L’immeuble de grande hauteur est généralement défini comme un immeuble dont la hauteur dépasse la hauteur maximale à laquelle les gens sont prêts à monter à pied ; il nécessite donc un transport vertical mécanique. Il s’agit d’une gamme assez limitée d’utilisations de bâtiments, principalement des appartements résidentiels, des hôtels et des immeubles de bureaux, mais aussi parfois des commerces et des établissements d’enseignement. Un type qui est apparu récemment est le bâtiment à usage mixte, qui contient des quantités variables d’espace résidentiel, de bureau, d’hôtel ou commercial. Les immeubles de grande hauteur sont parmi les plus grands bâtiments construits, et leurs coûts unitaires sont relativement élevés ; leurs fonctions commerciales et de bureau exigent un haut degré de flexibilité.

Fondations

Les fondations des immeubles de grande hauteur supportent des charges très lourdes, mais les systèmes développés pour les immeubles de faible hauteur sont utilisés, bien qu’à plus grande échelle. Il s’agit notamment de colonnes de caissons en béton qui s’appuient sur la roche ou qui sont construites sur la roche exposée elle-même. Les pieux porteurs et les fondations flottantes sont également utilisés.

Systèmes structurels

Charges de vent

Les systèmes structurels des grands bâtiments doivent supporter les charges gravitationnelles verticales, mais les charges latérales, telles que celles dues au vent et aux tremblements de terre, sont également une considération majeure. Les forces maximales du vent à l’intervalle de 100 ans varient considérablement selon les endroits ; à l’intérieur des continents, elles sont généralement d’environ 100 kilogrammes par mètre carré (20 livres par pied carré) au niveau du sol. Dans les zones côtières, où se produisent des tempêtes cycloniques telles que les ouragans et les typhons, les forces maximales sont plus élevées, allant jusqu’à environ 250 kilogrammes par mètre carré (50 livres par pied carré). Les forces du vent augmentent également avec la hauteur du bâtiment pour atteindre une valeur constante ou un gradient, car l’effet du frottement au sol diminue. La force maximale du vent dans les bâtiments de grande hauteur est d’environ 840 kilogrammes par mètre carré (170 livres par pied carré) dans les zones de typhons.

L’effet des forces du vent sur les bâtiments élevés est double. Un bâtiment élevé peut être considéré comme une poutre en porte-à-faux dont l’extrémité fixe est au sol ; la pression du vent sur le bâtiment le fait plier avec une déviation maximale au sommet. En outre, l’écoulement du vent devant le bâtiment produit des tourbillons près des angles du côté sous le vent ; ces tourbillons sont instables et, toutes les minutes environ, ils se brisent sous le vent, en passant alternativement d’un côté à l’autre. Le changement de pression lorsqu’un tourbillon se brise confère une oscillation, ou un mouvement périodique, au bâtiment perpendiculairement à la direction du vent. Ainsi, sous l’effet des forces du vent, une structure de grande hauteur doit répondre à plusieurs critères de performance. Le premier critère est la stabilité – le bâtiment ne doit pas basculer ; deuxièmement, la déflexion, ou mouvement latéral au sommet, ne doit pas dépasser une valeur maximale (généralement fixée à 1/500 de la hauteur) afin d’éviter d’endommager les éléments fragiles du bâtiment tels que les cloisons ; et troisièmement, le mouvement d’oscillation dû à l’érosion tourbillonnaire ne doit pas être facilement perceptible par les occupants du bâtiment sous la forme d’une accélération, généralement exprimée en fraction de la gravité, ou g. Le seuil de perception du mouvement latéral varie considérablement selon les individus ; une petite proportion de la population peut percevoir 0,003 g ou 0,004 g. La recommandation pour la perception du mouvement est de limiter l’accélération à 0,010 g pour les forces de vent qui se reproduiraient à intervalles de 10 ans. Le quatrième critère concerne la période naturelle de la structure du bâtiment. Il s’agit de la période de vibration à laquelle les mouvements de balancement en porte-à-faux du bâtiment se renforcent naturellement et peuvent devenir suffisamment importants pour endommager le bâtiment ou même provoquer son effondrement. La période naturelle du bâtiment doit être inférieure à une minute, qui est la période de vibration due à l’effacement des tourbillons du vent.

Charges sismiques

Les forces sismiques ou tremblements de terre, contrairement aux forces du vent, sont généralement confinées à des zones relativement petites, principalement le long des bords des plaques continentales qui se déplacent lentement et qui forment la croûte terrestre. Lorsque des mouvements brusques des bords de ces plaques se produisent, l’énergie libérée propage des ondes à travers la croûte ; ce mouvement ondulatoire de la Terre est transmis aux bâtiments qui reposent sur elle. Les bâtiments à ossature en bois sont légers et flexibles et sont généralement peu endommagés par les tremblements de terre ; les bâtiments en maçonnerie sont lourds et fragiles et sont susceptibles de subir des dommages importants. Les charpentes continues en acier ou en béton armé se situent entre ces deux extrêmes dans leur réponse sismique, et elles peuvent être conçues pour survivre avec relativement peu de dommages.

Lors de deux tremblements de terre majeurs impliquant un grand nombre d’immeubles de grande hauteur, à Los Angeles en 1971 et à Mexico en 1985, les accélérations latérales dues aux mouvements du sol dans un certain nombre d’immeubles de grande hauteur ont été mesurées à l’aide d’accéléromètres et se sont avérées être de l’ordre de 0,100 à 0,200 g. À Los Angeles, où la période des ondes sismiques était inférieure à une seconde, la plupart des immeubles de grande hauteur à ossature en acier ont bien résisté et ont subi relativement peu de dommages ; les ossatures continues en béton ont aussi généralement bien résisté, mais il y avait une fissuration considérable du béton, qui a été réparée plus tard par l’injection d’un adhésif époxy. À Mexico, cependant, la période des ondes sismiques était assez longue, de l’ordre de quelques secondes. Elle s’approchait de la fréquence naturelle de nombreuses structures hautes, induisant de grands mouvements latéraux qui ont conduit à leur effondrement. Sur la base de cette expérience, la détermination des critères de performance sismique des bâtiments implique la résistance latérale à des forces de 0,100 à 0,200 g et la prise en compte de la période naturelle du bâtiment par rapport à la période des ondes sismiques qui peuvent être attendues dans la localité. Un autre facteur important est la ductilité de la structure, la flexibilité qui lui permet de se déplacer et d’absorber l’énergie des forces sismiques sans subir de graves dommages. La conception des bâtiments pour les forces sismiques reste cependant un sujet complexe, et de nombreux autres critères importants entrent en jeu.

Classification des systèmes structurels

Les types de structures utilisées pour les immeubles de grande hauteur doivent répondre aux critères de performance en matière de charges latérales décrits ci-dessus, et ils doivent être raisonnablement efficaces dans l’utilisation des matériaux et d’un coût raisonnable. La structure de grande hauteur la plus efficace répondrait aux critères de charge latérale en n’utilisant pas plus de matériaux que ceux qui seraient nécessaires pour supporter la seule charge de gravité du bâtiment ; en d’autres termes, elle n’aurait pas de prime pour la hauteur. Ce critère économique d' »absence de surprix pour la hauteur » a conduit à une classification des structures de grande hauteur, chacune d’entre elles ne présentant qu’un faible surprix pour une gamme de hauteur donnée.

Les structures de grande hauteur commencent au niveau le plus bas avec la structure rigide en acier et en béton. Une partie ou la totalité des joints entre les poutres et les colonnes sont assemblés de manière rigide en soudant l’acier ou en coulant le béton sur place, et la résistance latérale est assurée par les joints rigides ; ce système peut s’élever à environ 90 mètres (300 pieds) avec une faible prime. Le type suivant est la structure rigide avec une poutrelle de cisaillement verticale en acier ou un mur de cisaillement en béton pour fournir une plus grande rigidité latérale ; ce système a une portée de 38 à 150 mètres (125 à 500 pieds). La structure tubulaire à ossature en acier et en béton apporte plus de charge de gravité et plus de matériaux structurels aux colonnes rapprochées du périmètre du bâtiment, ce qui augmente encore la rigidité latérale ; ce type est raisonnablement efficace de 38 à 300 mètres (125 à 1 000 pieds) de hauteur. Le tube à treillis avec colonnes intérieures, qui peut également être réalisé en acier et en béton, introduit des contreventements diagonaux sur tous les côtés du périmètre du bâtiment. Ces contreventements supportent également les charges de gravité et augmentent encore la rigidité latérale, ce qui en fait une structure à faible coût pour une hauteur de 240 à 360 mètres (800 à 1 200 pieds). Le tube en faisceau, qui se compose d’un certain nombre de tubes encadrés reliés entre eux pour une rigidité latérale encore plus grande, commence à être pratique à environ 75 mètres (250 pieds). C’est la forme de la structure en acier utilisée pour la tour Sears (aujourd’hui Willis) à Chicago. Au-delà de cette hauteur, il existe un autre système qui semble avoir une faible prime : la supercadre. Dans cette structure, une grande partie de la charge de gravité du bâtiment, et donc de ses matériaux, est amenée à un tube de super-cadre contreventé en diagonale au périmètre par des fermes de transfert intérieures de diverses configurations. Aucune véritable supercadre n’a encore été construite.

Systèmes de fermeture

Les systèmes de fermeture des immeubles de grande hauteur sont généralement des murs-rideaux semblables à ceux des immeubles de faible hauteur. Cependant, les pressions de vent plus élevées et les effets de l’éjection des tourbillons exigent des vitrages plus épais et une plus grande attention aux joints d’étanchéité. L’étendue plus importante des surfaces fermées nécessite également de prendre en compte les mouvements thermiques, et les mouvements induits par le vent et les séismes doivent être pris en compte. Le lavage des vitres dans les grands bâtiments à verre fixe est une autre préoccupation, et les murs rideaux doivent fournir des rails verticaux fixes ou d’autres fixations pour les plates-formes de lavage de vitres. Les finitions intérieures des immeubles de grande hauteur ressemblent beaucoup à celles utilisées dans les structures de faible hauteur.

Systèmes de sécurité des personnes

Les systèmes de sécurité des personnes sont similaires à ceux des immeubles de faible hauteur, les escaliers servant d’issues de secours verticales ; en cas d’incendie, tous les ascenseurs s’arrêtent automatiquement pour éviter que des personnes ne restent coincées à l’intérieur. Des systèmes de générateurs de secours sont prévus pour permettre le fonctionnement d’un seul ascenseur à la fois afin de secourir les personnes qui y sont coincées en cas de panne de courant. Les générateurs servent également à d’autres fonctions vitales du bâtiment, comme l’éclairage de secours et les pompes à incendie. Les systèmes d’extinction d’incendie comprennent souvent des sprinklers, mais si le code du bâtiment ne l’exige pas, un système de tuyauterie séparé est fourni avec des pompes électriques pour maintenir la pression et amener l’eau aux robinets d’incendie dans tout le bâtiment. Il existe également des connexions extérieures au niveau de la rue pour les pompes portables des camions de pompiers. Les tuyaux d’incendie sont placés de manière à ce que chaque pièce soit accessible ; les tuyaux sont destinés principalement aux pompiers professionnels mais peuvent également être utilisés par les occupants du bâtiment.

Transport vertical

Les systèmes de transport vertical sont d’une importance capitale dans les immeubles de grande hauteur. Les escaliers mécaniques sont utilisés aux étages inférieurs pour déplacer un grand nombre de personnes sur de courtes distances. Quelques immeubles commerciaux ou d’enseignement sont équipés d’escaliers mécaniques jusqu’à 10 étages. Le principal moyen de transport vertical dans les grands immeubles est l’ascenseur à corde. Il se déplace grâce à un moteur électrique à courant continu, qui fait monter et descendre la cabine dans une cage avec des câbles métalliques passant sur une série de poulies au niveau du moteur et de la cabine elle-même ; les câbles se terminent par un contrepoids coulissant qui monte et descend dans la même cage que la cabine, ce qui réduit l’énergie nécessaire pour déplacer l’ascenseur. Chaque cabine d’ascenseur est également engagée par un ensemble de rails de guidage verticaux et un câble électrique flexible y est relié pour alimenter l’éclairage et les portes et transmettre les signaux de commande. Les ascenseurs pour passagers ont une capacité de 910 à 2 275 kilogrammes (2 000 à 5 000 livres) et fonctionnent à des vitesses de 90 à 510 mètres par minute ; les ascenseurs pour marchandises peuvent contenir jusqu’à 4 500 kilogrammes (10 000 livres). La vitesse des ascenseurs est apparemment limitée à la valeur actuelle de 510 mètres par minute par l’accélération que les passagers peuvent accepter et le taux de variation de la pression de l’air en fonction de la hauteur, qui à cette vitesse commence à provoquer une gêne au niveau du tympan.

Les mouvements des ascenseurs sont souvent contrôlés par un ordinateur qui répond aux signaux provenant des boutons d’appel de chaque étage et des boutons de demande d’étage de chaque cabine. Le nombre d’ascenseurs dans un bâtiment est déterminé par le nombre maximal de personnes à déplacer en cinq minutes, généralement tôt le matin ; par exemple, dans un immeuble de bureaux, ce nombre est souvent fixé à 13 % du taux d’occupation. Le temps d’attente moyen d’un ascenseur entre la pression du bouton d’appel et l’arrivée doit être inférieur à 30 secondes dans un immeuble de bureaux et inférieur à 60 secondes dans un immeuble d’appartements. Les ascenseurs sont généralement disposés en groupes ou banques allant de un à dix ascenseurs desservant une zone d’étages, avec un maximum de cinq ascenseurs en ligne pour permettre un accès rapide aux passagers. Dans quelques très grands bâtiments, le système de sky lobby est utilisé pour économiser l’espace de la cage d’ascenseur. Le bâtiment est divisé verticalement en sous-bâtiments, chacun ayant son propre étage de sky lobby. Depuis le rez-de-chaussée, de grands ascenseurs express transportent les passagers jusqu’aux étages du hall d’entrée, où ils sont transférés dans des banques d’ascenseurs locales qui les conduisent aux différents étages des sous-bâtiments.

Plomberie

Les systèmes de plomberie des grands immeubles sont similaires à ceux des immeubles de faible hauteur, mais les systèmes d’approvisionnement en eau domestique nécessitent des pompes électriques et des réservoirs pour maintenir la pression. Si le bâtiment est très haut, il peut être nécessaire de diviser le système en zones, chacune ayant sa propre pompe et son propre réservoir.

Contrôle de l’environnement

Les systèmes d’atmosphère des immeubles de bureaux de grande hauteur sont semblables à ceux des immeubles de faible hauteur, l’air conditionné étant distribué par une arborescence de gaines utilisant le système VAV et l’air de retour étant évacué par des plénums de plafond. L’emplacement des équipements de traitement de l’air peut se faire de deux manières. L’une utilise des ventilateurs centralisés placés tous les 20 étages environ, l’air étant déplacé verticalement par des gaines principales vers et depuis chaque étage ; l’autre utilise des salles de ventilation étage par étage pour fournir de l’air séparément à chaque étage. Il existe généralement une installation frigorifique centrale pour l’ensemble du bâtiment, reliée à des tours de refroidissement sur le toit pour libérer la chaleur. Les machines frigorifiques centrales produisent de l’eau réfrigérée, qui circule par des pompes électriques dans un système de tuyauterie vers les ventilateurs de traitement de l’air afin de refroidir l’air entrant selon les besoins. L’air entrant est chauffé en hiver soit par des serpentins dans lesquels circule de l’eau chaude provenant d’une chaudière centrale, soit par des serpentins à résistance électrique dans les unités de traitement de l’air. Dans les immeubles résidentiels de grande hauteur, le refroidissement est généralement assuré par des climatiseurs de fenêtre, et le chauffage par des systèmes radiants à eau chaude ou à résistance électrique. L’utilisation du refroidissement centralisé est limitée : de l’eau réfrigérée provenant d’une centrale frigorifique circule vers des ventilo-convecteurs situés à proximité du périmètre du bâtiment ; un petit ventilateur électrique situé dans l’unité fait circuler l’air de la pièce sur le serpentin d’eau réfrigérée pour absorber la chaleur.

Systèmes électriques

Les systèmes électriques des immeubles de grande hauteur sont également très similaires à ceux des immeubles de faible hauteur. La principale différence est que, si l’immeuble est exceptionnellement haut, la compagnie d’électricité peut amener ses lignes à haute tension à l’intérieur de l’immeuble jusqu’à un certain nombre de transformateurs abaisseurs situés dans les espaces réservés aux équipements mécaniques. À partir de chaque transformateur abaisseur, la distribution de l’électricité est similaire à celle d’un bâtiment plus petit.

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