GRAND ORAL

Des Tours qui chavirent

En Asie, au Moyen-Orient, en Amérique du Nord et même en Europe, de nouveaux projets sortent de terre à grand renfort de millions de dollars. Cependant, des bâtiments de plus en plus grands font face à des contraintes de plus en plus importantes.

Comment les ingénieurs sont-ils capables de concevoir des bâtiments de plus en plus haut, malgré des contraintes dû aux oscillations des structures ?

I°/Facteurs causant les oscillations de la structure

A) Ondes sismiques

Les séismes produisent deux sortes d’ondes: les ondes de volume dans le sol, et les ondes de surface. Ce sont ces dernières qui causent le plus de dégâts.Il en existe deux sortes :Les ondes Love qui créent des mouvements horizontaux de gauche à droite dans le sol.Les ondes Rayleigh qui se déplacent horizontalement, mais aussi verticalement ; leurs mouvements ressemblent à ceux d’une vague.

B) Les contraintes de l'air

En revanche cette structure ne tardera pas à s'envoler très vite sous l'effet des rafales de vent. Car durant quelques secondes celles-ci possèdent une vitesse plus élevée et, surtout, une direction qui n'est pas toujours horizontale au cours du temps. Cette propriété s'appelle la turbulence atmosphérique. Elle qualifie l'évolution de la vitesse et de la direction du vent en fonction du temps.

En France une grosse tempête type atteint les 90 km/h de vitesse moyenne et jusqu'à 180 km/h en rafale. Protéger une structure des effets du vent consiste à la protéger de la vitesse moyenne et aussi surtout des rafales. Or ce sont deux choses bien différentes.

https://www.youtube.com/watch?v=WAI4UJGpcho

https://www.toutcalculer.com/mecanique/force-vent.php#calcul

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https://eduscol.education.fr/sti/sites/eduscol.education.fr.sti/files/ressources/pedagogiques/3488/3488-document-2-2.pdf

Oscillateur libre : Un oscillateur libre c'est un système qui, lorsqu'il est déplacé de sa position initiale, est soumis à une force de rappel qui tend à le ramener à sa position d'équilibre ce qui se traduit par des oscillations autour de cette position. C'est le cas du pendule simple amorti oscillant sous l'effet de la gravité.

Un amortisseur est un système destiné à limiter l’amplitude des oscillations forcées transmises par le sol. Il opère par dissipation d’énergie.

La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes mécaniques sont sensibles à certaines fréquences. Un système résonant peut accumuler une énergie, si celle-ci est appliquée sous forme périodique, et proche d'une fréquence dite « fréquence de résonance » ou « fréquence propre » soumis à une telle excitation, le système va être le siège d'oscillations de plus en plus importantes, jusqu'à atteindre un régime d'équilibre qui dépend des éléments dissipatifs du système lui-même (bâtiment ou ponts).

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Une onde transversale est un type d'onde pour lequel la déformation du milieu est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde.

ondes P ou ondes S

https://www.youtube.com/watch?v=l1V4_SPfhLM

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I°/Un ratio hauteur largeur de plus en plus faible

https://sciencepost.fr/a-new-york-la-tendance-des-gratte-ciel-crayons/

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II°/Amortisseur harmonique

https://www.pourlascience.fr/sd/physique/des-tours-qui-chavirent-2964.php

les tendeurs compensent les forces

colisions avec les murs donc système de blocage sur les côtés

question de confort car oscillations peuvent donner la nausée au sommet d'une tour

http://fabrice.capbert.free.fr/terminale-s/2-comprendre/11-transfert%20energie/Correction%20exercices%20Transferts%20%C3%A9nerg%C3%A9tiques.pdf

m boule = 660 tonnes Cable = 11,2m Supporte des déplacements de la boule de 1,4m

https://odpf.org/images/archives_docs/23eme/memoires/EquipeQ/memoire.pdf

Dans les zones à risque sismique, les architectes ont recours à différentes techniques parasismiques afin de protéger les bâtiments lors de tremblements de terre. La protection la mieux adaptée constitue ainsi un enjeu majeur dans la conception de ces bâtiments. Une des techniques couramment employée est celle du Passive Tuned Mass Damper (PTMD), dite de l’amortissement à masse accordée. Il s’agit d’un pendule fixé au sommet du bâtiment et qui va se mettre à osciller en présence de perturbations extérieures et limiter les déplacements du bâtiment en dissipant l’énergie apportée par les séismes. La tour Taipei 101, située à Taiwan, mesure 508 mètres de haut (93 étages) pour une masse totale de 70 000 tonnes. Elle fut achevée en 2003. Construite en zone sismique, cette tour a dû être munie d’un PTMD. Entre le 88ème et le 92ème étage, on peut donc observer un pendule d’acier sphérique de 660 tonnes pour un rayon de 2,7 mètres. Celui-ci est soutenu par quatre câbles de 4,5 cm d’épaisseur, et amorti par huit vérins hydrauliques qui permettent de dissiper l’énergie cinétique que le pendule acquiert pendant un séisme, puisqu’il est alors sujet à des oscillations d’amplitude 1,5 m en moyenne. L’intérêt est que les oscillations de la tour peuvent alors être atténuées de 30 % à 40 %. Son efficacité a été vérifiée lors du séisme Sichuan qui a frappé Taiwan en 2008 ; elle est d’autant plus remarquable que le coût du PTMD ne représente que 0,2 % du coût total de construction du bâtiment.

Le PTMD a-t-il une quelconque influence sur les déplacements d’un immeuble lorsque celui-ci est soumis à des actions naturelles extérieures (séisme, bourrasque de vent) ?

LE SEISME GENERE DIFFERENTS TYPES D’ONDES, AUX EFFETS DIFFERENTS SUR LES SOLS ET LES CONSTRUCTIONS Libérées par la rupture sur la faille, des ondes sismiques se propagent dans toutes les directions. Plusieurs types d’ondes aux effets différents sur les sols et les structures sont générés par le séisme. La connaissance des caractéristiques des différents types d’ondes (et de leurs conditions de propagation) permet de prévoir leur action sur un bâtiment en fonction du site géologique où se situe la construction et de sa distance au foyer. On distingue les ondes de volume et les ondes de surface.Les ondes sismiques qui détruisent les bâtiments sont « les ondes de volume » Lorsqu’elles arrivent sous les bâtiments, leurs accélérations provoquent des déformations des constructions sous l’effet des forces d’inertie (forces qui s’appliquent à une masse qui subit une accélération, comme en subit le passager d’un véhicule qui démarre ou freine brutalement ou qui passe sur des bosses et des trous. Voir question 7). - Les ondes P (Primaires car, plus rapides, elles arrivent en premier) progressent en animant les particules des sols traversés en compression/dilatation comme les mouvements des spires d’un ressort. Elles secouent essentiellement les bâtiments verticalement. Elles se propagent dans tous les milieux. - Les ondes S (Secondaires) qui progressent en cisaillant le solperpendiculairement à leur sens de cheminement. Elles secouent essentiellement les bâtiments horizontalement... dans tous les sens. Elles ne se propagent pas dans les milieux liquides.

Réservoir et surpresseur répartis de manière ad hoc dans le bâtiment pour que les pompes et les usagers ne voient pas des pressions excessives ou nulles.

https://www.chimix.com/an20/ing/itpe2.html

http://planseisme.brgm.fr/IMG/pdf/Polycopie_sismologie_appliquee-artisans.pdf

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwiC2oXo-_rwAhWN2BQKHVR3D6cQwqsBMAB6BAgKEAE&url=https%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DrSU7qGFuJaU&usg=AOvVaw2m7M6M9mEDzEnM3hwXR6T6

https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=video&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjtuZL0-_rwAhXU5-AKHSSWBZwQtwIwAXoECAUQAw&url=http%3A%2F%2Fwww.film-documentaire.video%2Fles-constructeurs-de-lextreme-gratte-ciel%2F&usg=AOvVaw3esh3kEuo9Q8gGbqHaoB2i

III°/Exemple de la tour Tapei

A défaut d’avoir pu maintenir longtemps son statut de plus haut bâtiment au monde, la tour Taipei 101 à Taïwan vient d’établir un nouveau record. Son mécanisme interne d’absorption des chocs a effectué son plus important mouvement jamais enregistré, se déplaçant de plus d’un mètre. Un mouvement qui a permis au gratte-ciel de 510 mètres de haut de résister aux bourrasques à plus de 200 km/h du typhon Soudelor. qui a traversé récemment l’Asie.Dans une région fortement exposée aux tempêtes comme aux risques de tremblements de terre, il a fallu particulièrement soigner le système d’amortisseur qui équipe toutes les tours vertigineuses. Ici, c’est un «amortisseur harmonique», une immense boule lestée de 6 mètres de diamètre pesant 660 tonnes et installée entre les 87e et 92e étages de la tour. Installé sur des cylindres hydrauliques et retenu par des câbles, cet immense contre-poids doit pouvoir osciller en opposition de phase lorsque le bâtiments fait face à des secousses (de vent ou sismique), récupérant ainsi de l’énergie.

Les architectes ont recours à différentes techniques parasismiques afin de protéger les bâtiments lors de tremblements de terre. La protection la mieux adaptéeconstitue ainsi un enjeu majeur dans la conception de cesbâtiments. Une des techniques couramment employée est celle du Passive Tuned Mass Damper(PTMD), dite de l’amortissement à masse accordée. Il s’agit d’un pendule fixé au sommet du bâtiment et qui va se mettre à osciller en présence de perturbations extérieures et limiter les déplacements du bâtimenten dissipant l’énergie apportée par lesséismes.

https://odpf.org/images/archives_docs/23eme/memoires/EquipeQ/memoire.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=VCxm3vTWgvU

conclusion : Dépasser le kilomètre. Tel semble être le nouveau défi des bâtisseurs de gratte-ciel. Malgré le paradigme dominant de la ville verte, horizontale et connectée, des projets de gratte-ciel naissent aux quatre coins du globe. Dans les pays du Golfe, le coût écologique de ces constructions est faramineux. Par exemple, en Arabie saoudite, le sable local ne permet pas la construction de tours. Il est donc importé d’Australie.