A)Les deux grands types de structure

Publié le 26 février 2007 par takemehigher

Ce sont essentiellement les forces latérales (c'est-à-dire la pression du vent) qui, en raison de sa hauteur titanesque, menacent la stabilité d'un gratte-ciel. « Si une conception appropriée ne venait pas contrecarrer ces forces, un bâtiment haut glisserait sur sa base, tournerait autour de son axe, se mettrait à osciller de manière incontrôlée, fléchirait excessivement ou se casserait en deux » (Jonathan B. Tucker dans Hight Technology, Vol 5). Mais le problème est qu'au-delà de 15 à 20 étages une structure traditionnelle en béton armée ne suffit plus pour faire tenir un immeuble : les ingénieurs ont donc dû trouver d'autres solutions. Ainsi on distingue deux grands types de structures : à noyau central et en tube

I) La structure à noyau central

Depuis l'entre deux guerres jusque à la fin des années soixante, les immeubles de grandes hauteurs étaient presque tous construits sur le même plan général interne.

Celui-ci repose sur l'existence d'un massif noyau de béton armé au coeur du bâtiment ; c'est-à-dire un énorme pilier creux en béton consolidé, ou armé, de dizaines de poutrelles d'acier qui renforcent la structure. A l'intérieur de cette ossature sont logés les dizaines d'ascenseurs, d'escaliers de secours, d'arrivées d'eau qui desservent l'édifice.

La Tour Montparnasse en construction : le noyau central est bien visible. A mi- hauteur on remarque les étages fixés à ce noyau. La façade, elle, n'a pas encore été posée.

Le noyau central est théoriquement capable de soutenir l'intégralité de la charge de l'immeuble. En effet, à chaque niveau quatre larges poutres partent de chaque angle du noyau : elles sont destinées à porter le plancher de l'étage. Ces quatre poutres, formées dans la plupart des cas d'un cour métallique entouré d'une épaisse membrane de béton, sont d'épaisseur décroissante à partir de leur fixation au noyau jusqu'à leur extrémité en bordure de la façade. Ainsi elles font en général 1 m à 1,5 m à leur base et moins d'un demi mètre à leur extrémité ; leur épaisseur est cachée dans les faux plafonds qui sont très épais pour cette raison. Afin que l'ensemble soit parfaitement rigide, les extrémités de ces poutres sont elles même reliées, ou suspendues, à une poutre supérieure longeant la façade. C'est d'ailleurs sur ces poutres de jonction qu'est fixée la paroi isolant le milieu intérieur du milieu extérieur : autrement dit la façade en elle-même. Enfin par dessus cet assemblage des quatre poutres majeures reliées à leurs extrémités par quatre autres poutres de jonction, est posé le plancher de l'étage composé d'un assemblage de poutrelles (reliant les poutres principales) noyé dans une dalle de béton d'une bonne trentaine de centimètres.

C'est pourquoi la noyau central soutient à lui seul tout l'immeuble et chaque étage est indépendant de son antagoniste. Le noyau supporte donc l'ensemble de forces physiques, qu'elles soient verticales, autrement dit le poids de chaque étage transmis au noyau par les quatre fameuses poutres. Ou qu'elles soient horizontales, c'est-à-dire la poussée du vent et les frottements de l'air qui s'exercent contre la paroi. Or nous avons vu que cette paroi est fixée à chaque étage sur les poutres de jonction : la conséquence est donc une transmission à chaque niveau de ces forces horizontales au noyau par l'intermédiaire du plancher.
En cela, chaque étage est réellement suspendu au noyau, les murs entre les différentes pièces n'étant la plupart des cas que de simples cloisons sans aucune fonction physique dans l'immeuble. En général le noyau occupe moins de 20 % de la superficie de chaque étage.

Avantages :

- Le fait d'avoir une ossature de béton centrale permet au gratte-ciel d'être beaucoup plus sûr grâce à sa rigidité mais surtout grâce à sa résistance quasi illimitée face à un incendie ; au contraire d'une structure majoritairement formée de métaux pouvant fondre en cas d'incendie : c'est d'ailleurs ce qui s'est passé le 11 Septembre dans les Twins Towers.

- L'autre avantage est une emprise au sol bien moindre que celles des gratte-ciel en tubes. En effet avec le principe du noyau central, seul celui-ci aura des fondations très profondes, les piliers secondaires eux prendront racines à des profondeurs bien moindres (20 m environ).

Inconvénients :

- Avec ce système de structure la hauteur de l'immeuble est limitée à une soixantaine d'étages (200 à 250 m). Le problème n'est pas technique car on pourrait très bien monter plus haut, mais ce serait au détriment de la rentabilité économique puisque le noyau central (s'élargissant proportionnellement à la hauteur) prendrait alors une superficie considérable atteignant peut-être 40 % de la superficie d'un étage. C'est d'ailleurs le cas de L'Empire State Building qui, culminant à 381 mètres de haut ne serait aujourd'hui plus considéré comme économiquement viable avec son noyau occupant 30 % de la surface.

- Mais ce type de structure est aussi beaucoup plus chère puisqu'il va de soit qu'il faut des quantités phénoménales de béton à des prix bien plus élevés qu'une légère ossature métallique.

II- La structure en tube

Ce système avec une répartition des forces sur le périmètre extérieur fut mis au point au milieu des années soixante par les ingénieurs M. Goldsmith et F. Khan de l'agence SOM (cf : les deux grandes agences d'architecture). Cette avancée est clairement la plus spectaculaire dans l'histoire des gratte-ciel car elle permit de considérablement augmenter leur hauteur.

Dans la structure en tube le rôle structurel dévolu au noyau est en partie reporté sur l'ossature extérieure de l'édifice : celle-ci n'a plus seulement un rôle d'isolant du milieu intérieur mais aussi celui de rigidifier. En effet, au lieu d'être simplement en aluminium, la façade est ici une sorte de colossal mur porteur d'acier dans lequel passent de nombreux piliers qui prennent pieds des centaines de mètres plus bas directement dans le sol. C'est donc pour cela que ce type de structure est appelé « tube » car le bâtiment se comporte comme un gigantesque tube creux. Rigidifiée, la façade peut donc supporter l'ensemble des forces verticales, c'est à dire la pression du vent, puis, elle transmet ces charges aux fondations.

Libéré des forces horizontales, il n'y a plus qu'à supporter les forces verticales : le poids de l'immeuble. Pour cela, ce sont simplement des piliers métalliques qui soutiennent chacun une partie du poids de l'étage du dessus ; ce qui permet d'avoir une organisation beaucoup plus libre qu'avec un noyau central car la localisation des piliers s'adaptera au plan que l'on veut donner. Néanmoins pour des raisons pratiques, il existe toujours un noyau central qui sert à loger les ascenseurs, cages d'escaliers mais sans rôle physique. Puis, il n'y a plus qu'à relier les piliers par des poutrelle métalliques et y disposer le plancher : une étroite dalle de béton.

La structure en tube a en fait très vite évolué à cause de son principe même. En effet, en construisant en 1970 le World Trade Center, premier très haut gratte-ciel en tube, on s'est très vite aperçu que pour supporter les forces verticales qui s'exercent sur la façade, il a fallu faire traverser celles-ci par une trame formée d'une multitude de colonnes. La poussée prévue du vent était de 200 kilogrammes par m² de paroi et ce afin de minimiser les risques sur toute la hauteur de l'immeuble, il a fallu poser pas moins de 59 piliers par coté. Cela s'est alors fait au détriment du parement de vitres de la façade et de son esthétique.

Sur cette photo du sommet d'une des tours du World Trade Center la façade traversée de colonnes est bien visible. On comprend alors en quoi elles surplombent la paroi.

C'est pourquoi les ingénieurs ont rapidement fait évoluer ce type de structure, notamment grâce à des raidisseurs triangulaires qui permettent de faire disparaître de nombreuses colonnes. C'est le cas du John Hancock Center, comtemporain des Twins :

Avantages :

- La construction à ossature métallique est très économique par rapport au béton, et de plus permet un considérable gain d'espace disponible pour l'occuper.

- Avoir une ossature en métal permet d'énormément réduire la masse de l'immeuble. Le gratte-ciel sera alors bien plus léger et pourra par conséquent s'élever plus haut encore.

- Toujours grâce à sa légèreté (par rapport au système à noyau central) cette structure permet de bien mieux résister aux séismes.

Inconvénients :

- Le métal est extrêmement sensible à la chaleur. Le 11 septembre 2001 dans le World Trade Center, les poutres ont dû faire face à une chaleur atteignant 1 000°C à cause du kérosène des avions : il leur aura fallu à peine une heure pour entièrement fondre.

- L'autre inconvénient de taille est la superficie prise par les fondations. Ici les fondations ne sont pas formées d'un pilier central mais de centaines de petits piliers ; la conséquence est donc la nécessité de creuser un trou non seulement profond mais aussi extrêmement étendu. Ainsi, les fondations des tours jumelles du World Trade Center s'étendaient sur 440 000 m².

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