Dubai Tour Burj Khalifa

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Dubai Tour Burj Khalifa
Written By: Jean-Paul Cipria - août• 28•12
Dubai – Tour Burj Khalifa
Je dédie cet article à Stef, Pat, Eloïse, Noé, Augustin et Marion
L’immense tour Burj Khalifa de Dubaï m’a littéralement scotché. La forme en tréfle à trois
feuilles de la base et la hauteur de 828 m dépassant très largement les gratte-ciel environnants, qui
sont loins d’être petits, est extrêmement impressionnante !
Nous pouvons monter en quelques dizaines de secondes au 124 ème étage (sur 160) soit au deux
tiers du skyscrapper (building). Et la vue est magnifique. Songez à sortir sur la plateforme en plein
air même si la température avoisine les 40°C car le site est bien ombragé. Et pensez à faire vos
photos par les claire-vues et non au travers des vitres.
Je remercie mon beau-fils ingénieur chez Besix qui m’a fourni les premiers éléments généraux
techniques, ma belle-fille pour m’avoir accompagné jusqu’au pied de cette vertigineuse fusée que
nous avons visitée, ma femme et moi, par une très chaude journée du mois d’août.
[tab:Structure]
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Structure
Vue générale
Burj Khalifa
Autoportance
La structure est autoportante (free-standing structure). C’est à dire qu’elle n’a pas besoin de
haubans ou de piles extérieures ou de renforts pour compenser les efforts longitudinaux et
horizontaux.
Toute l’astuce est alors que la somme des moments des forces s’appuient, ou le mieux, suivent, les
piliers les plus externes. Ceci assure le non basculement de l’édifice en dirigeant les forces
parallèlement aux piliers. Ainsi très peu de couples de torsion, de cisaillement ou d’étirements (ou
traction) existent. La majorité des forces s’exercent en compression. La structure est
essentiellement en béton et acier – la résistance principale des matéraiux est en compression –
contrairement aux ponts suspendus où les câbles possèdent leur maximum de résistance en
traction.
Comme nous le verrons plus loin (Base ou Fondements) les trois ailes (Wings) contribuent à
répartir les charges latérales du noyau hexagonal (hub).
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Compression-traction
Exemple des différentes forces Haubans-Piles en fonction des matériaux Acier-Béton
Pont suspendu – Forces – Traction et Compression
Structures portantes
Les structures portantes sont les éléments qui assurent la rigidité mécanique de l’immeuble.
Structures portantes du passé ?
Anciennement les constructions massives en pierres de taille dépassaient rarement la centaine de
mètres de hauteur. Seule une structure pyramidale permettait d’atteindre de grandes hauteurs mais
au prix d’une masse énorme de matériaux. Au douzième siécle est apparue la technique des voûtes
et des contre-forts de style Roman qui permettent de soutenir plus efficacement la masse de
l’édifice et qui répartissent les forces horizontales. La technique des voûtes croisées de style
Gothique à permis d’élever un peu plus les bâtiments en faisant supporter les forces principales
sur des axes particuliers. Les cathédrales ont gagné ainsi plus de luminosité par les perçages de
fenêtres sur les surfaces non-portantes.
Structures portantes d’aujourd’hui
Les anciens building sont construit autour d’une matrice de piliers (quadrillage hyperstatique) et
permettent de monter des immeubles de 100 étages dans un rapport de 200 kg/m².
Les nouveau buildings sont construit autours de piliers centraux, en général évidés, qui permettent
d’atteindre des hauteurs autours de 600 m. dans un rapport de 140 kg/m². Le Burj Khalifa n’y
coupe pas. Les 228 m suivants sont construit en structure métalique.
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Structures Portantes
Base de fondation
La base
• Base : 46 000 m3 de béton (concrete).
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• Immeuble :
110 000 tonnes – 330 000 m3 de béton.
39 000 tonnes d’acier.
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Nous pouvons remarquer que la base est en forme d’un trèfle à trois feuilles constitué d’un socle
en béton porté par trois ensembles de 64 piles de 43 m de hauteur s’appuyant sur la roche. Les
piles permettent à la fois de supporter la masse du socle et de l’immeuble entier et répartissent les
charges également sur des structures plus solides et élastiques en acier que le béton. L’espacement
entre les piles permet les glissements de terrains meubles entre le socle et le roc.
Chaque aile, ou ‘wing’, étaye le noyau central hexagonal ou ‘hub’et assure une rigidité en torsion
élevée. Cette forme en Y s’appelle ‘buttressed core’.
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Burj Kalifa Fondation
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Orientation de la base
La structure en trèfle étant probalement orientée en présentant une arête aux vents dominants du
lieu – vent de terre et de mer (voir cartes géographiques). L’arète Nord-Ouest est perpendiculaire
à la côte et à la route ‘Sheikh Zayed Road’ et présente une structure en aile d’avion aux vents de
mer provenants du Nord-Ouest. (CQFD).
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Orientation du Burj Khalifa
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Orientation Burj Khalifa
L’axe Y du Wings Nord-Ouest est parallèle au sens du vent Mer–>Terre de Nord-Ouest.
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Diagramme de section
Forme géométrique
Critères
Les critères importants de construction en ‘extreme engineering’ pour ce type d’architecture est
de tenir compte de la masse du système ou résistance des matériaux, des forces et moments des
forces dues à la poussée du vent et aux mouvements terrestre comme les tremblements de terre.
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Burj Khalifa – Diagramme de Section
Construction de forme
La tour est construite en technique autoportante ce qui impose une forme particulière (en flèche)
par une sorte de gabarit des résultantes des moments des forces partant en exponentielle en
hauteur (en z) par rapport à la base horizontale (en x). Les deux premier tiers sont constitués de
béton. Le troisième est en struture métallique.
• Forces maximum du vent : 3 kN/m².
Vitesse maximum du vent : 250 km/h.
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• Température intérieure :
Année : 22 °C.
Température extérieure :
Janvier 26 °C.
Aout : 48 °C.
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• Puissance solaire : 900 W/m².
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Les buildings ‘accrochés’ sur chaque aile (wing) sont disposés en progressant hélicoïdalement
comme une spirale. Ceci permet à la forme de tromper le vent (confuse the wind) et éviter aux
vortex de vents de se former en rencontrant tous les tiers d’immeuble une différence de forme.
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Structure par étage
La strucure de forme ci-dessous associe les tranches ou tiers, les étages aux photos de l’immeuble
en construction. Reconstruction de l’image par [Réf : burjdubaiskyscraper.com]. J’ai du
redimensionner et assembler les photos à la main pour garder la cohérence de forme et de hauteur.
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Burj Khalifa – Structure par étage
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Flèche téléscopique
La flèche (spire) télescopique est composé de plus de 4000 tonnes d’acier. Elle est construite à
partir de l’intérieur du bâtiment et amenée à sa hauteur maximale de plus de 200 mètres à l’aide
d’une pompe hydraulique.
Eléments de structure
• http://www.burjdubaiskyscraper.com/facts.html
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[tab:Techniques]
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Techniques spéciales
Pompe à béton
Le béton est pompé jusqu’à 601 m à une pression de 200bar (200 hP). La colonne
de béton représente 11 m3 d’une masse de 26 tonnes et est acheminée en 40 mn de la trémie basse
à la conduite de distribution 601 m plus haut.
• Béton hyper-fluide pour faciliter la mise en oeuvre (high-strength concrete).
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165 000 m3 distribué en 32 mois.
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Masses stabilisatrices à contre-réaction
Je n’ai pas l’information des techniques utilisées dans le Burj Khalifa au sujet des stabilisations
des oscillations en modes propres. Je passe en revue les deux techniques principales, passives de
contre-réaction en système Masse-Ressort-Frottement.
Exemple de TMD
Amortissement des vibrations par masses stabilisatrices suspendues ou amortisseurs par masse de
contre-réaction passive. (TMD : Tuned Mass Damping).
3 TMD sur le building Taipei 101.
• Diamètre : 5.5 m en acier.
• Masse : 662 tonnes.
• Réduction d’oscillation : 40%.
Masse à Contre-Réaction
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Amortisseur à eau
Exemple : Building antisismique « One Rincon Hill » de San Francisco
• 195 m pour 60 étages.
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Amortisseur à Eau
Réservoir à trois compartiments.
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[tab:Energies]
Energies
La gestion des systèmes du building est effectué par 7 doubles-étages de maintenance qui gèrent
chacun 30 étages (BMS : Building Management System). Les systèmes de services mécaniques,
électrique et de plomberie (MEP : Mechanical, Electrical and Plumbing Services) comprennent
les sous-stations électriques, les réservoirs d’eau, les pompes et les unités de traitement de
climatisation.
Eau
Eau potable
Le système de distribution d’eau traite 946 000 litres par jour.
Climatisation
La climatisation distribue l’équivalent 10 000 Tonnes d’eau refroidie à 0°C par 34 Km de
canalisation (chilled water pipes).. Le système de récupération des condensats de climatisation
récupère l’équivalent de 20 piscines olympiques d’eau en un an, ou 57 Millions de litres (156 000
litre d’eau/jour), la stocke au niveau des parkings et la redistribue dans 11 hectares de jardins
(landscappings) au pied de l’immeuble.
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Electricité
L’alimentation électrique est acheminée sous haute tension pour éviter les pertes en ligne puis est
distribuée en basse tension.
• Puissance totale : 36 MW.
Alarmes et télécommunications.
Les alarmes sont distribuées au travers de 375 Km de fibres optiques.
Les quatre derniers étages sous la flèche sont consacrées aux télécommunications.
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[tab:Caractéristiques]
Caractéristiques principales
Géométrie
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Hauteur : 828 m.
Hauteur : 2/3 béton. 1/3 acier.
Superficie : 517 240 m2 sur 104 210 m2 à la base ?
Etages : 160 étages habitables.
Visite : Au 124 ème étage.
Socle :
192 piles de 43 m de hauteur sur 1.5 m de diamètre. 90 000 tonnes de poutres en acier.
110 000 tonnes de béton haute densité à haute perméabilité. 330 000 m3.
• 22 millions d’heures de travail. 7500 ouvriers.
• Budget total du projet: 1,5 milliard de dollars américains.
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Concepteurs
• Projet architectural, calcul des structures et ingénierie de base de la tour :
Skidmore, Owings and Merrill de Chicago (SOM)
• Ingénieur en chef pour le calcul des structures : Bill Baker.
• Architecte en chef : Adrian Smith.
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Géographie
Position géographique
• Adresse :
No. 1, Burj Dubai Boulevard, Dubai, United Arab Emirates.
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• Localisation terrestre (GPS) :
25° 11′ 50″ Nord = 25.197139 N
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55° 16′ 27″ Est = 55.274111 Est
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Carte géographique
• http://www.mapquest.com/?q=25.196944,55.273888&zoom=7
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Futures tours
Jeddah Kingdom Tower – Arabie Saoudite
• Hauteur : 1000 mètres.
• Concepteur : Groupe Belge Besix, constructeur du Burj Khalifa.
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Méthodes de calcul
Beam Deflection by Conjugate Beam Method
Qualitative Influence Lines using the Müller Breslau Principle :
Permet d’obtenier en un point la valeur de la flèche et de la rotation. (slope and deflection).
shear : cisaille
http://www.scribd.com/doc/7177136/BTS-Construction-Charpente
http://www.systemx.fr/meca/btsiut/methode_coupures.pdf
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[tab:Galerie]
Galerie
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Orientation du Burj
Khalifa
Structures Portantes
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Orientation Burj Khalifa
Masse à ContreRéaction
Burj Kalifa Fondation
Burj Khalifa –
Diagramme de Section
Amortisseur à Eau
Burj Khalifa
Pont suspendu – Forces Burj Khalifa – Structure
– Traction et
par étage
Compression
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[tab:Réf.]
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Références
• Site officiel :
http://www.burjkhalifa.ae/
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• Architectes SOM :
http://www.som.com/
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Etapes de construction SOM :
http://www.som.com/local/common/modules/gallery/dsp_image_gallery.cfm/burj_khalifa?
galleryCategoryId=505281
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• Eléments de structure photo :
http://www.burjdubaiskyscraper.com/facts.html
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• Elément de structure explications :
http://023app47.guardian.com/oracleprd/groups/sunguardeurope/documents/web_content/gi_01603
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• Extreme engineering :
http://www.benoitmichel.be/extreme/Cours_EE_2011.pdf
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• Construction :
http://www.constructionweekonline.com/article-7400-how-the-burj-was-built/1/print/
Acronymes
BMS : Building Management System.
MEP : Mechanical, Electrical and Plumbing
SOM : Skidmore, Owings & Merrill LLP.
TMD : Tuned Mass Damping
Clefs
skyscrapper , gratte-ciel
Extreme Engineering
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[tab:END]
Jean-Paul Cipria – 28/08/2012
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