Les Gratteciel d'AHOUANGAN (1)

8/15/2019 Les Gratteciel d'AHOUANGAN (1)

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UNIVERSITE DE LOME ECOLE NATIONALE

SUPERIEURE D’INGENIEURS

EXPOSE DE PGC

THEME : LES GRATTE CIEL

Présenté par : Chargé du cours :

AHOUANGAN Komlan Appélly Dr AMEY B.

Ingénieur Génie civil


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SOMMAIRE

Généralité…………………………………………………………..…..................................1

Introduction ………………………………………………………. …………………………………3

I.)Pourquoi les gratte-ciel ? …………………………………………………………………….4

II.)les procédés généraux de construction d’un gratte-ciel ……………………..4

1.)La conception du gratte ciel………………………………………………………………..4

2.)Les fondations d’un gratte-ciel……………………………………………………………5

3.)La structure………………………………………………………………………………………..6

3.1) les principaux systèmes structuraux de raidissement…………………..8

4.) la construction……………………………………………………………………………….. 19

5.) les façades d’un gratte-ciel…………………………………………………………….. 20

6.) les mesures antisismiques…………………………………………….. ……………….21

III.) L’impacte environnementaux de la construction des grattes ciels…. 22

IV.) Exemple de réalisation d’un gratte ciel en béton armé………………. 22

CONCLUSION………………………………………………………………………………………. 37

REFERENCES………………………………………………………………………………………….37


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Réaliser par AHOUANGAN Komlan Appélly,élève Ingénieur en 5ème année Page 1

Généralité

La construction de gratte-ciel fait des débuts timides à la fin du 19èmesiècle. S’il est difficile d’identifier, et par conséquent de dater, le premier

gratte-ciel construit, il est par contre certain que ce sont les entrepreneurs de

New York et Chicago qui sont les précurseurs dans cet exercice. Malgré la

querelle entre les deux villes, il semblerait tout de même que le premier

immeuble considéré comme un gratte-ciel soit celui d’une compagnie

d’assurance, le Home Insurance Building (10 étages, 42 mètres) achevé à

Chicago par William LeBaron Jenney en 1885. Ce n’est pas tant sa hauteur qui

est remarquable que la technique employée pour le construire puisque c’est la

première fois que la maçonnerie traditionnelle est remplacée par un squelette

de poutrelles en fer (remplacé plus tard par l’acier) qui permet d’alléger la

structure, et donc de construire plus haut qu’auparavant. C’est également

l’invention de l’ascenseur pour le transport des personnes au milieu du 19ème

siècle qui autorise à construire en hauteur puisque cette invention permettait

de s’affranchir des capacités physiques du public (Gottmann, 1966).

Les progrès dans la construction sont rapides et dès 1913, la limite des 200

mètres est dépassée par le Woolwoth Building (57 étages, 241 mètres) à New

York. L’émergence et la diffusion des gratte-ciel est analysée par J. Gottmann

dès 1966. Soulignant que leur fonction principale est d’accueillir des bureaux,

même si certains gratte-ciel sont des résidences ou des hôtels, il explique

l’engouement pour les gratte-ciel par une révolution intellectuelle et sociale : la

transformation d’une grande partie de la main d’oeuvre ouvrière en « cols-

blancs » et la place de plus en plus importante des entreprises de service. Ainsi,les gratte-ciel regroupent les centres décisionnels des grands groupes

économiques au centre des villes et de permettent de densifier l’espace en des

lieux particulièrement recherchés car bien situés. Les skylines qu’ils forment au

coeur des villes sont donc, selon Gottmann (1966) l’expression du besoin de

concentration d’une civilisation compétitive et de la nécessité de maximiser les

contacts (Crouzet, 2003). La crise économique des années 1930, puis la

seconde guerre mondiale ralentiront provisoirement la construction de gratte-

ciel (figure 1). Mais la course vers le ciel reprend de plus belle dans les années


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1960 et surtout les années 1970, stimulée par la concurrence entre Chicago et

New York ; elle sera à peine ralentie par les deux chocs pétroliers successifs. Si

à leur début les gratte-ciel étaient considérés comme exclusifs du paysage

urbain nord américain (Gottmann, 1966), ils se diffusent bientôt hors de leur

berceau, même si les Etats-Unis continueront de dominer dans cet exercice

jusqu’aux années 1990. A partir de cette date, on entre véritablement dans une

logique mondiale et ce sont les pays asiatiques qui se lancent dans la

construction de gratte-ciel, bientôt suivis par les pays du Golfe persique. Ce

sont notamment la Chine et les Emirat Arabes Unis qui mènent désormais la

véritable course à la hauteur (figure 1).

Dans le courant de l’été 2009, un halshs-00598437, version 1 - 6 Jun 2011 3

véritable saut quantitatif a été franchi avec l’achèvement de la Burj Dubai

(rebaptisée depuis Burj Khalifa) qui culmine à 828 mètres (162 étages),

pulvérisant ainsi le précédent record, détenu par la Taipei 101 (Taipei, 509

mètres, 101 étages) de plus de 300 mètres. Mais les choses ne devraient pas en

rester là puisque les architectes auraient déjà dans leurs cartons des projets de

tours de plus de 1000 mètres, dont la « Nakheel tower » (1200 mètres, Dubaï,

Emirats Arabes Unis) et la « Bionic tower » (1220 mètres, Shanghai, Chine) ont

semblé les plus probables jusqu’à la crise économique de 2008-2009.


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INTRODUCTION

Depuis la seconde moitié du XIX siècle, l’exode rural et la nécessaire

densification urbaine des villes due à la raréfaction et au renrechissement du

foncier disponible, assortie de la constitution de grandes structures sociales

telles que les entreprises ; ont menés à nécessité de construire sur peu deterrain, de grandes surfaces de bureaux, de logement, et de commerce.

Néanmoins avec l’arrivé de l’ascenseur, à la fin du XIXe siècle ; la construction

des bâtiments en hauteur est devenue réellement possible.

L’abondance de sujets intéressants dans le domaine des constructions en

hauteur est telle qu’il n’est pas possible de tous les aborder dans cet exposé. Ce

travail porte principalement sur les gratte-ciel construits en béton et est

subdivisé en deux grandes parties. La première partie est consacréeprincipalement aux procédés généraux de construction des gratte-ciel et la

seconde partie à un exemple type de construction.


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I.) Pourquoi les gratte-ciel ?

Mais pourquoi construire en hauteur alors que le coût de construction des

gratte-ciel est plus élevé que ceux d’immeubles de taille plus modeste ?

Plusieurs raisons sont souvent invoquées, relatives aux densités de

populations, à la disponibilité et au coût du foncier. Selon des affirmations

récurrentes mais très discutées (Mc Neil, 2005) ce serait la faible disponibilité

de l'espace qui aurait conduit les entrepreneurs de Manhattan à construire enhauteur. L’aspect fonctionnel des gratte-ciel, on l’a vu, entre également

compte. Ils rassemblent tous les services d'un siège social d'une entreprise ou

des activités complémentaires. Mais, il ne faudrait pas s'arrêter à une

explication technique et utilitaire de la construction de gratte-ciel. Leur rôle est

également symbolique et ils véhiculent « une image positive élaborée sur des

éléments de valorisation architecturale et des éléments sociaux de notoriété »

(Crouzet, 2003). Les gratte-ciel sont donc à la fois un élément symbolique de la

puissance de leurs occupants et une vitrine flatteuse pour les villes et les pays

dont ils témoignent du dynamisme et qui les utilisent comme un outil de

marketing parmi d’autres.

II.)

les procédés généraux de mise en oeuvre d'un gratte-ciel

Avant la mise en œuvre d’un gratte-ciel, comme tout projet de construction,

des études sont obligatoires à faire pour s’assurer de la tenue de l’ouvrage et

de sa réalisation dans les meilleures conditions.


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1 ) La conception du gratte-ciel

Lors de la décision du lancement d'un gratte-ciel et après les premières

définitions du cahier des charges (qui comporte les objectifs à atteindre), le

client effectue un appel d'offre auprès d'architectes dans le monde entier. Leprojet est en effet d'une telle ampleur que rares sont les architectes qualifiés.

Le maître d'œuvre choisit a les principales prérogatives suivantes : l'intégration

de son projet dans l'environnement, la maximisation de l'espace intérieur, la

circulation dans le building et le respect des règles de sécurité. Le bâtiment doit

par exemple posséder une particularité esthétique, permettre une rentabilité

maximale, être suffisamment confortable et résister aux forts vents, aux

incendies et aux séismes.

Les différentes charges et effets prisent en compte dans le dimensionnement

des éléments verticaux et horizontaux lors de la réalisation d’un gratte-ciel sont

les suivantes :

Les charges permanentes qui sont les poids propres des éléments et

d’autres.

Les charges d’exploitations.

Les forces dues aux vents. Les effets différés dus aux fluages et aux retrais du béton

Les effets négatifs pouvant provenir des séismes sur l’ouvrage

2 ) Les fondations d’un gratte-ciel

Un gratte-ciel pèse plusieurs centaines de milliers de tonnes réparties sur unepetite surface au sol. Pour cette raison, il est très important d’effectuer des

études géotechniques afin de pouvoir dimensionner Les fondations qui doivent

pouvoir le soutenir et lui permettre de résister au vent et aux tremblements de

terre. Ainsi la nature du terrain joue un rôle essentiel, le building doit avoir un

point d'ancrage solide. En fonction de la nature du terrain, il peut être

nécessaire de chercher en profondeur des couches solides aptes à soutenir le

bâtiment, les fondations pouvant alors atteindre les 100m de profondeur.


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Nous avons par exemple Manhattan qui est constitué d'un sol entièrement

rocheux, idéal pour la construction et permettant le maintien de tous les

buildings construits. Pour les tours du World Trade Center la roche permettant

de supporter l'édifice était située à une vingtaine de mètres 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 Shanghai en Chine s'affaisse sous la

masse de ses bâtiments (voir image 1). Plus de 3000 immeubles de plus de 17

étages y sont construits engendrant un affaissement du terrain de 1.5cm par an

en moyenne, allant jusqu'à 3cm par an dans le quartier financier. Les environs

du gratte-ciel Jin Mao de 421m connaissent un affaissement annuel de 6.3cm.

La structure du métro et de certains bâtiments est déjà affectée, ce qui nedevrait pas s'arranger avec la construction ou planification actuelle de 3000

autres immeubles et également du plus haut centre financier mondial, avec

492m de hauteur et 101 étages. Le sous-sol de Shanghai est composé de terre

molle sur une épaisseur de 300m, formée de sable et de limon accumulés par le

fleuve Yangtsé depuis plus d'un millénaire. L'affaissement non homogène du

terrain a déjà causé l'effondrement de plusieurs immeubles, et au rythme

actuel Shanghai passera sous le niveau de la mer dans 50 ans. Des mesures

limitant entre autre la construction des gratte-ciel sont en cours d'élaboration,

visant à faire passer le rythme moyen d'affaissement annuel à 0.5cm.

Image 1 : La ville de Shanghai


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3.) La Structure

La structure des gratte-ciel diffère sensiblement de celle des bâtiments

standards. Les bâtiments d'environ 4 étages ne sont soutenus que par leurs

murs là où les gratte-ciel doivent adopter une armature squelettique, les mursétant alors fixés dessus. Les bâtiments de plus de 40 étages doivent en plus

adopter une configuration leur permettant de résister au vent, qui peut exercer

une force considérable. Tous les gratte-ciel ne sont pas semblables, leur

structure pouvant être très différente de l'un à l'autre.

Avant d’opter pour une structure donnée, les différents paramètres rentrant

dans le choix sont les suivantes :

Utilisation prévue

On définit, l’utilisation qui sera faite de chaque étage afin de pouvoir

dimensionner les éléments porteurs verticaux (colonnes ; murs)

Durée de service prévue

On considère une durée de service à moyen terme.

Durabilité de l’ouvrage

On se base sur la durabilité des matériaux utilisés pour déterminer la

durabilité de l’ouvrage.

Système structural

Cette partie définit le nombre d’étage à construire, la descente des charges à

travers les éléments verticaux (colonnes, noyaux), le nombre d’étages de

raidissement à construire.

Description de la construction

On mentionne ici, le matériau à utiliser, l’emplacement de l’ouvrage.

Données géométriques principales

On définit ici, les dimensions de l’ouvrage (hauteur d’un étage, espacement

entre les colonnes etc.). Lors de la construction de gratte-ciel, la hauteur

définitive que doit prendre le bâtiment est souvent tenue secrète. Il faut dire


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qu’il existe différentes manières de calculer la hauteur qui sont stratégiques

dans une logique de course au record. Ainsi, les fiches de renseignements sur

les tours et gratte-ciel donnent souvent les hauteurs « avec antenne » et « sans

antenne » puisque celles-ci peuvent rajouter plusieurs dizaines de mètres à

l’édifice.

Détail de la construction

Cette partie concerne principalement le plan de ferraillage des dalles, leurs

bords, des colonnes et des noyaux.

3.1) Les Principaux systèmes structuraux de raidissement

Les Principaux systèmes structuraux de raidissement que nous distinguons

sont :

Dalles sur murs et/ou colonnes

Couplage de refends

Cadres rigides

Noyau(x)

Interaction murs/noyau(x) et cadres

Noyau(x) et étage(s) de raidissement

Divers systèmes composites

Systèmes tubes

Le but de cette étude des différents systèmes structuraux de raidissement est

la compréhension générale de la problématique de raidissement horizontal

d’une construction en hauteur. Nous allons donc étudier différents systèmes de

raidissement envisageables. Le meilleur moyen de commencer ce parcours des

différents systèmes de raidissement existants est de l’illustrer par la Figure 1 ci-

dessous.


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Figure 1 : Types de stru ctures

Sans faire de séparation entre les structures en béton armé, en acier ou en

construction mixte, la Figure 1 fait état d’une grande partie des systèmes de

raidissement usuels pour des bâtiments de plus de 20 étages. Très claire etschématique, elle montre des vues en plan et en élévation ainsi que l’évolution

du nombre d’étages maximal réalisables pour chaque système. Deux limites «

psychologiques » importantes peuvent être mises en exergue :

Pour des bâtiments de moins de 30 étages, il est possible d’utiliser des

systèmes structuraux composés uniquement de cadres rigides,

métalliques ou en béton armé, ainsi qu’un raidissement uniquement

assuré par des refends. Pour des constructions dont la hauteur est supérieure à 60-70 étages, le

principal groupe de systèmes envisageable est le système en tube. Nous

allons à présent faire un focus sur les structures en béton armé.

3.1.1 ) Dalles sur murs et/ou colonnes

Ce premier groupe de structures transmet les charges horizontales par lesplanchers aux colonnes/murs puis de ces éléments verticaux aux fondations. La


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liaison entre les éléments horizontaux et verticaux doit donc être semi-rigide

afin de ne pas devoir disposer de contreventement supplémentaire.

Pour des bâtiments inférieurs à 10 étages, un système composé

uniquement de planchers-dalles est envisageable. Le comportement estalors celui d’une superposition de cadres semi-rigides.

Pour des constructions de plus de 10 étages, le système composé

uniquement de colonnes comme éléments verticaux, n’est plus suffisant

à conférer la rigidité latérale. Il faut alors en plus disposer des refends

verticaux travaillant comme des poutres en porte-à-faux. Les colonnes

peuvent ainsi être bi articulées, ce qui facilite la mise en œuvre et

simplifie les détails d’armature.

Pour atteindre des hauteurs d’une vingtaine d’étages, une combinaison

des deux systèmes susmentionnés est également possible en tenant

compte des refends et de l’effet cadre introduit par les colonnes. Afin

que l’effet cadre et la transmission des charges horizontales aux refends

puissent être considérés, les éléments verticaux doivent être liés aux

dalles. La rigidité relative des différents éléments déterminera la

contribution des cadres au raidissement latéral par rapport aux refends.

Pour des bâtiments entre 10 et 20 étages, cette participation des cadresà la rigidité latérale n’est que d’environ 15[%], les 85[%] restants étant

assurés par les refends. Soulignons que cet apport supplémentaire de

résistance est très souvent négligé par les ingénieurs tant la complexité

du comportement et des calculs augmente.

3.1.2) Couplage de refends

La différence entre ce système et le précédent est l’interconnexion des murspar des poutres ou des dalles très rigides de manière à ce qu’ils travaillent

ensemble.

La rigidité totale du système est alors supérieure à la somme des rigidités

individuelles des refends. Ce système, composé de refends fonctionnant

comme des porte-à-faux, peut être utilisé pour résister à des charges

horizontales jusqu’à une hauteur d’environ 25 étages.


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Ces refends ainsi couplés auront fréquemment une forme de L ou U constante

sur la hauteur, car cela permet d’y insérer tous les cheminements verticaux

(escaliers, ascenseurs, conduits,…). Contrairement à un simple mur, rigide dans

une seule direction, ce couplage les rend efficaces dans les deux directions

principales.

3.1.3) Cadres rigides

Ce système se compose de colonnes et de dalles rigidement liées. Les dalles

peuvent être assimilées à des poutres si leur épaisseur est suffisante ou si elles

sont composées de sommiers reliant directement deux colonnes. Le système

ainsi composé se comporte comme un cadre permettant de reprendre aussi

bien un effort tranchant qu’un moment de flexion. Ce genre de système estadapté pour des structures jusqu’à 25-30 étages. Coulé en place, le béton

présente donc l’avantage de créer des joints continus. Néanmoins, une

attention particulière devra être portée à la conception des détails afin

d’assurer la rigidité de la liaison au niveau des armatures.

Figu re 2 : Système en cadr es rigides


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3.1.4) Noyau(x)

Dans les bâtiments à étages multiples, des ouvertures centrales permettant les

circulations verticales sont toujours construites. Ces ouvertures sont souvent

utilisées pour des cages d’ascenseur ou d’escaliers ne nécessitantgénéralement pas de lumière naturelle. Il est donc très fréquent de les

construire en béton armé, ce qui crée une structure verticale très rigide

appelée : « noyau ».

Le noyau central est l'élément assurant la rigidité de l'édifice, il parcourt le

bâtiment sur toute sa hauteur. Les efforts exercés par le vent sont retransmis

au noyau par l'intermédiaire d'éléments horizontaux positionnés dans le

plancher des étages. Les gratte-ciel à noyau central peuvent atteindre unehauteur d'une cinquantaine d'étages tout en réduisant l'emprise au sol. Le

doublement voire le triplement de la structure centrale a ensuite permis

d'atteindre des hauteurs d'environ 70 étages. Pour les gratte-ciel plus hauts

plusieurs types de structures existent.

Le World Trade Center (voir image 2) fut par exemple construit sur la base

d'un noyau central additionné d'une ossature extérieure métallique. L'ossature

extérieure entoure la totalité de l'édifice et est reliée aux éléments horizontauxdes planchers par des amortisseurs viscoélastiques, permettant d'absorber les

effets du vent. Cette structure extérieure était préfabriquée puis solidarisée

avec des boulons à haute résistance. Le bâtiment a ainsi été conçu pour résister

à des vents exerçant une force sur les façades supérieure à 200 kilogrammes

par mètre carré. Le déplacement du dernier étage n'est alors que de 28cm.

Image 2 : Construction du World Trade Cent


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Un autre système permettant de dépasser les 100 étages est la structure à

ossature extérieure triangulée, le John Hancock Center à Chicago (voir image 3)

est construit sur ce modèle. Des renforts triangulés sont ajoutés à la structure

extérieure et permettent de renforcer la stabilité de l'ensemble.

Image 3 : le John Hancock Center à Chicago

Une autre structure permettant de dépasser les 100 étages est l'assemblage

d'un ensemble de minces tours, permettant une plus forte solidité, surtout au

niveau de la base. La Sears Tower de Chicago (voir image 4) est construite sur

ce principe. Souvent situé dans la partie centrale de la construction, ce noyau

travaille comme une poutre console encastrée dans les fondations.

Fig ure3 : Système à noyau central


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L’avantage principal de ces structures est la forme du noyau leur permettant de

résister à tous types de charges : verticales, efforts tranchants, moments de

flexion dans les deux directions et torsion. Il reprend donc la majorité des

forces horizontales qui lui sont transmises par l’intermédiaire des dalles jusqu’à

environ 40 étages. Il faudra, pour ces structures, faire attention aux effets

différés du béton, et ce particulièrement si le reste de la structure est en acier.

image 4 : La Sears Tower , Chicago

3.1.5) Interaction murs/noyau(x) et cadres

Ce système est sans conteste le plus utilisé pour la construction de systèmes

résistants aux charges latérales. Il peut aussi bien être appliqué pour des

bâtiments de 10 étages que pour des gratte-ciel jusqu’à 50 étages. L’interaction

des cadres (dalles + montants) et des murs ou noyau(x) a été comprise il y a

déjà longtemps. Le mode d’interaction classique entre les deux systèmes est

illustré à la Figure 4 ci-dessous. Les cadres se déforment principalement aucisaillement tandis que le(s) noyau(x) et les murs répondent, comme des

poutres consoles, avec une déformation à la flexion. La compatibilité des

déformations horizontales produit alors une interaction entre les deux

systèmes. La forme linéaire du diagramme des moments des cadres, combinée

avec la forme parabolique de celui du noyau produisent des déformations qui

engendrent une rigidité accrue du système. Le noyau est retenu dans la partie

haute de la construction de même que les cadres en partie basse.


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Cependant, il n’est pas toujours aussi facile de différencier les deux modes

de déformation à la flexion et à l’effort tranchant. De même que des cadres,

composés de colonnes très rapprochées et de sommiers, se déformeront plus à

la flexion qu’à l’effort tranchant.

Figure 4 : Interact ion n oyau(x)/mu rs et cadres

Les schémas ci-dessus, représentant l’interaction entre les deux systèmes, ne

sont valables que si :

Les rigidités des murs/noyau(x) et des cadres sont constantes sur toute

la hauteur de l’édifice.

En cas de variation des rigidités des murs/noyau(x) et des cadres, la

rigidité relative doit être constante sur toute la hauteur. Dans la

pratique, ces conditions ne sont jamais respectées à cause des besoins

structuraux et fonctionnels du bâtiment ou de critères architecturaux.De plus, un choix de dimensions constantes des éléments sur toute la

hauteur serait très mauvais d’un point de vue économique. Il y aura en

réalité des variations brutales de section et de disposition des éléments

entraînant un comportement différent de celui illustré ci-dessus.

Toutefois, avec la disponibilité des logiciels, il est possible de saisir

l’essentiel du comportement de ces structures.


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3.1.6) Noyau(x) et étage(s) de raidissement

Pour des gratte-ciel dès 50-60 étages, le système précédent n’est

généralement plus suffisant pour assurer seul la stabilité de la structure face

aux actions horizontales. Il est alors proposé ici de créer un ou plusieurs étagesde raidissement :

Situé au sommet de la construction, on l’appellera étage chapeau ou

étage de raidissement en tête/au sommet.

Position quelconque sur la hauteur, on le(s) nommera étage de

raidissement ou étage ceinture.

Le(s) étage(s) de raidissement sont des étages très rigides, sur un ou plusieurs

niveaux, composés essentiellement de murs reliant le noyau aux colonnes.

Cette liaison ainsi créée permet de rigidifier la structure en faisant participer les

montants à la reprise des moments de flexion. Le système est alors composé

d’une poutre console encastrée dans les fondations (noyau) et de

tirants/butons (montants) reliés. Il est également possible de trouver des

étages de raidissement composés de treillis horizontaux.

Dans le cas ou un seul étage de raidissement est disposé, il est possible de

déterminer sa position optimale vis-à-vis des déplacements horizontaux au

sommet.

Système n oyau - étage c hapeau


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Il est difficile de donner une estimation précise du nombre d’étages que l’on

peut atteindre à l’aide de ce système tant les possibilités de variantes sont

importantes. En effet, il serait possible de disposer plusieurs étages deraidissement, ce qui permettrait d’atteindre de grandes hauteurs. Pour des

gratte-ciel de plus de 100 étages, entre 2 et 4 étages ceintures nécessaires, ce

système n’est donc plus optimal en comparaison des systèmes tubes. Les dalles

et les sommiers en béton armé jouent, dans une moindre mesure, le même

rôle que le(s) étage(s) de raidissement. En effet, ils créent un encastrement

semi-rigide à chaque étage en faisant participer les montants à la reprise des

moments de flexion. En pratique, cet effet est souvent négligé tant la

complexité du calcul augmente et les dalles sont souples.

Comme nous l’avons mentionné précédemment, la stabilisation des

structures de grande hauteur par un système noyau(x) et étage(s) de

raidissement comprend une multitude de possibilités.

En effet, avec étage(s) ceinture(s) ou cadres rigides, les moments négatifs

changent de signes en partie haute et se voient nettement diminués en partie

basse.

3.1.7) Divers systèmes composites

Après avoir parcouru les différents systèmes de base ci-dessus, il est

évidemment possible de combiner deux ou plusieurs systèmes afin d’en

obtenir un nouveau avec des caractéristiques et un comportement particulier.

Les deux principaux systèmes composites utilisés sont les suivants :

Système composé d’un ou plusieurs noyaux, d’un ou plusieurs étages de

raidissement et de cadres rigides. Le comportement de ce système

devient alors très complexe et nécessite souvent l’utilisation d’un logiciel

informatique adapté.

Système à noyaux multiples. Utilisé pour des bâtiments de très grande

hauteur.


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3.1.8) Systèmes tubes

Ce dernier système de raidissement horizontal est sans conteste celui qui

permet d’atteindre les hauteurs les plus impressionnantes. Entièrement en

béton armé, il peut supporter et raidir des constructions jusqu’à environ 140étages.

Les principaux systèmes de raidissement tube sont les suivants :

Tube composé de cadres, qui n’est autre que le système composé de

cadres rigides mais avec des colonnes suffisamment rapprochées et des

dalles assez rigides pour que l’effet cadre soit assuré et que le toutfonctionne comme un tube. Le système ainsi créé travaille comme une

poutre en porte-à-faux géante et est très efficace grâce au grand

espacement entre les colonnes de bords (bras de levier). Ce système est

donc particulièrement bien adapté pour des gratte-ciel très élancés.

Tube formé de diagonales extérieures. M. Fazlur Khan, un des

précurseurs de la conception de systèmes statiques pour les bâtiments

de très grande hauteur, a envisagé, dès 1972, la possibilité de construire

des gratte-ciel en Dimensionnement d’un gratte-ciel et Laboratoire de

étude des possibilités de raidissement construction en béton d’une

construction en hauteur Léonard Lopez (Projet Master printemps) - 16 -

Lausanne, le 25.06.2010 béton armé rivalisant en hauteur avec les

traditionnels en acier. C’est alors qu’il a conçu ce système composé de

diagonales extérieures. On peut tout de suite citer ici le principal

exemple de ce type de construction en acier : le John Hancock Tower à

Chicago (image 3). En appliquant les mêmes principes, Khan a alorsconçu une version en béton armé composée de diagonales extérieures

en remplissant l’intervalle entre deux colonnes à chaque niveau, le tout

formant ainsi des diagonales en façades. Les premiers gratte-ciel

utilisant ce système sont apparus quinze ans plus tard avec plus de 60

étages.


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Tubes modulaires, dont le principe est d’assembler deux ou plusieurs

tubes les uns à côté des autres. Il peut être réalisé soit avec des tubes

formés de diagonales extérieures soit avec des tubes composés de

cadres et peut atteindre les 140 étages.

Sys tème en tub es modulaires

4.) La Construction

La construction d'un building sort de l'ordinaire. Les techniques de construction

ne sont pas les même que celles employées pour des bâtiments plus modestes.

On définit au départ la forme, les hauteurs géométries des différents éléments,

hauteurs d’étage,… .

Nous soulignons que les travaux doivent avoir lieu tout en garantissant la

sécurité des ouvriers. Les étapes de construction sont les suivantes :

Travaux de terrassement.

Gros œuvre.

Clos et couvert.

Travaux de parachèvement

Le matériel est fixé sur le building et monte avec lui, on a donc un

déplacement en hauteur du chantier. Ainsi les grues sont fixées soit sur le


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noyau central, soit à l'extérieur sur des échafaudages. De plus les matériaux de

construction doivent être acheminés en haut du bâtiment au fur et à mesure.

Construction de l'Empire State Building (image 5), Construction du World Trade

Center (image 2). Dans le cas d'un bâtiment à noyau en béton, un coffrage

itinérant est installé, s'appuyant au fur et a mesure de l'avancement sur ce qui

est déjà réalisé. Le béton est ensuite coulé à l'intérieur du coffrage. La vitesse

d'avancement est d'au maximum un étage par jour.

Les matériaux sont de plus choisis en fonction des disponibilités dans le

pays de construction, et les méthodes de construction ont beaucoup évoluées

avec le temps: la découverte de nouveaux matériaux et de nouvelles

techniques permettant de construire toujours plus haut. L'amélioration des

liaisons entre les matériaux a permis le passage d'une quinzaine d'étages à la

fin du 19ème siècle à une quarantaine dans les années 30. L'ossature en acier

est utilisée jusqu'aux années 50, le béton armé faisant alors son apparition et

permettant la conception de structures avec un noyau central.

Image 5 : Construction de l'Empire State Building

5.) Les façades d’un gratte-ciel

Les façades d'un building sont les reflets du style du bâtiment. Au début du

20ème siècle les architectes préféraient laisser bien visibles les poteaux ou

autres structures fonctionnelles, montrant la maîtrise de la technique. Des

poteaux puissants et espacés montraient par exemple le contrôle d'énormesefforts. La couleur était aussi employée pour mettre en valeur certaines parties


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du bâtiment au détriment d'autres. A cette époque le métal et la pierre étaient

les principaux matériaux utilisés pour le revêtement des façades, puis vinrent la

céramique pour des teintes plus claires et des alliages de bronze (utilisés par

exemple sur le Seagram construit en 1958 à New York) permettant des effets

de miroitement. Par la suite les éléments structuraux ont été cachés et les

façades furent recouvertes de revêtements lisses et uniformes, constitués de

verre et d'aluminium, conçus par feuilletage pour être de bons isolants et allant

jusqu'à créer des effets de lumière suivant la position du Soleil. La tour

Seagram (voir image 6).

image 6 : La tour Seagram

6.) Les mesures antisismiques

Les gratte-ciel les plus hauts ne possèdent pas de noyau central en béton armé,

la raison vient du manque de souplesse de ce type de matériau. Il est

nécessaire d'avoir un minimum d'élasticité permettant aux buildings de cette

dimension d'absorber les vibrations sans casser, ce qui est fourni entre autre

par les matériaux métalliques. Des tests sismiques sont réalisés lors de la

construction pour valider le choix de la structure. Un des tests principaux est la

création d'une maquette pouvant atteindre 10m de hauteur et subissant toutes


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sortes de simulations sismiques. Notons que l’installation d’une boule sur un

gratte-ciel est destinée à capter les vibrations en cas de séisme.

III.) L’impacte environnementaux de la construction des

grattes ciels

Les grands immeubles dépassants les 100m poussant comme des

champignons dans le monde, créent une interaction entre les chaines de

montagnes qui font partis de l’écosystème terrestre.

Ils mettent la planète dans un état de déséquilibre, provoquant ainsi les

tsunamis et les séismes. Elles favorisent la densification urbaine et contre l’étalement urbaine.

IV.) Exemple de réalisation d’un gratte ciel en béton armé

1)

Structure du gratte-ciel

Ce projet se base sur l’un des gratte-ciel récemment construits à Madrid, la

tour Sacyr Vallehermoso, Elle a servi de point de départ pour la définition de la

forme ainsi que pour les hauteurs, géométries des différents éléments,

hauteurs d’étage,…

1.1 Structure adaptée pour ce projet

1.1.1 Description de la construction

Réalisation d’un gratte-ciel en béton armé de 64 étages et 6 sous-sols d’une

hauteur totale hors sol de 260[m]. Il sera réalisé au coeur de la ville de Madrid

en milieu urbain. Le bâtiment est tri-circulaire avec un diamètre maximal

d’environ 45m. Les hauteurs d’étage sont constantes et mesurent 4m. L’étage

chapeau n’est autre que le dernier étage et a donc également une hauteur de

4m. Les éléments verticaux se composent du noyau (6 refends en U) et des

colonnes (57 par étage). La trame des éléments verticaux est constante et


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régulière sur tous les niveaux hors sol excepté pour l’étage chapeau. Le sol de

fondation est de bonne qualité, classe de sol B selon les normes SIA (2003).

1.1.2 Utilisation prévue

L’utilisation des différents niveaux du gratte-ciel est la suivante :

Étages

Utilisation

(catégorie

selon

la norme SIA

261)

Exigence d’utilisation Charges utiles

et permanentes

Toiture

plate)

Toiture nonaccessible (H)

•

Accessibilité uniquementpourdes travaux de maintenance

• Isolation thermique

• Étanchéité

• Système d’évacuation des

eaux (vers des puits)

Charge utile :

qk = 0.4 KN/m²chargepermanente :

g = 1,5 KN/m²

64ème

étage

(étage

chapeau)

Surfaced’entreposage et defabrication (E)

•

Isolation sonore accrue

• Isolation thermique

• Protection contre les

vibrations

• Ventilation et climatisation

• Installation d’une protection

contre les incendies(détecteurs de fumée,

sprinklers,…)

Charge utile :

q = 10 KN/m²chargepermanentes :g = 5,25KN/m²

63ème

étage -

42ème

étage

Bureaux (B)

• Isolation sonore et thermique


• Apport naturel de lumière

• Installation d’une protection

contre les incendies(détecteurs de fumée,sprinklers,…)

Charge utile :q = 3KN/m²chargespermanentes :g = 1,5KN/m²

Hôtel

• Apport naturel de lumière

• Accès possible aux

Charge utile :

q = 2KN/m²


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41ème

étage

-

Rez

(Surfacesd’habitation A1)

personnesen situation d’handicap


• Isolation sonore et thermique

•

Installation d’une protection contre les incendies(détecteurs de fumée,sprinklers,…)

chargespermanentes :g = 2,75KN/m²

Tableau 1 :Char ges et af fec tati on des étages

1.1.3) Durée de service prévue

On considère une durée de service à moyen terme d’environ 50 ans.

1.1.4) Durabilité de l’ouvrage

On considère pour ce projet une durée d’utilisation moyenne pour la structure

porteuse en béton armé de 100 ans. Ces éléments ne devront pas être remis en

état durant la durée de service. Par contre, les éléments non porteurs et de

protection tels que les façades, l’étanchéité ou les revêtements auront unedurabilité de 25 ans. La structure devra être entretenue convenablement

durant toute la durée d’exploitation. L’entretien inclut entre autre le

remplacement de certaines parties de l’ouvrage en cas de nécessité

(étanchéité, toiture, façades,…). Le système d’évacuation des eaux doit être

facilement accessible et ne doit garantir aucune accumulation d’eau sur la

toiture grâce à une pente vers les puits d’évacuation.

1.1.5) Système structural

• Le gratte-ciel se compose de 64 étages, 1 étage chapeau et 6 sous-sols pour

une hauteur totale hors sol de 260[m]. La totalité de l’édifice sera réalisée en

béton armé.

• On admet pour ce projet que les 6 sous-sols encastrent le gratte-ciel à sa

base.

• Les colonnes sont admises bi-encastrées entre deux niveaux.


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• Le noyau est continu à travers les différents niveaux de manière à servir de

contreventement.

• La descente de charge se fait à travers les éléments verticaux (noyau et

colonnes).

• L’étage de raidissement a une très grande rigidité qui permet d’améliorer

grandement le comportement du gratte-ciel face aux forces horizontales. En

effet, il introduit un couple de force dans les colonnes auxquelles il est lié

Prin cipe de fon cti on nem ent de l'étage chapeau

1.1.6) Données géométriques principales• Bâtiment tri-circulaire avec un diamètre maximal d’environ 45[m].

• Distance entre les colonnes d’environ 7[m].

• Hauteur d’étage brute de 4[m].

• L’épaisseur des dalles et le type de béton utilisé varient en fonction de

l’affectation des étages.


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• Les colonnes sont réparties en 3 catégories: de bords, centrales, intérieures

(voir figure 1)

• Les dimensions des éléments verticaux diminuent avec la hauteur, de même

que la classe de béton utilisée.

• Les dalles sont percées de 12 ouvertures en partie centrale (Figure 2).

Figure 1 : Différents types de colonnes


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Ouvertures dans les dalles ( f igure 2)

1.1.7) Matériaux de construction

Les matériaux utilisés sont le béton et les armatures en aciers. Notons que la

classe des bétons varie suivant l’étage à construire.


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Béton

Armature en acier

Année Type

Limite

d’écoulement

Fsk [N/mm2]

Module

d élasticité

Es [N/mm2]

Coefficient

de

dilatation

thermique

aT [1/°C]

Poids

volumique

γs

[kN/m3]

2010 B500B 500 205000 10⋅ 10-6 78.5

1.1.8) Détails de construction

• Bords de dalles réalisés à l’aide d’épingles.

• Dalles sans armature d’effort tranchant.

• Têtes de poinçonnement en acier disposées dans les dalles en cas de besoin.

• Armature verticale du noyau impérativement continue sur toute la hauteur

de l’édifice.

Année Type

Résistance

à

la

compression

fck [N/mm2]

Module

d élasticité

Ecm [N/mm2]

Coefficient

de

dilatation

thermique

aT [1/°C]

Poids

volumique

γb

[kN/m3]

2010 C30/37 30 32000 10 ⋅ 10-6 25

2010 C40/50 40 36400 10 ⋅ 10-6 25

2010 C50/60 50 38700 10 ⋅

10-6 25 2010 C75/90 75 43620 10 ⋅ 10-6 25


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1.1.9) Procédé d’exécution

Nous soulignons que les travaux doivent avoir lieu tout en garantissant la

sécurité des ouvriers. Les étapes de construction sont les suivantes :

• Travaux de terrassement.

• Gros œuvre.

• Clos et couvert.

• Travaux de parachèvement.

1.2.) Charges de vent

Les charges du vent appliquées augmentent avec la hauteur du bâtiment. Nous

avons :

Etage q total(KN/m²)

Toiture – 48 3,625

47 - 32 3,2531 - 16 3,125

15 - rez 1,625

1.3 ) Système de raidissement du gratte-ciel

Le système de raidissement de ce gratte-ciel est composé d’un noyau central,

de piliers bi-encastrés et d’un étage chapeau. Le nombre de colonnes et les

dimensions du gratte-ciel ne permettaient pas d’avoir un système uniquement

composé de cadres rigides pour assumer seul la stabilité de la construction. En

effet, il devient trop souple mais surtout économiquement injustifié et doit

alors être rigidifié par un noyau et un étage de raidissement.


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En résumé, on devra étudier une interaction noyau-cadres, le tout avec

l’ajout d’un étage de raidissement tel qu’illustré à la Figure 18. On a donc 6

colonnes centrales et 30 colonnes de bords liées directement à l’étage de

raidissement. Les colonnes restantes sont quant à elles liées à cet étage par

l’intermédiaire des dalles en fonction de leur rigidité propre. Les ouvertures

possibles à l’intérieur des murs de l’étage de raidissement ne sont pas prises en

considération. Elles auraient comme effet une légère réduction de la rigidité de

l’étage ceinture.

Étage de raidissement du gratte-ciel


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La figure ci-dessus montre un étage de raidissement sur deux niveaux. Le butde cette modélisation est de créer un étage très rigide afin de se rapprocher aumieux de certaines modélisations théoriques avec étage ceinture infinimentrigide.

Les colonnes ont été modélisées par des éléments de type poutre. Leurs

condition d’appuis sont bi-encastrées de sorte que l’effet cadre puisse être

mobilisé. Il faudra bien entendu s’assurer, lors du dimensionnement, que les

détails d’armature puissent reprendre les moments et efforts tranchants

introduits.

Modélisations 3D, colonnes

1.4) Noyau

Les murs du noyau sont modélisés par des éléments verticaux de type coque.

Ils sont continus sur toute la hauteur de l’édifice afin de pouvoir reprendre un

moment de flexion et un effort tranchant


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Modélisations 3D, noyau

1.5) Dalles

Les dalles sont des éléments horizontaux de type coque. À cause des

problèmes de maillage rencontrés, nous avons choisi de les modéliser de la

façon suivante

Modélisations 3D, dalles

Les ouvertures centrales sont restées identiques, avec les murs du noyau les

traversant. Par contre, les trois petits évidements en bord de dalle ont été

supprimés. Cette nouvelle forme permet d’augmenter la taille des éléments du

maillage et donc de diminuer fortement le nombre d’élément total. Le temps

de calcul devient alors nettement plus raisonnable, environ 2h pour la structure

complète, tout en gardant un comportement général très proche de la réalité.

Le Tableau 5 donne les dimensions réelles des dalles pour ce projet, à savoir

300mm.

1.6) Appuis

L’appui disposé sous toute la surface de la dalle du rez-de-chaussée est de type

appuis surfacique. Dans tout ce projet, ils ont considérés le bâtiment comme

encastré à sa base, dans les sous-sols. Ils ont donc bloqués tous les degrés de

liberté en déplacement


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1.7) Étage de raidissement

L’étage de raidissement est l’élément que nous allons déplacer afin de

connaître sa position optimale vis-à-vis des déplacements sommitaux. Les

dalles et les murs le composant sont des éléments de type coque dont les

dimensions sont données au Tableau 6.


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La figure ci-dessus montre un étage de raidissement sur deux niveaux. Le but

de cette modélisation est de créer un étage très rigide afin de se rapprocher au

mieux de certaines modélisations théoriques avec étage ceinture infinimentrigide.

La charge de vent, appliquée en bord de dalle, a été modélisée selon une seule

direction en additionnant les pressions et dépressions telle que l’illustre la

figure ci-dessous.

Modélisations 3D, charges de vent en bords de dalles

Un coefficient de chargeψ = 1 a été appliqué, car c’est le calcul des

déformations à l’ELS.


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LES VUES DE QUELQUES VILLES

Vue de Hong-Kong Vue de Singapour

La tour bionique (pour le futur)


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CONCLUSION

Comme nous avons pu le constater, la montée des gratte-ciel n'a jamais

cessé depuis la fin du 19éme siècle. Des nouvelles techniques de fabrication,

associées à de nouveaux matériaux, ont toujours permis aux architectes

d'imaginer des bâtiments à chaque fois plus ambitieux, et la volonté de

l'homme donne les moyens de les réaliser.

Aujourd'hui les gratte-ciel les plus hauts atteignent les 500m, mais d'autres

sont en préparation défiant toute imagination. Peut-être que dans 100 ans nos

petits enfants regarderont les gratte-ciel de la fin du 20ème siècle de la

manière dont nous percevons actuellement les premiers hauts bâtiments de la

fin du 19emesiècle.


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REFERENCES :

Travail de Master de LOPEZ, dimensionnement d’un

gratte-ciel en béton.

Site Web.

Les Gratteciel d'AHOUANGAN (1)

Documents

Transcript of Les Gratteciel d'AHOUANGAN (1)