Le système structurel tubulaire développé par Fazlur Khan

De nombreux systèmes structurels ont été adoptés dans la conception de bâtiments de grande hauteur, l’un des plus efficaces étant le système structurel tubulaire. Les progrès de la technologie et le développement de l’économie, partout dans le monde, ont conduit à la construction de bâtiments de plus en plus hauts.

Le « père » de ce système est l’architecte et ingénieur en structure Fazlur Rahman Khan. Dans les années 1960-1970, il se fait connaître pour ses projets à Chicago : le John Hancock Center (un immeuble de 100 étages) et la Willis Tower (Sears), le plus haut bâtiment du monde à l’époque.

Fazlur Khan s’est rendu compte que la structure à ossature d’acier, jusqu’alors dominante dans la conception. Et la construction de bâtiments de grande hauteur, n’est pas le seul système adapté à la construction de gratte-ciel. „Sa capacité unique à combler le fossé entre la conception architecturale et l’ingénierie structurelle est ce qui distingue Khan des autres ingénieurs en structure” – John Zil. Ses projets ont transformé l’horizon des villes, la plupart des immeubles de plus de 40 étages, aux États-Unis. Ils ont été construits après les années 1960 et utilisaient une conception de tube dérivée de ses principes d’ingénierie.

Les trois types de tubes dans le système structurel tubulaire

1. Le tube encadré

Kahn a développé trois variantes principales de la conception du tube. Ceux-ci ont été utilisés pour répondre à différentes exigences structurelles :

La charpente est constituée de colonnes situées à petites distances, 2 à 4 m entre les centres, reliées par des poutres de fondation. On peut imaginer ce système comme une immense dorsale flexible, constituée de trames connectées.

Le premier bâtiment à utiliser ce système fut l’immeuble d’appartements DeWitt-Chestnut, conçu par Khan et achevé en 1963. Il posa les bases de la structure tubulaire à ossature utilisée dans la construction du World Trade Center.

Le « Tube encadré » est le système le plus simple et peut être adapté aux formes carrées, circulaires et irrégulières.

2. Le tube contreventé (tube contreventé, tube treillis)

Le but de ce concept est de réduire la charge latérale appliquée au bâtiment en la transférant aux poteaux extérieurs. Cela conduit à l’obtention d’un grand espace grâce au besoin réduit de colonnes intérieures.

Le John Hancock Center est le premier bâtiment à utiliser ce système. Contrairement aux structures métalliques utilisées auparavant, comme l’Empire State Building, le Hancock Center était beaucoup plus efficace. Parce que cela n’a nécessité que 145 kilogrammes d’acier par mètre carré, contre 206 kilogrammes utilisés pour le bâtiment de New York.

3. Le tube modulaire (tube groupé)

Le système « tubes groupés » peut être visualisé comme un assemblage de tubes individuels qui forment un tube de plusieurs cellules. Ce système permet la plus grande hauteur et la plus grande surface. Le tube modulaire était très efficace d’un point de vue économique, ainsi qu’innovant. Parce que les bâtiments ne devaient plus ressembler à une boîte. Les tubes peuvent prendre diverses formes et être regroupés de différentes manières, créant ainsi des bâtiments aux aspects structurels.

Un bâtiment emblématique réalisé à l’aide de « tubes groupés » est la Willis Tower, composée de neuf tubes de différentes hauteurs pour obtenir un aspect distinctif.

Pour le spectaculaire bâtiment Burj Khalifa, le système de « tubes groupés » et un composite de béton et d’acier ont été utilisés pour atteindre la hauteur de 828 m.

Avantages du système structurel tubulaire :

Un avantage évident est d’un point de vue matériel. Les formes tubulaires bien conçues utilisent environ la moitié de la quantité de matériau qui aurait été utilisée pour une structure de fabrication conventionnelle.

Cela permet une plus grande flexibilité dans la planification de l’espace intérieur car toutes les colonnes sont concentrées sur le périmètre de la structure. Le système permet de créer un espace libre, sans piliers à l’intérieur.

Basé sur le concept selon lequel l’enveloppe extérieure du bâtiment peut fonctionner comme une structure en soi. Fazlur Rahman Khan a conçu un système structurel pouvant être utilisé pour les bâtiments en acier et en béton.