Diagrid exposé

Bâtiment du Centre Fédéral Sud 1202

Il s’agit du deuxième article soulignant les caractéristiques de conception innovantes du bâtiment du Centre Fédéral Sud 1202. « Un pari digne: L’utilisation innovante de Planchers en bois en béton Composite & sur le Centre Fédéral Sud » a été présenté dans l’édition d’avril 2013 de STRUCTURE.

Le bâtiment 1202 du Federal Center South, récemment achevé, servant de siège du district de Seattle au Corps des ingénieurs de l’Armée des États-Unis (USACE), est un immeuble de bureaux à la pointe de la technologie résultant de l’innovation et de la collaboration en matière d’architecture, de structure et de construction.

L’une des caractéristiques clés qui rend le bâtiment 1202 si innovant est l’utilisation d’un système de diagrid au mur extérieur de la structure. Alors que le diagrid est un système utilisé dans de nombreux nouveaux bâtiments à travers le monde, son utilisation dans le bâtiment 1202 représente une solution intelligente pour répondre aux exigences spécifiques de ce projet de conception-construction. L’utilisation de ce système structurel unique renforce le bâtiment tout en réduisant les coûts des matériaux et en raccourcissant le calendrier de construction. Le bâtiment 1202 a été planifié, conçu et construit en moins de deux ans et demi et a respecté le budget de construction initial de 65 millions de dollars.

En plus d’être une solution efficace aux exigences d’effondrement progressif, le diagrid a joué un rôle important pendant la phase de compétition du projet de conception-construction et il a joué un rôle important dans l’expression architecturale et l’histoire du bâtiment.

Diagrid Défini

Un système de diagrid est constitué de colonnes inclinées (diagonales) et de poutres en écoinçons (horizontales). Le système diagrid pour le bâtiment 1202 utilise un module de 3 étages (hauteur totale du bâtiment) avec des connexions boulonnées entre les écoinçons et les diagonales. Effectivement, le système diagrid est une ferme à plusieurs étages avec des connexions à broches. Ce système crée une structure efficace et intrinsèquement redondante en transportant des charges par gravité jusqu’à la fondation via plusieurs chemins de charge.

Exigences d’effondrement progressif

En tant que projet de la General Services Administration (GSA) des États-Unis, l’une des principales exigences du bâtiment 1202 du Federal Center South était que la structure soit conçue pour résister à un effondrement progressif en cas d’attaque terroriste. L’effondrement progressif est la propagation décomplexée d’une défaillance locale initiale à d’autres éléments de la structure, entraînant éventuellement l’effondrement de la structure entière ou d’une partie disproportionnée de celle-ci. Des exemples d’effondrement progressif incluent l’effondrement du bâtiment fédéral Alfred P. Murrah à Oklahoma City, lorsque des dommages structurels localisés causés par une explosion se sont propagés dans tout le système de transport de charge par gravité, entraînant finalement l’effondrement d’une grande partie du bâtiment.

Le bâtiment 1202 est conçu selon les exigences énoncées dans l’UFC 4-023-03, Conception des bâtiments pour résister à l’effondrement progressif. L’objectif de ce document de conception est de limiter le nombre de victimes en veillant à ce que les bâtiments présentent une redondance inhérente adéquate pour résister aux dommages catastrophiques dus à des événements imprévisibles. Les exigences relatives à la conception progressive de l’effondrement prévues dans l’UFC 4-023-03 ne s’appliquent qu’aux bâtiments de trois étages ou plus. Cette exigence de trois étages est basée sur un seuil maximal de victimes fixé par l’UFC et non sur la mécanique de l’effondrement progressif.

Le niveau de conception de l’effondrement progressif est basé sur la catégorie d’occupation (OC) et la fonction du bâtiment. Comme pour l’OC déterminé à l’aide du GRV, un risque plus élevé est associé à la perte de structures d’OC plus élevé. Cet OC dicte quelle méthode de résistance progressive à l’effondrement doit être utilisée dans la conception. Les trois méthodes de résistance progressive à l’effondrement prescrites dans l’UFC 4-023-03 sont la Méthode de Force de liaison, la Méthode de Chemin Alternatif et la Méthode de Résistance améliorée (voir Tableau).

Traditionnellement, les exigences de résistance progressive à l’effondrement ont été satisfaites en utilisant des cadres de moment ou des poutres de liaison à l’extérieur du bâtiment, ou en augmentant la taille des éléments pour fournir une résistance accrue. Cependant, pour le bâtiment 1202, un diagrid a été choisi comme système primaire de prévention de l’effondrement. Le diagrid est complété par des cadres de moment aux extrémités du bâtiment en biais.

Le système diagrid est une solution optimale pour répondre aux exigences de prévention de l’effondrement, car il s’agit essentiellement d’une ferme à plusieurs niveaux, les colonnes diagonales servant d’éléments d’âme et les écoinçons horizontaux à chaque étage servant d’accords de ferme. Le module diagrid de 3 étages utilisé pour la construction du 1202 crée une ferme de 3 étages. Si l’une des colonnes diagonales est endommagée lors d’une attaque, les parties restantes de cette ferme peuvent s’étendre sur des zones de dommages structurels localisés.

Utilisation de la Diagrille comme Système de Résistance à la Force Latérale potentielle

Les colonnes inclinées de la diagrille sont représentatives des entretoises dans un cadre contreventé. Pour cette raison, le système diagrid a été initialement exploré pour être utilisé comme système latéral du bâtiment. Cependant, il existe des inconvénients lors de l’utilisation de la diagrid comme système latéral. Un cadre contreventé est conçu pour produire et dissiper de l’énergie lors d’un événement sismique. En tant que système de charge par gravité primaire pour l’extérieur du bâtiment, les colonnes inclinées ne pouvaient pas céder lors d’un événement sismique. Par conséquent, le code du bâtiment exige que les systèmes agissant à la fois comme systèmes de résistance à la gravité primaire et à la force latérale soient conçus pour rester élastiques lors d’un événement sismique. Par conséquent, le facteur de modification de réponse, R, doit être compris entre 1,0 et 1,5 pour obtenir un comportement essentiellement élastique.

Au stade schématique, la diagrille du bâtiment 1202 a été analysée et conçue pour les forces sismiques associées à ce niveau d’élasticité. Pour un R de 1.0, la taille des membres était raisonnable, légèrement supérieure à celle requise pour la prévention de l’effondrement, et les dérives maximales respectaient les exigences du code. Cependant, le nombre de boulons requis pour les connexions a considérablement augmenté lorsque les facteurs de surtension de conception ont été pris en compte. L’entrepreneur a préféré utiliser des raccords boulonnés autant que possible afin de maintenir un calendrier de fabrication rapide et d’économiser les coûts associés aux soudures à pénétration complète. Les coûts de main-d’œuvre associés au nombre accru de boulons requis pour permettre au système diagrid de répondre également aux exigences du système latéral ont efficacement atténué l’avantage de coût d’un système double. En fin de compte, la décision a été prise de s’appuyer sur des murs en peau de mouton en béton au cœur des escaliers comme système latéral du bâtiment, permettant ainsi d’optimiser les systèmes latéral et gravitaire en termes de performances et de coûts.

Économies de construction

Au début du projet, l’équipe a développé un schéma de résistance à l’effondrement progressif utilisant des trames de moment, à comparer au schéma de diagrid. Cette option de cadre de moment consistait en des cadres de moment de 3 étages au périmètre du bâtiment sur un module de baie de 22 pieds. D’après les premières études, il était clair que le système diagrid offrait le plus grand potentiel d’économies pour le projet en termes de fondations, de matériaux et de fabrication.

Fondations

Le bâtiment 1202 est situé à côté de la rivière Duwamish sur des sols extrêmement pauvres, ce qui nécessite que le bâtiment soit soutenu par des pieux en acier entraînés. Ces pieux s’étendent généralement de 150 à 170 pieds sous le sol pour atteindre une couche portante compétente. Dans le schéma de cadre de moment, une seule pile est requise à chaque colonne de cadre de moment, ou tous les 22 pieds. En revanche, le système diagrid utilise un module de baie de 44 pieds, ce qui signifie que des paires de colonnes diagonales inclinées rencontrent une pente tous les 44 pieds. Par conséquent, le schéma de cadre de moment aurait nécessité deux fois plus de pieux au périmètre du bâtiment.

Économies de matériaux

Le système diagrid permet d’économiser environ 30% de tonnage d’acier par rapport à un système à cadre à moment. Cette économie se manifeste en grande partie dans les écoinçons, qui deviennent principalement des organes de tension / compression lorsque les colonnes diagonales sont compromises. Dans un système de châssis à moment traditionnel, les poutres de tympan doivent résister à des exigences de flexion beaucoup plus importantes afin de s’étendre sur des colonnes endommagées, nécessitant des sections de tympan plus grandes et plus lourdes.

Construction et fabrication

Reconnaissant l’ancien axiome « le temps c’est de l’argent », KPFF a travaillé avec Sellen Construction pour proposer une méthode simple de « basculement » pour ériger les diagrides. Dans cette séquence, des paires de colonnes inclinées ont été montées au sol et soudées ensemble au sommet pour former un ensemble triangulaire, qui a ensuite été incliné pour être placé. Les écoinçons horizontaux ont ensuite été transportés par avion et boulonnés sur place. Cette séquence a permis d’ériger les diagrides, et donc l’ensemble du squelette d’acier, en un temps relativement court.

Par rapport à un cadre de moment, un système diagrid nécessite beaucoup moins de connexions soudées. Pour le bâtiment 1202, il y a 19 connexions apex où une soudure sur le terrain est nécessaire. Les connexions boulonnées sont utilisées sur tous les autres raccordements à colonne en diagonale. En comparaison, le schéma de cadre de moment étudié par l’équipe aurait nécessité un total de 108 soudures à pénétration complète à toutes les connexions entre les écoinçons et les colonnes – plus de cinq fois ce qui est requis pour le système diagrid.

Expression architecturale

L’une des premières décisions de conception clés de l’équipe du projet a été de faire en sorte que la structure du bâtiment soit exposée autant que possible à la vue donnant sur la rivière ouest, afin de réitérer l’énoncé de mission du Corps de « Construire fort ». La diagrille, par sa nature même d’élément diagonal fort qui contraste avec les lignes orthogonales des sols, des murs et des fenêtres, est un élément clé de cette expression. L’équipe de conception a modulé le bâtiment de sorte que la diagrid se termine naturellement par une pente arrière dans le coin sud-ouest et une pente extérieure dans le coin nord-ouest en contrepoint. Ces extrémités inclinées des bâtiments créent des espaces de bureaux et de salles de conférence lumineux offrant une vue imprenable sur la rivière Duwamish. Le diagrid est peint en blanc partout afin de faciliter la diffusion de la lumière naturelle et artificielle à l’intérieur du bâtiment, mais aussi d’être bien visible à travers le vitrage extérieur. La peau en acier inoxydable du bâtiment est décollée à l’entrée principale pour exposer complètement le diagrid, créant un portail d’entrée formel.

Le schéma de diagrid a également permis de réaliser la forme unique de l’arc de bœuf du bâtiment, qui s’est inspirée du sentier sinueux historique de la rivière Duwamish adjacente au site. Les transitions en douceur à travers les parties courbes du bâtiment sont facilitées par le diagrid en utilisant une variation tangentielle à chaque ligne de plancher. Cela permet à la peau extérieure de passer facilement à travers les coins de la forme en U, ce qui donne une apparence plus lisse. Bien que l’utilisation de colonnes inclinées entraîne une faible perte de surface de plancher directement sous la colonne, la diagrid crée des espaces intérieurs uniques et dynamiques.

Résumé

Le diagrid représente une solution efficace aux exigences d’effondrement progressif et contribue à créer une identité emblématique pour le bâtiment 1202. Le succès de ce projet de conception-construction est un hommage à la collaboration précoce entre l’architecte, l’ingénieur et l’entrepreneur.▪

Équipe de projet

Propriétaire: General Services Administration (GSA)

Locataire: United States Army Corps of Engineers (USACE) Seattle District

Structure & Ingénieur civil: KPFF Consulting Engineers

Entrepreneur: Sellen Construction

Architecte: ZGF Architects, LLP