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La conception de fondations pour les bâtiments de grande hauteur représente l'un des défis les plus critiques et les plus complexes en ingénierie structurelle et géotechnique. Le système de fondations sert d'interface cruciale entre la superstructure et le sol, responsable du transfert en toute sécurité de charges verticales massives, des forces latérales du vent et de l'activité sismique, et des moments de renversement vers le sol ou la roche sous-jacent. Le poids de la construction, et donc la charge verticale à soutenir par la fondation, peut être considérable.

Comprendre les bâtiments à fort taux et les exigences de la fondation

La « structure de la ville » (souvent appelée « bâtiment à hauteur élevée ») est un bâtiment à faible superficie et à toit, mais une façade très longue et haute. La classification de ce qui constitue un bâtiment à hauteur varie selon le contexte et l'emplacement. Selon le Conseil des bâtiments à hauteur et habitat urbain (CBTUH), les catégories suivantes peuvent être utilisées. Premièrement, le contexte urbain sur le lieu où le bâtiment existe. Si un bâtiment de 10 étages est situé dans un quartier central d'affaires entouré de bâtiments de 20 étages, alors il peut ne pas être considéré comme grand. Cependant, s'il est situé dans une banlieue qui est principalement à basse altitude, alors il peut être considéré comme grand.

Une autre façon de considérer un bâtiment haut est par son rapport de svelness. Le rapport de svelness est obtenu en divisant la hauteur totale du bâtiment par la plus petite des dimensions de la largeur de base. À un rapport de svelness de 5 ou moins, le système structurel peut généralement accueillir les charges latérales typiques pour les structures à hauteur basse ou moyenne. Inversement, pour un rapport de svelness de 5 et plus, c'est là que la svelness de la structure peut affecter significativement la conception. Dans cette gamme de rapports de svelness, le système structurel travaillera plus dur pour résister aux forces latérales et le comportement dynamique est susceptible d'être dominant dans la solution structurelle, et donc le bâtiment est considéré comme étant grand.

Les caractéristiques uniques des bâtiments de hauteur créent des défis spécifiques pour la conception des fondations. Les bâtiments de hauteur sont souvent entourés de structures de podiums à basse hauteur qui sont soumises à des charges beaucoup plus petites. Ainsi, les tassements différentiels entre les parties de hauteur et de basse hauteur doivent être contrôlés. De plus, les forces latérales imposées par la charge du vent, et les moments qui en découlent sur le système de fondation, peuvent être très élevés. Ces moments peuvent imposer des charges verticales accrues sur la fondation, en particulier sur les pieux extérieurs du système de fondation.

Types de systèmes de fondation pour bâtiments à fort taux

La sélection d'un type de fondation approprié est fondamentale pour le succès de tout projet de construction de hauteurs. Le type de fondation que vous choisissez dépendra de plusieurs facteurs, dont la taille et le poids du bâtiment, les conditions du sol et le budget global. Les options de fondation pour les structures hautes vont d'un radeau qui transfère les charges du bâtiment dans la couche de sol immédiate directement sous la structure, ou une solution entièrement empilée pour transférer les charges structurales des couches faibles de sols sur des strates plus fermes, ou un système composite qui utilise à la fois des solutions radeau et empilées.

Fondations pour la pie profonde

Pour remédier à cette situation, des fondations profondes sont installées, pénétrant dans des couches de sol faibles jusqu'à ce qu'elles atteignent un sol plus stable et plus dur. Les bâtiments de hauteur sont généralement fondés sur une forme de fondation empilée, soumise à une combinaison de forces verticales, latérales et de renversement.

Les pieux sont relativement longs et des membres minces utilisés pour transmettre les charges de fondation à travers des strates de sol de faible capacité portante à des sols plus profonds ou à des roches ayant une capacité portante plus élevée. Les fondations de pieux fonctionnent à travers deux mécanismes primaires : le roulement d'extrémité et la friction cutanée. Si les couches supérieures du sol sont trop faibles ou très compressibles pour supporter les charges transmises par la superstructure, des pieux sont utilisés pour transférer ces charges dans une couche de sol plus forte ou sur une roche-sol. Les pieux qui transmettent des charges dans une roche-sol sont appelés pieux portants. Ce type de pieux repose uniquement sur la capacité portante du matériau sous-jacent à l'extrémité du pieux.

D'autre part, lorsque le substratum est trop profond, les pieux peuvent transmettre les charges à travers le sol environnant progressivement par frottement. Ce type de pieux est appelé un pieux de friction. Le choix entre ces mécanismes dépend du profil spécifique du sol et des exigences structurelles du projet.

Piles entraînées

Les pieux entraînés sont des pieux préformés, généralement en acier, en béton ou en bois, qui sont martelés dans le sol à l'aide d'équipements de conduite de pieux. Les pieux entraînés créent un minimum de perturbation du site, atteignent une capacité de charge immédiate en raison du compactage du sol, et sont rapides à installer. Ils sont très efficaces pour les projets avec des exigences de conception répétitives.

Les pieux entraînés sont idéaux pour les fondations dans des sols doux à moyennement denses où le déplacement des pieux améliore la stabilité du sol. Ils sont couramment utilisés dans de grands projets d'infrastructure, tels que des ponts et des bâtiments de hauteur. Le processus d'installation consiste à utiliser des marteaux d'impact ou des équipements vibratoires pour entraîner des éléments préfabriqués de pieux dans le sol, qui compacte le sol environnant et peut augmenter sa capacité portante.

Piles ennuyées (arbres percés)

La fondation Bored Pile est un autre type de fondation profonde populaire utilisé dans les bâtiments sur des sols durs ou rocheux. Le processus commence par le forage dans le sol jusqu'à ce qu'une couche capable de supporter la charge du bâtiment soit atteinte. Les fondations de Caisson, également appelées fondations d'arbre foré, sont utilisées pour les bâtiments avec des charges lourdes ou dans des zones avec des conditions de sol difficiles.

Les pieux en rainure offrent plusieurs avantages pour la construction de tours de taille. Ils produisent des vibrations et du bruit minimes par rapport aux pieux entraînés, ce qui les rend adaptés aux environnements urbains. Le processus de forage permet d'examiner les conditions du sol pendant l'installation, et les dimensions des pieux peuvent être ajustées en fonction des conditions rencontrées.

Le processus de construction consiste généralement à percer un trou à la profondeur requise, à installer une cage de renforcement et à remplir le trou de béton. L'installation est plus lente que les pieux entraînés, et la stabilité du sol peut être une préoccupation pendant l'excavation, en particulier dans les sols lâches ou sableux.

Piles de vol continu (CFA)

Les pieux CFA sont forés et coulés en une seule opération continue. Une auge est utilisée pour percer dans le sol, et le béton est pompé à travers la tige creuse de la auge comme elle est retirée, formant une pile. Cette méthode combine les avantages des pieux entraînés et ennuyeux, offrant une vibration réduite et le bruit tout en maintenant des vitesses d'installation relativement rapides.

Fondations Mat (Raft)

Les fondations de Raft, également appelées fondations de tapis, sont utilisées pour les bâtiments à charges lourdes ou dans les zones où le sol est exposé à la colonisation. Les fondations de Raft sont constituées d'une épaisse dalle de béton qui s'étend sur toute l'empreinte du bâtiment, répartissant le poids uniformément sur le sol. Une fondation de radeau, également appelée « fondation de tapis », est essentiellement une dalle continue située directement sur le dessus du sol qui s'étend sur toute l'empreinte du bâtiment, transférant ainsi ses poids et les charges au sol dans une distribution plus uniforme.

Les fondations de Raft sont moins sujettes à l'installation que les autres types de fondations et offrent une excellente stabilité aux bâtiments commerciaux. Les fondations de tapis sont particulièrement adaptées lorsque la capacité portante du sol est relativement uniforme sur l'ensemble de l'empreinte du bâtiment et lorsque les charges de construction sont suffisamment importantes pour que les fondations individuelles couvrent un grand pourcentage de la surface du bâtiment.

Les fondations de radeau ou de tapis sont de grandes dalles de béton continues, rectangulaires ou circulaires qui portent la charge de votre superstructure et la distribuent sur toute la zone sous votre bâtiment. Ce type de fondation est considéré comme l'une des fondations les plus peu profondes et aide à contrôler le règlement différentiel.

Fondations Piled Raft

Les fondations en radeaux sont de plus en plus populaires pour les bâtiments à hauteur de hauteur. Ce système composite combine les avantages de la répartition de la charge d'une fondation mate avec les capacités de transfert de charge profonde des fondations en pieux. Le radeau fournit une rigidité supplémentaire et aide à répartir les charges entre les pieux, tandis que les pieux réduisent les règlements totaux et différentiels.

Une fondation de pieux pour les structures à hauteur de pieux est souvent constituée d'un grand nombre de pieux. Le défi dans la conception d'un système de fondations de pieux est de saisir les effets de l'interaction de groupe. Il est bien connu que le règlement dû à un groupe de pieux pour le niveau de charge moyen équivalent peut varier considérablement d'un seul règlement de pieux.

Considérations géotechniques critiques

Le transfert de charge sur une structure haute peut influencer le sol à une plus grande profondeur et à ses structures adjacentes, par conséquent une étude approfondie du sol ou du site doit être effectuée pendant la conception de la fondation. L'interaction entre la structure et le sol de support doit être évaluée de près par les ingénieurs pendant le processus de conception.

Étude et caractérisation des sols

Un processus en trois étapes de conception et de vérification des fondations sera décrit et l'importance de la caractérisation et de l'évaluation des paramètres géotechniques au sol sera soulignée. L'étude géotechnique devrait comprendre des forages suffisants pour caractériser le profil du sol sur toute l'empreinte du bâtiment et jusqu'à des profondeurs qui seront influencées par les charges de fondation.

Les données de conception préfondation, telles que le type de pieux, la longueur et la taille, sont préétablies à partir des données de rapports géotechniques. Certains des paramètres critiques qui sont nécessaires pour la conception et l'analyse de fondations de pieux sont les types de sols, le poids unitaire, la résistance au cisaillement, le module de réaction de sous-grade et les données sur les eaux souterraines.

Capacité de roulement du sol

Pour les fondations peu profondes ou les fondations mates, la capacité du support dépend des paramètres de résistance du sol, des dimensions de la fondation et de la profondeur de l'encastrement. Les ingénieurs doivent évaluer la capacité du support ultime et la capacité du support admissible, en appliquant des facteurs de sécurité appropriés en fonction du degré d'incertitude des paramètres du sol et des méthodes de contrôle de la construction à utiliser.

Pour les fondations profondes, les calculs de la capacité de roulement doivent tenir compte des éléments de frottement des paliers et des arbres. La résistance totale du pieu peut être divisée en éléments à partir de la base et de l'arbre. Les méthodes de calcul varient selon que le pieu est fondé dans des sols cohésifs (argile) ou sans cohésion (sable), avec différentes approches analytiques requises pour chaque type de sol.

Considérations relatives aux eaux souterraines

Si le niveau de l'eau souterraine est élevé, la pression sur le sol augmente, réduisant sa capacité portante. Par conséquent, la fondation doit être conçue pour résister à la pression de l'eau. Les niveaux élevés de l'eau souterraine peuvent affecter de façon significative la conception de la fondation de multiples façons. L'effet de flottaison de l'eau souterraine réduit les contraintes efficaces dans le sol, ce qui diminue la capacité portante et augmente le potentiel de colonisation.

Les solutions de déshydratation à long terme doivent être soigneusement évaluées pour évaluer leur impact sur les structures adjacentes et l'environnement. Dans les zones où les eaux souterraines sont élevées, les fondations de pieux avec des chaussures en béton sont souvent utilisées pour empêcher l'érosion du sol autour des pieux.

Analyse des règlements

L'analyse de la colonisation est essentielle pour les bâtiments de hauteur, où même les petits peuplements différentiels peuvent causer une détresse structurelle importante. Les ingénieurs doivent évaluer à la fois la colonisation immédiate (élastique) et la consolidation à long terme.

Plus important encore, le règlement différentiel entre les différentes parties de la fondation doit être contrôlé pour éviter les dommages structuraux. Des pieux plus profonds ont été spécifiés sous la zone centrale du noyau en fonction des charges verticales plus élevées au centre du bâtiment par rapport à l'extérieur. Les pieux plus longs servent à réduire l'effet de règlement « déchiquetant » en raison de la plus forte contrainte unitaire sur le sol sous-jacent directement sous le noyau.

Considérations relatives à la charge latérale

Les systèmes structuraux des grands bâtiments doivent supporter des charges de gravité verticales, mais les charges latérales, comme celles dues au vent et aux tremblements de terre, sont également une considération majeure.

Effets du chargement du vent

Les forces du vent sur les bâtiments à hauteur élevée augmentent avec la hauteur et peuvent créer des charges latérales importantes et des moments de renversement au niveau de la fondation. Les forces du vent augmentent également avec la hauteur de la construction à une valeur constante ou de gradient à mesure que l'effet de friction du sol diminue. La fondation doit être conçue pour résister à ces forces latérales par une combinaison de pression passive du sol, de friction entre la fondation et le sol, et de capacité structurelle des éléments de fondation.

L'effet des forces du vent sur les grands bâtiments est double. Un grand bâtiment peut être considéré comme un faisceau de cantilever avec son extrémité fixe au sol; la pression du vent sur le bâtiment le fait plier avec la déviation maximale au sommet. La fondation doit fournir une fixité adéquate pour résister à ces moments de renversement tout en limitant les rotations qui pourraient causer une dérive excessive du bâtiment.

Les charges et les moments latéraux induits par le vent sont de nature cyclique. Il faut donc tenir compte de l'influence de la charge cyclique verticale et latérale sur le système de fondation, car la charge cyclique peut dégrader la capacité de fondation et causer des tassements accrus.

Considérations de conception sismique

Dans les régions sismiques actives, les forces sismiques peuvent régir la conception des fondations. Les forces sismiques ou sismiques, contrairement aux forces du vent, sont généralement limitées à des zones relativement petites, principalement le long des bords des plaques continentales qui se déplacent lentement et qui forment la croûte terrestre.

La conception sismique des fondations doit tenir compte de plusieurs facteurs, notamment le potentiel de liquéfaction du sol, les effets d'interaction sol-structure et la réponse dynamique du système de la structure-fond. Les effets potentiels du tremblement de terre sur la fondation, y compris la réponse du système de la structure-fondation aux excitations sismiques et les chances de liquéfaction dans le sol entourant ou soutenant la fondation.

Les piles sont une base plus appropriée pour les structures soumises à des forces horizontales. Les piles peuvent résister aux actions horizontales par flexion tout en étant capables de transmettre des forces verticales de la superstructure. C'est une situation typique pour concevoir des structures de conservation de la terre et des structures hautes soumises à des forces élevées du vent ou sismiques.

Processus de conception et méthodologie de la fondation

La conception de fondations de constructions de grande taille doit saisir l'impact total de la structure, tant au-dessus qu'au-dessous du sol. Ces types de fondations sont complexes et nécessitent généralement plus d'efforts d'ingénierie structurale que les autres systèmes de fondations classiques des structures à faible hauteur/à mi-lieux.

Détermination et analyse de la charge

La première étape de la conception de la fondation consiste à déterminer toutes les charges qui seront transmises à la fondation, notamment les charges mortes de la structure du bâtiment et des installations permanentes, les charges réelles de l'occupation et de l'utilisation, les charges du vent, les charges sismiques et toutes charges spéciales telles que l'équipement ou le stockage.

Pour les bâtiments à hauteur élevée, la répartition des charges est rarement uniforme à travers la fondation. Les zones de base portent généralement des charges beaucoup plus élevées que les zones de périmètre. Des pieux plus profonds ont été spécifiés sous la zone centrale de base en fonction des charges verticales plus élevées au centre du bâtiment par rapport à l'extérieur. Les pieux plus longs servent à réduire l'effet de tassement «d'eau» en raison de la pression unitaire plus élevée sur le sol sous-jacent directement sous la base.

Analyse et modélisation structurelles

La conception et l'analyse de fondations profondes comme les pieux est d'une certaine manière une forme d'art en raison de toutes les incertitudes impliquées dans l'interprétation des données géotechniques. Bien que de nombreuses approches théoriques et expérimentales aient été menées pour analyser le comportement et estimer la capacité de charge des pieux dans différents types de sol, mais pourtant, nous avons encore beaucoup à comprendre sur le mécanisme de fondation des pieux. Heureusement, avec l'avancement de l'ingénierie structurelle, il y a divers logiciels que nous pouvons utiliser pour minimiser ces incertitudes et réduire le temps de calcul.

La conception moderne des fondations repose fortement sur un logiciel d'analyse sophistiqué qui peut modéliser l'interaction sol-structure, calculer la répartition des charges et évaluer les performances de fondation dans diverses conditions de chargement. Le logiciel de conception des pieux de fondation peut effectuer une analyse axiale et latérale de n'importe quel type de pieux. Les programmes peuvent calculer la résistance de l'arbre de pieux et la capacité de roulement des pieux, en tenant compte de la méthode d'installation des pieux.

L'analyse tridimensionnelle des éléments finis est de plus en plus utilisée pour des systèmes de fondation complexes, ce qui permet aux ingénieurs de modéliser plus précisément l'interaction entre la fondation, le sol et la superstructure, en tenant compte de facteurs tels que la non-linéarité du sol, les effets de la séquence de construction et le comportement dépendant du temps.

Vérification de la conception et facteurs de sécurité

Bien que la gamme de facteurs d'analyse statique de la sécurité dans le passé était de 2 à 4, la plupart des méthodes d'analyse statique recommandaient un facteur de sécurité de 3. À mesure que les charges de conception de fondation augmentaient au fil du temps, l'utilisation de facteurs de sécurité plus élevés a souvent entraîné des problèmes d'installation de pieux. De plus, l'expérience a montré que les méthodes de contrôle de construction ont une influence importante sur la capacité des pieux.

La vérification de la conception devrait comprendre des vérifications des états limites ultimes (défaut de capacité portante, défaillance structurelle des éléments de fondation) et des états limites de fonctionnement (règlement excessif, vibrations inacceptables).

Calculs de conception de fondation

Les calculs détaillés constituent le noyau de la conception technique de la fondation. Les procédures de calcul spécifiques varient selon le type de fondation et les conditions du sol, mais plusieurs éléments communs s'appliquent à la plupart des conceptions de fondation à hauteur élevée.

Calculs de la capacité du pieu

Pour les fondations de pieux, la capacité ultime doit être calculée en tenant compte à la fois du roulement et du frottement de l'arbre. La capacité totale de fondation de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de pieux de

Pour les pieux dans les sols argileux, la méthode alpha est couramment utilisée, qui relie la friction de l'arbre à la résistance au cisaillement non drainée de l'argile. Pour les pieux dans le sable, la méthode bêta associe la friction de l'arbre à la pression effective de surcharge et à un coefficient de friction. Les méthodes d'analyse de contrainte totale et de contrainte efficace sont utilisées pour estimer la résistance latérale pour les argiles saturées. Ici, nous ne considérons que la méthode de contrainte totale ou α.

Les effets de groupe de pieux doivent être pris en compte lorsque plusieurs pieux sont utilisés. La charge ultime qu'un groupe peut supporter peut ne pas être la même que la charge maximale que chaque pieux peut transporter au sein du groupe. Il faut donc tenir compte de l'efficacité du groupe de pieux.

Calculs de conception de la fondation Mat

La conception de la fondation du tapis exige le calcul de la pression du sol sous diverses combinaisons de charges, en veillant à ce que la pression maximale du roulement ne dépasse pas la capacité admissible du sol. Le tapis doit être analysé comme élément structurel, avec des calculs pour les moments de flexion, les forces de cisaillement et le cisaillement de poinçonnage aux emplacements de la colonne.

L'analyse de l'interaction sol-structure est particulièrement importante pour les fondations du tapis. La flexibilité du tapis par rapport au sol affecte la distribution des pressions de contact. Les tapis rigides ont tendance à produire des pressions plus élevées aux bords, tandis que les tapis flexibles peuvent subir des pressions plus élevées sous les emplacements de colonne.

Conception du renforcement

La conception structurelle des éléments de fondation nécessite des calculs de renforcement détaillés. Le renforcement est conçu pour la section du niveau de coupure à la profondeur de fixité en tenant compte de la tension avec flexion, compression avec flexion et flexion seulement. Pour la section sous la profondeur de fixité, le renforcement est conçu en tenant compte de la compression verticale et de la tension.

Pour les chapeaux de pieux et les fondations de tapis, le renforcement doit être conçu pour résister aux moments de flexion et aux forces de cisaillement calculées à partir de l'analyse structurale.Les exigences minimales de renforcement spécifiées par les codes de conception doivent être satisfaites et les détails doivent assurer un ancrage, une longueur de développement et une constructibilité appropriés.

Analyse de charge latérale

Pour la majorité des fondations, les charges appliquées aux pieux sont principalement verticales. Les charges horizontales découlant des charges de vent sur les structures sont généralement relativement petites et sont ignorées. Cependant, pour les pieux dans les jetées, les fondations pour les jetées de ponts, les cheminées hautes et les fondations encastrées au large, la résistance latérale est une considération importante.

Pour les bâtiments à hauteur de hauteur, l'analyse latérale des pieux est essentielle. Des méthodes telles que l'approche par courbe p-y modélisent la résistance non linéaire du sol sur la longueur des pieux, permettant de calculer les déformations des pieux, les moments de flexion et les forces de cisaillement sous charge latérale. L'analyse doit tenir compte des conditions de fixation de la tête de pieux, qui dépendent des détails de connexion entre le pieux et le capuchon de pieux ou la fondation du tapis.

Considérations relatives à la construction et contrôle de la qualité

Le choix du type de pieux est influencé par les conditions de la subsurface, l'emplacement et la topographie du site, ainsi que par les caractéristiques structurales et géométriques de la structure à soutenir. Le concepteur d'une fondation profonde doit posséder une variété de compétences, une grande expérience et une connaissance considérable des sciences de l'ingénierie.

Séquences de construction

Pour les fondations en pieux, la séquence d'installation peut influencer la capacité des pieux par des effets sur les pieux adjacents et les conditions du sol. La conduite des pieux en groupes peut entraîner une houle ou une densification du sol environnant, affectant les pieux déjà installés. Pour les pieux ensorcelés, le maintien de la stabilité des trous pendant la construction est essentiel, particulièrement dans les sols libres ou saturés.

Les fouilles profondes peuvent entraîner des mouvements de terrain qui affectent les structures adjacentes et peuvent modifier les conditions de contrainte dans le sol supportant la fondation. Des systèmes d'éboulement et de déshydratation appropriés doivent être conçus et mis en œuvre pour maintenir la stabilité pendant la construction.

Assurance de la qualité et essais

Pour les fondations de pieux, cela comprend généralement des essais de charge de pieux pour vérifier les hypothèses de conception et la qualité de construction. Les tests de charge statiques fournissent la vérification la plus fiable de la capacité de pieux, bien qu'ils soient coûteux et laborieux. Les essais dynamiques à l'aide d'analyseurs de pieux offrent une alternative plus économique pour les pieux entraînés, fournissant une évaluation en temps réel de la capacité et de l'intégrité des pieux pendant l'installation.

Les essais d'intégrité des arbres forés et des pieux ensanglantés sont essentiels pour assurer la qualité. Des méthodes telles que l'exploitation par abattage par orifices croisés, le profilage de l'intégrité thermique et les essais d'intégrité à faible déformation peuvent détecter des défauts tels que le cou, les inclusions de sol ou une mauvaise qualité du béton.

Pour confirmer l'efficacité des méthodes de conception et d'isolation du mélange, un cube d'essai de 3,5 mètres a été construit et instrumenté avec des thermocouples pour mesurer le gain thermique différentiel entre le centre et les surfaces extrêmes du tapis avant la construction du tapis. Les températures mesurées pour le cube d'essai, ainsi que les températures mesurées à l'intérieur du tapis de la tour en place étaient inférieures aux limites prescrites sur le gain thermique global et différentiel.

Surveillance et instrumentation

Les programmes d'instrumentation et de surveillance fournissent des données précieuses sur la performance de la fondation pendant et après la construction. Des points de surveillance de l'établissement devraient être installés pour suivre les mouvements verticaux de la fondation et de la superstructure.

Les piézomètres surveillent les pressions des eaux souterraines, qui sont essentielles pour évaluer l'efficacité des systèmes de déshydratation et évaluer les effets à long terme des eaux souterraines sur la fondation.

Considérations particulières concernant des conditions particulières de sols

Les conditions de sols différentes présentent des défis uniques qui exigent des approches de conception et des techniques de construction spécialisées.

Sols argileux doux

Les sols argileux mous présentent des défis importants pour les fondations à haute hauteur en raison de leur faible capacité de roulement et de leur grande compressibilité. Les fondations flottantes sont un système de fondation spécialisé pour les bâtiments construits sur des sols mous, comme la tourbe ou l'argile molle.

Dans les dépôts d'argile molle, le tassement peut se poursuivre pendant de nombreuses années après la construction. Des fondations profondes s'étendant à travers des couches d'argile molles pour des strates plus fermes sont généralement nécessaires pour les bâtiments à hauteur de hauteur. Si le roulement final sur des strates fermes n'est pas économiquement faisable, des pieux de friction dans l'argile peuvent être utilisés, bien qu'une attention particulière soit accordée au tassement à long terme et aux effets de friction cutanée négative comme consolidation du sol environnant.

Sols expansif

Pour les bâtiments à hauteur élevée sur des sols étendus, des fondations profondes s'étendant sous la zone active de variation d'humidité sont généralement nécessaires. La conception doit tenir compte des forces de soulèvement de l'expansion du sol et des forces de downdrag potentielles du rétrécissement du sol. Des détails spéciaux tels que les espaces vides autour des pieux dans la zone supérieure du sol peuvent être fournis pour accueillir les mouvements du sol sans transférer de charges vers la fondation.

Sols liquéfiables

Dans les zones sismiques actives, les sols sableux saturés en vrac peuvent être susceptibles de liquéfaction lors des tremblements de terre. La liquéfaction entraîne une perte dramatique de résistance et de rigidité du sol, pouvant conduire à de grandes implantations ou même à une défaillance de la capacité de roulement. La conception de la fondation dans les sols liquéfiables nécessite une attention particulière, y compris des techniques d'amélioration du sol pour densifier ou renforcer le sol, des fondations profondes s'étendant par des couches liquéfiables à des strates portantes non liquéfiables ou des systèmes structuraux conçus pour accueillir de grandes déformations du sol.

Fondations Rocheuses

Lorsque des roches compétentes sont présentes à des profondeurs peu profondes à modérées, elles peuvent fournir un excellent support de fondation pour les bâtiments à hautes hauteurs. Les fondations des bâtiments à hautes hauteurs supportent des charges très lourdes, mais les systèmes développés pour les bâtiments à basses hauteurs sont utilisés, bien qu'ils soient agrandis à l'échelle.

Les profondeurs de prise dans la roche doivent être suffisantes pour développer une capacité de roulement adéquate et fournir une fixation pour les charges latérales. Les prises de prise pour arbres forés s'étendent généralement d'au moins un diamètre dans la roche compétente, bien que des profondeurs plus élevées puissent être nécessaires selon la qualité de la roche et les conditions de charge.

Considérations économiques et optimisation

Les coûts de construction représentent une part importante des coûts de construction des immeubles de grande hauteur. L'optimisation de la conception de la fondation pour obtenir les performances requises au coût minimum exige une évaluation minutieuse des solutions de rechange et une prise en compte des coûts de construction initiaux et des performances à long terme.

Sélection du type de fondation

Les questions auxquelles il faut répondre pour décider entre les pieux entraînés et d'autres systèmes de fondation profonde seront centrées sur les coûts relatifs des systèmes disponibles et possibles. Le coût de soutien de la fondation peut être calculé facilement sur la base d'un coût par unité de charge transportée.

Dans les milieux urbains, les restrictions au bruit et aux vibrations peuvent favoriser les pieux percés par rapport aux pieux entraînés malgré des coûts plus élevés. Dans les endroits éloignés où l'accès est limité, les pieux entraînés peuvent être préférés en raison de besoins plus simples en équipement.

Optimisation de la conception

Pour les fondations de pieux, l'optimisation peut consister à ajuster le diamètre, la longueur, l'espacement et la configuration des pieux pour minimiser le coût total tout en répondant aux exigences de performance. Le nombre, la position, le renforcement et la longueur des pieux sont déterminés au cours du processus de conception pour assurer la stabilité de la structure et fournir une solution économique.

Pour les fondations de tapis, l'optimisation consiste à déterminer l'épaisseur optimale du tapis, qui équilibre les coûts de béton et de renforcement par rapport aux exigences structurales. L'épaisseur variable du tapis sur la fondation, avec une plus grande épaisseur dans les zones fortement chargées, peut fournir une solution économique tout en maintenant une capacité structurale adéquate.

Les études de valeur réalisées au cours de l'élaboration de la conception peuvent permettre de dégager des possibilités d'économie sans compromettre la performance, et devraient comprendre une collaboration entre les ingénieurs de la structure, les ingénieurs géotechniques et les entrepreneurs afin de tirer parti de leur expertise et de leur expérience combinées.

Études de cas et applications pratiques

L'examen des applications réelles de la conception de fondations de grande taille fournit des informations précieuses sur les défis pratiques et les solutions.

Système de la Fondation Burj Khalifa

À 828 mètres, Burj Khalifa est le bâtiment le plus haut au monde, éclipsant la hauteur de son pair le plus proche de près de 40% (320 mètres). Terminé en 2010, il dépasse les trois catégories de hauteur définies par le Conseil sur les bâtiments Tall et l'habitat urbain. Le Burj Khalifa est principalement un bâtiment en béton armé. Le système structurel de la tour consiste en une construction en béton armé de la fondation au niveau 156; au-dessus du niveau 156 est principalement la flèche, consistant en un système de charpente en acier à bras. Le système structurel de la tour est décrit comme un « noyau de renfort », qui consiste en une construction en béton de haute performance.

Le système de base de cette structure emblématique démontre l'application de principes techniques avancés pour supporter les charges extrêmes. Le projet a nécessité une vaste enquête géotechnique, des méthodes d'analyse sophistiquées et un contrôle de qualité de construction soigneux pour assurer la fondation pourrait soutenir en toute sécurité les charges massives de superstructure.

Demandes de radeau pilé

Le plan montre les pieux et les fondations de la mate sous la tour. Chaque pieu a une capacité de charge de travail de 670 ou 730 tonnes métriques selon leur longueur en frottement combiné de roulement et d'arbre. Des pieux plus profonds ont été spécifiés sous la zone centrale de base basée sur les charges verticales plus élevées au centre du bâtiment par rapport à l'extérieur. Cet exemple illustre comment les systèmes de radeaux empilés peuvent être optimisés en variant les longueurs et les capacités de pieux pour correspondre à la répartition de la charge de la superstructure.

Logiciels de conception et outils informatiques

La conception moderne des fondations repose largement sur des outils logiciels spécialisés qui permettent aux ingénieurs d'effectuer des analyses complexes de manière efficace et précise.

Logiciel d'analyse de la Fondation

Avec le logiciel de conception de fondation, les ingénieurs peuvent relever tous les défis majeurs de la conception de fondation profonde en un seul endroit, rendant le workflow plus rapide et plus efficace. Le logiciel peut calculer avec précision la capacité géotechnique axiale pour n'importe quel type de pile. Le logiciel de conception de fondation a mis en œuvre plusieurs codes structuraux utilisés dans le monde entier.

Ces outils intègrent l'analyse géotechnique, la conception structurelle et la vérification de conformité de code dans une plateforme unifiée. Ils peuvent modéliser des profils de sol complexes, calculer les capacités de pieux en utilisant diverses méthodes, effectuer une analyse de charge latérale et concevoir des renforts selon les codes applicables.

Analyse des éléments finis

L'analyse tridimensionnelle des éléments finis est devenue de plus en plus importante pour les systèmes de fondation complexes. Ces outils peuvent modéliser l'interaction sol-structure avec une grande fidélité, capter le comportement non linéaire du sol, les effets de la séquence de construction et l'interaction entre les éléments de fondation.

Tendances et innovations futures

L'ingénierie de la Fondation continue d'évoluer avec de nouvelles technologies, des matériaux et des méthodes qui promettent d'améliorer les performances et l'économie.

Matériaux avancés

Le béton haute performance avec des résistances à la compression supérieures à 100 MPa est de plus en plus utilisé dans les éléments de fondation, permettant des sections transversales plus petites et des quantités réduites de matériaux. Le béton renforcé par fibre peut améliorer la durabilité et réduire les fissures.

Techniques d'amélioration au sol

Les techniques comme le mélange profond des sols, le roulage à jet et le compactage dynamique peuvent renforcer les sols faibles, réduire le potentiel de colonisation et atténuer le risque de liquéfaction. Ces méthodes peuvent offrir des solutions de rechange économiques aux fondations profondes dans certaines situations.

Conception axée sur les performances

Les approches de conception axées sur le rendement sont de plus en plus acceptées en ingénierie de fondation. Plutôt que les exigences de code prescriptif, ces méthodes se concentrent sur l'atteinte d'objectifs de rendement spécifiques dans divers scénarios de chargement.

Considérations de durabilité

La durabilité devient de plus en plus importante dans la conception des fondations, notamment en réduisant la consommation de matériaux grâce à l'optimisation, en utilisant des matériaux recyclés ou à faible teneur en carbone lorsque c'est possible, et en tenant compte de l'impact environnemental complet des systèmes de fondations sur le cycle de vie.

Procédure de conception étape par étape

Une approche systématique de la conception des fondations de haute hauteur permet de s'assurer que tous les aspects critiques sont correctement traités.

  1. Définition et exigences du projet : Établir la géométrie du bâtiment, le système structurel, les conditions de chargement et les exigences de performance.
  2. Enquête sur le site[: Effectuer une enquête géotechnique exhaustive, y compris des forages, des essais in situ et des essais en laboratoire.
  3. Sélection préliminaire de fondation[: Évaluer les solutions de base en tenant compte des conditions du sol, des charges structurales, des contraintes du site et des facteurs économiques.
  4. Analyse de charge: Déterminer toutes les charges agissant sur la fondation, y compris les charges mortes, les charges réelles, les charges du vent, les charges sismiques et les charges spéciales.
  5. Conception géotechnique: Calculer la capacité de roulement, le tassement et la résistance latérale. Déterminer les dimensions de fondation, les longueurs et les capacités de pieux, ou l'épaisseur et le renforcement du tapis.
  6. Conception structurale[: Effectuer une analyse structurale des éléments de fondation. Concevoir le renforcement pour le cisaillement, le cisaillement et le poinçonnage.
  7. Vérification de la conception[ : Vérifier que la conception satisfait à toutes les exigences de rendement et qu'elle comporte des facteurs de sécurité adéquats.
  8. Optimisation : Évaluer les possibilités de réduire les coûts tout en maintenant le rendement requis.
  9. Documentation de construction[ : Préparer des dessins et des spécifications détaillés, y compris les exigences de contrôle de la qualité, les programmes d'essai et les critères d'acceptation.
  10. Soutien à la construction[: Fournir un soutien technique pendant la construction, y compris l'examen des soumissions, l'observation de la construction et l'évaluation des résultats des essais.

Défis et solutions communs en matière de conception

Les ingénieurs de la Fondation rencontrent souvent des défis qui exigent des solutions créatives et un jugement d'ingénierie.

Conditions variables du sol

Les conditions du sol varient souvent de façon significative d'un chantier à l'autre, ce qui peut entraîner des tassements différentiels si on ne les traite pas correctement. Les solutions comprennent des profondeurs de fondation variables ou des longueurs de pieux pour atteindre des strates de roulement uniformes, en utilisant l'amélioration du sol pour homogénéiser les propriétés du sol ou en concevant la superstructure pour tenir compte des mouvements différentiels prévus.

Impacts de la structure adjacente

Dans les milieux urbains, la construction des fondations peut affecter les structures adjacentes par des mouvements au sol, des vibrations ou des changements dans les conditions des eaux souterraines. La planification soigneuse des systèmes de soutien des excavations, le choix des méthodes de construction à faible vibration et la surveillance des structures adjacentes peuvent atténuer ces risques.

Questions de constructibilité

Les conceptions qui semblent bonnes sur papier peuvent s'avérer difficiles ou impossibles à construire. Les problèmes communs de construction comprennent des autorisations inadéquates pour le matériel de construction, des encombrements de renforcement qui empêchent un placement approprié du béton et des conflits de séquençage entre les différentes activités de construction.

Exigences réglementaires et de code

La conception de la fondation doit être conforme aux codes et normes applicables au bâtiment, qui varient selon les juridictions. Le Code international du bâtiment (CBI), l'ASCE 7 pour les charges et l'ACI 318 pour la conception du béton sont couramment utilisés aux États-Unis.

Les normes de conception géotechnique fournissent des conseils sur les méthodes d'enquête, les procédures d'analyse et les critères de conception, notamment les normes AASHTO pour les structures de transport, les manuels FHWA pour les fondations profondes et diverses normes de l'industrie de l'ASTM International et de l'Institut Deep Foundations.

Les exigences en matière de permis varient selon les compétences, mais exigent généralement la présentation de calculs de conception, de dessins et de rapports géotechniques aux fins d'examen et d'approbation par les responsables du bâtiment.

Gestion des risques et planification des éventualités

La construction de la fondation comporte des incertitudes et des risques inhérents qui doivent être identifiés et gérés. Une approche globale de gestion des risques comprend la détermination des risques potentiels, l'évaluation de leurs probabilités et de leurs conséquences, l'élaboration de stratégies d'atténuation et l'établissement de plans d'urgence.

Les risques courants comprennent les conditions de sol inattendues, les problèmes d'eau souterraine, les obstacles tels que les blocs ou les structures enfouies, et les défauts de construction.

Une étude géotechnique adéquate réduit l'incertitude mais ne peut pas l'éliminer entièrement. La conception devrait inclure des dispositions pour s'adapter aux conditions de terrain, comme la spécification d'une gamme de longueurs acceptables de pieux plutôt qu'une seule longueur fixe, ou l'inclusion de détails pour les modifications de fondation qui pourraient être nécessaires.

Conclusion

La conception de fondations pour les bâtiments de grande taille nécessite l'intégration de l'ingénierie géotechnique, de l'ingénierie structurelle, de la technologie de construction et de la gestion de projets. Choisir le bon type de fondation est une étape critique dans la construction d'un bâtiment de grande taille solide et durable. En tenant compte de facteurs tels que le type de sol, la charge de construction et l'activité sismique, vous pouvez choisir le type de fondation le plus approprié.

La réussite exige une étude approfondie du site, une analyse minutieuse à l'aide de méthodes et d'outils appropriés, une attention à la constructibilité et un contrôle complet de la qualité pendant la construction. La fondation doit soutenir en toute sécurité toutes les charges prévues tout en limitant les tassements à des niveaux acceptables, en résistant aux forces latérales et aux moments de renversement et en assurant une durabilité adéquate pour la durée de vie prévue du bâtiment.

Les nouveaux matériaux, les méthodes de construction et les techniques d'analyse permettront d'élargir les possibilités de conception des fondations. Cependant, les principes fondamentaux de la compréhension du comportement des sols, du calcul des charges et des capacités et de la garantie de facteurs de sécurité adéquats demeureront au cœur de l'ingénierie des fondations.

Les ingénieurs qui conçoivent des fondations de haute taille doivent combiner des connaissances théoriques et une expérience pratique, exercer un jugement solide face à l'incertitude. La collaboration entre ingénieurs géotechniques, ingénieurs structuraux, entrepreneurs et autres acteurs du projet est essentielle pour développer des solutions de fondation sûres, économiques et constructibles.

Ressources supplémentaires

Pour les ingénieurs qui cherchent à approfondir leurs connaissances en matière de conception de fondations de haute taille, de nombreuses ressources sont disponibles. Des organisations professionnelles comme l'Institut Deep Foundations (https://www.dfi.org), l'American Society of Civil Engineers (https://www.asce.org) et l'Association internationale pour l'ingénierie des ponts et des structures offrent des publications techniques, des conférences et des programmes éducatifs.

Les publications et les revues techniques de l'industrie présentent régulièrement des études de cas et des recherches sur des sujets liés à l'ingénierie des fondations. Rester au courant des développements dans le domaine par la formation continue et le développement professionnel est essentiel pour les ingénieurs travaillant sur des projets de fondation de grande taille.