Essais en soufflerie et modification de la forme afin de construire une structure beaucoup plus haute
À titre de plus haut bâtiment du monde qu’on a affublé de tous les superlatifs, le Burj Khalifa a donné un nouveau sens au terme « gratte-ciel » en ce 21e siècle. Situé sur la côte sud-est du golfe Persique à Dubaï, la ville la plus populeuse des Émirats Arabes Unis, le bâtiment de 828 mètres est rapidement devenu l'une des structures les plus emblématiques sur la planète. Avec un style qui rappelle celui des minarets en spirale qui s’effilent en montant vers le ciel, le Burj Khalifa est un gratte-ciel à usage mixte comprenant plus de 900 appartements résidentiels privés, un hôtel de 304 chambres et plusieurs bureaux d'entreprise aux étages supérieurs de la tour.
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Le défi
Nos services d'expert-conseil ont été appelés en renfort tôt dans le processus de conception puisque l'on savait que les charges dues au vent et le mouvement induit par le vent seraient cruciaux dans le cadre de la conception de ce bâtiment haut et mince. Conçu foncièrement comme un regroupement de tubes, une approche choisie pour sa force et sa stabilité inhérentes, le Burj Khalifa propose un plan en forme d’Y qui a été adopté expressément dans le but de « confondre le vent. »
Outre les préoccupations typiques des immeubles de très grande hauteur liées au mouvement, la conception originale s’était fondée sur un bâtiment qui n'était pas aussi élevé et dont le concept était comparable au produit final, mais moins élevé d’environ 300 mètres. La construction des fondations avait déjà commencé en s'inspirant du prototype original lorsque les objectifs du projet ont été modifiés. Nous avons été chargés de trouver des façons de réduire les effets des charges dues au vent sur la fondation de manière à permettre la construction d’un immeuble plus haut.
Notre approche
Études de la forme
Dans le cadre de la conception préliminaire, les premiers tests sur le vent effectués à l'aide de la technique de balance de forces à haute fréquence (HFFB) ont fourni des informations initiales relatives à la charge due au vent expliquant l'effet des vents latéraux dû au décollement de tourbillon sur le bâtiment. De telles informations nous ont fourni un éclairage que nous avons partagé avec l’équipe de conception et qui a permis de donner sa forme à la tour. Nous avons donné suite aux premières études en soufflerie grâce à des rondes supplémentaires d’essais en soufflerie à mesure que la géométrie de la tour évoluait. Ces essais nous ont permis d’évaluer rapidement l’efficacité des efforts de remodelage de l’équipe pendant que nous travaillions à minimiser l'effet du vent et à nous adapter aux modifications du client. En modifiant le nombre et l’espacement des retraits, ainsi qu'en modifiant davantage la forme, il est devenu possible de réduire considérablement la force des vents sur la tour et à faire en sorte que le décollement de tourbillon ne soit pas synchronisé sur toute la hauteur de la tour.
Tenir compte des conditions de vent
Nous avons aussi soigneusement analysé dans quelle mesure la modification de l’orientation du bâtiment changerait l'effet du vent. Cela impliquait de mener des études afin de décrire des statistiques propres aux vents extrêmes en nous fondant sur des archives historiques recueillies aux stations météorologiques locales. De plus, nous avons effectué des simulations nécessitant des calculs complexes grâce à la modélisation météorologique de pointe MM5 afin d’acquérir une meilleure compréhension des vents en altitude.
En superposant les conclusions de nos analyses des conditions de vent aux données aérodynamiques recueillies dans le cadre des essais en soufflerie, nous avons pu recommander la réorientation de la tour de telle sorte que la partie en « pointe », plutôt que celle de la « fourche » du « Y », puisse faire face à la direction d'où soufflent principalement les vents forts.
Vaste programme d’essais en soufflerie
À mesure que la conception progressait, nous avons mené un vaste programme d’essais en soufflerie qui a été réalisé dans nos locaux de Guelph (Ontario) en utilisant principalement des maquettes à l'échelle de 1/500. Le régime d’essais comprenait des tests de balance de force avec maquette rigide, l'étude à plusieurs degrés de liberté sur des maquettes aéroélastiques, des mesures de pressions localisées et l’étude des conditions de vent au niveau des piétons. Nous avons aussi construit une grande maquette du tiers supérieur de la tour à une échelle de 1/50 à l’aide de laquelle nous avons effectué des tests à grande vitesse. Elle a permis d’évaluer l’ampleur de l’influence possible du nombre de Reynolds et d'améliorer les estimations des charges dues au vent calculées sur la structure et de la pression sur la surface du bâtiment.
Le résultat
Notre collaboration étroite avec les membres de l’équipe de conception du Burj Khalifa nous a permis d'établir de nouvelles normes en matière de collaboration étroite avec nos partenaires. Cette structure est sans nul doute une des merveilles du monde moderne et sa réalisation a établi de nouveaux points de repère pour la pratique intégrée de l'étude des vents et de l'architecture. Nous sommes fiers de notre contribution à un projet qui est un véritable exemple de ce que signifie repousser les limites du possible.