Définition générale
Un bâtiment de grande hauteur peut être défini du point de vue de l’ingénieur en structure comme une construction qui de par sa hauteur, est soumise à des efforts latéraux de vent et sismiques qui influencent la conception structurelle. Historiquement les constructions de grande hauteur sont apparues dans des ouvrages militaires ou de défense comme les fortifications, les tours d’observations, les chateaux ou dans les bâtiments religieux (temples, églises).
Dès les années 1880, les bâtiments multi- étagés modernes sont réalisés pour abriter des commerces et des habitations. La notion de prestige et la volonté de concentration des activités économiques dans les grandes villes ont favorisé l’essor des bâtiments multi- étagés souvent appelés gratte-ciel aux états- unis ainsi que dans les zones développées. L’arrivée de ces grand édifices coincide donc avec la monté des prix de l’immobilié , le besoin croissant d’espace à bureaux au centre des villes.
Caractéristiques des bâtiments multi-étagés
Les facteurs déterminant la taille et la hauteur de ces constructions sont multiples. On distingue notamment :
- Les limitations technologiques de l’époque
- Les contraintes liées à l’utilisation de l’ouvrage
- La disponibilité des matériaux
- Le coût du projet
Pendant très longtemps, les deux seuls matériaux disponibles étaient le bois et l’acier. Les constructions en bois se sont limitées à 5 ou 6 étages pour des problèmes d’incendie. En ce qui concerne les maçonneries, les murs des niveaux inférieurs devenaient trop épais et ne permettaient pas un aménagement facile. On peut citer comme exemple le Monadnock building à Chicago, un bâtiment construit en 1891 avec des murs de 1.8 m d’épaisseur à sa base. A noter que l’utilisation de cette maçonnerie structurelle renforcée pour supporter les 17 étages du bâtiment a induite des tassements de plus de 200 mm à sa base.
Certains facteurs comme le développement de l’acier ou des techniques d’ascenseur ont cependant permis la réalisation d’ouvrages de grande hauteur. Le premier bâtiment de grande hauteur en structure d’acier a été réalisé à Chicago en 1883. La prise en compte des charges de vent déboucha sur la réalisation de contreventement et de murs de cisaillements ou refends. (voir massonic temple – 20 étages).
Les grattes- ciels américains vivent leur apogée en 1931, avec la construction de l’empire state building (102 étages avec une altitude de 381 mètres de haut. Dans une période entre 1930 et 1970, la crise économique ainsi que la seconde guerre mondiale ralentissent l’économie et la construction de grattes- ciels. L’empire state building ne sera dépassé qu’en 1973 par les twin towers (450 mètres environ).
Il est intéressant de constater que chaque grand cycle économique voit à son apogée une prolifération d’édifices de grandes hauteurs parmi les grandes villes du monde, comme si la démesure d’une époque précédait une phase de déclin ou de stagnation. Plus récemment la construction de la plus haute tour du monde à Dubaï a coïncidé avec une grave crise économique dans la ville état. Rappelons que ces projets prennent plusieurs années entre le financement et la construction. il n’est donc pas rare de voir certains de ces géants achevés en période de déclin économique.
Le gratte ciel a évolué en plus d’un siècle passant d’un ouvrage public plutôt destiné au travail à un ouvrage de plus en plus haut, abritant souvent de très honéreux logements. Certains pensent que cette privatisation du ciel des grandes villes marquent surtout la montée des inégalités.
quoiqu’il en soit ces constructions sont un défis technologique immense pour les ingénieurs et entrepreneurs en construction.
nous allons maintenant examiner les différentes étapes de conception des batiments multiétagés.
Etapes de conception
Une première analyse rapide des charges verticales et horizontales permet d’estimer les déformations.
Si elles sont excessives, l’ingénieur procède au remplacement des éléments concernés ou modifie les caractéristiques de celle-ci. Cette première approche est un pré-dimensionnement ayant pour but de valider la solution structurelle dans son ensemble. Par la suite une analyse détaillée prendra en compte en détail les effets du vent, les charges sismiques, l’effet p-delta, les charges de température et fluage et les sollicitations dues aux éventuels incendies. De plus, de multiples mise à jours seront requises suite à l’affinement des détails architecturaux et de structure afin d’aboutir à une solution finale répondant aux critères économiques et architecturaux.
Les critères de conception
La conception d’un grand bâtiment requière l’intégration de multiples systèmes (mécaniques, électriques..) dans lesquels la structure doit pouvoir s’insérer. Cette contrainte d’espace vient s’ajouter aux contraintes de respect architectural.
Réglementation modernisée
Depuis plusieurs années, la réglementation à évoluée passant de considérations de résistance ultime de la structure à une approche plus globale de dimensionnement considérant la résistance de l’ouvrage pendant sa construction ainsi que durant toute sa vie utile. Ce principe intègre des considérations de déformations, de contrainte et de durabilité des matériaux de la structure. Des coefficients de pondération sont affectés aux charges (principe ELU et ELS) afin de tenir compte de la probabilité d’observation de la charge maximale.
Les paramètres de conception
De par sa forme et sa hauteur, le bâtiment est particulièrement exposé au vent. La rigidité latérale est une considération majeure dans la conception de bâtiments de grande hauteur. Les déformations latérales doivent être limitées pour réduire l’effet p-delta. Et permettre le bon fonctionnement des éléments d’équipement (portes, cloisons ascenseurs).
Les autres paramètres de conception
l’effets de la température, les effets de l’incendie ainsi que les critères de confort et d’oscillations sont autant de critères qu’il faut examiner comme des cas de charges, parfois à l’aide de modélisations dynamiques complexes. Notons à titre d’exemple que la résistance de l’acier chauffé à 700°c ne vaut que 10 à 20 % de la résistance de ce même acier à température ambiante (20°c) d’où l’importance de la prise en compte du cas de charge « incendie » dans les calculs. Il est également important d’effectuer une analyse complète sol-fondation. Il faut prendre en compte les tassements différentiels, le moment de basculement due aux effets du vent.
LES BATIMENTS DE GRANDES HAUTEURS (partie-2)
Crédit photo barnyz@flickr.com
Mise à jours 28 février 2015.