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RÉSUMÉ
La deuxième moitié du XXe siècle a vu naître un ensemble de solutions structurales innovantes caractérisées par leur légèreté. Cet article présente les principales classes de structures légères, depuis les voiles minces en béton, jusqu'aux formes dites "libres" dont l'émergence est favorisée par les nouvelles possibilités offertes aux concepteurs via les récents développements numériques. Des aspects morphologiques et mécaniques sont également présentés: double courbure, mise en oeuvre de contraintes initiales. Les modèles numériques les plus usuels en recherche de forme (méthode des densités de forces et relaxation dynamique) et les modèles expérimentaux sont évoqués. Le cas des systèmes réticulés, et des systèmes discrets par constitution, complète cette présentation.
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René MOTRO : Professeur Émérite, Président de l’International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil, UMR CNRS 5508, université de Montpellier - (France)
INTRODUCTION
Les structures légères, caractérisées par leur faible poids propre mais aussi par leur composition structurale et de multiples aspects innovants dans leur conception et leur réalisation, ont connu un développement sans précédent depuis une cinquantaine d’années. Elles offrent des solutions architecturales répondant à la nécessité de construire des espaces de grandes dimensions avec un nombre réduit de points porteurs.
Leur technologie a d’abord fait appel à des matériaux classiques comme le béton dans le cas des voiles minces, puis à des matériaux innovants comme les textiles techniques pour les membranes architecturales. Plusieurs solutions nécessitent la mise en œuvre d’un état de contraintes initiales qui concourt à leur rigidité sous les actions externes, impliquant une combinaison quelquefois complexe des effets associés.
Il ne fait pas de doute que l’essor de l’informatique au sens large a accompagné le développement des structures légères et ce, à plusieurs niveaux :
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élaboration de modèles numériques prédictifs prenant en compte des comportements non linéaires tant sur le plan géométrique que matériel ;
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prise en compte de couplages entre paramètres mécaniques et géométriques ;
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aide à la génération de données ;
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ouverture à une fabrication assistée par ordinateur.
Le présent article donne un aperçu des différentes typologies associables aux structures légères et propose quelques modèles élémentaires aidant à la compréhension des problématiques de recherche de forme, de non linéarité géométrique, de combinaison des effets de contraintes initiales avec ceux résultant de celles occasionnées par les actions extérieures.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire des principaux termes techniques rencontrés au fil des chapitres.
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MOTS-CLÉS
Conception et modélisation structures légères numérique structures et propriétés génie civil structures composites
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1. Dénomination
Le titre de cet article reprend une expression couramment admise, mais il convient de le commenter.
« Structures légères » : deux mots accolés, une définition toujours difficile, et pourtant le qualificatif fait explicitement référence au poids propre des structures.
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Le mot structures lui-même n’est-il pas inapproprié ? Il l’est si l’on s’intéresse à une séquence dans laquelle on évoquerait en premier lieu une construction dont le mode d’assemblage porterait le nom de « structure ».
Mais le milieu du génie civil a depuis longtemps fait fi du mot construction dès lors que sa fonction de résistance aux actions est invoquée. Le mot structure l’a supplanté, mais il a été en conséquence qualifié, selon les humeurs du moment ou selon les attentions spécifiques des utilisateurs : ainsi si le matériau vient au premier plan, on parle de structures en béton, en bois, en métal. Lorsque le mécanicien veut faire valoir son propre vocabulaire, les sollicitations, les efforts internes apparaissent dans des expressions telles que structures tendues, comprimées, cisaillées, fléchies, précontraintes. Les morphologistes vont, eux, s’intéresser aux formes et faire naître des classifications basées sur leurs critères ; ainsi en est-il des structures à simple courbure, à double courbure, elles-mêmes pouvant être positives ou négatives.
Il est préférable de ne pas s’attarder sur les errances supposées : si l’on veut converser avec autrui, il est préférable de parler le même langage que lui. Faisons-le, confortés par l’idée que les ingénieurs ont pour objectif de concevoir, calculer et construire des édifices de qualité, et que, à l’évidence, ce ne sont pas les définitions qui confèrent des qualités.
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La légèreté caractérise plusieurs classes de structures. De nos jours, les procédures d’optimisation sont multiparamètre, la prise en considération d’un nombre important de paramètres étant un gage de pertinence. Mais, dans le cas des structures légères, un seul d’entre eux est convoqué dans la désignation : c’est le « poids propre ».
Si, historiquement, les structures légères apparaissent très tôt dans le registre des constructions comme...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SARGER (R.) - Structures Nouvelles. - Cahier du Centre d’Études Architecturales n° 1, Académie Royale des Beaux-Arts de Bruxelles, 144 rue du Midi. Février (1967).
-
(2) - MOTRO (R.) - * - . – Robert Le Ricolais. « Father of Space Structures », International Journal of Space Structures. Vol. 22 Issue 4, pages 233-238 (2007).
-
(3) - PICON (A.) - L’art de l’Ingénieur, constructeur, entrepreneur, inventeur. - Centre Georges Pompidou. Éditions du Moniteur, 600 pages (1997).
-
(4) - MOTRO (R) - Nodes and Spatial Structures, a tribute to Stéphane Du Château. - Architectus, 4, (40) (2014).
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(5) - MOTRO (R.) - Matériaux Composites Souples en Architecture, Construction et Intérieurs. - Birkhäuser. French, German and English. 232 pages (2013).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
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AISC Higgins Paper Award, American Institute of Steel Construction, Baker
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IASS – The International Association for Shell and Spatial Structures (Association Internationale pour les Coques et les Structures Spatiales)
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Structurae : Base de données internationale du patrimoine du génie civil
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