Comcast Center

Philadelphie, États-Unis

Un système d’amortissement unique pour le plus grand immeuble de Philadelphie

Avec ses 58 étages, le Comcast Center est le plus haut bâtiment de Philadelphie. Il a été conçu par l’architecte américain Robert A.M. Stern et sa forme représente un obélisque à facettes revêtu d'un vitrage argenté, avec du verre ultra transparent aux coins de l’édifice et au couronnement. En 2009, le bâtiment a reçu le prix d'excellence pour les Amériques de l’Urban Land Institute.

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  • Le défi

    Les essais en soufflerie ont montré que la tour serait soumise à d’importantes vibrations induites par le vent en raison de l'effet des vents latéraux. L'analyse réalisée par les ingénieurs en structure de la firme Thornton Tomasetti a indiqué que le bâtiment satisfaisait aux exigences en matière de conception en ce qui concerne la force, mais que le mouvement induit par le vent dépasserait les critères admissibles en matière de confort lors de grands vents. Par ailleurs, à moins que le bâtiment ne soit considérablement renforcé, le mouvement structural dépasserait les limites admissibles lors de vents violents. 

    Une façon de réduire les vibrations induites par le vent aurait été d’augmenter la rigidité du bâtiment. En contrepartie, davantage de matériaux de structure auraient été requis — et de dépenses — pour simplement s’assurer que le bâtiment résiste de façon adéquate aux charges admissibles dues au vent. La firme Thornton Tomasetti a découvert une solution plus efficace et robuste : intégrer un système d’amortissement supplémentaire afin de réduire le mouvement de l’édifice sans augmenter le nombre de matériaux ainsi que les coûts. C’est donc exactement ce que nous avons conçu. Forts de notre expérience dans la conception de systèmes de contrôle du mouvement et de la vibration pour diverses structures dans le monde entier, nous avons conçu un système d’amortissement supplémentaire unique qui, tout en exigeant un minimum d’espace, assurerait le confort des occupants des étages supérieurs — l'espace de location le plus rentable du projet d'aménagement. 

  • Notre approche

    L’analyse et la conception ont été réalisées en trois phases distinctes. 

    Choix du système d’amortissement

    L'analyse dynamique préliminaire a révélé qu’un amortisseur liquide en colonne accordé (TLCD) serait le moyen le plus efficace afin de contrôler le mouvement induit par le vent; il est abordable et exige un minimum d’espace. Le TLCD est un dispositif passif. Il s'agit foncièrement d'un ensemble soigneusement conçu de réservoirs d’eau situés en haut de la structure. Lorsqu'une tour se balance dans une direction, l’eau dans le TLCD ballotte naturellement en décalage; l’eau dans le réservoir est « accordée » afin d'osciller à une fréquence très proche de la fréquence naturelle du bâtiment. 

    Cette conception permet le transfert résonant de l’énergie du bâtiment aux 1 300 tonnes d’eau  contenues dans le TLCD. Cependant, sans un dispositif permettant d’éliminer l’énergie engendrée par le TLCD, elle résonnerait à nouveau dans tout le bâtiment. Afin d’empêcher ce phénomène, une série de lattes ou de pales sont donc installées à l’intérieur des réservoirs d’eau. Lorsque l’eau circule autour de ces obstacles, de la turbulence est créée, qui se transforme ensuite en chaleur. En raison de la grande capacité thermique de l’eau, cette chaleur est absorbée sans danger et puis transmise dans l’environnement.

    Utilisation de nos outils uniques afin d'optimiser le système 

    La plupart des formules analytiques publiées pour la conception d'un TLCD partent d'une hypothèse clé simplificatrice : la réponse d’un amortisseur au mouvement du bâtiment augmente de façon linéaire. Autrement dit, si une tour se déplace deux fois plus, l'amortisseur se déplacera deux fois plus. Cette hypothèse ne correspond pas tout à fait à la réalité. La réponse des amortisseurs au mouvement de l'immeuble est généralement non linéaire, et ce de façon importante.

    Nous avons créé un ensemble d’outils logiciels afin de modéliser de tels comportements complexes et non linéaires. Au lieu de nous appuyer sur des hypothèses à propos du comportement du TLCD, nous l'avons observé et utilisé nos mesures de manière à développer une suite logicielle d’analyse et de modélisation exclusive qui peut prévoir de façon précise son comportement dans diverses conditions. À l'aide de ce logiciel, nous avons déterminé la forme finale optimale du système pour le Comcast Center, nous avons fait des essais sur de nombreuses tailles et configurations géométriques, et nous avons éventuellement déterminé quel système serait le meilleur et le plus efficace en termes de coûts et d’espace. 

    Amélioration des performances du système sur le site (en suivant la progression) 

    Suite à la construction et l’installation, nous avons mis le système d’amortissement en marche afin de nous assurer qu'il fonctionnait comme prévu. Cela impliquait trois activités principales. Premièrement, nous avons accordé le système en mesurant la vibration ambiante dans le bâtiment afin de déterminer ses fréquences naturelles et régler les niveaux d’eau du TLCD dans le but de garantir une réponse optimale. Deuxièmement, nous avons effectué des essais de mise en service : nous avons testé les lames des lattes dans diverses positions en mesurant les niveaux d’eau et l’accélération de l'immeuble dans chaque configuration, et nous avons finalement déterminé la meilleure configuration. 

    Un troisième aspect de notre travail visant à optimiser les performances du TLCD reposait sur un outil logiciel unique à RWDI qui reproduit l’évolution biologique. Certains aspects de l’interaction dynamique entre un bâtiment et le mouvement du TLCD ne peuvent être mesurés directement. En conséquence, il est difficile d’obtenir une image précise de la façon dont le système fonctionne en réalité par rapport à son rendement prévu. Les données de mesures nous donnent une image partielle de la façon dont l’amortisseur se comporte, mais afin de comprendre de façon détaillée et exhaustive les performances de l’amortisseur — et ainsi être en mesure de l’optimiser pleinement — nous avons besoin d’un outil qui comble les lacunes de nos connaissances lorsqu'il est impossible de prendre des mesures directes.  

    Nous avons développé cet outil sous la forme d’un algorithme qui génère des centaines de « correspondances » possibles entre le mouvement que l'on observe réellement et l’interaction prévue entre un bâtiment et un amortisseur. Chaque correspondance représente une seule solution possible : une explication unique de la relation entre les performances de l’amortisseur et les données observées. Puis l’algorithme choisit, parmi la population de configurations, les « parents » qui s'accordent le mieux avec le mouvement observé. Il combine des couples de parents de manière à produire une nouvelle génération de correspondances légèrement améliorées. Finalement, le logiciel met au point un « enfant » qui représente une meilleure correspondance : la solution qui répond le mieux aux données observées et qui comble certaines lacunes concernant notre compréhension de l’interaction entre le bâtiment et le TLCD.

  • Le résultat

    Le TLCD est reconnu comme étant le plus grand amortisseur de son genre dans le monde. Sa forme inhabituelle réduit au minimum son incidence sur la surface utilisable sans compromettre sa performance. Outre les importantes économies qu'il a permis d'emblée en facilitant la conception d'un dispositif de grande hauteur qui limitait le balancement du bâtiment sans nécessiter d’autres matériaux de structure, le système continuera d’améliorer le rendement du Comcast Center — en ce qui concerne le confort des humains — en réduisant le mouvement structural et en rentabilisant la superficie louable tout au long de la vie du bâtiment.