La technologie à base d'acier révolutionne l'amortissement des bâtiments

Un système d'amortissement structurel en acier pourrait rendre les bâtiments de grande hauteur plus sûrs en cas de tremblements de terre et réduire l'influence du vent sans occuper un espace au sol précieux.

Alors que les prix de l’immobilier continuent d’augmenter dans les villes en expansion à travers le monde, les promoteurs ont réagi en construisant des bâtiments plus hauts et plus minces.

Centre de Londres, Hong Kong, New York, Toronto, Wellington, Manille ; Tous possèdent des biens immobiliers parmi les plus précieux au monde et, l'appétit de vivre et de travailler au centre de ces pôles d'affaires restant élevé, les promoteurs ont regardé vers le ciel.

Les méthodes de construction modernes permettent de construire des gratte-ciel sur des parcelles de plus en plus petites et avec une élancement correspondante. "Les modules VCD sont fabriqués à partir d'acier de construction japonais SM490A standard qui prend en sandwich le polymère viscoélastique 3M. C'est un matériau extrêmement durable. " L'effet est plus visible vers les niveaux supérieurs et bien qu'il n'y ait aucune implication en matière de sécurité, il peut provoquer chez les occupants une forme de mal des transports. Pour lutter contre le balancement, les développeurs ont fait appel aux ingénieurs et aux concepteurs pour développer des systèmes d'amortissement permettant de réduire ce mouvement.

Il existe deux types privilégiés de registres installés vers le haut du bâtiment ; un amortisseur de masse réglé, qui est un système mécanique qui agit pour absorber tout mouvement, et un amortisseur qui utilise un réservoir rempli d'eau pour ajouter du poids et contrecarrer tout balancement.

Les deux sont encombrants, nécessitant 100 mètres carrés d’espace sur deux étages, et dans les villes où chaque centimètre carré de sol a une valeur élevée qui peut s’avérer coûteuse.

Le coût élevé des systèmes d'amortissement existants est l'une des raisons pour lesquelles la société torontoise Kinetica Dynamics, en collaboration avec le producteur de matériaux 3M et le spécialiste de l'acier Nippon Steel et Sumikin Engineering, a développé un système capable d'amortir tout mouvement de vent ou de tremblement de terre sans occuper un espace précieux au sol.

Son amortisseur de couplage viscoélastique (VCD) utilise la combinaison de la résistance au cisaillement et à la déformation des matériaux visqueux et de la mémoire d'étirement de l'élastique, combinée dans un polymère viscoélastique développé par l'équipe 3M.

Le fabricant Nippon Steel et Sumikin Engineering prennent plusieurs couches de ce matériau viscoélastique, le prenant en sandwich entre des couches d'acier à haute résistance pour créer l'un de leurs modules VCD.

Ces modules sont transférés sur le chantier où ils sont ancrés aux profilés d'acier coulés dans le béton structurel du gratte-ciel. Ces « encastrements » sont fabriqués localement par des fabricants d'acier avec des « modèles » qui agissent comme des préservateurs de tolérance qui permettent aux VCD d'être fixés ultérieurement à l'aide de boulons en acier à haute résistance. Cela garantit que le processus peut être retiré du chemin critique du cycle de construction, ce qui permet de gagner du temps et d'augmenter l'efficacité pendant la construction.

"Cela signifie que les entrepreneurs généraux peuvent effectuer les travaux sans faire appel à des équipes de spécialistes. Il est assez simple de couler les inserts qui sont des sections d'acier de construction standard provenant de producteurs locaux", explique Michael Montgomery, directeur technique et directeur général chez Kinetica.

Il a travaillé sur l'utilisation de VCD dans des structures renforcées de grande hauteur avec les ingénieurs de 3M, Nippon Steel et Sumikin au cours du processus de développement et de test de huit ans à l'Université de Toronto et voit actuellement cette technologie être déployée.

Ce programme de tests comprenait des tests d'amortisseurs à grande échelle pour valider l'acier et la technologie viscoélastique, confirmant ainsi l'efficacité et la robustesse de l'amortissement. Ils ont indiqué des améliorations significatives des performances par rapport aux configurations structurelles traditionnelles pour des niveaux de vent et de tremblements de terre fréquents, ainsi que des tests plus sévères de vents de niveau ouragan et de scénarios de tremblements de terre extrêmes.

"Nous travaillons sur ces VCD et veillons à ce qu'ils soient entièrement testés depuis de nombreuses années maintenant. Les modules VCD sont fabriqués à partir d'acier de construction japonais standard SM490A qui prend en sandwich le polymère viscoélastique 3M. C'est un matériau extrêmement durable", explique Montgomery.

"Nous avons constaté lors des tests que l'amortisseur fonctionne mieux sans aucune couche de liaison supplémentaire ajoutée entre l'acier et le polymère. Les boulons en acier qui fournissent la force de serrage sont des boulons en acier hexagonaux A490 standard produits au Japon."

La distribution et l'emplacement des amortisseurs autour du cadre de la tour dépendent de la conception réalisée par les ingénieurs en structure et en sismique. Dans les zones d'activité sismique importante, ils peuvent non seulement réduire le niveau et la férocité des vibrations sismiques, mais également le volume des travaux de réparation post-séisme.

"Nous avons constaté lors des tests que l'amortisseur fonctionne mieux sans aucune couche de liaison supplémentaire ajoutée entre l'acier et le polymère"

Si leur capacité est conçue pour des charges prédéfinies, les éléments de connexion des VCD agissent comme des « fusibles structurels », empêchant ainsi les dommages aux éléments structurels adjacents. Après un séisme extrême, il suffit d'inspecter ces fusibles et de les remplacer ou de les réparer si nécessaire.

Les VCD Kinetica, 3M, Nippon Steel et Sumikin Engineering ont déjà été installés dans des développements prestigieux dans des zones exposées à la fois à des charges de vent élevées et à une activité sismique.

À Manille, le projet Park Central Towers comprend deux tours de 267 m et 217 m de hauteur. Ils sont situés dans une région soumise à de violents typhons et à seulement quelques kilomètres d’une ligne de faille majeure. Il y a 32 VCD dans chaque tour, réduisant ainsi la charge éolienne et sismique sur chaque structure. Et à Toronto, le complexe Y+C Condominium de 62 étages comprend 42 VCD qui ont remplacé les poutres de couplage en acier dans la section centrale de la tour.

Alors que l’avenir des logements et des bureaux dans les grandes villes se tourne de plus en plus vers les gratte-ciel, le potentiel de cette technologie construite en acier pour améliorer la sécurité et le confort tout en maximisant l’espace au sol pourrait s’avérer inestimable.