceinture de feu. A ces endroits, les plaques océaniques, composées de basaltes,
plongent sous les plaques continentales composées de granites. Cela provoquent des frottements ce qui entraînent des séismes.
On parle de :
- séismes superficiels (entre 0 et 300 km de profondeur)
- séismes moyen (entre 300 et 700 km de profondeur)
A) Les effets des séismes.
a) Les secousses.
Les séismes sont les effets des ondes sismiques. Elles sont créées au niveau du foyer (lieu
de fracture) et sont de deux types :
-
Les ondes P (premières) qui sont des compressions et des décompressions successives.
Elles se déplacent dans les solides et liquides.
-
Les ondes S (secondaires) sont des ondes de cisaillement. Elle se déplace dans les solides seulement et ne provoquent pas beaucoup d’effets en surface.
Puis il y a des ondes de surfaces qui se déplacent dans les couches les plus superficielles de la
Terre. Elles causent beaucoup de dommages aux constructions. On les sépare également en
deux groupes :
9
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
-
Les ondes de Love sont celles qui entraînent le plus de dégâts. Elles provoquent des
mouvements horizontaux du sol.
-
Les ondes de Rayleigh entraînent un peu moins de dégâts. Elles provoquent des mouvements verticaux du sol.
b) La liquéfaction
Un autre effet des séismes se produit dans les endroits où le sol est saturé d’eau comme en
bordure de mer. C’est le même phénomène qui se produit lorsque l’on prend du sable humide et qu’on le bouge entre ces doigts : de l’eau en ressort.
C’est ce qui se produit lors des séismes, sauf que ce sont les fondations qui se retrouvent
dans le liquide : les bâtiments s’effondrent.
La particularité de ce phénomène est d’agir à des endroits bien précis : deux bâtiments côte
à côte peuvent ne pas subir les deux phénomènes.
2) Les systèmes parasismiques.
a) L’isolation sismique.
Cette technique consiste à placer, en sous-sol ou à des étages peu élevés de la tour. Un système isolant la structure située au-dessous du sol.
Les deux parties restent solidaires l’une de l’autre mais elle du dessus est placée sur des vérins à airs comprimés disposés en triangle pour amortir les mouvements dans les trois dimensions. L’air étant compressible, il se compresse dans le sens du mouvement et se détend
dans le sens inverse du mouvement : les ondes sismiques sont ainsi considérablement réduits.
b) Par mouvement de masse.
Certains gratte-ciels ont été conçus pour résister aux séismes grâce à une masse uniforme
circulaire placée au sommet de l’édifice. Elle se déplace dans le sens inverse du mouvement
de la tour.
Le poids se place à l’inverse de la position de la tour, là remettant dans sa position initiale.
C’est le cas de Taipei en Chine.
10
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
3) Explications.
Toutes ces techniques ont pour but d’éviter l’effort de résonance. C’est-à-dire, quand les
mouvements de la tour atteignent la même fréquence que les mouvements du sol.
Cela a pour effet d’amplifier considérablement les mouvements jusqu’à l’acquisition d’un
régime d’équilibre et soumet donc l’édifice à des contraintes énormes. Cela est valable pour
n’importe quelle action mécanique s’appliquant sur la tour : séismes, vent…
Les structures de la construction sont donc soumises à des contraintes de plus en plus importantes ce qui entraîne une modification profonde de la répartition des forces et donc un
effondrement possible de la structure.
Des techniques permettent aujourd’hui d’amoindrir ses effets. La fréquence des ondes sismiques est généralement assez faible, donc construire un bâtiment ayant une fréquence
élevé permet d’annuler les effets.
Pour les bâtiments qui n’ont pas étés construit avec ces normes, on peut rigidifier la structure grâce à des poutres métalliques, la fréquence s’en trouve augmentée.
4) La résistance du sol.
1) Le calcul théorique.
La résistance du sol se calcul grâce à un pénétromètre, on calcul ici la réaction maximale
qu’appliquera le sol sur le gratte-ciel.
C’est un appareil avec une tige métallique qu’on enfonce dans le sol en exerçant une pression constante.
A partir de la vitesse d’enfoncement, on peut calculer à quelle pression le sol peut résister.
Elle se calcule en faisant le quotient de la force exercée, ici le poids, sur la surface : (P= F/S).
Ces techniques ont pour but de calculer le poids maximal que doit avoir la construction pour
que le sol résiste. Cela déterminera le choix des alliages et des matériaux nécessaire à la
construction.
2) Les différents types de sol.
Il existe du point de vue géologique trois types de sols et sous-sols :
11
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
-
Les sols magmatiques : ils sont constitués de roches, provenant du manteau, qui se
sont refroidies. Si les roches se sont refroidies rapidement leur cristallisation n’est que
partielle, elles sont constituées de petits cristaux (microlithes) et des cristaux de tailles
plus conséquent (phénocristaux) baignant dans une patte non cristallisé, le verre. Ces
roches sont dites volcaniques.
D’autres se sont refroidies dans les couches profondes de la couche terrestre, elles sont
entièrement cristallisés et dites plutoniques. Elles sont extrêmement dures et imperméables à l’eau.
Elles se trouvent dans les zones où se trouvaient des anciennes chaines de montagnes.
-
Les roches sédimentaires : Elles sont constituées par agglomération de sédiments qui
peuvent être organiques ou minéraux.
On les classes, suivant la grosseur des sédiments :
-
Le conglomérat est constitué de sédiments de tailles supérieures à 2mm.
-
Le grès est constitué de sédiments de taille allant de 2mm à 0.1mm.
-
Le schiste est constitué de sédiments de taille inférieure à 0.1mm.
Ces roches dont friables puisqu’elles dont constitués par agglomérations. Elles auront
donc une résistance moindre au poids des bâtiments.
-
Les roches métamorphiques : Elles se sont constituées par modification des conditions
initiales de températures et de pression de la roche initiale. Cela à pour conséquence
de modifier la structure de la roche. Ces roches se trouvent donc à la limite des massifs
sédimentaires et magmatiques.
Ces roches sont par exemple l’ardoise ou le marbre.
12
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
Partie 3 : Phénomènes physiques.
Comment un gratte-ciel
ciel résiste-t-il
résiste
aux phénomènes physiques ?
Ce sont essentiellement les forces latérales (c'est-à-dire
(c'est
la pression du vent) qui, en raison de
sa hauteur titanesque, menacent la stabilité d'un gratte-ciel.
gratte
« Si une conception appropriée
ne venait pas contrecarrer ces forces, un bâtiment haut glisserait sur sa base, tournerait
autour de son axe, se mettrait à osciller
osciller de manière incontrôlée, fléchirait excessivement ou
se casserait en deux » (Jonathan B. Tucker dans High Technology,, Vol 5). Mais le problème est
qu'au-delà
delà de 15 à 20 étages une structure traditionnelle en béton armée ne suffit plus pour
faire tenir un immeuble : les ingénieurs ont donc dû trouver d'autres solutions. Ainsi on
distingue deux grands types de structures : à noyau central et en tube
I) La structure à noyau central.
Depuis l'entre deux guerres jusque à la fin des années soixante, les
les immeubles de grandes
hauteurs étaient presque tous construits sur le même plan général interne.
Celui-ci
ci repose sur l'existence d'un massif noyau de béton armé au coeur du bâtiment ;
c'est-à-dire
dire un énorme pilier creux en béton consolidé, ou armé, de dizaines de poutrelles
d'acier qui renforcent la structure. A l'intérieur de cette ossature sont logés les dizaines
13
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
d'ascenseurs, d'escaliers de secours, d'arrivées d'eau qui desservent l'édifice.
La Tour Montparnasse en construction : le noyau central
tral est bien visible.
A mi- hauteur on remarque les étages fixés à ce noyau. La façade, elle, n'a pas encore été posée.
Le noyau central est théoriquement capable de soutenir l'intégralité
l'intégralité de la charge de
l'immeuble. En effet, à chaque niveau quatre larges poutres partent de chaque angle du
noyau : elles sont destinées à porter le plancher de l'étage. Ces quatre poutres, formées dans
la plupart des cas d’une cour métallique entourée
entourée d'une épaisse membrane de béton, sont
d'épaisseur décroissante à partir de leur fixation au noyau jusqu'à leur extrémité en bordure
de la façade. Ainsi elles font en général 1 m à 1,5 m à leur base et moins d'un demi-mètre
demi
à
leur extrémité ; leur épaisseur
ur est cachée dans les faux plafonds qui sont très épais pour
cette raison. Afin que l'ensemble soit parfaitement rigide, les extrémités de ces poutres sont
elles même reliées, ou suspendues, à une poutre supérieure longeant la façade. C'est
d'ailleurs sur ces poutres de jonction qu'est fixée la paroi isolant le milieu intérieur du milieu
extérieur : autrement dit la façade en elle-même.
elle même. Enfin par dessus cet assemblage des quatre
poutres majeures reliées à leurs extrémités par quatre autres poutres de jonction,
jonct
est posé le
plancher de l'étage composé d'un assemblage de poutrelles (reliant les poutres principales)
noyé dans une dalle de béton d'une bonne trentaine de centimètres.
C'est pourquoi le noyau central soutient à lui seul tout l'immeuble et chaque
chaque étage est
indépendant de son antagoniste. Le noyau supporte donc l'ensemble de forces physiques,
qu'elles soient verticales, autrement dit le poids de chaque étage transmis au noyau par les
quatre fameuses poutres. Ou qu'elles soient horizontales, c'est-à-dire
c'es dire la poussée du vent et
les frottements de l'air qui s'exercent contre la paroi. Or nous avons vu que cette paroi est
fixée à chaque étage sur les poutres de jonction : la conséquence est donc une transmission
à chaque niveau de ces forces horizontales
horizontales au noyau par l'intermédiaire du plancher.
14
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
En cela, chaque étage est réellement suspendu au noyau, les murs entre les différentes
pièces n'étant la plupart des cas que de simples cloisons sans aucune fonction physique dans
l'immeuble. En général le noyau
au occupe moins de 20 % de la superficie de chaque étage.
Avantages :
- Le fait d'avoir une ossature de béton centrale permet au gratte-ciel
gratte ciel d'être beaucoup plus
sûr grâce à sa rigidité mais surtout grâce à sa résistance quasi illimitée face à un incendie ; au
contraire d'une structure majoritairement formée de métaux pouvant fondre en cas
d'incendie : c'est d'ailleurs ce qui s'est passé le 11 Septembre dans les Twins Towers.
- L'autre avantage est une emprise au sol bien moindre que celles des gratte-ciel
gratte
en tubes.
En effet avec le principe du noyau central, seul celui-ci
celui ci aura des fondations très profondes,
les piliers secondaires eux prendront racines à des profondeurs bien moindres (20 m
environ).
Inconvénients :
- Avec ce système de structure la hauteur de l'immeuble est limitée à une soixantaine
d'étages (200 à 250 m). Le problème n'est pas technique car on pourrait très bien monter
plus haut, mais ce serait au détriment de la rentabilité économique puisque le noyau central
(s'élargissant
ssant proportionnellement à la hauteur) prendrait alors une superficie considérable
atteignant peut-être
être 40 % de la superficie d'un étage. C'est d'ailleurs le cas de L'Empire State
Building qui, culminant à 381 mètres de haut ne serait aujourd'hui plus considéré
con
comme
économiquement viable avec son noyau occupant 30 % de la surface.
15
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
- Mais ce type de structure est aussi beaucoup plus chère puisqu'il va de soit qu'il faut des
quantités phénoménales de béton à des prix bien plus élevés qu'une légère ossature
ossatur
métallique.
II- La structure en tube.
Ce système avec une répartition des forces sur le périmètre extérieur fut mis au point au
milieu des années soixante par les ingénieurs M. Goldsmith et F. Khan de l'agence SOM (cf :
les deux grandes agences d'architecture).
'architecture). Cette avancée est clairement la plus spectaculaire
dans l'histoire des gratte-ciel
ciel car elle permit de considérablement augmenter leur hauteur.
Dans la structure en tube le rôle structurel dévolu au noyau est en partie reporté sur
l'ossature
ture extérieure de l'édifice : celle-ci
ci n'a plus seulement un rôle d'isolant du milieu
intérieur mais aussi celui de rigidifier. En effet, au lieu d'être simplement en aluminium, la
façade est ici une sorte de colossal mur porteur d'acier dans lequel passent
passent de nombreux
piliers qui prennent pieds des centaines de mètres plus bas directement dans le sol. C'est
donc pour cela que ce type de structure est appelé « tube » car le bâtiment se comporte
comme un gigantesque tube creux. Rigidifiée, la façade peut donc
donc supporter l'ensemble des
forces verticales, c'est à dire la pression du vent, puis, elle transmet ces charges aux
fondations.
Libéré des forces horizontales, il n'y a plus qu'à supporter les forces verticales : le poids de
l'immeuble. Pour cela, ce sont simplement des piliers métalliques qui soutiennent chacun
une partie du poids de l'étage du dessus ; ce qui permet d'avoir une organisation beaucoup
plus libre qu'avec un noyau central car la localisation des piliers s'adaptera au plan que l'on
veut donner. Néanmoins pour des raisons pratiques, il existe toujours un noyau central qui
sert à loger les ascenseurs, cages d'escaliers mais sans rôle physique. Puis, il n'y a plus qu'à
relier les piliers par des poutrelles métalliques et y disposer le plancher
planch : une étroite dalle de
béton.
La structure en tube a en fait très vite évolué à cause de son principe même. En effet, en
construisant en 1970 le World Trade Center, premier très haut gratte-ciel
gratte
en tube, on s'est
très vite aperçu que pour supporter les
les forces verticales qui s'exercent sur la façade, il a fallu
faire traverser celles-ci
ci par une trame formée d'une multitude de colonnes. La poussée
prévue du vent était de 200 kilogrammes par m² de paroi et ce afin de minimiser les risques
16
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
sur toute la hauteur
uteur de l'immeuble, il a fallu poser pas moins de 59 piliers par coté. Cela s'est
alors fait au détriment du parement de vitres de la façade et de son esthétique.
C'est pourquoi les ingénieurs ont rapidement fait évoluer ce type de structure, notamment
notammen
grâce à des raidisseurs triangulaires qui permettent de faire disparaître de nombreuses
colonnes. C'est le cas du John Hancock Center, contemporain des Twins :
Avantages :
et de
-
-
La construction à ossature métallique est très économique par rapport au béton,
plus permet un considérable gain d'espace disponible pour l'occuper.
Avoir une ossature en métal permet d'énormément réduire la masse de
l'immeuble. Le gratte-ciel
ciel sera alors bien plus léger et pourra par conséquent s'élever
plus haut encore.
Toujours grâce à sa légèreté (par rapport au système à noyau central) cette
structure permet de bien mieux résister aux séismes.
Inconvénients :
Le métal est extrêmement sensible à la chaleur.
chaleur. Le 11 septembre 2001 dans le World
Trade Center, les poutres ont dû faire face à une chaleur atteignant 1 000°C à cause du
kérosène des avions : il leur aura fallu à peine une heure pour entièrement fondre.
L'autre inconvénient de taille est la superficie prise par les fondations. Ici les
fondations ne sont pas formées d'un pilier central mais de centaines de petits piliers ; la
conséquence est donc la nécessité de creuser un trou non seulement profond mais aussi
17
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
extrêmement étendu. Ainsi, les fondations des tours jumelles du World Trade Center
s'étendaient sur 440 000 m²
1) La force du vent.
La force exercée par le vent sur le gratte-ciel est le principal enjeu des architectes. En effet ou
que se situe la construction, il y a toujours du vent qui vient l’ébranler.
Pour contrer cette inévitable action diverses techniques pour tenter d'amoindrir les effets du
vent ont vu le jour.
Afin de protéger les employés ou les habitants du gratte-ciel, les fenêtre ne peuvent plus
s’ouvrir a partir d’un certain niveau du fait de la violence du vent sur la façade et aussi du fait
d’une chute qui serait mortel pour la personne défenestrée ou d’un objet potentiellement
tombée et qui tuerait un individu au sol. Les locataires de ce lieu ne peuvent donc jamais
aérer les locaux et ne son fournis en air que par un circuit de ventilation central dont la
panne entraîne nécessairement une évacuation si elle est prolongée.
Pour réduire l’effet de la force du vent, les ingénieurs font en sorte de mettre une arrête du
bâtiment face au vent. Le problème persiste quand le vent change de direction. Dans ce cas
les matériaux utilisés sont adaptés au site : les fondations sont plus profondes, les matériaux
utilisés sont le plus flexible possible.
La force du vent ( F ) est égale à :
F=1/2 * C * Masse volumique de l’air * S * v2
F ( Newton )
C : coefficient de traîné du corps
S : surface exposée au vent
V : vitesse du vent
18
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
Une des échelles les plus souvent utilisées est celle de Beaufort , qui permet d’estimer la
vitesse du vent selon ses effets sur l’environnement.
Comme nous l’avons vu précédemment, la particularité d’un gratte-ciel
gratte ciel est de devoir résister
à deux types de forces : des forces verticales dues au poids phénoménal de l’édifice et des
forces verticales dues à la force des vents. En effet dans un immeuble classique, dépassant
rarement trente mètres de hauteur, la pression du vent est négligeable. Mais, un gratte-ciel
gratte
doit faire face à deux lois physiques liées aux vents.
vents
Tout d’abord le principe de la voile de bateau : plus la surface de la voile est grande plus la
surface de contact de la force exercée par le vent sur la voile est grande : et donc l’intensité
totale
otale de cette force (égale à la somme algébrique des forces de contact du vent sur chaque
portion de voile) est proportionnellement plus importante en fonction de la surface de
contact. Ainsi sur un gratte-ciel
ciel de quatre cents mètres de haut pour une largeur
larg
de 60
mètres, la surface d’une seule façade sera donc de 2.4 km carrés : si l’on imagine la force du
vent sur une voile de bateau avec de telles dimensions… le mât serait instantanément
19
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
arraché. Mais dans le cas du gratte-ciel c’est ce dernier qui joue le rôle du mat… et il est bien
entendu hors de question qu’il s’arrache de sa base.
La seconde loi concerne les conditions atmosphériques. Dans les conditions normales de
température et de pression (CNTP) de la basse atmosphère, la force exercée par le vent varie
en proportion géométrique de l’augmentation des hauteurs. Autrement dit, l’intensité de la
force exercée par le vent est bien plus forte à cinq cents mètres d’altitude qu’à une altitude
zéro. Ainsi les avions utilisent les courants aériens (à des altitudes plus importantes : 9 km
généralement), pour augmenter leur vitesse et économiser du kérosène.
Ces deux phénomènes physiques ont donc imposé une très grosse contrainte sur les gratteciel, que certains nomment « règle du 1/7 ». En effet, à cause des contraintes évoquées cidessus, la structure d’un gratte-ciel est considérée comme stable si la hauteur ne fait pas plus
de sept fois sa largeur à sa base. Un immeuble de 70 mètres de haut devra au minimum être
large de dix mètres. Ainsi, les limites de hauteur des gratte-ciel ont été atteintes aux
alentours de 400 mètres : il n’est pas imaginable de construire un immeuble d’une largeur de
300 mètres car les bureaux ne recevraient plus aucune lumière
Cependant face à la volonté de l’Homme de monter toujours plus haut, les ingénieurs ont dû
faire preuve de talent pour trouver des solutions à ce problème : ainsi deux d’entres elles ont
été retenues et appliquées.
–
La première solution consiste à augmenter la raideur de l’immeuble pour éviter que
celui-ci ne cède face au vent. Pour cela, la seule solution trouvée à ce jour est d’assembler
plusieurs tours ou blocs entre eux. Ainsi, d’après le principe des actions réciproques (cf :
tours Petronas), chaque bloc retient l’autre qui lui-même retient le premier : l’assise est
renforcée. C’est le cas de la Commerzbank de Francfort (plus haut gratte-ciel d’Europe avec
279 mètres) où la structure est basée sur trois tours de béton indépendantes reliées entre
elles par des passerelles sur toute la hauteur où se trouvent les bureaux. Au centre, un
atrium vide. Plus visible de l’extérieur, c’est le cas de la Sears Tower constituée de neufs
blocs, ou tubes se renforçant les uns les autres. Grâce à ce système, la Sears Tower conserva
le titre de plus haut gratte-ciel du monde pendant un quart de siècle avec ses 443 mètres de
haut.
–
La seconde solution est toute autre et assez révolutionnaire : il s’agit d’amortir les
mouvements naturels de l’immeuble dus au vent. En effet, tous les gratte-ciel sont conçus
avec un minimum de souplesse qui leur permet de plus ou moins se balancer avec le vent et
de ne pas se briser. En se balançant, les mouvements du gratte-ciel ne peuvent pas êtres
perçus car trop faibles, mais un autre phénomène cause des ravages : l’accélération. En effet,
lorsque l’immeuble arrive à l’extrémité d’un balancement, sa vitesse est nulle, mais, lorsqu’il
repart dans l’autre sens pour un autre balancement, la vitesse croît jusqu’au point
d’équilibre : le gratte-ciel accélère.
–
Le World Trade Center fut par exemple construit sur la base d'un noyau central additionné
d'une ossature extérieure métallique. L'ossature extérieure entoure la totalité de l'édifice et
20
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
est reliée aux éléments horizontaux des planchers par des amortisseurs viscoélastiques,
permettant d'absorber les effets du vent. Cette structure extérieure étaient préfabriquée
puis solidarisée avec des boulons à haute résistance. Le bâtiment a ainsi été conçu pour
résister à des vents exerçant une force sur les façades supérieure à 200 kilogrammes par
mètre carré. Le déplacement du dernier étage n'est alors que de 28cm.
Par exemple, par grand vent, le balancement au sommet de la Tour Effel, peut atteindre 12
cm de part et d'autre de la tour. Au sommet de la Sears Tower, à Chicago, la ville des vents, ce
balancement atteint 60 cm. Ces oscillations sont normales et surtout essentielles aux
structures en hauteur, car plus un gratte-ciel est haut, plus il doit être élastique sinon il casse
ou se lézarde. Et c'est justement cette souplesse qui lui permet d'absorber les déformations
causées par le mouvement. Si ces oscillations ne sont pas fatales au gratte-ciel, c'est grâce à
la ductivité. La ductivité c'est la capacité d'un matériau à se déformer sans se rompre. Par
exemple la céramique n'est pas ductile tandis que le fer l'est.
Celui du gratte-ciel Taipei 101, en Chine, est impressionnant, avec sa boule de 680 tonnes.
Quand la Taipei 101 penche d'un côté, la boule, suspendue par des câbles, se déplace de
l'autre côté pour contrebalancer le déplacement.
De gigantesques ouvertures au sommet des gratte-ciel peuvent également être pratiquées.
C'est ce qui a été prévu lors de l'édification du World Financial Center situé in lower
Manhattan. Afin de diminuer la pression du vent sur l'édifice, on a prévu à son sommet, un
trou de 50 mètres de diamètre. Pour se conformer aux normes, un édifice doit être capable
d'encaisser une poussée d'au moins 7000 tonnes en façade.
II . Les forces exercés par des catastrophes naturelles :
Les gratte-ciel les plus hauts n'ont pas de noyau en béton armé car ce type de construction
n’est pas assez élastique pour résister aux séismes. Une construction en acier se tord, bouge,
mais ne casse pas. Pour étudier les phénomènes sismiques on réalise des maquettes qui
peuvent atteindre jusqu’à 10 mètres de haut. D'importantes innovations ont vues le jour, les
bâtiments ne sont plus directement en relation avec les fondations. Pour la « Tour du Midi »
à Bruxelles, la sécurité est assurée par d’énormes vérins, qui constituent un système de
levage qui permet de conserver l’horizontalité du bâtiment. Une structure pyramidale sera
plus résistante, du fait de son centre de gravité plus bas. Les poteaux sont les éléments
centraux, ils ne doivent pas rompre. Une importance énorme est portée à la résistance aux
séismes puisqu’il n’existe pas de système équivalent pour chaque situation géotechnique, et
géographique.
2) dans le cas d’un gratte-ciel à structure en tubes :
Tous les gratte-ciel de ce type de construction ont des éléments de leur structure similaires.
Des poteaux creux sont scellés dans le sol et reliés deux à deux en portiques. A ces poteaux
sont disposés des gerberettes. La gerberette est un balancier qui est enfilé sur le poteau et
bloqué par un axe traversant le poteau au niveau de chaque étage. Du côté intérieur elle va
21
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
permettre la fixation des poutres, du côté extérieur la fixation des tirants. Par la suite sont
mis en place les poutres fixées entre deux poteaux sur les gerberettes. A l’extérieure de
chaque gerberette est fixé un gros câble passant de la plus haute à la plus basse et courant le
long du gratte-ciel puis est scellé dans le sol.
-C’est le tirant qui comme son nom l’indique est en tension, tiré en direction verticale, vers
le sol, dont l’effet est de tenir la construction en équilibre.
-Les gerberettes transmettent les efforts dans les poteaux et sont équilibrées par les tirants.
Elles permettent de répartir la charge supportée par les planchers et les poutres en un effort
de compression* sur le poteau et en un effort de traction* sur le tirant. La gerberette est la
pièce maîtresse qui articule poteau, poutre et tirant.
L’ensemble obtenu est consolidé et protégé des déformations par des contreventements qui
permettent de rigidifier l’ensemble.
Pour comprendre l’idée du contreventement, imaginons un cube construit avec des
allumettes. Il se déforme lorsque vous poussez sur un coin. Pour éviter cette déformation
vous pouvez intercaler un élément diagonal sur trois des côtés. Le contreventement pour
apparaître aussi sous le forme triangulaire, en X, ou encore en « croix de St André » fixées sur
le nez des gerberettes sur chaque travée (ce sont des croisillons énormes d’une hauteur de
deux niveaux).
3) Dans le cas d’un gratte ciel à construction noyau béton
Dans ce cas, les tirants sont placés à l’intérieur même du noyau, en présence aussi des
ascenseurs et autres canalisations.
Les forces qui s’exercent sont les mêmes.
Qu’est ce qu’une action mécanique?
Toute cause ayant pour effet de maintenir au repos, ou de modifier l’état de repos ou de
mouvement d’un objet ou de certaines de ses parties est appelé action mécanique.
Une action mécanique peut être une action de contact ou une action à distance. Elle peut
également être localisée ou répartie.
Une action mécanique est localisée si elle s’exerce sur une portion de l’objet d dimensions
très petites par rapport à celle de l’objet lui-même.
Une action mécanique est répartie si elle s’applique a tout point de l’objet. Cette action
s’exerce a distance.
Dans le cas présenté
Le système d’étude est {les tours Pétronas}
Les forces externes qui s’exercent sur le gratte-ciel sont: la force poids, la force de réaction du
support et enfin la force exercée par le vent sur le solide.
22
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Gratte
Les forces internes qui s’exercent sont :
-La force qu’exerce la passerelle sur la tour
- La force qu’exerce le pied de la passerelle sur la tour
-la
la force que la tour exerce sur la passerelle
-la
la force que la tour exerce sur la passerelle
Comme nous l’avons vu précédemment, la particularité d’un
d’ gratte-ciel
ciel est de devoir résister
à deux types de forces : des forces verticales dues au poids phénoménal de l’édifice et des
forces verticales dues à la force des vents. En effet dans un immeuble classique, dépassant
rarement trente mètres de hauteur, la pression du vent est négligeable. Mais, un gratte-ciel
gratte
doit faire face à deux lois physiques liées aux vents.
vents
Tout d’abord le principe de la voile de bateau : plus la surface de la voile est grande plus la
surface de contact de la force exercée par le vent sur la voile est grande : et donc l’intensité
totale de cette force (égale à la somme algébrique des forces de contact du vent sur chaque
portion de voile) est proportionnellement plus importante en fonction de la surface de
contact. Ainsi sur un gratte-ciel
ciel de quatre cents mètres de haut pour une largeur de 60
mètres, la surface d’une seule façade sera donc de 2.4 km carrés : si l’on imagine la force du
vent sur une voile de bateau avec de telles dimensions… le mât serait instantanément
arraché. Mais
ais dans le cas du gratte-ciel
gratte ciel c’est ce dernier qui joue le rôle du mat… et il est bien
entendu hors de question qu’il s’arrache de sa base.
La seconde loi concerne les conditions atmosphériques. Dans les conditions normales de
température et de pression
sion (CNTP) de la basse atmosphère, la force exercée par le vent varie
en proportion géométrique de l’augmentation des hauteurs. Autrement dit, l’intensité de la
force exercée par le vent est bien plus forte à cinq cents mètres d’altitude qu’à une altitude
zéro. Ainsi les avions utilisent les courants aériens (à des altitudes plus importantes : 9 km
généralement), pour augmenter leur vitesse et économiser du kérosène.
23
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Ces deux phénomènes physiques ont donc imposé une très grosse contrainte sur les gratteciel, que certains nomment « règle du 1/7 ». En effet, à cause des contraintes évoquées cidessus, la structure d’un gratte-ciel est considérée comme stable si la hauteur ne fait pas plus
de sept fois sa largeur à sa base. Un immeuble de 70 mètres de haut devra au minimum être
large de dix mètres. Ainsi, les limites de hauteur des gratte-ciel ont été atteintes aux
alentours de 400 mètres : il n’est pas imaginable de construire un immeuble d’une largeur de
300 mètres car les bureaux ne recevraient plus aucune lumière
Les solutions.
Cependant face à la volonté de l’Homme de monter toujours plus haut, les ingénieurs ont dû
faire preuve de talent pour trouver des solutions à ce problème : ainsi deux d’entres elles ont
été retenues et appliquées.
–
La première solution consiste à augmenter la raideur de l’immeuble pour éviter que
celui-ci ne cède face au vent. Pour cela, la seule solution trouvée à ce jour est d’assembler
plusieurs tours ou blocs entre eux. Ainsi, d’après le principe des actions réciproques (cf :
tours Petronas), chaque bloc retient l’autre qui lui-même retient le premier : l’assise est
renforcée. C’est le cas de la Commerzbank de Francfort (plus haut gratte-ciel d’Europe avec
279 mètres) où la structure est basée sur trois tours de béton indépendantes reliées entre
elles par des passerelles sur toute la hauteur où se trouvent les bureaux. Au centre, un
atrium vide. Plus visible de l’extérieur, c’est le cas de la Sears Tower constituée de neufs
blocs, ou tubes se renforçant les uns les autres. Grâce à ce système, la Sears Tower conserva
le titre de plus haut gratte-ciel du monde pendant un quart de siècle avec ses 443 mètres de
haut.
–
La seconde solution est toute autre et assez révolutionnaire : il s’agit d’amortir les
mouvements naturels de l’immeuble dus au vent. En effet, tous les gratte-ciel sont conçus
avec un minimum de souplesse qui leur permet de plus ou moins se balancer avec le vent et
de ne pas se briser. En se balançant, les mouvements du gratte-ciel ne peuvent pas êtres
perçus car trop faibles, mais un autre phénomène cause des ravages : l’accélération. En effet,
lorsque l’immeuble arrive à l’extrémité d’un balancement, sa vitesse est nulle, mais, lorsqu’il
repart dans l’autre sens pour un autre balancement, la vitesse croît jusqu’au point
d’équilibre : le gratte-ciel accélère.
Conclusion.
Les ingénieurs ont étudié les nombreuses contraintes physiques et géologiques à cette
course, ils ont su en tirer les conséquences et ont observé les évolutions techniques
obtenues dans d’autres domaines. Ainsi, en croisant ces différentes sources, ils ont pu
apporter des solutions toujours plus innovantes : de nos jours, un gratte-ciel est une
construction de haute technologie qualifiée de « superstructure » rien n’est laissé au hasard.
24
Dossier TPE : Les Gratte-ciels
Ici, nous avons su répondre à la problématique « Comment un gratte-ciel résiste aux
phénomènes physiques et géologiques ? » grâce à des recherches poussées dans ces
domaines.
25