Extrait du document

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 de terrain, 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 consacrée principalement aux procédés généraux de construction des gratte-ciel et la seconde partie à un exemple type de construction.

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Plan du document :

I. Pourquoi les gratte-ciel ?

II. Les procédés généraux de construction d'un gratte-ciel

     1. La conception du gratte-ciel
     2. Les fondations d'un gratte-ciel
     3. La structure
     4. La construction
     5. Les façades d'un gratte-ciel
     6. Les mesures antisismiques

III. L'impact environnementaux de la construction des grattes ciels

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

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 de terrain, 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 consacrée principalement aux procédés généraux de construction des gratte-ciel et la seconde partie à un exemple type de construction.

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 en hauteur. 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 construction 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.

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. Le projet 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 au 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 une petite 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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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 murs étant 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.

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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 oeuvre.

• 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 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.

 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'énormes efforts. La couleur était aussi employée pour mettre en valeur certaines parties 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).

 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 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'impact environnementaux de la construction des grattes ciels

• Les grands immeubles dépassants les 100m poussant comme des champignons dans le monde, créent une intéraction entre les chaines de montagnes qui font partis de l'écosystème terrestre.

• Ils mettent la panète 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 ... 

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Conclusion

Comme nous avons pu le constater, la montée des gratte-ciel n'a jamais cessé depuis la fin du 19ème 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. 

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> Voir aussi les procédés généraux de construction des quais 

> Mais également les procédés généraux de construction des barrages hydroélectriques

> Et aussi les procédés généraux de construction des échangeurs autoroutiers

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