Avancée scientifique et réalisation technique : Les bâtiments

Avancée scientifique et réalisation technique :

Les bâtiments

Général :

La création d’immeuble fait intervenir plusieurs métier, c’est ce qui fait sa complexité. En général, le maître d’ouvrage est un propriétaire privé. Je vais décrire les différentes phases exécuté au cours de la construction d’un bâtiment.

1ère Partie : Phase d’étude

L’étude est faite par l’architecte qui commence la conception générale du bâtiment (aligner les bâtiments, les chemins d’accès, les réseaux d’énergies, etc...) et la conception architecturale (gabarits, formes, structure, etc.). Viens l’ingénieur civil calculant et dimensionnant les chemins d’accès, des canalisations et des éléments porteurs (murs, dalles, toiture,…). Pour réaliser cette étude, ils doivent disposer de plans de base détaillés, d’un relevé d’état des lieux et d’un relevé topographique fait par l’ingénieur géomètre.

2ème Partie : Phase d’exécution

Dès l’autorisation de construire, l’immeuble entre dans sa phase d’exécution. L’ingénieur géomètre (IG) procède à l’implantation pour le terrassement et à la mise en place des repères altimétriques (appelés niveaux de chantier). Lorsque l’édification du sous-sol est terminée, et que le bâtiment entre dans sa phase de construction hors-sol, l’IG procède à l’implantation des axes du rez-de-chaussée et au contrôle de conformité du niveau de la dalle du rez-de-chaussée. De même, en cas d'assemblage d’éléments préfabriqués, l’ingénieur géomètre reporte la trame des axes de construction à tous les étages, afin d’assurer une pose précise et fiable d'éléments, tels que façades, murs, escaliers, etc. Durant toute la phase d’exécution, l’architecte mandataire et/ou les entreprises peuvent faire appel à l’ingénieur géomètre pour des implantations complémentaires ou des contrôles.

3ème Partie : Phase finale

A la fin des travaux, le maître d’ouvrage fait procéder à la cadastration des éléments modifiés ou nouveaux et au rétablissement des points limites disparus.

Lycée Lafayette, Champagne sur seinemardi 25 octobre 2011

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Innovations des gratte-ciels au cours de l’époque

Bervoët Adrien1er S-SI

Le gratte-ciel , bien définit, est née au États-Unis vers la fin du XIXe siècle. Les nouveaux moyens de construction naissent et s’innovent de jours en jours, ils doivent correspondre à de nouvelles contraintes pour se protéger et s’imposer (pour les sociétés), ces moyens devait être rapide, solide et facile d’assemblage. Les premiers architectes ont créé par leurs œuvres et par leur influence un modèle de développement urbain qui a caractérisé toutes les villes américaines au XXe siècle, ce qu’on appelle aujourd’hui le « style international ». Chaque innovations apportent aux futurs bâtiments une meilleure qualité et de nouveaux records. Qu’elles ont été les innovations qui ont permis de faire grandir chaque immeuble et d’en assurer la sécurité ? En général, les architectes et ingénieurs sont confrontés aux mêmes problèmes et contraintes que je définis en sept points : les fondations, la mobilité, les matériaux, la température, la construction, le vent et la sécurité. Si ingénieurs et architectes trouvent les bonnes solutions à ces 7 éléments, alors la construction de leur gratte-ciel sera quasiment terminé et tiendra pendant de longues années. Nous allons donc voir les 7 innovations qui permettent les plus grandes constructions d’aujourd’hui...

Introduction :


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1ère innovation : Les fondations

En 1836, Washington veut rendre hommage à George Washington en lui édifiant un obélisque. Mais en 1854, après 5 ans de travaux, la guerre de sécession commença et laissa le chantier pendant 20 années. A la fin de la guerre, l’Amérique fait appel à leur meilleur architecte. En effet l’obélisque s’était enfoncé d’un coté et ressemblait à la tour de pise. Après des études, ils remarquèrent que les fondations étaient faîtes sur du meuble et du sable. L’architecte décide donc de refaire des fondations plus solide sur l’argile en sous-sol. Aujourd’hui, il est difficile de trouver de bonnes terres pour les grandes constructions très lourdes, principalement ces constructions sont faîtes proche de rivière ou de mer. A chaque excavation, les parois s’effondre dû à la pression de l’eau. Les géotechniciens ont donc recourt à plusieurs solution : par exemple, sur canton, la tour de télévision construite près d’une rivière, ils ont décidés de mettre des cylindres de béton autour pour éviter l’effondrement des trous. La dernière invention sur un meilleur moyen d’excavation à été faite sur le Burj Khalifa à Dubaï, pendant que l’excavatrices faisait son trou, elle laissait derrière elle un polymère à base d’eau qui évitait aussi l’effondrement. Ensuite le polymère plus léger que le béton, il suffisait d’y introduire du béton pour pouvoir récupérer le polymère.

On distingue trois types de fondations :On note « E » la hauteur d'encastrement et « L » la largeur .Les fondations superficielle E < 1,5.LLes fondations semi profondes 1,5.L < E < 5.LLes fondations profondes E > 5.L

E

L

Trois paramètres vont déterminer la taille des fondations : - Le climat renseigne sur la rudesse de l'hiver pour ensuite connaître la pénétration du gel dans le sol. Il renseigne sur les pluies, et donc l'engorgement des terrain en eau.-La nature des terrains apprends à quelle profondeur il vous faudra chercher le sol capable de porter le gratte-ciel.-Du type de la construction dépend les contraintes techniques à appliquer au sol, essentiellement le poids, le tassement différentiel autorisé, et la cohésion.La largeur des fondations dépend surtout du poids du bâtiment. Le poids n'est pas forcément réparti uniformément sur les fondations. Des calculs exacts de descente de charges peuvent aussi être réalisé.

Descente de charge (bar) = poids total du bâtiment (tonnes) / surface d'appui des murs (m²)




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3ème innovation : La température En 1947, L’ONU voulait couvrir son bâtiment en verre pour la luminosité, mais les rayonnements solaires et ses radiations sont absorber par les objets qui devient insoutenable pour l’homme. L’ingénieur Willis Carrier invente une machine qui refroidis et assèche l’air chaud en l’humidifiant. C’est ce qu’on appelle le climatiseur. Dans les bâtiments semi récent, ils fonctionnent tous de même manière : Il assèche l’air chaud puis est redistribué de manière équitable dans les bureaux et appartements qui fait refroidir l’air asséchée. Aujourd’hui, les climatiseur sont assez mal vu, puisqu’ils participent au réchauffement climatique. C’est donc plusieurs ingénieurs qui travaillent non plus sur un moyen de rafraîchir l’air mais d’empêcher les rayonnements solaires de traverser les vitres. Sur le Burdj Khalifa, les vitres sont recouverte d’une très fine couche de métal anti-ultraviolet et d’argent pour le rayonnement infrarouge venant de la lumière réfléchie du sable.

Au XIXème siècle, la mobilité dans les immeubles était réduite, il était interdit de construire au dessus de 6 étage dû aux marches fatigantes à monter et à descendre. Bien que le monte-charge existait, il n’y avait aucune sécurité si l’unique câble (en corde) venait à lâcher. Pour construire plus haut, il fallut un moyen de transport plus rapide. C’est donc en 1853 que Elisha Graves Otis invente le « parachute ». Un système de frein de sécurité révolutionnaire empêchant la chute des ascenseurs en cas de rupture du câble. La plate-forme chute de quelques centimètres, puis s’arrête. Cette invention permit au public d'avoir confiance dans les ascenseurs, cela fut déterminant pour l'émergence des gratte-ciel. Dans les immeubles classiques, magasins ou parkings, les ascenseurs ont des vitesses typiques de 0,6m/s à 2,5m/s, soit 2 à 9 km/h. Au-delà, les ascenseurs ont des vitesses relativement proportionnelles à la hauteur des tours ou gratte- ciels :

Au-delà de 11 m/s il y a des risques pour la santé, donc la cabine doit être pressurisé (vu dans les plus grandes tours atteignant 18m/s).

2nd innovation : La mobilité

3m/s (1e/s) entre 15 et 30 étages 4,5m/s (1,5e/s) entre 20 et 40 étages6m/s (2e/s) entre 35 et 100 étages 9m/s (3e/s) entre 50 et 110 étages

Système des ascenseurs sur Burdj Khalifa


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5ème innovation : La construction L’une des plus belle construction du monde est sans doute la tour Eiffel, elle fut construite comme un pont vertical. 4 étapes ont suffit pour ériger cette tour de fer : la 1ère fut de riveter puis assemblé 3 tronçons en 4 piliers, la 2ème assembler ces quatre piliers pour former une plateforme, la 3ème de recommencer le processus jusqu’au deuxième étage et enfin la dernière étape fut de bâtir la flèche au dessus de 300 mètres. Deux années ont suffit pour assembler plus de 18000 pièces… Mais pour la première étape, il doit aligner les 4 piliers avec précision si il ne veut pas que sa tour penche. Pour cela il utilisera la boîte à sable. La deuxième construction qui innova la rapidité de construction fut le world Trade center. Ce fut le premier gratte-ciel qui fut d’abord préfabriqué en usine puis assemblé sur le chantier, mais un problème surgit très vite, comment faire monter des pièces de plus de 50 tonnes en haut des bâtiments ? D’habitude les gratte-ciels tel que l’empire state building ont recourt à des grues Derec qu’il faut démonter, transporter puis remonter à l’étage suivant (prenant deux jours). La solution a été trouvé en Australie, des grues soulèvent plus de 50 tonnes. Dès qu’elle ont finit de faire trois étage; la structure se détache de l’immeuble, monte de 3 étage avec la base puis se rattache (prenant que plusieurs minute). On les appelle les grues kangourou. Avant pour le WTC, il fallait 1 semaine pour deux étages, maintenant 1 semaine pour 3 étages. Une nouvelle conception, le jumpforming qui consiste à faire les cages d’acier au sol puis de les faires monter grâce à des grues qui les installe dans des moules (jumpform), 12 heures après (béton sécher), la plateforme s'élève et recommence le processus.

4ème innovation : Les matériaux Un des plus gros problème de l’époque est surement le choix des matériaux. Principalement, les matériaux des plus grosses structures est la pierre, mais dans le monde moderne, cela ne semble pas assez efficace. Pendant l’élaboration de la tour Eiffel, par exemple, où Eiffel démontrant que le « phare de paris » ne tiendrait jamais (prouvé par l’ingénieur Carl Broox). Aussi, à New-York où le Fuller Flatiron n’aurait jamais été créer sans la structure d’acier.

On voit ici l’inconvénient de la pierre Structure du Fuller Flatiron

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. Les matériaux possèdent des caractéristiques classés en différents critères : la fragilité, la ductilité, l’élasticité, la dureté, la malléabilité, la ténacité, la résistance à la corrosion, la

résistance à l’abrasion, la dilatation et contraction thermique, la fatigue. Ces matériaux sont soumis à des contraintes : la traction, la compression, le cisaillement, la torsion, la flexion


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6ème innovation : La résistance au vent Les efforts exercés par le vent sont retransmis au noyau par l'intermédiaire d'éléments horizontaux positionnés dans le plancher des étages. Une structure d’acier à plus de 500 mètre risque de se courber quand le vent vient frapper la surface exposé et ferais ainsi vaciller l’immeuble. L’idée pour maintenir les plus gratte-ciels est de mettre la structure métallique intérieur à l’extérieur, appelé exosquelette, elle fait moins tanguer la tour. Mais à plus de 750 mètre (vu sur le Burj Khalifa arab), l’exosquelette est moins efficace, on doit alors recourir au meilleur plan d’aérodynamisme . En effet, quand le vent frappe d’un coté, des vortex se forment de l’autre et vaciller l’ensemble. L’idée résolue sur le Burj Khalifa est de créer une structure dîtes "aléatoire" pour tromper le vent qui créera des vortex qui se formeront n’importe où et seront donc moins puissant. Sur canton, par exemple, la tour de télévisons fut la meilleur construction face aux violents vents et typhons de la région. En effet, le vent n’a aucune prise grâce à la forme torsadé de l’édifice, les vortex ont des différence de taille. Aussi l’exosquelette sans aucune surface fait traversé les vents violents qui ne procurent plus aucun danger sur la tour. Mais dans la région de canton, des typhons faisant des vents supérieurs à 250 km/h feraient écrouler les plus hautes structure, pour répondre à ce problème, les ingénieurs installent cent milles litres d’eau au sommet pour contrebalancer la tour.

7ème innovation : La sécurité Les grands immeubles sont donc résistant à la nature. Mais aujourd’hui la plus grande peur pour les tours est le terrorisme. Vu sur le world Trade center où on pensais que personne ne refera de plus hautes tours. Mais les architectes et ingénieurs travaillent sur le problème. Les grandes constructions sont trop hautes pour être évacué par la cage d’escalier. Les ingénieurs pensent donc à ne plus faire sortir les occupants mais à les faire réfugier dans des pièces répartis équitablement. Ces pièces équipé pour résister au feu, les occupants devront attendre les secours pour pouvoir sortir. Pour la fumée, des ventilateurs aussi résistant au feu rejetterons l’air toxique pour y mettre de l’air frais. Sur canton, un nouveau système de sécurité anti-incendie fut installé, des sapeurs pompiers robotisé. Ils puisent leur eau grâce aux citernes vu précédemment et s’active quand une flamme fait alerter les capteurs infrarouges pour s’arrêter une fois la tache finis.

ρ air : masse volumique de l’airCx : coefficient de trainée (Le coefficient de trainée varie selon l’aérodynamisme du bâtiment) v : vitesse du vent (en ms.-1)S : surface en m²


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Conclusion :

Les fondations, la mobilité, les matériaux, la température, la construction, le vent et la sécurité sont les 7 points les plus important pour pouvoir aboutir au plus haut bâtiments. Ces points remarquées au cours des siècles ont permis de construire plus haut et plus vite… Ce dossier touche maintenant à sa fin. Comme vous avez pu le constater, la montée des gratte-ciel n'a jamais cessé depuis la fin du XIXème 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.




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Annexe / bibliographie :

2° La mobilité :Pour plus d’information sur E.Otis, un article de Tom Soter à cette page : http://www.tomsoter.com/node/176 ou de Chris Woodford sur celle-ci : http://www.explainthatstuff.com/how-elevators-work.htmlPour des informations sur le fonctionnement du mécanisme d’un ascenseur, un PDF "contrôle" est présente sur cette page : http://sccp.inp-toulouse.fr/cpge/sujet/2005/psi/SI_PSI_2005_texte.pdf

1° Les fondations :Pour plus d’information sur le calcul de fondation, un petit site à cette page est disponible : http://ardheia.free.fr/ardheia/index.php?option=com_content&task=view&id=103&Itemid=1&lang=fr ou encore : http://www.cours-genie-civil.com/IMG/pdf/13.fondations.pdf

3° La température :Pour plus d’information sur les vitres du Burj Khalifa : http://www.vitres.teintees.com/burj-khalifa-dubai-batiment-annee-2011 et sur les vitres anti UV : http://www.vitres.teintees.com/vitres-teintees-batiments

4° Les matériaux :Pour plus d’information sur le choix des matériaux, un site : http://gratte-ciels.e-monsite.com précisément ce lien : http://gratte-ciels.e-monsite.com/pages/les-gratte-ciel/iii-la-resistance-des-gratte-ciels-aux-phenomenes-physiques/la-resistance-des-materiaux-composant-les-gratte-ciel.html

5° La construction :Pour plus d’information sur la construction de la tour Eiffel : http://www.futura-sciences.com/fr/doc/t/geographie/r/paris-1/d/la-tour-eiffel_763/c3/221/p6/ Pour plus d’information sur le choix des matériaux, un site :

7° La sécurité :Pour plus d’information sur le système de sécurité du Burj Khalifa : http://www.linternaute.com/savoir/grand-chantier/en-chiffres/les-chiffres-incroyables-de-burj-dubai/les-refuges-en-cas-d-incendie.shtml


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Journal de bord :

8/09/11Explication du TPE : projet, contraintes, règles, etc.Au début, je partais sur les nouvelles énergies dans le monde et réfléchissait à une problématique (dans le temps qui me restais)

15/09/11

Aujourd’hui, confirmation du thème. Nous avons choisi l’avancée scientifique et réalisation technique. Nous continuons de réfléchir sur les problématiques de chacun. La mienne se concentre sur le fonctionnement d’un building (en général), les innovations et ingéniosités au cours de l’histoire. Mes premières recherches s’effectue sur la physique des bâtiments, les grands thèmes d’un bâtiments (sa conception). Pour finir, je réaliserais le plan de mon TPE.

22/09/11

Nous trouvons une problématique général sur le thème du bâtiment « Qu’elles a été l’évolution de la création des Immeubles d’hier à aujourd’hui ? ». Ensuite, je commence mes recherches sur l’historique des innovations. Après avoir sélectionné des textes pour des idées de « mise en page » de mon TPE, je commence à créer le plan (basé comme une dissertation : intro. Développement et conclusion).

29/09/11 Aujourd’hui, je fais une introduction sur mon dossier qui présentera la physique des bâtiments. J’ai tout simplement repris les gratte-ciels mythique qui ont fait la une grâce à leurs innovations.

3/10/11Aujourd’hui je continue de faire mes recherches sur les bâtiments mythique. Chez moi je regarde plusieurs documentaire sur la réalisation des gratte-ciels. J’essaye de trouver les innovations importantes sur un gratte-ciels et essaye de trouver des cours sur la physique des bâtiments.

10/10/11Aujourd’hui, je commence à faire le développement de mon dossier. J’ai fais le général en commençant par donner ce qui faut savoir sur la construction d’un building, ces étapes. Je pense à le mettre dans le dossier général du groupe.

17/10/11Ce jour-ci, j’ai continué mon développement. Et réfléchi à l’oral. Je pense faire mon oral sur des expérience qui devront confirmer les textes que j’ai cité dans mon dossier.

7/11/11

J’ai principalement fait mon dossier pendant les vacances. L’écrit étant presque terminé, je commence à mettre la bibliographie avec l’annexe. Je travaille sur solidworks pour agrémenter mon dossier d’image réalisé par moi . Je commence par faire l’obélisque de Washington (qui pourrais même me servir à l’oral) et décide de chercher le burdj Khalifa toute faite.

14/11/11

Je continue de chercher le burdj khalifa. Après en avoir trouvé une, je remarque qu’il faut que j’installe une version de solidworks plus récente. Prenant énormément de temps, je décide d’aller voir mon équipe pour d’éventuelle aide et décisions. Nous apprenons aussi que les dates ont été déplacé, nous rajoutant environ 2 mois de plus. Je vais ralentir donc mon travail. Bien que j’ai quasi terminé.

21/11/11

Après avoir réussi à faire mes première réalisation sur solidworks, je continue de chercher d’autre immeuble, notamment le Burdj Khalifa. Aussi, Mr Gemini a eu la « superbe » idée de présenter notre dossier comme un sketch. Mais j’ai insisté sur le fait qu’il devais au moins (en exagérant) qu’il devais « commencer » le dossier. Étant donné qu’ils n’ont pas fait grand chose (par rapport à moi).


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Journal de bord :

28/11/11

Je continue de chercher le Burdj Khalifa. Après avoir trouvé une structure sur Grabcab (site sur lequel je me suis inscrit pour trouver certain bâtiments pour modélisation) je remarque que le constructeur, le modélisateur, n’a pas mis les pièces de l’assemblage et est donc indisponible… Je compte continuer mon dossier et laisser des blancs pour le faire plus tard.

5/12/11Aujourd’hui, dernière démarche pour le dossier. Je vais faire ma conclusion et commencer à réécrire mon journal de bord sur l’ordinateur. J’ai rajouté l’en-tête et le pied de page pour faire un dossier plus formelle. J’ai aussi rajouté certains calcul et refais la mise en forme de TPE.

12/12/11

9/01/12

16/01/12

23/01/12

30/01/12

6/02/12

27/02/12

5/03/12

Documents

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