Environnement numérique en AEC

Les outils de simulation mécanique les plus utilisés aujourd'hui dans le secteur du bâtiment sont, sans conteste, les logiciels de calcul de structure. Le plus souvent, ils mettent en œuvre des modèles aux éléments finis avec des représentations linéiques (1D) pour les poutres, les poteaux et les câbles et surfaciques (2D) pour les dalles, les voiles, les façades et les toitures. Des représentations qui découlent directement des modèles mécaniques de ces « objets structuraux » (RDM^[1], théorie des poutres, théorie des plaques, théorie des coques, ...). Plus rarement, et lorsque leur dimensionnement requière une attention spécifique, ces « objets structuraux » font l'objet d'une modélisation volumique (3D).

Modèle 1D de la nouvelle charpente de la jetée 2E de l'aéroport CDG (SETEC TPI)

Ces outils jouent un rôle essentiel dans la conception des ouvrages. Ils permettent d'évaluer avec acuité la réponse des éléments structuraux d'un bâtiment à divers chargements :

• charges permanentes (poids de la structure)

• charges climatiques (neige, vent, dilatation thermique, ...)

• charges d'exploitations (équipements, personnes, véhicules, ...)

• charges accidentelles (séisme, tsunami, explosion, tassement différentiel, ...).

Les investigations menées par les ingénieurs sont évidemment fonctions du degré de sûreté désiré pour l'ouvrage, qui ne sera pas le même pour une maison individuelle ou une centrale nucléaire. Les analyses peuvent être distinguées par ordre de complexité selon qu'elles sont :

• linéaires (petits déplacements)

• statiques (la réponse des éléments est considérée comme instantanée)

• non linéaires (grands déplacements, flambement réel, haubans, structures tendues)

• dynamiques (i.e. les phénomènes de vibration ou d'oscillation).

Dans chacun de ces cas, on s'intéresse à la réponse mécanique des éléments sollicités par un chargement :

• déplacement, déformation, flèche

• effort normal, effort tranchant, moment de flexion, moment de torsion

• vitesse, accélération (dans le cas d'une analyse dynamique temporelle)

• fréquence propre (dans le cas d'une analyse dynamique fréquentielle).

Ces réponses doivent rester « admissibles » par la structure, selon des critères stricts fixés par des normes nationales (NF) ou européennes (Eurocodes^[2]). Pour un bâtiment donné, ils permettent de répondre, sur le plan structurel, à deux questions fondamentales :

• Mon bâtiment tient-il ? C'est ce que l'on nomme l'État Limite Ultime (ELU^[3])

• Mon bâtiment est-il utilisable ? C'est ce que l'on nomme l'État Limite de Service (ELS^[4])

La modélisation et cartographie acoustique d'un atelier avec Noise At Work illustre, pour le cas d'un immeuble de grande hauteur soumis à un vent latéral sur toute sa hauteur, à quoi peuvent correspondre l'ELU^[3] et ELS^[4] :

• à l'ELU^[3], il s'agira de vérifier que le vent n'entraînera pas la ruine totale (ou partielle) de la structure.

• à l'ELS^[4], il s'agira de s'assurer que les mouvements d'oscillation de la tour, qui sont maximum en tête de tour, seront imperceptibles par les personnes travaillant au dernier étage.

ELS et ELU pour un immeuble de grande hauteur

Références : PYTHAGORE ; GSA ; ROBOT ; SCIA ENGINEER ; TEKLA ; EIFFEL.