Qu'est-ce qui définit un gratte-ciel ? Regard de l'architecte T.J. Gottesdiener

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Contexte

Il n'existe 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. Je pense que c'est l'attitude », a déclaré l'architecte T.J. Gottesdiener au Christian Science Monitor. Gottesdiener, associé au cabinet Skidmore, Owings & Merrill, concepteurs de nombreux bâtiments hauts dont la Sears Tower à Chicago, Illinois, a poursuivi : « Qu'est-ce qu'un gratte-ciel ? C'est tout ce qui vous fait arrêter, vous tenir droit, cambrer le cou en arrière, et lever 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 convient aux bâtiments de 100 étages ou plus. À 102 étages, la hauteur occupée de l'Empire State Building à New York atteint 373 m, et sa flèche — la portion effilée au sommet du toit — s'élève de 70 m supplémentaires. Seuls 25 bâtiments dans le monde dépassent 300 m (flèches comprises, mais pas les antennes au-dessus).

La plus haute structure autoportante au monde est la Tour CN à Toronto, Canada, culminant à 553 m ; construite pour supporter une antenne de télévision, la tour n'est pas conçue pour l'occupation humaine, sauf pour un restaurant et un pont d'observation perchés à 335 m. La plus haute structure occupée au monde est les Tours Petronas à Kuala Lumpur, Malaisie, atteignant 452 m (flèches comprises). La Sears Tower à Chicago possède le niveau occupé le plus haut ; le toit de son 110e étage culmine à 443 m.

À certains égards, les bâtiments super-hauts ne sont pas pratiques. Il est moins cher de construire deux bâtiments de moitié de la hauteur qu'un seul très haut. Les promoteurs doivent trouver des locataires pour d'énormes espaces à un seul emplacement ; par exemple, la Sears Tower enferme 415 000 m². D'un autre côté, les promoteurs dans les villes surpeuplées doivent exploiter au maximum les terrains limités disponibles. Néanmoins, la décision de construire un bâtiment spectaculairement haut repose généralement non sur l'économie, mais sur le désir d'attirer l'attention et de gagner du prestige.

Histoire

Plusieurs avancées technologiques survenues à la fin du XIXe siècle se sont combinées pour rendre possible la conception et la construction de gratte-ciels. Parmi elles : la capacité de produire de l'acier en série, l'invention d'ascenseurs sûrs et efficaces, et le développement de techniques améliorées pour mesurer et analyser les charges et contraintes structurelles. Pendant les années 1920 et 1930, le développement des gratte-ciels fut encore stimulé par l'invention du soudage à l'arc électrique et des ampoules fluorescentes (leur lumière vive permettait 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 fut éliminé avec l'invention de la construction à ossature acier, où un squelette rigide en acier supporte le poids du bâtiment, et les murs extérieurs sont simplement suspendus au cadre presque comme des rideaux. Le premier bâtiment à utiliser ce design fut le Home Insurance Company Building de 10 étages, construit à Chicago en 1885.

Le Woolworth Building de 242 m, érigé à New York en 1913, combina pour la première fois tous les composants d'un véritable gratte-ciel. Son squelette en acier s'élevait d'une fondation supportée sur des piliers en béton s'enfonçant jusqu'au bedrock (couche de roche solide assez forte pour supporter le bâtiment), sa structure était contreventée pour résister aux forces de vent attendues, et ses ascenseurs à grande vitesse offraient service local et express à ses 60 étages.

En 1931, l'Empire State Building s'éleva à New York comme un point d'exclamation de 381 m. Il resta le plus haut bâtiment de bureaux au monde pendant 41 ans. En 2000, seulement six autres bâtiments dans le monde le surpasseraient en hauteur.

Matériaux

Le béton armé est un composant important des gratte-ciels. Il consiste en du béton (mélange d'eau, poudre de ciment et granulats gravier ou sable) coulé autour d'une grille de barres d'acier (appelées armatures) qui renforcera le béton durci contre les mouvements de flexion causés par le vent. Le béton est intrinsèquement résistant sous forces de compression ; cependant, l'énorme poids projeté des Tours Petronas a conduit les concepteurs à spécifier un nouveau type de béton plus de deux fois plus résistant que l'habituel. Ce matériau haute résistance fut obtenu en ajoutant des particules très fines aux ingrédients habituels du béton ; la surface accrue de ces minuscules particules produisit une liaison plus forte.

L'autre matière première principale pour la construction de gratte-ciels est l'acier, alliage de fer et carbone. Les bâtiments voisins limitent souvent l'espace disponible pour l'activité de construction et le stockage des fournitures, donc des poutres en acier de tailles et formes spécifiées sont livrées sur site juste au moment où elles sont nécessaires pour la mise en place. Avant livraison, les poutres sont revêtues d'un mélange de plâtre et de vermiculite (mica expansé par la chaleur pour former des particules spongieuses) pour les protéger de la corrosion et de la chaleur. Après chaque soudure de poutre, les joints frais sont aspergés du même matériau d'enrobage. Une couche d'isolation supplémentaire, comme de la laine de verre recouverte de feuille 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-ciels. Par exemple, un poteau de support peut être formé en coulant du béton autour d'une poutre en acier.

Une variété de matériaux habillent l'ossature du gratte-ciel. Connus sous le nom de « parement » (cladding), les panneaux formant les murs extérieurs peuvent consister en verre, métaux comme l'aluminium ou l'acier inoxydable, ou matériaux de maçonnerie comme granit, marbre ou calcaire.

Conception

Les ingénieurs concepteurs traduisent la vision de l'architecte en un plan détaillé qui sera structurellement sain et constructible.

Concevoir un bâtiment bas implique de créer une structure supportant son propre poids (charge morte) et le poids des personnes et meubles qu'il contiendra (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 balancera pas assez pour causer un inconfort physique ou émotionnel aux occupants.

Chaque design de gratte-ciel est unique. Les éléments structurels majeurs qui peuvent être utilisés seuls ou en combinaison incluent : un squelette en acier caché derrière des murs-rideaux non porteurs, un squelette en béton armé rempli de panneaux de parement pour former les murs extérieurs, un noyau central en béton (colonne ouverte) assez grand pour contenir les puits d'ascenseurs et autres composants mécaniques, et un réseau de poteaux de support autour du périmètre du bâtiment connectés par des poutres horizontales entre eux et au noyau.

Puisque chaque design est innovant, des modèles de gratte-ciels super-hauts proposés sont testés en soufflerie pour déterminer l'effet des vents violents sur eux, et aussi l'effet sur les bâtiments environnants des motifs de vent causés par le nouveau bâtiment. Si les tests montrent que le bâtiment balancera excessivement par vents forts, Exemple de design de rez-de-chaussée et structure de gratte-ciel. les concepteurs peuvent ajouter des dispositifs mécaniques qui contrebalancent ou limitent le mouvement.

En plus de la superstructure, les concepteurs doivent aussi planifier des systèmes mécaniques appropriés comme ascenseurs déplaçant les gens vite et confortablement, systèmes de circulation d'air, et plomberie.

Processus de construction

Chaque gratte-ciel est une structure unique conçue pour se conformer aux contraintes physiques imposées par des facteurs comme 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 pour chaque bâtiment est aussi unique. Les étapes suivantes donnent une idée générale des techniques les plus courantes.

La sous-structure

• 1. La construction commence généralement par le creusement d'une fouille qui accueillera la fondation. La profondeur dépend de la profondeur du bedrock et du nombre de niveaux de sous-sol. Pour prévenir le mouvement du sol environnant et sceller l'eau autour du site de fondation, un mur-écran peut être construit avant le creusement. Ceci se fait en creusant une tranchée profonde et étroite autour du périmètre de la fouille prévue ; au fur et à mesure du creusement, elle est remplie de bentonite (argile aqueuse) pour empêcher ses parois de s'effondrer. Quand une section de tranchée atteint la profondeur désirée, une cage d'armature est descendue. Le béton est alors pompé dans la tranchée, déplaçant la bentonite plus légère. La bentonite est récupérée et réutilisée dans d'autres sections de la tranchée.
• 2. Dans certains cas, le bedrock est proche de la surface. Le sol au-dessus du bedrock est retiré, et assez de surface du bedrock est enlevée pour former une plateforme lisse et plane pour la fondation du bâtiment. Des semelles (trous où les poteaux de support du bâtiment peuvent être ancrés) sont forées ou dynamitées dans le bedrock. Des poteaux en acier ou béton armé sont placés dans les semelles.
• 3. Si le bedrock est très profond, des pieux (poutres verticales) sont enfoncés à travers le sol jusqu'à ce qu'ils soient ancrés dans le bedrock. Une technique consiste à enfoncer des pieux en acier en laissant tomber répétitivement un poids lourd sur leurs têtes. Une autre consiste à forer des puits à travers le sol et dans le bedrock, insérer des barres d'armature en acier, puis remplir les puits de béton.

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

• 4. Une plateforme de fondation en béton armé est coulée sur le sommet des poteaux de support.

La superstructure et le noyau

Une fois la construction d'un gratte-ciel en cours, le travail sur plusieurs phases de la structure se déroule simultanément. Par exemple, quand les poteaux de support atteignent plusieurs étages, les ouvriers commencent à construire les planchers pour les étages inférieurs. À mesure que les poteaux montent, les équipes de plancher montent aux étages supérieurs, et les équipes de finition commencent sur les niveaux les plus bas. Le chevauchement de ces phases n'optimise pas seulement le temps, mais assure aussi que la structure reste stable pendant la construction.

• 5. Si des poteaux en acier et contreventement croisé sont utilisés, chaque poutre est hissée en place par une grue. Initialement, la grue est au sol ; plus tard elle peut être positionnée sur le niveau le plus haut existant du squelette en acier lui-même. Des ouvriers qualifiés boulonnent ou soudent l'extrémité de la poutre en place (les rivets ne sont plus utilisés depuis les années 1950). La poutre est ensuite enveloppée d'une veste 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 des tubes creux ; quand la superstructure est achevée, les tubes sont remplis d'eau, circulée en continu pendant la vie du bâtiment.
• 6. Le béton est souvent utilisé pour construire le noyau d'un bâtiment, et peut aussi servir pour les poteaux de support. Une technique appelée « coffrage glissant » est couramment utilisée. Des coffrages en bois de la forme désirée sont attachés à un cadre en acier, connecté à un vérin d'escalade qui saisit une tige verticale. Les ouvriers préparent une section d'armature plus haute que les coffrages. Puis ils commencent à couler le béton dans les coffrages. Au fur et à mesure du coulage, le vérin lève lentement et continuellement le coffrage. La composition du mélange de béton et le taux de montée sont coordonnés pour que le béton à la partie basse du coffrage ait pris avant que le coffrage ne s'élève au-dessus. Au fur et à mesure, les ouvriers prolongent la grille d'armature qui dépasse le coffrage et ajoutent des rallonges à la tige verticale que saisit le vérin. Ainsi, toute la colonne en béton est construite comme un élément vertical continu sans joints.
• 7. Dans un bâtiment à squelette acier, les planchers sont construits sur les couches de contreventement horizontal. Dans d'autres designs, les planchers sont supportés par des poutres en acier horizontales attachées au noyau et/ou aux poteaux de support. Un bac acier (panneaux de tôle ondulée mince) est posé sur les poutres et soudé en place. Une couche de béton, d'environ 5-10 cm d'épaisseur, est coulée sur le bac acier pour compléter le plancher.

L'Empire State Building.

L'Empire State Building devait mettre fin à la course au plus haut bâtiment. Il devait culminer à 102 étages, 381 m au-dessus des rues de Manhattan. Ses promoteurs, John J. Raskob et Pierre Samuel Du Pont, avec l'ancien gouverneur de New York Alfred E. Smith, annoncèrent en août 1929 leur intention de construire le plus haut bâtiment du monde. Ils choisirent l'entreprise de construction Starrett Brothers and Eken, et le cabinet d'architectes Shreve, Lamb, and Harmon pour le projet avec William F. Lamb comme designer en chef. Il est en retrait de la rue au-dessus du 5e étage puis s'élève sans interruption sur plus de 305 m jusqu'au 86e étage. L'extérieur est en calcaire et granit, et des colonnes verticales en alliage chrome-nickel-acier s'étendent du 6e étage au sommet. Le bâtiment contenait 67 ascenseurs et 6 500 fenêtres en verre, couronnées d'un mât d'amarrage de 61 m pour dirigeables.

L'Empire State Building fut achevé le 11 avril 1931, 12 jours avant l'échéance, et officiellement ouvert le 1er mai 1931. Il entra dans l'histoire comme le plus haut bâtiment jamais construit, conservant ce titre plus de 40 ans. Ce ne fut qu'en 1972, quand les tours jumelles du World Trade Center de 411 m furent achevées, que l'Empire State Building fut dépassé en hauteur. Le World Trade Center fut à son tour dépassé en 1974 par la Sears Tower à Chicago, qui à 443 m devint le plus haut bâtiment du monde.

L'extérieur

• 8. Dans la plupart des grands bâtiments, le poids de la structure et de son contenu est supporté par les poteaux de support et le noyau du bâtiment. Les murs extérieurs eux-mêmes ne font qu'enclore la structure. Ils sont construits en fixant des panneaux de matériaux comme verre, métal et pierre à l'ossature du bâtiment. Une technique courante est de les boulonner à des cornières fixées aux dalles de plancher ou poteaux de support.

Finition

• 9. Quand un étage du bâtiment a été enclos par les murs extérieurs, il est prêt pour la finition intérieure. Cela inclut l'installation d'éléments comme fils électriques, fils téléphoniques, tuyaux de plomberie, murs intérieurs, panneaux de plafond, sanitaires, luminaires, et systèmes de sprinklers pour la protection incendie. Cela inclut aussi l'installation de composants mécaniques comme ascenseurs et systèmes de circulation d'air, refroidissement et chauffage.
• 10. Quand toute la superstructure est achevée, le sommet du bâtiment est fini par l'installation d'un toit. Celui-ci peut être construit comme un plancher, puis étanchéifié avec une couche de caoutchouc ou plastique avant d'être recouvert d'une couche attrayante et résistante aux intempéries de tuiles ou métal.

Contrôle qualité

Divers facteurs sont pris en compte pour l'assurance qualité. En raison de l'énorme échelle des gratte-ciels, une petite erreur de positionnement à la base sera amplifiée jusqu'au toit. En plus des instruments de topographie normaux, des dispositifs inhabituels comme des capteurs 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 détectent tout mouvement de terre inattendu causé par l'activité de construction.

Sous-produits et déchets

L'excavation de la fouille de fondation et des niveaux de sous-sol nécessite l'enlèvement d'énormes quantités de terre. Quand les tours jumelles de 110 étages du World Trade Center furent construites à New York au début des années 1970, plus de 765 000 m³ de terre et roche furent enlevés et déversés dans l'Hudson pour créer 95 100 m² de nouvelle terre, sur laquelle un autre gratte-ciel fut plus tard construit.

L'avenir

Des plans ont été développés pour plusieurs nouveaux gratte-ciels qui battraient les records de hauteur existants. Par exemple, un bâtiment de 108 étages au 7 South Dearborn Street à Chicago, prévu pour achèvement en 2004, culminera à 473 m. Il fournira 174 000 m² d'espace clos sur un terrain de seulement 61 m de côté.

En 1956, l'architecte américain Frank Lloyd Wright annonça des plans pour un gratte-ciel d'un mile (1,6 km) où 100 000 personnes pourraient travailler. En 1991, un autre architecte américain, le Dr Eugene Tsui, conçut un bâtiment de 3,22 km offrant espace pour vivre, travailler et se récréer pour 1 000 000 de personnes. Bien que de tels bâtiments puissent être théoriquement constructibles, ils sont actuellement impraticables. Par exemple, le confort humain limite les vitesses d'ascenseurs à 915 m/min maximum. Pour accueillir 100 000 personnes dans la structure proposée par Wright, le nombre de puits d'ascenseurs aurait pris trop grande une portion de la surface du bâtiment.

Les améliorations en technologie d'ascenseurs seront importantes pour les futurs designs de gratte-ciels. Des cabines auto-propulsées sans câbles se déplaçant horizontalement aussi bien que verticalement ont été proposées, mais sont encore en développement. Des systèmes de répartition informatisés utilisant la logique floue pourraient être affinés pour transporter les gens plus efficacement en regroupant les passagers dont les destinations sont proches.