La construction, un chantier d’avenir pour la mécanique

mai 25, 2022

Comment mieux bâtir ? La question hante depuis toujours les professionnels de la construction. Mais ces dernières décennies, elle s’est singulièrement complexifiée du fait d’évolutions sociétales et environnementales, qui ont donné naissance à de nouvelles contraintes obligeant à optimiser les structures de construction. Ainsi, la survenue d’accidents tragiques tels que la rupture de ponts a renforcé le besoin de sécurité chez les usagers. Le réchauffement climatique et la pollution ont mené à une réglementation environnementale plus drastique, qui exige désormais de faire attention aux émissions de gaz à effet de serre depuis la conception jusqu’à la déconstruction des nouveaux bâtis. Enfin, l’épuisement des ressources (pétrole, bois…) pousse à limiter le volume de matière utilisé. Afin d’aider les constructeurs à répondre à tous ces nouveaux impératifs, la recherche scientifique explore plusieurs pistes. Une discipline s’illustre particulièrement ici : la mécanique.

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Le nouveau pont de Gênes le jour de son inauguration en août 2020. Suite à son effondrement le 14 août 2018, il bénéficie désormais d’une structure de haute technologie, de quatre robots de maintenance et d’un système de déshumidification spécial pour limiter la corrosion.

À la croisée de la physique, des mathématiques appliquées et de l’informatique, cette science étudie, par définition, les mouvements et les déformations des systèmes matériels, et les forces qui induisent ces mouvements et déformations. Une de ses branches est très utile à la construction : la mécanique des matériaux et des structures. Laquelle est incontournable pour résoudre les « calculs de structure » (dimensions des poutres, etc.) indispensables à la construction d’édifices répondant à des exigences bien précises en termes de sécurité, de capacités mécaniques, d’architecture, et d’impact environnemental.

De puissants codes de calcul pour éviter de surdimensionner les structures

L’une des pistes les plus prometteuses pour optimiser les constructions vise à développer des codes de calcul de structures, fiables, efficaces et simples d’utilisation, pour éviter un « défaut » récurrent dans les constructions : le surdimensionnement de certains éléments structuraux souvent peu chargés, comme les murs  un écart responsable d’une consommation inutile de matière. Parmi les groupes engagés sur cette voie de recherche : l’équipe Matériaux et structures architecturés du laboratoire Navier1, à l’École des Ponts ParisTech, dont fait partie Jérémy Bleyer. « Nous nous concentrons sur le développement de nouvelles techniques de calcul et de nouveaux outils de conception numérique destinés à aider les ingénieurs structures à mieux estimer les capacités de résistance d’un ouvrage complexe. De quoi conceptualiser des solutions plus sécuritaires, mais aussi minimiser l’impact écologique et le volume de matériaux nécessaire », détaille le chercheur.

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Essai de compression d’une structure maçonnée modèle en forme d’arche au Laboratoire de mécanique et de génie civil (LMGC). Objectif : réaliser des expériences permettant de valider les codes de calculs développés par le laboratoire pour les champs de déformation et de déplacement des structures maçonnées.

Dans un article à paraître à l’été 20222, le scientifique et ses collègues font un point sur les derniers progrès dans ce domaine. « Les avancées récentes dans le domaine des mathématiques de l’optimisation et l’augmentation des capacités de calcul rendent possible aujourd’hui la résolution de problèmes à plusieurs millions de variables d’optimisation. Ce qui permet d’optimiser des objets ou structures de plus en plus complexes et donc d’être d’autant plus précis dans le calcul », souligne-t-il.

La géométrie : un autre paramètre important

Très puissants, les nouveaux codes de calcul développés par le chercheur et ses collègues peuvent également permettre d’optimiser directement la géométrie des structures ; et ce, dès la phase d’esquisse du projet ! De quoi réduire encore plus l’impact environnemental de l’édifice.

Mal anticipée, la géométrie de l’édifice peut avoir des impacts colossaux au niveau environnemental.

En effet, « mal anticipée, la géométrie de l’édifice peut avoir des impacts colossaux au niveau environnemental », explique Olivier Baverel, chercheur-enseignant au laboratoire Navier et à l’ENS Architecture de Grenoble, et dont l’équipe travaille également à optimiser la géométrie des structures. Et de citer l’exemple « peu raisonnable » du « Nid d’oiseau », ce stade d’une capacité de 91 000 spectateurs, construit à Pékin (Chine) pour accueillir les Jeux olympiques de 2008.

Comme l’a estimé en 2014 une équipe américaine du Massachusetts Institute of Technology3, cet ouvrage a nécessité près de dix fois plus de béton que le stade olympique de Londres édifié pour les J.O. d’été 2012, et de même capacité  (environ 16 000 kg de matériel par siège, contre environ 1 500 kg).

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Le stade national de Pékin, en Chine, est surnommé « Nid d’oiseau » en raison de son architecture. Sa construction a nécessité environ 16.000 kg de matériel par siège, un chiffre énorme.

De fait, il est désormais bien établi que certaines formes sont plus efficaces ici que d’autres. « C’est le cas, par exemple, des structures “funiculaires” (en courbe, Ndlr), dont la courbure annule le moment de flexion (réaction induite à l’intérieur d’un élément de structure lorsqu’une force lui est appliquée, provoquant sa flexion, Ndlr), versus les structures en flexion, comme les poutres : dans les premières, toute la matière est sollicitée par des efforts ; dans le second exemple, seules les parties extrêmes de la section de la poutre sont impliquées, la partie centrale n’est quasiment pas sollicitée », précise Olivier Baverel. D’où la nécessité de développer des outils de conception numérique permettant de paramétrer le choix de la forme structurelle.

Bâtiments démontables : bientôt la norme ? 

Une autre piste de recherche intéressante pourrait également aider à réduire l’impact environnemental de la construction : les bâtiments démontables, permettant le réemploi de leurs éléments au lieu de les jeter. Selon les derniers chiffres de l’Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie (Ademe), en 2016, le secteur de la construction a produit 224 millions de tonnes de déchets en France, ce qui correspond à… 70 % de la production nationale de déchets ! 

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Chalets traditionnels dans un village du Tyrol autrichien. Certaines de ces constructions en bois tiennent debout depuis plus de 500 ans.

En réalité, l’idée des bâtis démontables n’est pas nouvelle : « la construction traditionnelle en bois a été pensée pour que les éléments porteurs puissent être remplacés aux premiers signes de faiblesses ou de vieillesse », fait remarquer Olivier Baverel. Cette stratégie explique la longévité de certains chalets autrichiens, qui tiennent debout depuis cinq cents ans, et de la plus ancienne auberge au monde, le Ryokan Hoshi au Japon, dont la construction remonte à 718 !

La construction traditionnelle en bois a été pensée pour que les éléments porteurs puissent être remplacés aux premiers signes de faiblesses ou de vieillesse.

Le hic : à ce jour, cette approche est plus onéreuse et plus longue à mettre en œuvre que la construction « classique ». Mais les chercheurs ont bon espoir de la rendre compétitive : en s’appuyant sur les progrès récents et à venir de la construction robotisée – qui permet de faire plusieurs actions en même temps et ou plus rapidement – et le développement d’outils numériques d’aide à la conception ! 

« Grâce à ces innovations, le savoir-faire de la construction bois, japonais ou européen, peut être réinterprété pour passer d’une production artisanale à une production industrielle, plus rapide et plus précise », assure Olivier Baverel.

Deux types d’assemblages à l’étude

Ceci dit, avant que les édifices démontables ne se démocratisent, il faudra réussir à planifier les différentes actions qui permettront l’assemblage et le désassemblage des différents éléments… Au laboratoire Navier, Olivier Baverel et ses collègues envisagent deux solutions ici, explorées dans le cadre de deux thèses de doctorat45  : l’assemblage non-séquentiel, où plusieurs pièces différentes sont assemblées simultanément grâce à la conception assistée par ordinateur et à des bras robotisés ; et l’assemblage séquentiel, où les différentes pièces sont ajoutées les unes après les autres, la dernière part, appelée clef, « verrouillant » l’assemblage. 

Actuellement, le chercheur et son équipe travaillent à développer des algorithmes de conception automatisée permettant de mettre en œuvre ces deux approches. « Nous espérons aboutir, dans quelques années, à un démonstrateur qui aidera à démontrer le potentiel de ces assemblages non conventionnels, à tester des stratégies robotisées capables de les mettre en œuvre et à vérifier la résistance mécanique des constructions ainsi obtenues  », indique-t-il. Dans les laboratoires de mécaniques, la marche vers une construction optimisée, plus verte, est donc déjà bien engagée. 

Événement
Colloque La mécanique, une clé du futur [13], organisé par l’Académie des sciences en partenariat avec le CNRS, l’Association française de mécanique et l’Académie des technologies, 1er juin 2022, Institut de France, Paris. 
Inscription obligatoire sur le site de l’Académie des sciences [14]

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