Dossier gratte ciels

Dossier TPE : Les Gratte-ciels
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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

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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 20
ème
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

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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.

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En Europe, l’histoire des IGH ne commence vraiment qu’en 1950. On choisira d’améliorer le
systè
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,
créer un ensemble rigide. Tous les efforts exercés par le vent sont transmis au noyau central,
par l’intermédiai
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
éta
ges, et permettent de réduire l’emprise sur les sols, on peut ainsi faire passer une route
sous le gratte-
ciel ou préserver un monument historique environnant. On a plus tard doublé
ou même triplé la structure centrale. Cela permet de réaliser des gratte
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
les plus hauts, il y a plusieurs possibilités de s
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
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 tou
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 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
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’
ont, elles, une liaison structurelle qu’est la passerelle de plus de cinquante tonnes, ce qui
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-ciels
En Europe, l’histoire des IGH ne commence vraiment qu’en 1950. On choisira d’améliorer le
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,
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
ges, et permettent de réduire l’emprise sur les sols, on peut ainsi faire passer une route
ciel ou préserver un monument historique environnant. On a plus tard doublé
ou même triplé la structure centrale. Cela permet de réaliser des gratte
-c
iel encore plus
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
les plus hauts, il y a plusieurs possibilités de s
tructures 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
, 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
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 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
Comme nous l’avons vu, il n’existe pas de structure de gratte
-cie
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 plus de 120 étages. Les Petronas Towers
ont, elles, une liaison structurelle qu’est la passerelle de plus de cinquante tonnes, ce qui
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En Europe, l’histoire des IGH ne commence vraiment qu’en 1950. On choisira d’améliorer le
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
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
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,
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
ges, et permettent de réduire l’emprise sur les sols, on peut ainsi faire passer une route
ciel ou préserver un monument historique environnant. On a plus tard doublé
iel encore plus
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
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
, 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
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 subi
ssent
les mêmes déformations verticales. Horizontalement, les poteaux extérieurs, peuvent
supporter une contrainte plus importante, c’est ce qui permettra, de supporter les charges du
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
atteindre plus de 120 étages. Les Petronas Towers
ont, elles, une liaison structurelle qu’est la passerelle de plus de cinquante tonnes, ce qui