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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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3. Recherche de forme
Le couplage entre formes et forces a généré de nombreuses études réunies sous le vocable de morphologie structurale .
L’émergence des structures légères a rendu nécessaire la mise au point de nouveaux modèles numériques facilitant la définition morphologique des constructions.
Le vocable recherche de forme a pour objectif de déterminer les coordonnées géométriques d’une structure dans le cas d’un couplage avec un système d’actions externes et/ou internes.
3.1 Double courbure
La double courbure des surfaces associées aux structures est un paramètre géométrique de première importance, spécifiquement pour les membranes en textiles techniques et les réseaux de câbles.
Dans le cas des surfaces de type quelconque S, on définit la courbure en un point sur la base de l’intersection de la surface avec un plan P contenant la normale à la surface au point considéré. On démontre qu’il existe deux plans spécifiques P 1 et P 2 orthogonaux, tels que les valeurs des courbures associées (aux cercles C p1 et C p2) atteignent des valeurs extrêmes. Ce sont les plans principaux et les courbures principales au point M pour la surface S (figure 15).
La courbure est l'inverse du rayon de courbure R, soit 1/R.
Les surfaces gauches sont caractérisées par l’absence de valeurs nulles des courbures en tout point. Deux quantités sont utiles pour la description des surfaces utilisées en architecture : la courbure totale en un point de la surface définie par le produit des courbures et la courbure moyenne :
-
la première permet de classer, selon le signe, les surfaces en surfaces à double courbure positive (correspondant par exemple aux systèmes gonflables) et surfaces à double courbure inverse ou négative (qui sont très largement utilisées dans le cas des membranes en textiles techniques) ;
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la...
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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).
-
(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)
-
Structurae : Base de données internationale du patrimoine du génie civil
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