Comment la conception des grands bâtiments a changé 20 ans après le 11 septembre

Le jour, maintenant connu sous le nom de 11 septembre, les tours se sont effondrées, tuant plus de 2 600 personnes après que des terroristes y ont fait voler deux avions de ligne détournés.

Les enquêtes officielles ont montré que les tours se sont effondrées après que la chaleur générée par le carburant des avions a déclenché des incendies et affaibli les noyaux d’acier des bâtiments, déclenchant finalement des effondrements progressifs.

Les dessins ont évolué

Vingt ans plus tard, la conception des immeubles de grande hauteur a évolué pour améliorer la stabilité structurelle ainsi que l’accès et l’évacuation d’urgence.

Le World Trade Center étant pratiquement à sa porte, le bureau de New York de WSP a réagi presque immédiatement à la catastrophe du 11 septembre.

« Mes partenaires et moi-même étions sur le site au début », explique Ahmad Rahimian, concepteur de Shard, directeur des structures de construction de WSP. « D’autres membres du personnel de la communauté des ingénieurs étaient là-bas avec nous, aidant à identifier et à minimiser les risques pour la mission de recherche et de sauvetage.

« De plus, nous nous étions portés volontaires pour inspecter et évaluer les autres bâtiments du site du World Trade Center, dont plusieurs avaient été endommagés. Cela impliquait de monter plusieurs étages. »

À l’époque, WSP avait un certain nombre de projets d’immeubles de grande hauteur sur la planche à dessin. Les clients ont naturellement cherché à être rassurés sur la sécurité des conceptions proposées.

« Ce n’était pas facile à donner, car les informations sur les effondrements sont arrivées progressivement au fur et à mesure que l’étude approfondie du National Institute of Standards & Technology (NIST) progressait », explique Rahimian.

«Nous sommes revenus et avons examiné les projets pour voir s’il y avait quelque chose que nous pouvions faire à la lumière de ce que nous savions à l’époque. Pour ceux qui sont au stade de la conception, nous avons examiné de près la redondance structurelle, le noyau renforcé et les moyens de sortie renforcés. »

Par hasard, WSP a toujours privilégié les noyaux de béton pour les immeubles de grande hauteur, qu’il s’agisse de structures en béton ou hybrides acier/béton. Rahimian souligne que les noyaux en béton ajoutent de la rigidité et de la masse et pourraient offrir une meilleure solution structurelle. Cependant, il y avait une certaine résistance à ces concepts parmi les entrepreneurs qui étaient plus familiers avec une solution tout en acier – comme celle utilisée dans les tours jumelles. Un noyau en béton à haute résistance était considéré comme trop exigeant pour l’expertise locale et/ou trop lent à ériger.

Nous sommes revenus et avons examiné les projets pour voir s’il y avait quelque chose que nous pouvions faire à la lumière de ce que nous savions à l’époque

Les tours jumelles originales à charpente d’acier de 110 étages utilisaient une préfabrication poussée et étaient considérées comme une réalisation de construction éblouissante. Les premiers locataires ont emménagé dans la tour nord moins de 30 mois après le début de la construction.

Au centre de chaque tour, des colonnes en caisson en acier pleine hauteur embrassaient le noyau de service, y compris les trois escaliers de secours.

Ces noyaux n’étaient protégés par rien de plus substantiel que des plaques de plâtre résistantes au feu.

« Après le 11 septembre, il est devenu beaucoup plus facile de convaincre les clients et les entrepreneurs des avantages des noyaux en béton », rapporte Rahimian.

Il faudrait sept ans avant que le NIST ne publie son rapport définitif sur la catastrophe. À plus court terme, cependant, il est vite devenu évident que l’un des principaux facteurs de la terrible perte de vies humaines avait été l’encombrement des escaliers de secours causé par les occupants paniqués qui tentaient de descendre aussi vite que possible alors que les pompiers tentaient de se frayer un chemin vers le haut. .

Des révisions majeures des codes du bâtiment locaux et nationaux finiraient par voir le jour, le code de la ville de New York étant le premier. Entre-temps, les noyaux de béton ont commencé à évoluer rapidement. Les escaliers de secours se sont élargis – de 25 % ou plus – et sont devenus plus nombreux. Des accès dédiés aux pompiers ont commencé à apparaître, via des escaliers dédiés ou même des ascenseurs résistants au feu. Une plus grande attention a été accordée au défi d’évacuer les occupants handicapés ou infirmes. Les systèmes de gestion des bâtiments sont devenus de plus en plus sophistiqués.

La vraie différence par rapport à il y a 20 ans, ce sont les outils beaucoup plus puissants pour l’analyse structurelle

Au fil des années, de nouveaux défis sont apparus. De l’Empire State Building aux tours jumelles, les tours étaient synonymes de tours de bureaux à 100%. Les architectes et les ingénieurs feraient de grands efforts pour maximiser la surface habitable nette locative. Mais à mesure que la technologie évoluait, que le béton et l’acier à plus haute résistance devenaient facilement disponibles, les bâtiments très hauts qui combinaient différentes formes d’hébergement dans une seule tour sont devenus plus courants.

En règle générale, un développement « à usage mixte » peut avoir des espaces de vente au détail aux niveaux inférieurs, des étages de bureaux au-dessus et des logements résidentiels coûteux aux niveaux les plus élevés.

L’hébergement en hôtel et les étages d’accueil pourraient même être inclus dans le mélange. Faire face aux différents impératifs de sécurité pour les différentes sections a été loin d’être simple, c’est le moins qu’on puisse dire. L’installation de tous les services et arbres dans le noyau s’apparente à un puzzle tridimensionnel.

Rahimian dit que les craintes et l’anxiété initiales après l’effondrement parmi les occupants des immeubles de grande hauteur se sont rapidement atténuées, mais les défis sont restés pour ces bâtiments encore au stade de la conception.

Incendies récents

Il cite également les exemples d’incendies récents dans des immeubles de grande hauteur – tous achevés après le 11 septembre – aux Émirats arabes unis. Bien qu’elles aient jusqu’à 79 étages de haut, les occupants des tours sinistrées ont tous été évacués en toute sécurité.

« Ce qui est essentiel, c’est une gestion du bâtiment formée et la familiarité des occupants avec les procédures d’urgence », ajoute Rahimian.

« De toute évidence, des pompiers qualifiés sont également essentiels. »

Des bâtiments encore plus hauts sont devenus réalisables, explique Rahimian, en partie grâce aux améliorations apportées à la logistique de la construction.

« La vraie différence par rapport à il y a 20 ans, ce sont les outils beaucoup plus puissants pour l’analyse structurelle. J’ai commencé ma carrière de concepteur dans les années 1980 avec une règle à calcul : de nos jours, un logiciel avancé signifie que nous pouvons comparer différentes alternatives structurelles en un rien de temps. »

Une caractéristique inhabituelle des tours jumelles était les amortisseurs en élastomère installés entre les fermes de plancher composites légères et les colonnes périmétriques.

La conception en fonction du vent est essentielle pour la plupart des tours très hautes : les tourbillons en spirale le long des côtés du bâtiment plutôt que la pression de l’air du côté au vent peuvent provoquer un mouvement de balancement dans les étages supérieurs, ce qui peut être extrêmement inconfortable pour leurs occupants. Des mesures efficaces doivent être prises pour réduire l’influence à des niveaux acceptables.

« Sur la très mince Trump World Tower, nous avons utilisé un amortisseur de masse réglé de 600 tonnes au niveau du toit », rapporte Rahimian. En revanche, WSP a opté pour un amortisseur à liquide réglé – essentiellement trois réservoirs d’eau en béton en forme de U, également au niveau du toit – pour le bâtiment élancé de 50 étages One Madison Park, également à New York.

Il ajoute : « Les dispositifs d’amortissement modernes font un travail phénoménal pour le confort des occupants. Sur nos tours résidentielles ultra-minces, nous avons maintenant la possibilité de concevoir des structures suffisamment rigides avec ou sans noyau central, en utilisant des technologies d’amortissement auxiliaires. Dans de tels cas, les escaliers de secours peuvent être bien séparés.

Un outil qui n’était pas disponible pour les concepteurs il y a des décennies était la dynamique des fluides numérique (CFD). Avec la CFD, il est désormais possible de modéliser le flux d’air autour d’un bâtiment proposé avec une précision étonnante – pas seulement le bâtiment isolé, mais le bâtiment sur son site proposé. Dans les emplacements du centre-ville, avec de l’air perturbé tourbillonnant autour des immeubles de grande hauteur voisins, un bâtiment proposé peut se comporter d’une manière que seule la CFD peut prédire avec un degré de précision.

Ce qui est essentiel, c’est une gestion du bâtiment formée et la familiarité des occupants avec les procédures d’urgence

Alors que les concepteurs ont dépassé les 600 m de hauteur, créant une nouvelle catégorie officielle de gratte-ciel méga-hauts, des formes totalement nouvelles ont commencé à émerger. Les cases géométriquement rectangulaires que caractérisent les tours jumelles avaient atteint leur limite. Le Burj Khalifa de Dubaï, le premier à franchir la barrière des 600 m, a opté pour un plan trilobé, tandis que la tour Nakheel, encore à terminer, également à Dubaï, pourrait battre tous les records à plus de 1 000 m.

Ce projet conçu par WSP devait consister en quatre tours distinctes très proches reliées par d’importants ponts aériens tous les 25 étages. De n’importe quelle distance, il apparaîtrait comme une seule tour. Comme le Burj Khalifa, l’architecture de la tour Nakheel a été « réglée » avec le CFD pour minimiser considérablement les effets du vent. Les deux sont tous des conceptions concrètes.

Rahimian dit que l’un des plus grands impacts à long terme du 11 septembre a été le développement de codes et de normes de construction de plus en plus complets.

« Dans les années 1980 et 1990, un code typique pouvait comporter 100 pages. De nos jours, ils peuvent faire 1 000 pages ou plus. Couplé à toutes les autres améliorations, dans les logiciels d’analyse, les matériaux, l’expertise des entrepreneurs, nous nous dirigeons vers de véritables « villes dans le ciel ».

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