La conceptionLors de la décision du lancement d’un gratte-ciel et après les premières définitions du cahier des charges, 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 ensuite parmi plusieurs propositions celle qui lui convient le mieux, l’Empire State Building a ainsi été choisi sur un panel de 17 projets différents.
L'Empire State Building:
Les principales prérogatives de l’architecte sont 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 fondationsUn gratte-ciel pèse plusieurs centaines de milliers de tonnes réparties sur une petite surface au sol. Les fondations du bâtiment 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.
Manhattan est constitué d’un sol entièrement rocheux, idéal pour la construction et permettant le maintient 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. 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 ne devrait 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.
La ville de Shanghai, telle qu'elle apparaîtra avec le World Financial Center (au centre):
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.
La StructureLa 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. Les matériaux sont de plus choisis en fonction des disponibilités dans le pays de construction, et les méthodes de fabrication ont beaucoup évoluées avec le temps: la découverte de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques permettant de construire toujours plus haut.
Le Home Insurance Building, construit en 1884:
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.
Le noyau central est l’élément assurant la rigidité de l’édifice, il parcourt le bâtiment sur toute sa hauteur et contient généralement les ascenseurs. 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 une hauteur 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 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 horizontaux des planchers par des amortisseurs viscoélastiques, permettant d’absorber les effets du vent. Cette structure extérieure étaient 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.
Le World Trade Center:
Un autre système permettant de dépasser les 100 étages est la structure à ossature extérieure triangulée, le John Hancock Center à Chicago est construit sur ce modèle. Des renforts triangulés sont ajoutés à la structure extérieure et permettent de renforcer la stabilité de l’ensemble.
Le John Hancock Center:
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 est construite sur ce principe.
La Sears Tower:
Les façadesLes 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, puit 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:
La ConstructionLa 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: 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:
Construction du World Trade Center:
Construction du Taipei 101:
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.
