Le monde actuel regorge de structures intéressantes, grandes et petites, anciennes et contemporaines. Les gratte-ciel modernes sont les plus accrocheurs et qui provoquent le plus d’émerveillement chez le spectateur. Ce sont des monuments qui dégagent pouvoir et prestige. C’est des réalisations suprêmes dans l’ingénierie et la conception, par conséquent ils représentent des témoignages à l’esprit humain et des relations publiques au plus haut niveau.
Il y a quelques années de cela, évoquer les bâtiments à grande hauteur faisait penser généralement aux grandes villes telles que New York et Chicago ; Ces deux villes ont vu grandir des constructions du plus haut degré mais la couronne a été arrachée d’abord par Les jumelles Petronas de Kuala Lumpur, puis par le gratte-ciel Taipei 101 Taïwanais et plus récemment par le Burj Khalifa à Dubaï.
La faisabilité de bâtiments de grande hauteur a toujours dépendu des matériaux disponibles et du développement du transport vertical nécessaire pour déplacer des personnes de haut en bas des immeubles. L’évolution qui a suivi repose sur deux innovations techniques majeures qui ont eu lieu dans le milieu à la fin du XIXe siècle: le développement du fer forgé, par la suite celui de l’acier, et enfin l’incorporation de l’ascenseur. Le fait d’introduire les ascenseurs dans les IGH et donc permettre l’accès facile aux étages supérieurs, plus attrayant que ceux du bas, a fait de ces immeubles un succès financier.
Il est difficile de distinguer des caractéristiques généralisées sur des bâtiments dits de grande hauteur. L’aspect extérieur de grande taille est une question relative. Dans un typique quartier de plain-pied, un immeuble de cinq étages peut paraître grand. Un bâtiment de 30 étages dans une ville peut être considéré comme élancé, mais les citoyens d’une petite ville pointeraient fièrement à leur « gratte-ciel » de 6 étages. Dans les grandes villes comme New York et maintenant les villes des Emirats Arabes, une structure doit percer le ciel de 100 à 120 étages pour se détacher en hauteur de son environnement immédiat.
Un grand bâtiment ne peut être défini en termes spécifiques liés à la hauteur ou au nombre d’étages. Il n’y a pas de consensus sur ce qui constitue une grande structure.
Du point de vue structurel, il est plus simple de considérer un bâtiment élancé lorsque ses analyses structurelles et de conception sont touchées par les charges latérales, et en particulier le balancement causé par de telles charges. Plus la hauteur augmente, plus les forces de la nature, en particulier le vent, dominent. Par conséquent, le cadre structurel pour les IGH se développe autour de concepts associés à la résistance au vent turbulent.
Si l’on remonte à des centaines d’années auparavant, nous constaterons que l’être humain se souciait principalement d’assouvir ses besoins les plus fondamentaux : Se nourrir et s’abriter. Il se contentait du minimum pouvant lui assurer la survie.
Avec l’évolution de la technologie et des techniques de construction, l’homme a déchainé son imagination et ne cesse de se dépasser pour atteindre les plus hauts niveaux du réalisable. Son aspiration à concevoir des bâtiments imposant par la taille et leur architecture s’est manifestée sans plusieurs de ses œuvres. Fierté semble avoir été la motivation première pour la construction de ces structures anciennes comme la tour de Babel, le colosse de Rhodes, les pyramides d’Egypte, les temples des Mayas au Mexique… En plus des facteurs sociaux et économiques, l’égo et la concurrence jouent leurs rôles dans la révolution dans le monde de la construction. Maintenant, ce qui a été récemment considéré comme un phénomène urbain en Amérique, peut être vu en rase campagne. Les horizons des villes du monde entier sont sans cesse percés par d’énormes colonnes aussi impressionnantes les unes que les autres.
Les anciennes structures de grande tailles servaient de protection ou de symbole et rarement utilisés pour l’habitat des hommes. Tout au long de l’histoire, les hommes ont eu à faire usages des matériaux de construction disponible. La pyramide de Khéops, par exemple, a été construite en empilant d’énormes blocs de maçonneries les uns sur les autres pour atteindre un pic de 146,7m (figure).
Les constructions étaient constituées principalement de bois et de maçonnerie, deux matériaux très limités. Le bois n’était passez fort pour les grandes structures et ne résistait pas au feu, la maçonnerie et la pierre souffraient de la contrainte du poids.
La construction en maçonnerie a atteint son apogée en 1891 avec la construction de Monadnock à Chicago (figure), un édifice de 17 étages (64m), la charge du vent étant supportée par les murs porteurs en maçonnerie épais de 2,13m au niveau du sol. Par conséquent, la superficie occupée par les murs était de 15% de la superficie brute au rez de chaussée.
C’est en 1885 qu’un ingénieur du nom de William LeBaron Jenny est devenu le créateur du gratte-ciel moderne. Il a choisi d’incorporer l’acier : Au lieu d’être supportées par les murs de maçonnerie des étages supérieurs, Jenny a eu l’idée de supporter les charges de gravité par un squelette en acier. Cependant, très peu de bâtiments de plus de 10 étages ont été construits ainsi. Ce n’est qu’après l’invention de l’ascenseur que la course vers le ciel commence et que la concurrence entre Chicago et New york pour devenir la métropole atteint son comble. Au tournant du siècle, le quartier des affaires autour de Wall Street à New York obtient le statut de centre financier du pays. La forte demande d’espaces de bureaux ont vu la construction de plusieurs bâtiments de 20 étages à ossature en acier.
En 1913, le Woolworth a été la première structure de 60 étages (242m) à Manhattan. Ce bâtiment de style cathédral est toujours en usage après plus de 90 années de service.
La construction en hauteur a connu une accalmie lors de la Première Guerre mondiale, mais elle reprit son cours normal après la guerre et atteint les 319m avec le Chrysler Building, toujours à New York.
Après la Seconde Guerre mondiale, une nouvelle ère de gratte-ciel naquit. Avec le doublement de la population et l’augmentation rapide de la production, l’économie en espace devient primordiale. En 1930 a été construit l’Empire State Building à New York, un bâtiment de 448,7m (antenne comprise), dépassant ainsi les 324m de la tour Eiffel à Paris qui était la plus haute structure du XIXe siècle (figure).
Empire State Building, New York
C’est en 1974 que le Sears Tower remporte le titre du plus haut bâtiment du monde avec ses 442m et ses 110 étages.
Maintenant, nous sommes dans une ère dans laquelle la hauteur n’est plus l’unique défi à relever, mais l’aspect architectural également. Les ingénieurs en structures poussent les limites du béton et de l’acier pour réaliser des formes aussi impressionnantes les unes que les autres.
Les gratte-ciel avaient généralement une forme prismatique, mais aujourd’hui, les propriétaires et les promoteurs exigent de plus en plus d’originalité aux architectes. Des tours avec 3 à 10 côtés ou à section circulaire, les IGH de nos jours exposent audace et finesse, certains ont une section variable, d’autres penchent dans le style de la tour de Pise, on en trouve des tours sous forme de U renversé et parfois on en construit des jumeaux.
Aujourd’hui, l’utilisation de l’ordinateur a sonné une liberté quasi-totale dans l’architecture des IGH. Les systèmes structurels peuvent être simulés et soumis à des essais, qui, alliés à la capacité d’analyse de l’ingénieur, préviennent le comportement des structures et définissent leurs limites tout en réduisant le coût.
Un ingénieur qui planifie la construction d’une structure à grand calibre doit s’assurer que cette structure réponde aux exigences fondamentales d’un bâtiment dans les normes.
Ces exigences peuvent être classées dans les volets suivants :
- Equilibre
- Stabilité
- Résistance
- Adaptation à la fonction
- Economie
- Esthétique
De ce fait, nous distinguons plusieurs contraintes quant à la construction d’immeubles à grande hauteur, entre autre :
- La résistance à la compression des matériaux (béton …).
- La résistance aux vents (flexion).
- La résistance au cisaillement de la tour (séisme).
- La résistance du sol pour supporter le poids de l’ensemble.
Les contraintes sur la vie des occupants
- Vertige ou mal de mer au sommet quand le bâtiment est soumis à un vent violent.
- Réduction du rapport cout/rentabilité
Les contraintes de fonctionnement
- Les contraintes de sécurité (incendie, d’évacuation…).
- Les contraintes d’alimentation en fluide (eau notamment).
- Les déplacements des personnes (ascenseur).
Au fil du temps, on a pu distinguer trois grandes périodes dans le style architectural des gratte-ciel.
Jusqu’aux années 1930, différents styles ont fait référence à l’histoire architecturale de l’Europe (style néogothique, style néoclassique).
A partir des années 1940 jusqu’aux années 1980, le style dit « international » s’impose avec une abondance de lignes droites et une très large utilisation du verre.
Depuis les années 1980, la forme géométrique des gratte-ciel se complexifie.