Les poutrelles en acier à haute résistance d'ArcelorMittal réduisent le poids et l'empreinte carbone de la tour Torre Diamante à Milan, certifiée LEED Gold

Information détaillée

Une solution structurelle au service de l'efficacité et de la conception architecturale

Avec une emprise au sol de 30 x 50m, 30 étages et 4 niveaux de sous-sol, Torre Diamante est, de loin, le bâtiment le plus haut dans ce complexe de construction récente. Son nom vient de sa géométrie irrégulière: une partie des poteaux de la façade sont obliques, ce qui lui confère un alignement particulier et évoque la forme d'un diamant.

La construction mixte acier/béton avec des poteaux en acier, des planchers en structure mixte acier-béton et un noyau en béton armé, plus légère qu'une structure traditionnelle en béton armé ont permis d'éviter l'utilisation de fondations profondes et d'employer des fondations superficielles, moins chères, avec une embase de 2 m – une solution qui vise la rentabilité et la réduction des délais de construction. 

L'emprise au sol du bâtiment de 30 étages est caractérisée par un noyau central autour duquel a été aménagée une zone sans poteaux. Ce noyau en béton contient toutes les infrastructures et facilités d'accès telles que les ascenseurs, les cages d'escalier ainsi que les réseaux électriques. Il se compose de 3 tubes verticaux reliés aux poutres de liaison dans les surfaces des étages. Chacun de ces tubes se comporte comme une console verticale encastrée dans les fondations. Ils sont reliés entre eux à l'aide de poutres de liaison horizontales. Ces poutres permettent de relier les voiles du noyau et assurent l'interaction des 3 tubes comme un système d'entretoises. Les poutres de liaison évitent le déplacement vertical relatif des tubes individuels et transmettent les efforts tranchants.

Aciers structuraux à haute résistance: poids et économies garanties

L'utilisation d'aciers à haute résistance, grâce à leur plus grande limite d’élasticité par rapport à l'acier conventionnel du type S235, a permis une économie totale sur les matériaux de plus de 50%. La section laminée S460 M a un coût de matière à peine 10-15 % supérieur à celui de l'acier S235 ; on peut ainsi  arriver à 30-40% d'économies sur les matériaux. Davantage d'économies sont également possibles lors de la fabrication dans l'atelier: notamment sur le matériel de soudure, et sur le traitement de surface contre la corrosion grâce à l'utilisation de sections plus petites, ainsi que des économies de transport. 

Non seulement en raison de sa plus grande résistance, mais aussi grâce aux moindres contraintes résiduelles dans le matériau, les dimensionnements permettent de plus grandes charges de flambement sur les sections laminées S460, ce qui a un impact bénéfique sur les poteaux pour des élancements faible et moyen. Ainsi, l'acier S460 permet d'utiliser des poteaux élancés et très efficaces qui constituent une solution économique pour les bâtiments de grande hauteur.

Ces avantages ont servi à créer le concept de la structure de Torre Diamante : Les poteaux de sections HD360 et HD400 sont fabriquées en acier de haute résistance S460M. Leurs extrémités sont meulées afin de garantir le contact direct des éléments dans les joints des poteaux, où ils sont boulonnés. On a utilisé 700 tonnes d'acier pour les poteaux d'une longueur totale de 2540 m, avec 250 joints de poteaux et 7 200 boulons. 

Création de la forme «diamant»: les effets positifs des aciers à haute résistance dans la rupture structurelle

Afin de créer la forme caractéristique du bâtiment, la façade change son inclinaison aux niveaux 9 et 22. En raison de cette rupture dans la structure, on génère des contraintes horizontales de plusieurs tonnes qui doivent être transmises à travers un système d'entretoises au noyau central. La structure prévue pour cette transmission de charges se situe à l'intérieur du système de plancher et consiste en un treillis de sections épaisses et soudées en H (sollicitées en traction et en flexion) et des sections tubulaires qui se comportent comme des entretoises en compression. Les sections soudées se composent d'ailes de 500x50 mm et d'âmes de 400x30mm. Le treillis est relié au noyau à l'aide de poutrelles en acier noyées dans le béton et de tiges de liaison de cisaillement.

Au rez-de-chaussée, les poteaux inclinés se composent de sections transversales en structure mixte avec des tubes extérieurs en acier soudés à des poutrelles au centre. Sur le premier sous-sol, la charge est transférée dans les fondations en structures mixtes à travers des poutrelles d'acier à ailes larges et des connecteurs en cisaillement, reliées dans les poteaux aux structures mixtes du plancher du sous-sol et des fondations..

L'utilisation d'acier à haute résistance pour les poutres soumises à un moment fléchissant offre également un effet favorable sur la résistance à la flexion et on peut démontrer que le S460 est la solution la plus économique pour les poutres en structures mixtes. Dans la Torre Diamante, on a utilisé des poutres en structure mixte jusqu'à 11 m de portée, dans lesquelles on a prévu plusieurs réservations pour les installations destinées à l'entretien. Dans ces circonstances, les sections IPE et HE en S355 ont pu être utilisées comme poutres de plancher. Les dalles en structure mixte avec un bac profilé en acier qui participe à l'armature ont une épaisseur de seulement 15 à 20 cm. On a utilisé 1 800 poutres de plancher IPE et HE, d'une longueur totale de 13 520 m et on a utilisé 26 000 m2 de bac acier pour les dalles mixtes.

Afin d'accélérer le montage, on a choisi une solution spéciale pour connecter les éléments verticaux et horizontaux : on connecte uniquement les "extrémités“ reliées au noyau à travers les poutrelles en acier noyées dans le béton et les ailes, les connexions et les plaques d'ancrage sont soudées sur place. Presque toutes les autres poutres principales et secondaires ont été connectées avec des plaques couvrant l'âme et les ailes. Ainsi, on a pu réaliser un étage par semaine.

Le concept du développement durable et la certification LEED

Le sujet principal lié à l'intégration de la zone de réaménagement dans le contexte urbain actuel est le concept du développement durable urbain qui respecte les exigences sociales et environnementales de la cité. Le transport public et la mobilité alternative sont incluses dans le concept de la responsabilité vis-à-vis de l'environnement, qui n’incluse pas les sources d'énergie alternatives, mais prend en compte la satisfaction du public. Torre Diamante a obtenu la certification de bâtiment durable LEED Gold, et tout le projet Varesine a déjà reçu une pré-certification pour LEED Gold.

Dans les règles LEED pour les "Nouvelles constructions 2009“, Torre Diamante est notée dans 6 catégories:

Chantier et développement durable

Concernant l'interaction du bâtiment avec son entourage, la construction en acier, pratiquement sans poussières, a pu recevoir une note positive dans cette catégorie.

Management de l’eau

La consommation en eau du bâtiment est particulièrement réduite, ce qui est important pour cette catégorie : les eaux pluviales sont récupérées et utilisées pour l'irrigation des installations extérieures.

Énergie & atmosphère

Dans cette catégorie où sont remis la plupart des prix, Torre Diamante prend le dessus avec une réduction significative de la consommation et la génération d'énergie renouvelables. L'électricité est obtenue à l'aide d'un système de pompes de chaleur de l'eau souterraine et des installations photovoltaïques. L'objectif consiste à réduire de 14% la consommation d'énergie du bâtiment par rapport à un bâtiment traditionnel. Les façades hautement efficaces et le système optimisé d'isolation thermique contribuent à ces économies.

Matériaux et ressources

Le point principal de cette catégorie est l'utilisation de matériaux locaux, recyclables et recyclés pour conserver les ressources naturelles. Grâce à l'utilisation de l'acier, de nombreux crédits pouvaient être décernés dans cette catégorie : d'une part, la construction métallique est un processus qui génère très peu de déchets et l'acier est un matériau qui peut être complètement recyclé. D'autre part, la part d'acier recyclé utilisé dans ce bâtiment était de 58%, qui excèdent les 20% requis dans cette catégorie. L'origine de l'acier est considérée "régionale" car les usines de production se situent dans le rayon des 800 km requis autour de la ville de Milan.

Qualité de l'environnement intérieur

Dans cette catégorie, la qualité de l'air, les substances nocives et le confort thermique et visuel jouent un rôle important. Les vues et la lumière du jour peuvent être maximisées en aménageant la surface exploitable autour du noyau central et les poteaux élancés dans la façade vitrée. Pour ce qui concerne les substances dangereuses, l'acier ne contient pas de composants organiques volatiles (VOC), et la peinture et les revêtements employés étaient écologiques et biodégradables.

Innovation dans la conception ou l'innovation dans les opérations:

Cette catégorie inclut les critères qui dépassent les paramètres établis par le LEED. Dans le cas de la Torre Diamante, l'utilisation d'aciers S460M de haute résistance doit être citée, car elle améliore de manière significative l'efficacité des ressources et l'impact sur l'environnement.

Au-delà des catégories et des crédits LEED, la nouvelle tour possède un accès sans barrières et présente des espaces de bureaux sans poteaux pour une flexibilité d'utilisation maximale.

Les avantages de la structure d'acier dans le cas de la Torre Diamante ne se trouvent pas uniquement sur la réduction du poids de toute la construction, qui a permis d'utiliser des fondations superficielles, mais aussi dans la réduction du transport. Les défis de cet emplacement de chantier en centre-ville sont la circulation, le manque d'espace pour décharger et l'absence de surface de stockage. Ces circonstances exigeaient un plan méticuleux de production et logistique, les éléments en acier étaient livrés en flux tendu et sans provoquer d'interruptions importantes du trafic. Au total, 3 800 tonnes d'acier ont été transportées sur 150 camions ; pendant la période principale de la construction, cela représentait seulement deux livraisons par jour.

Le développement de la Porta Nuova

Au cours de ce réaménagement urbain à grande échelle qui regroupe les trois projets: Garibaldi, Varesine et Isola, environ 290 000 m² de territoire autour d'une ancienne zone de fret, inutilisés depuis 50 ans, retrouvent leur fonctionnalité et leur importance urbaine. De nouveaux bâtiments résidentiels, commerciaux, commerciaux, culturels et administratifs sont en cours de construction. Environ 90 000 m² de parcs et d'espaces verts permettront d'ajuster le contexte urbain récupéré, un accès complet à l'infrastructure de la ville est donné.

Le concept urbanistique pour la région de Varesine a été développé par Lee Polisano de l'atelier Kohn Pedersen Fox, soutenue par l'architecte Paolo Caputo et les ingénieries Jacobs et ARUP, ce dernier ayant également conçu les structures des immeubles de grande hauteur.