2. Les étapes de la construction
2.1. Conception
2.2. Fondations
2.3. Structures
2.4. La construction
2.5. Les Façades
2.6. Les mesures anti-sismiques


2.1. Conception

Le maître d’œuvre réalise un appel d’offre, mais tous les architectes ne sont pas spécialisés en gratte-ciel, souvent, les architectes concernés travaillent à l’échelle mondiale. Le client peut choisir parmi plusieurs modélisations, en 1932, il y a eu 17 maquettes différentespour l’Empire State Building. Le souci principal de l’architecte, est d’intégrer son projet à l’environnement , étant donné que celui-ci sera particulièrement visible. A l’intérieur, on cherchera à avoir le plus de surface possible, il faut pour cela prévoir dés le début, le plus de surface utile possible, les éléments de sécurité, les escaliers et les dispositifs antifumée... Mais aussi le transport, ascenseurs
Les ingénieurs commenceront, par prévoir les petits éléments qui feront la différence. ils prennent en compte une multitude de facteurs qui influenceront tant la structure que l’apparence, il faut par exemple prévoir les séismes, les incendies, l’ éclairage, mais aussi l’originalité de l’apparence. Pour cela, les concepteurs s’aident de modélisations, informatiques

2.2. Fondations

Une tour est, comme on peut l’imaginer, très lourd, plusieurs millions de tonnes se concentrent sur une petite surface (en relation), plusieurs centaines de tonnes s’exercent sur les éléments de structure, situés en bas des gratte-ciel, ces efforts considérables s’exercent aussi sur les fondations. Les fondations doivent assurer la stabilité du bâtiment, et permettrons à celui-ci de résister aux séismes. Le quartier de Manhattan , est sur un sol entièrement rocheux, ce qui a permis de réaliser des constructions de cette hauteur, avec une telle concentration à cet endroit, tous les sols ne permettent pas de supporter aussi bien les gratte-ciel et d’ assurer une sécurité parasismique. Si le bon sol n’est pas présent à la surface ou prés de celle-ci, il faut chercher à atteindre ces couches plus solides. Les fondations sont souvent profondes et peuvent atteindre 100 m de profondeur.
On essaiera toujours de répartir au maximum les efforts sur la plus grande surface possible. Pour les tours à structure noyau béton armé, les forces s’exercent sur une surface encore plus petite, pour répartir ces charges, ce noyau pourra reposer sur une dalle précontrainte. Pour le World Trade Center, la roche acceptable pour supporter les charges se situait 20.5 m de profondeur , on a réalisé une excavation de 440 000 mètres carrés de surface. Celle-ci a été stabilisée par des murs en béton armé de presque un mètre de large. Des radiers de fondations ont été coulés afin de recevoir les poteaux des tours. Les pieds des poteaux ont été ancrés par l’intermédiaire d’une semelle en béton armé de 1 m d’épaisseur.

2.3. Structures

Les structures peuvent être variables, le matériau de construction est souvent choisi par rapport à l’offre présente dans le pays concerné par la construction.

Au début des gratte-ciel, le béton armé était lui-même à ses débuts, les gratte-ciel étaient entièrement réalisés en construction métallique. Mais là aussi, la technique, n’a pas toujours été la même qu’aujourd’hui, tout simplement pour des raisons de technologies. L’amélioration des liaisons entre éléments a, par exemple, permis de passer de 10-15 étages fin dix-neuvième siècle à 30-40 étages en 1930. L’utilisation du béton armé ne viendra que bien plus tard vers le milieu du siècle. On apportera ensuite régulièrement des améliorations aux différentes techniques. Pour atteindre de grandes hauteurs, on essaiera d’utiliser les matériaux les plus légers possibles, ce qui diminuera, la quantité de matériaux à utiliser du fait du gain au niveau des contraintes à supporter.

Il est vrai qu’aujourd’hui, la structure est souvent secondaire, étant donné que ce qui intéresse les observateurs est l’aspect et l’utilité. Mais on s’est intéressé aux structures, à chaque fois qu’on a voulu faire des gratte-ciel plus importants. En fait, la structure était l’élément d’étude principal, jusqu’à la construction de l’Alcoa Building, première réaction contre la conception simplement structurelle des bâtiments. La structure est parfois en relation avec l’aspect extérieur et donc les façades (voir chapitre façades).

Jusqu’aux années 50, on crée des gratte-ciel à ossature acier, seules les liaisons évoluent, elles se rigidifient, s’améliorent techniquement. Le système est assez classique, poutres - poteaux, les profilés peuvent varier selon le poids à supporter, la structure portante est un tout, la descente de charges se fait principalement à l’extérieur.

En Europe, l’histoire des IGH ne commence vraiment qu’en 1950. On choisira d’améliorer le système à noyau béton, où tout s’organise autour du noyau central, qui assure le contreventement, et dans lequel passent les ascenseurs. Les étages sont suspendus au noyau, par exemple, pour la Tour du midi à Bruxelles, le noyau central est constitué de quatre poteaux d’angle carrés de 70 centimètres de côté en acier, stabilisés par des parois en béton armé. A chaque étage quatre poutres métalliques traversent le noyau central dans le même sens. Elles ont une épaisseur décroissante de 1.23 mètres près du noyau à 0.43 mètres à l'extrémité et à chaque étage le sens change. Les extrémités des poutres sont ensuite suspendues aux poutres supérieures afin de créer un ensemble rigide. Tous les efforts exercés par le vent sont transmis au noyau central, par l’intermédiaire de planchers. La membrane inférieure des poutres est enrobée par du béton, ce qui améliore son efficacité en compression, et améliore la protection incendie, principal souci des concepteurs. Les tours en noyau béton permettent d’atteindre jusqu’à 50 étages, et permettent de réduire l’emprise sur les sols, on peut ainsi faire passer une route sous le gratte-ciel ou préserver un monument historique environnant. On a plus tard doublé ou même triplé la structure centrale, cela permet de réaliser des gratte-ciel encore plus hauts (70 étages) comme par exemple le Olympia Center, à Chicago construit en 1959.

Il existe des bâtiments à structure acier, avec ceintures de renfort, ce qui permet d’augmenter considérablement la hauteur, sans augmenter le nombre de matériaux utilisés et donc le prix. Pour les gratte-ciel les plus hauts, il y a plusieurs possibilités de structures différentes :

L’ossature métallique : l’ossature extérieure entoure la totalité de l’immeuble, elle est liée avec la structure interne, l’immeuble est un coffre très rigide, le World Trade Center reposait sur ce système. Sur chaque coté extérieur, 59 poteaux creux étaient régulièrement espacés, le long des 63.5m de côté del’immeuble, au niveau de chaque plancher, ces poteaux étaient assemblés rigidement par des traverses horizontales, les angles travaillés de façon à éviter le cisaillement, et les planchers forment un tube carré très rigide qui transmet toutes les charges dues au vent aux fondations. Les 44 poteaux du noyau intérieur, sont donc entièrement consacrés aux charges verticales. Afin de ne pas déformer les planchers, les poteaux extérieurs et intérieurs sont dimensionnés de telle façon qu’ils subissent les mêmes déformations verticales. Horizontalement, les poteaux extérieurs, peuvent supporter une contrainte plus importante, c’est ce qui permettra, de supporter les charges dues au vent.

Une autre structure qui permet d’atteindre 100 étages, est la structure à ossature extérieure triangulée, les renforts triangulés, s’ajoutent à l’ossature extérieure et augmentent la rigidité de l’ensemble. La base est plus large, ce qui permet une plus grande stabilité, et donc une hauteur plus importante : exemple, le John Hancock Center à Chicago.
Une autre structure très répandue pour les très hauts gratte-ciel est le système prismes en faisceaux, la juxtaposition de minces tours prismatiques crée une structure très solide et légère comme par exemple les Sears Towers de Chicago. Comme nous l’avons vu, il n’existe pas de structure de gratte-ciel unique, chaque projet est original, il existe par exemple une structure à piliers externes géants en acier béton où l’intérieur de la structure est semblable à celle du World Trade Center, mais qui permet d’être encore plus solide et donc plus haut et d’atteindre plus de 120 étages. Les Petronas Towers ont, elles, une liaison structurelle qu’est la passerelle de plus de cinquante tonnes, ce qui permet qu’elles ne soient trop larges. Comme évoqué plus haut, d’autres structures sont encore au stade d’études. On a, par exemple, imaginé des superstructures ou le gratte-ciel constitue une ville entière, on a imaginé un empilement de gratte-ciel, celui qui serait à la base serait plus large et ainsi de suite, pyramidalement, mais fait de telle façon que la lumière puisse arriver partout.

2.4. La construction

Déjà évoquée auparavant, elle est toujours très spectaculaire, souvent plus à cause de son envergure que de sa complexité. La construction des Petronas Towers a duré 5 ans. Le chantier se déplace au fur et à mesure de l’avancement, en même temps, le matériel de construction doit suivre lui aussi : grues, matériaux et échafaudages doivent être acheminés vers le haut. Une grue fixe, à l’extérieur du bâtiment, ne suffit qu’au début de la construction, la grue sera itinérante, et placée selon, le type de construction, à l’extérieur, sur les échafaudages, à l’intérieur s'il n’y a pas de noyau central. Pour construire un gratte-ciel à cœur béton, on met en place un coffrage itinérant, qui au fur et à mesure de l’avancement du travail, s’appuie sur ce qui est déjà effectué pour monter, petit à petit, on crée l’enveloppe du noyau béton. Une fois l’enveloppe réalisée, on place le gros ferraillage, et on peut couler l’intérieur du noyau. La vitesse maximum est d’environ un étage par jour, pour monter la passerelle des Petronas Towers, on a mis 32 heures.

2.5. Les Façades

Les façades, sont ce qui fait le renommée d’une tour, elles jouent différents rôles, elles expriment, un style, une époque. Pour le Wool worth building, on a cherché à exprimer les différentes sollicitations des éléments porteurs, on a ainsi essayé de donner du rythme vivant à la façade. Pendant la période post internationale, on a directement cherché à laisser visibles les poteaux, à les extérioriser ou à les mettre en valeur, toujours dans la même optique. Par exemple, les poteaux visibles puissants et très espacés, montrent que l’on maîtrise d’énormes efforts. On a parfois voulu cacher les éléments de structure en utilisant une couleur foncée, on a mis en relief d’autres parties en utilisant une couleur claire, d’un revêtement en céramique par exemple. A cette époque, on utilise, pour revêtir la façade, du métal ou de la pierre. On peut dire que c’est dans la façade que les architectes de tours poussent leur recherche dans un souci d’originalité ou au contraire d’intégration.

A partir de 1940, on réalise des constructions tramées, la trame est continue autour du bâtiment et ne laisse que peu de place à l’architecte, la façade est alors relativement fonctionnelle. Toutefois, le grillage de la trame s’élargit, les espaces libres entre éléments porteurs, sont élargis, puis remplis de façons diverses, métal verre, bois verre ou d’autres combinaisons de matériaux., on commence bien plus tard à supprimer les éléments verticaux, pour obtenir des bandes horizontales d’un étage. On ne tarde plus, à faire disparaître complètement les éléments de structure grâce à des murs rideaux que l’on suspendra à la structure après que celle-ci ait été assemblée.

On a essayé de créer de longues lignes continues, verticales ou horizontales, des lignes interrompues par des joints, pour que l’on ne voie pas la nécessaire perte de linéarité au fur et a mesure que la construction avance. Les façades se développent au rythme de l’amélioration des matériaux, avec l’aluminium et le verre on arrive à créer des surfaces parfaitement planes et très uniformes. Pour cela on utilise des panneaux préfabriqués, que l’on emboîte les uns dans les autres, étant donné que l’on ne leur demande que de fermer la structure. Le Seagram Building est fait de façades réalisées avec un alliage de bronze. Pour le World Trade Center, on a utilisé 43000 fenêtres en vitrage spécial, teinté, et thermoréfléchissant, ce qui permet d’avoir selon le moment de la journée des configurations visuelles diverses et donc intéressantes pour le public. D’un autre coté, on peut remarquer que le coût d’un vitrage intégral est impressionnant, le remplacement des vitres peut coûter autant que le bâtiment lui-même au bout de 30 ans.

2.6. Les mesures anti-sismiques

La raison principale pour laquelle les gratte-ciel les plus hauts, ne sont pas à structure noyau Béton armé, est, que ce type de construction n’est pas assez élastique pour, à cette échelle résister aux séismes. Une construction en acier va se tordre, bouger, mais pas casser, c’est un de ses premiers avantages. Pour étudier les phénomènes sismiques on réalise des maquettes qui peuvent atteindre jusqu’à 10 mètres de haut. Pour se prémunir des risques sismiques, d’importantes innovations ont été créées, les bâtiments ne sont plus directement en relation avec les fondations. Pour la « Tour du Midi » à Bruxelles, la sécurité est assurée par d’énormes vérins, qui constituent un système de levage qui permet de conserver l’horizontalité du bâtiment.
Une structure pyramidale sera plus résistante, du fait de son centre de gravité plus bas. Les poteaux sont les éléments centraux, ils ne doivent pas pouvoir rompre. Du fait du caractère encore exceptionnel des tours, on porte énormément d’importance à la résistance aux séismes, puisqu’il n’existe pas de système équivalent pour chaque situation géotechnique, et géographique.

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