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Cyril Douthe. “Étude de structures élancées précontraintes en matériaux composites: application à la conception des gridshells. PhD dissertation, École Nationale des Ponts et Chaussées, 2007
INTRODUCTION: Les couvertures de bâtiment sont des structures spécifiques, leur chargement principal est en général leur propre poids. Chercher à concevoir ces structures les plus légères possible permet des avancées économiques, écologiques et esthétiques. Les méthodes constructives ont évoluées avec les époques et les matériaux disponibles, mais toujours autour de trois axes principaux : l’adaptation de la forme et du matériau, l’utilisation de la double courbure et la minimisation des efforts de flexion. C’est en cherchant à s’affranchir complètement des efforts de flexion sous poids propre que Frei Otto a développé les structures de gridshells. Ces coques discrètes à double courbure résultent de l’inversion d’un filet suspendu, elles sont donc les exacts funiculaires de leur propre poids. De plus, il met au point un procédé constructif original et très économique qui permet d’obtenir des surfaces gauches par déformation élastique et triangulation d’une grille plane sans rigidité en cisaillement et constituée d’éléments rectilignes standard. Après quelques réalisations mineures, le potentiel esthétique et mécanique de ces structures éclate avec la construction du gridshell de Mannheim en 1975.
Pourtant le bâtiment ne fait pas école et reste pendant vingt-cinq ans le seul gridshell au monde, malgré des qualités remarquables sur le plan structurel. Deux raisons principales seront avancées pour expliquer cette situation : d’une part les méthodes de calcul de l’époque négligent la flexion dans les éléments et par conséquent ne permettent pas d’étudier précisément les contraintes dans la structure et d’autre part, les éléments de la grille sont en bois lamellé-collé et leur état de flexion permanente pose des problèmes de fluage et de durabilité des assemblages. Dans le premier chapitre, après un historique des gridshells, on verra que les progrès de ces dernières années en matière de simulation numérique et les efforts de la filière bois pour rationaliser les profils ont permis un renouveau de ces structures en Angleterre avec les gridshells du musée de Downland et du Savill Building.
Il semble cependant possible d’aller plus loin dans cette rationalisation en proposant des solutions alternatives plus durables et plus performantes qui intègrent des nouveaux matériaux fibrés synthétiques en lieu et place de ce matériau composite anisotrope naturel qu’est le bois. Les polymères renforcés de fibres de verre ou de carbone sont relativement nouveaux dans le génie civil et la construction. Leurs applications actuelles copient les solutions techniques qui ont été optimisées pour l’acier (armature pour béton, renforcement par collage, poutrelle en I ou en H, etc.). Beaucoup plus souples que l’acier, les composites apparaissent rarement comme la solution la plus pertinente pour ces applications dans lesquelles les exigences de raideur conduisent à un surdimensionnement de la structure en terme de résistance. En revanche, les contraintes constructives des gridshells liées à leur processus de montage utilisent la déformabilité des éléments. Leur allongement élastique important et leur module d’Young élevé font donc des composites de bons candidats pour ce type de structure. On remarque d’ailleurs que partout où une grande déformabilité et une grande raideur sont exigées en même temps, ils s’imposent : ailes de planeur, arcs, skis, cannes à pêche, pare-chocs. . . Dans le deuxième chapitre, on démontrera donc que les composites verre/résine constituent véritablement une alternative intéressante au bois pour la construction des gridshells et on étudiera plus en détail le comportement mécanique de ces matériaux dans les conditions de flexion en grands déplacements qui sont celles des éléments d’un gridshell.
(More in the PART 2 bibliography)
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