Gratte-ciel

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Contexte

Il n'y a pas de définition précise du nombre d'étages ou de la hauteur qui fait d'un bâtiment un gratte-ciel. "Je ne pense pas que ce soit le nombre d'étages que vous avez. Je pense que c'est l'attitude", a déclaré l'architecte T. J. Gottesdiener au Christian Science Monitor. Gottesdiener, partenaire de la société Skidmore, Owings &Merrill, concepteurs de nombreux immeubles de grande hauteur, dont la Sears Tower à Chicago, Illinois, a poursuivi :« Qu'est-ce qu'un gratte-ciel ? C'est tout ce qui vous fait vous arrêter, vous tenir debout, tendre le cou en arrière. , et levez les yeux."

Certains observateurs appliquent le mot « gratte-ciel » aux bâtiments d'au moins 20 étages. D'autres réservent le terme aux structures d'au moins 50 étages. Mais il est largement admis qu'un gratte-ciel s'adapte à des bâtiments de 100 étages ou plus. À 102 étages, la hauteur occupée de l'Empire State Building à New York atteint 1 224 pi (373 m) et sa flèche, qui est la partie effilée au sommet du toit d'un bâtiment, s'élève à 230 pi (70 m). Seuls 25 bâtiments dans le monde dépassent les 300 m de hauteur, en comptant leurs flèches, mais pas les antennes s'élevant au-dessus d'eux.

La plus haute structure autoportante au monde est la tour CN à Toronto, au Canada, qui culmine à 1 815 pieds (553 m); construite pour supporter une antenne de télévision, la tour n'est pas conçue pour l'occupation humaine, à l'exception d'un restaurant et d'une plate-forme d'observation perchée à 1 100 pieds (335 m). La structure occupée la plus haute du monde est les tours jumelles Petronas à Kuala Lumpur, en Malaisie, qui atteignent une hauteur de 1 483 pieds (452 ​​m), y compris les flèches. La Sears Tower à Chicago possède le plus haut niveau occupé; le toit de son 110e étage s'élève à 1 453 pi (443 m).

À certains égards, les bâtiments très hauts ne sont pas pratiques. Il est moins cher de construire deux bâtiments à mi-hauteur qu'un très haut. Les développeurs doivent trouver des locataires pour d'énormes quantités d'espace à un seul endroit ; par exemple, la Sears Tower englobe 4,5 millions de pieds carrés (415 000 mètres carrés). D'un autre côté, les promoteurs des villes surpeuplées doivent utiliser au maximum des quantités limitées de terrains disponibles. Néanmoins, la décision de construire un bâtiment de grande hauteur n'est généralement pas basée sur des considérations économiques, mais sur le désir d'attirer l'attention et de gagner en prestige.

Historique

Plusieurs avancées technologiques ont eu lieu à la fin du XIXe siècle qui se sont combinées pour rendre possible la conception et la construction de gratte-ciel. Parmi eux figuraient la capacité de produire de l'acier en masse, l'invention d'ascenseurs sûrs et efficaces et le développement de techniques améliorées pour mesurer et analyser les charges et les contraintes structurelles. Au cours des années 1920 et 1930, le développement des gratte-ciel a été stimulé par l'invention du soudage à l'arc électrique et des ampoules fluorescentes (leur lumière vive permettait aux gens de travailler plus loin des fenêtres et générait moins de chaleur que les ampoules à incandescence).

Traditionnellement, les murs d'un bâtiment supportaient la structure; plus la structure était haute, plus les murs devaient être épais. Un bâtiment de 16 étages construit à Chicago en 1891 avait des murs de 1,8 m d'épaisseur à la base. Le besoin de murs très épais a été éliminé avec l'invention de la construction à ossature d'acier, dans laquelle un squelette en acier rigide supporte le poids du bâtiment, et les murs extérieurs sont simplement suspendus au cadre presque comme des rideaux. Le premier bâtiment à utiliser cette conception était le bâtiment de 10 étages de la Home Insurance Company, qui a été construit à Chicago en 1885.

Le Woolworth Building de 792 pieds (242 m) de haut, érigé à New York en 1913, a d'abord combiné tous les composants d'un véritable gratte-ciel. Son squelette en acier s'élevait à partir d'une fondation soutenue par des piliers en béton qui s'étendaient jusqu'au substrat rocheux (une couche de roche solide assez solide pour supporter le bâtiment), sa charpente était contreventée pour résister aux forces du vent attendues et ses ascenseurs à grande vitesse fournissaient à la fois des locaux et des service express à ses 60 étages.

En 1931, l'Empire State Building s'élevait à New York comme un point d'exclamation de 381 m (1 250 pi). Il restera l'immeuble de bureaux le plus haut du monde pendant 41 ans. En 2000, seuls six autres bâtiments dans le monde dépasseraient sa hauteur.

Matières premières

Le béton armé est un élément important des gratte-ciel. Il se compose de béton (un mélange d'eau, de poudre de ciment et d'agrégat composé de gravier ou de sable) coulé autour d'une grille de tiges d'acier (appelées barres d'armature) qui renforcera le béton séché contre le mouvement de flexion causé par le vent. Le béton est intrinsèquement résistant aux forces de compression ; cependant, l'énorme poids projeté des tours Petronas a conduit les concepteurs à spécifier un nouveau type de béton qui était plus de deux fois plus résistant que d'habitude. Ce matériau à haute résistance a été obtenu en ajoutant des particules très fines aux ingrédients habituels du béton; la surface accrue de ces minuscules particules a produit une liaison plus forte.

L'autre matière première principale pour la construction de gratte-ciel est l'acier, qui est un alliage de fer et de carbone. Les bâtiments à proximité limitent souvent la quantité d'espace disponible pour les activités de construction et le stockage des fournitures, de sorte que les poutres en acier de tailles et de formes spécifiées sont livrées sur le site juste au moment où elles sont nécessaires pour le placement. Avant livraison, les poutres sont enduites d'un mélange de plâtre et de vermiculite (mica qui a été dilaté à chaud pour former des particules spongieuses) pour les protéger de la corrosion et de la chaleur. Après que chaque poutre soit soudée en place, les joints frais sont pulvérisés avec le même matériau de revêtement. Une couche supplémentaire d'isolant, comme un matelas de fibre de verre recouvert de papier d'aluminium, peut ensuite être enroulée autour des poutres.

Pour maximiser les meilleures qualités du béton et de l'acier, ils sont souvent utilisés ensemble dans la construction de gratte-ciel. Par exemple, une colonne de support peut être formée en coulant du béton autour d'une poutre en acier.

Une variété de matériaux est utilisée pour couvrir le cadre du gratte-ciel. Connues sous le nom de « revêtement », les feuilles qui forment les murs extérieurs peuvent être constituées de verre, de métaux, tels que l'aluminium ou l'acier inoxydable, ou de matériaux de maçonnerie, tels que le granit, le marbre ou le calcaire.

Conception

Les ingénieurs concepteurs traduisent la vision de l'architecte du bâtiment en un plan détaillé qui sera structurellement solide et possible à construire.

Concevoir un immeuble de faible hauteur implique de créer une structure qui supportera son propre poids (appelé charge morte) et le poids des personnes et des meubles qu'il contiendra (la charge vive). Pour un gratte-ciel, la force latérale du vent affecte la structure plus que le poids du bâtiment et de son contenu. Le concepteur doit s'assurer que le bâtiment ne sera pas renversé par un vent fort, et aussi qu'il ne se balancera pas suffisamment pour causer une gêne physique ou émotionnelle aux occupants.

Chaque conception de gratte-ciel est unique. Les principaux éléments structurels qui peuvent être utilisés seuls ou en combinaison comprennent une ossature en acier cachée derrière des murs-rideaux non porteurs, une ossature en béton armé qui est remplie de panneaux de revêtement pour former les murs extérieurs, un noyau central en béton (colonne ouverte ) suffisamment grand pour contenir des cages d'ascenseur et d'autres composants mécaniques, ainsi qu'un ensemble de colonnes de support autour du périmètre du bâtiment qui sont reliées par des poutres horizontales les unes aux autres et au noyau.

Parce que chaque conception est innovante, des modèles de bâtiments très hauts proposés sont testés dans des souffleries pour déterminer l'effet des vents violents sur eux, ainsi que l'effet sur les bâtiments environnants des modèles de vent causés par le nouveau bâtiment. Si les tests montrent que le bâtiment oscillera excessivement par vent fort, Un exemple de conception de rez-de-chaussée d'un gratte-ciel et d'un cadre de 6 bâtiments. les concepteurs peuvent ajouter des dispositifs mécaniques qui neutralisent ou restreignent le mouvement.

En plus de la superstructure, les concepteurs doivent également planifier des systèmes mécaniques appropriés tels que des ascenseurs qui déplacent les personnes rapidement et confortablement, des systèmes de circulation d'air et la plomberie.

Le processus de construction

Chaque gratte-ciel est une structure unique conçue pour se conformer aux contraintes physiques imposées par des facteurs tels que la géologie et le climat, répondre aux besoins des locataires et satisfaire les objectifs esthétiques du propriétaire et de l'architecte. Le processus de construction de chaque bâtiment est également unique. Les étapes suivantes donnent une idée générale des techniques de construction les plus courantes.

La sous-structure

• 1 La construction commence généralement par le creusement d'une fosse qui contiendra les fondations. La profondeur de la fosse dépend de la profondeur du socle rocheux et du nombre de niveaux de sous-sol du bâtiment. Pour empêcher le mouvement du sol environnant et pour isoler l'eau autour du site de fondation, une paroi moulée peut être construite avant que la fosse ne soit creusée. Cela se fait en creusant une tranchée profonde et étroite autour du périmètre de la fosse prévue ; au fur et à mesure que la tranchée est creusée, elle est remplie de lisier (argile aqueuse) pour empêcher ses parois de s'effondrer. Lorsqu'une section de tranchée atteint la profondeur souhaitée, une cage d'acier d'armature y est descendue. Le béton est ensuite pompé dans la tranchée, déplaçant la boue plus légère. Le lisier est récupéré et réutilisé dans d'autres sections de la tranchée.
• 2 Dans certains cas, le substratum rocheux se trouve près de la surface. Le sol au-dessus du substrat rocheux est enlevé, et une quantité suffisante de la surface du substrat rocheux est retirée pour former une plate-forme plane et lisse sur laquelle construire les fondations du bâtiment. Les semelles (trous dans lesquels les colonnes de support du bâtiment peuvent être ancrées) sont dynamitées ou forées dans le substrat rocheux. Des colonnes en acier ou en béton armé sont placées dans les semelles.
• 3 Si le substrat rocheux est très profond, des pieux (poutres verticales) sont enfoncés dans le sol jusqu'à ce qu'ils soient enfoncés dans le substrat rocheux. Une technique consiste à enfoncer des pieux en acier en laissant tomber à plusieurs reprises un poids lourd sur leur sommet. Une autre technique consiste à forer des puits dans le sol et dans le substratum rocheux, à insérer des tiges d'armature en acier, puis à remplir les puits de béton.

  A. Paroi moulée. B. Semelle. C. Un type de fondation pour un gratte-ciel utilise des pieux en acier pour fixer la fondation au sol. D. La méthode de coffrage glissant pour couler le béton.

• 4 Une plate-forme de fondation en béton armé est coulée au-dessus des colonnes de support.

La superstructure et le noyau

Une fois la construction d'un gratte-ciel en cours, les travaux sur plusieurs phases de la structure se déroulent simultanément. Par exemple, lorsque les colonnes de support atteignent plusieurs étages, les ouvriers commencent à construire des étages pour les étages inférieurs. Au fur et à mesure que les colonnes montent plus haut, les équipes de revêtement de sol se déplacent également vers les étages supérieurs et les équipes de finition commencent à travailler aux niveaux les plus bas. Le chevauchement de ces phases permet non seulement l'utilisation la plus efficace du temps, mais il garantit également que la structure reste stable pendant la construction.

• 5 Si des colonnes en acier et des contreventements sont utilisés dans le bâtiment, chaque poutre est soulevée en place par une grue. Initialement, la grue repose sur le sol; plus tard, il peut être positionné sur le niveau existant le plus élevé du squelette en acier lui-même. Les ouvriers qualifiés boulonnent ou soudent l'extrémité de la poutre en place (les rivets n'ont pas été utilisés depuis les années 1950). La poutre est ensuite enveloppée d'une gaine isolante pour l'empêcher de surchauffer et de s'affaiblir en cas d'incendie. Comme mesure alternative de protection thermique dans certains bâtiments, les poutres en acier sont constituées de tubes creux; lorsque la superstructure est terminée, les tubes sont remplis d'eau, qui circule en continu pendant toute la durée de vie du bâtiment.
• 6 Le béton est souvent utilisé pour construire le noyau d'un bâtiment, et il peut également être utilisé pour construire des colonnes de support. Une technique appelée "formage par glissement" est couramment utilisée. Des formes en bois de la forme souhaitée sont fixées à un cadre en acier, qui est relié à un vérin d'escalade qui saisit une tige verticale. Les ouvriers préparent une section d'acier d'armature plus haute que les coffrages en bois. Ensuite, ils commencent à couler du béton dans les coffrages. Au fur et à mesure que le béton est coulé, le cric monte lentement et en continu le coffrage. La composition du mélange de béton et le taux de montée sont coordonnés de sorte que le béton dans la partie inférieure du coffrage ait pris avant que le coffrage ne s'élève au-dessus. Au fur et à mesure que le processus se poursuit, les travailleurs étendent la grille d'armature en acier qui s'étend au-dessus du coffrage et ajoutent des extensions à la tige verticale que le vérin d'escalade agrippe. De cette façon, toute la colonne en béton est construite comme un élément vertical continu sans joints.
• 7 Dans un bâtiment à ossature métallique, les planchers sont construits sur les couches de contreventement horizontal. Dans d'autres conceptions de bâtiments, les planchers sont soutenus par des poutres d'acier horizontales fixées au noyau du bâtiment et/ou des colonnes de support. Le platelage en acier (panneaux d'acier mince et ondulé) est posé sur les poutres et soudé en place. Une couche de béton d'environ 5 à 10 cm d'épaisseur est coulée sur le platelage pour compléter le plancher.

L'Empire State Building.

L'Empire State Building était destiné à mettre fin à la compétition pour le plus haut bâtiment. Il devait dominer 102 étages, à 1 250 pieds (381 m) au-dessus des rues de Manhattan. Ses promoteurs, John J. Raskob et Pierre Samuel Du Pont, ainsi que l'ancien gouverneur de New York Alfred E. Smith, ont annoncé en août 1929 leur intention de construire le plus haut bâtiment du monde. Ils ont choisi l'entreprise de construction Starrett Brothers and Eken et le cabinet d'architectes Shreve, Lamb et Harmon pour le projet avec William F. Lamb comme concepteur en chef. If est en retrait de la rue au-dessus du cinquième étage, puis s'élève sans interruption sur plus de 1 000 pieds (305 m) jusqu'au 86e étage. L'extérieur est en calcaire et granit et des colonnes verticales en alliage d'acier au chrome-nickel s'étendent du sixième étage jusqu'au sommet. Le bâtiment contenait 67 ascenseurs et 6 500 fenêtres en verre, surmontées d'un mât d'amarrage de 200 pieds (61 m) pour les dirigeables.

L'Empire State Building a été achevé le 11 avril 1931, 12 jours avant la date prévue et a officiellement ouvert ses portes le 1er mai 1931. Le bâtiment a pris sa place dans l'histoire en tant que bâtiment le plus haut jamais construit, détenant ce titre pendant plus de 40 ans. Ce n'est qu'en 1972, lorsque les tours jumelles hautes de 1 348 pieds (411 m) du World Trade Center ont été achevées que l'Empire State Building a été dépassé en hauteur. Le World Trade Center a à son tour été dépassé en 1974 par la Sears Tower à Chicago, qui, à 1 453 pieds (443 mj, est devenue le plus haut bâtiment du monde.

L'extérieur

• 8 Dans la plupart des immeubles de grande hauteur, le poids de la structure et de son contenu est supporté par les colonnes de support et le noyau du bâtiment. Les murs extérieurs eux-mêmes enferment simplement la structure. Ils sont construits en fixant des panneaux de matériaux tels que le verre, le métal et la pierre à la charpente du bâtiment. Une technique courante consiste à les boulonner sur des équerres fixées aux dalles de plancher ou aux colonnes de support.

Finition

• 9 Lorsqu'un étage du bâtiment a été entouré de murs extérieurs, il est prêt pour la finition intérieure. Cela comprend l'installation d'éléments tels que les fils électriques, les fils téléphoniques, les tuyaux de plomberie, les murs intérieurs, les panneaux de plafond, les appareils sanitaires, les appareils d'éclairage et les systèmes de gicleurs pour la lutte contre l'incendie. Il comprend également l'installation de composants mécaniques tels que des ascenseurs et des systèmes de circulation d'air, de refroidissement et de chauffage.
• 10 Lorsque toute la superstructure est achevée, le haut du bâtiment est terminé par la pose d'un toit. Cela peut être construit un peu comme un sol, puis imperméabilisé avec une couche de caoutchouc ou de plastique avant d'être recouvert d'une couche attrayante et résistante aux intempéries de carreaux ou de métal.

Contrôle qualité

Divers facteurs sont pris en considération pour assurer le contrôle de la qualité. En raison de l'énorme échelle des gratte-ciel, une petite erreur de positionnement à la base sera amplifiée lorsqu'elle est étendue au toit. En plus des instruments d'arpentage normaux, des dispositifs inhabituels tels que des capteurs de système de positionnement global (GPS) et des viseurs d'avions peuvent être utilisés pour vérifier le placement et l'alignement des éléments structurels.

Des capteurs de sol autour du chantier sont utilisés pour détecter tout mouvement de terre inattendu causé par l'activité de construction.

Sous-produits/Déchets

L'excavation de la fosse de fondation et des niveaux du sous-sol nécessite l'élimination d'énormes quantités de saleté. Lorsque les tours du World Trade Center de 110 étages ont été construites à New York au début des années 1970, plus d'un million de verges cubes (765 000 mètres cubes) de terre et de roche ont été enlevés et déversés dans la rivière Hudson pour créer 23,5 acres (95 100 mètres carrés ) d'un nouveau terrain, sur lequel un autre gratte-ciel a ensuite été construit.

Le futur

Des plans ont été élaborés pour plusieurs nouveaux gratte-ciel qui briseraient les records de hauteur existants. Par exemple, un bâtiment de 108 étages au 7 South Dearborn Street à Chicago, qui devrait être achevé d'ici 2004, mesurera 1 550 pieds (473 m) de hauteur. Il fournira 43 acres (174 000 mètres carrés) d'espace clos sur un terrain de seulement 200 pi (61 m) carré.

En 1956, l'architecte américain Frank Lloyd Wright a annoncé des plans pour un gratte-ciel de 1,6 km de haut dans lequel 100 000 personnes pourraient travailler. En 1991, un autre architecte américain, le Dr Eugene Tsui, a conçu un bâtiment de 3 220 m de haut qui offrirait un espace de vie, de travail et de loisirs à 1 000 000 de personnes. Bien que de tels bâtiments puissent être théoriquement constructibles, ils sont actuellement impraticables. Par exemple, les niveaux de confort humain limitent la vitesse des ascenseurs à 915 m/min au maximum. Pour accueillir les 100 000 personnes travaillant dans la structure proposée par Wright, le nombre de cages d'ascenseur aurait occupé une trop grande partie de la superficie du bâtiment.

Les améliorations de la technologie des ascenseurs seront importantes pour les futures conceptions de gratte-ciel. Des cabines d'ascenseur automotrices et sans câble qui se déplacent horizontalement, ainsi que verticalement, ont été proposées, mais sont toujours en cours de développement. Les systèmes informatisés de répartition des voitures utilisant la logique floue pourraient être affinés pour transporter les personnes plus efficacement en regroupant les passagers dont les destinations sont proches les unes des autres.