Ping An International Financial Center

Shenzhen, China

Se servir des essais en soufflerie dans le but d'étayer la conception d’un gratte-ciel dans une zone sujette aux typhons.

La tendance mondiale à l’urbanisation a entraîné la construction d'un plus grand nombre de gratte-ciel (également plus hauts) au cours des dernières années, particulièrement dans les centres de commerce en pleine expansion comme Shenzhen, en Chine. Cette ville est située tout juste au nord de Hong Kong et son développement commercial n’a commencé que dans les années 1990. Depuis lors, son développement s'est poursuivi à un rythme effréné et elle compte désormais le quatrième bâtiment en hauteur au monde, le Ping An International Financial Center, qui a ouvert ses portes au début de 2017.

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  • Le défi

    L’emplacement et la hauteur du Ping An International Financial Center font en sorte que la charge due au vent a été le principal facteur à considérer dans sa conception. Mesurant près de 600 mètres, c’est le plus haut bâtiment au monde situé dans une zone exposée aux typhons. Cela signifie que l’immeuble sera régulièrement exposé aux vents violents qui accompagnent ces tempêtes tropicales.

    Effet des vents latéraux 

    L’influence du vent sur les immeubles de très grande hauteur est importante, principalement en raison de l’effet des vents latéraux. Lorsque le vent passe près du bâtiment, il crée des changements de pression périodiques sur les côtés de l’immeuble en raison d’un phénomène appelé décollement de tourbillon. La force qui en résulte va et vient d'un côté à l’autre du bâtiment, entraînant une importante réponse dynamique latérale due à l'effet de résonance. Ces forces peuvent entraîner de fortes charges structurelles et un déplacement potentiellement important, particulièrement dans les bâtiments de grande taille et minces.

    Même si la résistance à des charges dues aux vents extrêmes était manifestement le principal défi sur ce projet, il y avait aussi un défi d’ingénierie connexe qu’il fallait tout d’abord résoudre : déterminer les charges dues au vent appropriées qu'il fallait utiliser pour la conception en l’absence de données météorologiques historiques fiables.

    Vitesses de vent admissibles 

    Les codes du bâtiment ne fournissent généralement pas toutes les charges dues au vent nécessaires servant à concevoir des immeubles de très grande hauteur. C’est pourquoi nous effectuons habituellement une modélisation du bâtiment et de ses environs de manière à vérifier comment il se comporte dans diverses conditions de charges dues au vent. Nous transformons normalement les données météorologiques historiques recueillies aux anémomètres des aéroports régionaux à l'aide d'un modèle statistique afin de déterminer les vitesses de vent prévues pour la conception. Pour plusieurs raisons, il était cependant impossible de le faire dans le cas présent.
    Les données météorologiques historiques disponibles pour Shenzhen n’étaient pas suffisamment détaillées et elles ne couvraient pas une période raisonnablement longue pour représenter avec fiabilité les conditions météorologiques à long terme dans la région. Plusieurs aspects concernant la façon dont les données météorologiques avaient été recueillies au fil des ans étaient également problématiques; notamment le fait que l’exposition de la station météorologique avait changé de manière importante pendant la période des relevés en raison de l’urbanisation rapide de Shenzhen. En conséquence, il était impossible d’établir des données météorologiques de base fiables pour la région en nous basant sur les relevés météorologiques locaux. En outre, il y avait des incertitudes concernant les enregistrements de la vitesse du vent réalisés pendant les typhons historiques comparativement à la vitesse du vent prévu pour la conception.

  • Notre approche

    En raison de sa connaissance des climats extrêmes dans le monde entier, KPF, l’architecte du bâtiment, désirait utiliser des éléments de conception favorisant la résistance au vent afin de réaliser un immeuble efficace et hautement performant. Dans la phase conceptuelle de la conception structurale, nos experts ont rencontré KPF dans le but de discuter de concepts pertinents et d'un plan visant l’optimisation de l'aérodynamisme de la structure. 

    Ce concept d’optimisation aérodynamique de l’aspect extérieur d'un bâtiment a été largement étudié et a été utilisé avec succès par RWDI sur de nombreux immeubles de très grande hauteur. Une technique particulière, qui inclut les modifications de la section transversale en fonction de la hauteur, a été utilisée sur le Burj Khalifa, le plus haut bâtiment au monde, et sur le Shanghai Centre. Une autre technique efficace consiste à modifier les coins du bâtiment grâce à des procédés tels que le chanfreinage, l'utilisation de gradins et autres. Nous avons utilisé cette approche sur le Taipei 101.

    Ces deux méthodes ont été utilisées sur le Ping An International Finance Center au stade de la conception du schéma architectural. Dans un premier temps, la surface des côtés du bâtiment diminue à mesure qu'il s'élève, et on applique sur chaque coin un motif qui atténue le décollement de tourbillon, optimisant ainsi les propriétés aérodynamiques du bâtiment et contrôlant efficacement l’effet des vents latéraux.

    Modèle des conditions de vent 

    Un modèle précis des conditions de vent et des charges dues au vent appropriées sont les fondements d’une bonne conception technique en matière de vent. Pour ce projet, en l'absence de données météorologiques historiques adéquates, nous nous sommes tournés vers notre partenaire, Applied Research Associates, inc. (ARA), afin d’obtenir les données les plus vraisemblables en matière de vitesse des vents et de direction des vents locaux liées aux typhons pour différentes périodes de retour. Fondée sur des modèles respectés, la simulation de typhon d'ARA utilise la méthode de Monte Carlo afin de simuler 100 000 ans de typhons et fournir des prévisions fiables concernant la vitesse du vent (directions et période de retour). En combinant les résultats de la simulation de typhon avec les données météorologiques, nous avons pu disposer de résultats scientifiques ainsi que de vitesses et de directions de vent vraisemblables.

    Grâce à ces données relatives aux charges, nous avons effectué des essais en soufflerie complets et avancés afin de valider la conception et le rendement de l'immeuble. Ces tests incluaient : balance de forces à haute fréquence (HFFB); essais sur des maquettes aéroélastiques; pression appliquée au revêtement; vent au niveau des piétons (PLW) ainsi que d’autres méthodes. Nous avons ensuite utilisé des techniques d’analyse statistique de pointe et des méthodes de croisement ascendant (upcrossing) afin de combiner les résultats des essais en soufflerie. Les résultats optimisés finaux ont été appliqués à la conception.

  • Le résultat

    Un des facteurs les plus importants dans la réussite du projet du Ping An International Financial Center a été l'étude des vents qui a permis de poser les bases de la conception de la structure et du revêtement. Nous avons complété ce projet avec une étude des vents au niveau des piétons afin de nous assurer que les conditions de vent près du bâtiment satisferaient aux exigences. En plus d’étayer ce projet, les études d’ingénierie éolienne effectuées pour le Ping An International Financial Center de Shenzhen fournissent des repères techniques pratiques, complets et approfondis qui peuvent éclairer la conception de futurs bâtiments de très grande hauteur.