La construction de gratte-ciel

Conception et  la construction de gratte-ciel 

La conception et la construction de gratte-ciel impliquent la création d'espaces sûrs et habitables dans des bâtiments très hauts. Les bâtiments doivent supporter leur poids, résister au vent et aux tremblements de terre et protéger les occupants contre les incendies et les inondations. Pourtant, ils doivent également être facilement accessibles, même aux étages supérieurs, et fournir des services publics et un climat confortable pour les occupants. Les problèmes posés par la conception des gratte-ciel sont considérés parmi les plus complexes rencontrés étant donné les équilibres requis entre l'économie, l'ingénierie et la gestion de la construction.  

Considérations de conception de base 

Une bonne conception structurelle est importante dans la plupart des conceptions de bâtiments, mais en particulier pour les gratte-ciel, car même une petite chance de défaillance catastrophique est inacceptable compte tenu des prix élevés de la construction. Cela présente un paradoxe pour les ingénieurs civils: la seule façon d'assurer un manque de défaillance est de tester tous les modes de défaillance, en laboratoire et dans le monde réel. Mais la seule façon de connaître tous les modes d'échec est d'apprendre des échecs précédents. Ainsi, aucun ingénieur ne peut être absolument sûr qu'une structure donnée résistera à toutes les charges qui pourraient provoquer une défaillance, mais ne peut avoir que des marges de sécurité suffisamment grandes pour qu'une défaillance soit raisonnablement improbable. Lorsque les bâtiments tombent en panne, les ingénieurs se demandent si la panne est due à un manque de prévoyance ou à un facteur inconnaissable. 

Structure

L'une des nombreuses choses qui rendent les gratte-ciel spéciaux est leur sous-structure. Par exemple, la profondeur de la fosse qui contient la sous-structure doit atteindre le substratum rocheux. Si le substratum rocheux se trouve près de la surface, le sol au-dessus du substratum rocheux est enlevé et une quantité suffisante de la surface du substratum rocheux est retirée pour former une plate-forme lisse sur laquelle construire les fondations du bâtiment. [1] 

                         Charge et vibration

La charge subie par un gratte-ciel provient en grande partie de la force du matériau de construction lui-même. Dans la plupart des conceptions de bâtiments, le poids de la structure est beaucoup plus important que le poids du matériau qu'elle supportera au-delà de son propre poids. En termes techniques, la charge morte, la charge de la structure, est plus grande que la charge vive, le poids des choses dans la structure (personnes, meubles, véhicules, etc.). En tant que tel, la quantité de matériau structurel requise dans les niveaux inférieurs d'un gratte-ciel sera beaucoup plus grande que le matériau requis dans les niveaux supérieurs. Ce n'est pas toujours évident visuellement. Les revers de l'Empire State Building sont en fait le résultat du code du bâtiment à l'époque, et n'étaient pas structurellement nécessaires. D'un autre côté, la forme du John Hancock Center est uniquement le résultat de la façon dont il supporte les charges. Les supports verticaux peuvent être de plusieurs types, parmi lesquels les plus courants pour les gratte-ciel peuvent être classés commecadres en acier, noyaux en béton, tube dans la conception du tube et murs de cisaillement.  

Le chargement du vent sur un gratte-ciel doit également être pris en compte. En fait, la charge de vent latérale imposée aux structures très hautes est généralement le facteur déterminant dans la conception structurale. La pression du vent augmente avec la hauteur, donc pour les bâtiments très hauts, les charges associées au vent sont plus importantes que les charges mortes ou vivantes.

D'autres facteurs de charge verticaux et horizontaux proviennent de sources variées et imprévisibles, comme les tremblements de terre.  

                     Murs de cisaillement
Un mur de cisaillement, dans sa définition la plus simple, est un mur où tout le matériau du mur est utilisé dans la résistance des charges horizontales et verticales. Un exemple typique est un mur de briques ou de parpaings. Étant donné que le matériau du mur est utilisé pour supporter le poids, à mesure que le mur se dilate, il doit supporter beaucoup plus de poids. En raison des caractéristiques d'un mur de cisaillement, il est acceptable que les petites constructions, telles que les logements suburbains ou les brownstone urbains, nécessitent de faibles coûts de matériaux et peu d'entretien. De cette façon, des murs de cisaillement, généralement sous forme de contreplaqué et d'ossature, de brique ou de parpaing, sont utilisés pour ces structures. Pour les gratte-ciel, cependant, à mesure que la taille de la structure augmente, la taille du mur de support augmente également. Les grandes structures telles que les châteaux et les cathédrales ont intrinsèquement résolu ces problèmes, car un grand mur est avantageux (châteaux) ou peut être conçu autour (cathédrales). Comme les gratte-ciel cherchent à maximiser l'espace au sol en consolidant support structurel, les murs de cisaillement ont tendance à être utilisés uniquement en conjonction avec d'autres systèmes de support. 

                         Châssis en acier
Le concept classique d'un gratte-ciel est une grande boîte en acier avec de nombreuses petites boîtes à l'intérieur. En éliminant la partie inefficace d'un mur de cisaillement, la partie centrale et en consolidant les éléments de support dans un matériau beaucoup plus résistant, l'acier, un gratte-ciel pourrait être construit avec des supports horizontaux et verticaux partout. Cette méthode, bien que simple, présente des inconvénients. Le plus important d'entre eux est que plus un matériau doit être supporté (à mesure que la hauteur augmente), la distance entre les éléments de support doit diminuer, ce qui, à son tour, augmente la quantité de matériau qui doit être supportée. Cela devient inefficace et peu rentable pour les bâtiments de plus de 40 étages, car les surfaces de plancher utilisables sont réduites pour supporter la colonne et en raison d'une utilisation accrue de l'acier. 

                    Cadre de tube (structure)

Un nouveau système structurel utilisant des tubes encadrés a été développé au début des années 1960. Fazlur Khan et J. Rankine ont défini la structure du tube encadré comme «une structure d'espace tridimensionnelle composée de trois, quatre ou peut-être plus de cadres, de cadres contreventés ou de murs de cisaillement, réunis au niveau ou près de leurs bords pour former une structure verticale semblable à un tube système capable de résister aux forces latérales dans n'importe quelle direction en encorbellement à partir de la fondation. Des colonnes extérieures interconnectées étroitement espacées forment le tube. Les charges horizontales (principalement le vent) sont supportées par la structure dans son ensemble. Environ la moitié de la surface extérieure est disponible pour les fenêtres. Les tubes encadrés permettent moins de colonnes intérieures et créent ainsiplus d'espace au sol utilisable. Lorsque de plus grandes ouvertures comme des portes de garage sont nécessaires, le cadre du tube doit être interrompu, avec des poutres de transfert utilisées pour maintenir l'intégrité structurale. Les structures tubulaires réduisent les coûts tout en permettant aux bâtiments d'atteindre de plus grandes hauteurs. La construction à ossature tubulaire a été utilisée pour la première fois dans l'immeuble DeWitt-Chestnut, conçu par Khan et achevé à Chicago en 1963. Il a été utilisé peu de temps après pour le John Hancock Center et pour la construction du World Trade Center.

Une variante du cadre de tube est le tube groupé, qui utilise plusieurs cadres de tube interconnectés. La Willis Tower à Chicago a utilisé cette conception, employant neuf tubes de hauteur variable pour obtenir son apparence distincte. La conception du tube de faisceau n'était pas seulement très efficace économique, mais il était également «innovant dans son potentiel de formulation polyvalente de l'espace architectural. Les tours efficaces n'avaient plus à ressembler à des boîtes; les unités tubulaires pouvaient prendre différentes formes et pouvaient être regroupées en différentes sortes de groupements. La structure tubulaire groupée signifiait que« les bâtiments n'avaient plus besoin d'être en forme de boîte: ils pouvaient devenir des sculptures. ont connu une énorme poussée dans la construction de gratte-ciel, grâce aux innovations de Khan permettant des gratte-ciel économiques. 

                   L'énigme de l'ascenseur

L'invention de l'ascenseur était une condition préalable à l'invention des gratte-ciel, étant donné que la plupart des gens ne grimperaient pas (ou ne pourraient pas) plus de quelques volées d'escalier à la fois. Les ascenseurs d'un gratte-ciel ne sont pas simplement une utilité nécessaire comme l'eau courante et l'électricité, mais sont en fait étroitement liés à la conception de l'ensemble de la structure. Un bâtiment plus haut nécessite plus d'ascenseurs pour desservir les étages supplémentaires, mais les cages d'ascenseur consomment un espace au sol précieux. Si le noyau de service (qui contient les cages d'ascenseur) devient trop grand, cela peut réduire la rentabilité du bâtiment. Les architectes doivent donc équilibrer la valeur acquise en ajoutant de la hauteur à la valeur perdue pour le cœur de service en expansion. De nombreux immeubles de grande hauteur utilisent des ascenseurs dans une configuration non standard pour réduire leur empreinte. Des bâtiments tels que le les anciennes tours du World Trade Center et le John Hancock Center de Chicago utilisent des halls aériens, où des ascenseurs express emmènent les passagers aux étages supérieurs qui servent de base aux ascenseurs locaux. Cela permet aux architectes et aux ingénieurs de placer les gaines d'ascenseur les unes sur les autres, économisant ainsi de l'espace. Les halls d'entrée et les ascenseurs express occupent une place importante et augmentent le temps de trajet entre les étages. D'autres bâtiments tels que les tours Petronas utilisent des ascenseurs à deux étages permettant à plus de personnes de monter dans un seul ascenseur et d'atteindre deux étages à chaque arrêt. Il est possible d'utiliser encore plus de deux niveaux sur un ascenseur bien que cela n'ait pas encore été essayé. Le principal problème des ascenseurs à deux étages est qu'ils provoquent l'arrêt de tous les occupants des ascenseurs lorsque seules les personnes d'un seul niveau doivent descendre à un étage donné.

Une autre solution, employée par la tour de Shanghai et la tour Jeddah en construction (2019), consiste à créer des bâtiments à usage mixte, en plaçant des suites de bureaux encombrantes vers le bas, mais des penthouses et des oreillettes à plusieurs étages - qui nécessitent peu de surface au sol sectionnelle - vers le haut.