Optimisation morphostructurelle des Bétons fibrés

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1 1 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Optimisation morphostructurelle des Bétons fibrés Simon Erard Ecole Nationale Supérieure d Architecture de Paris Malaquais RÉSUMÉ. Les bétons fibrés à ultra haute performance (BFUHP) offrent des propriétés mécaniques et de durabilité exceptionnelles. Cependant la difficulté rencontrée à prévoir l orientation des fibres et leur répartition limitent la possibilité d optimisation. Cet article cherche développer la possibilité de l orientation des fibres métalliques au sein d un BFUHP via un champ électromagnétique. Cette question a déjà été posée par certain chercheurs dans le cadre universitaire et industriel mais très peu d applications existent. La problématique de cet article se base donc sur la difficulté d optimiser les fibres dans un BFUHP. L objectif est d améliorer leurs performances et de permettre une plus grande liberté morphologique ainsi qu une économie de matière et d énergie. ABSTRACT. MOTS CLÉS : Béton fibré, BFUHP, Fibres métallique, Optimisation structurelle, Architecture contemporaine.

2 2 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Introduction Le béton est aujourd hui un des matériaux de construction les plus utilisés dans le secteur du bâtiment. D abord utilisé comme matériau de masse, il est peu à peu devenu un matériau noble s étendant à tous les domaines de la construction ; et c est principalement grâce à l architecte qui l a intégré dans son processus créatif. Depuis la fin du 20 ème siècle de nombreux nouveaux bétons aux multiples propriétés sont développés pour ensuite être mis en œuvre par les architectes notamment le BFUHP (Béton Fibré Ultra Hautes Performances). Ce dernier a connu beaucoup de développements ces derniers temps, l ajout de fibres métalliques a ainsi permis d augmenter la ductilité du béton et de réduire les propagations de fissures ainsi que leur taille. 2. Enjeux de l optimisation des BFUHP Le secteur du bâtiment est un des premiers consommateurs d énergie au monde et chaque année sont fabriqué environ 6 milliards de m3 de béton 1 (ce qui fait de lui le matériau manufacturé le plus consommé au monde 2 ). De plus, depuis quelques années, l écologie est un sujet omniprésent et très influent dans les domaines de l architecture et du bâtiment. Partant de ce postulat, l enjeu de l optimisation des structures en béton est indéniable, la moindre économie de matière sur un domaine aussi développé peut prendre beaucoup d ampleur. Ainsi en cherchant à réduire la quantité de matière des structures béton on réduit également le coût, la consommation d énergie de la production, la quantité de matière première Cependant l enjeu de cette recherche n est pas seulement écologique ou économique il est également structurel et esthétique. Le MuCEM de Rudy Ricciotti qualifié de nouveau phare de Marseille 3 en est la preuve. L architecture de celui-ci, félicité par beaucoup, est une recherche croisé entre la structure et l esthétique, qui l a finalement fait devenir un symbole urbain. Ainsi l optimisation des BFUHP permettrait de concevoir de bâtiments empreints d une nouvelle complexité morphostructurelle. 1 Selon un calcul du site Planetoscope 2 Selon une étude de L UNICEM, Claire Bommalaer pour Le Figaro

3 3 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Quelques questionnements préliminaires Quelle est l influence de l orientation des fibres dans un béton haute performance? Quels moyens permettent aujourd hui d optimiser les performances des bétons fibrés? Les champs électromagnétiques permettent-ils de diriger les fibres au sein d un composite béton fibres métalliques? Quel serait l impact esthétique, économique et écologique de l optimisation de l orientation des fibres d un béton fibré? Quels sont les domaines d application d une étude sur l orientation des fibres d un béton fibré?

4 4 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Processus d expérimentations L expérimentation des performances structurelles d un béton se fait en 3 étapes, tout d abord via une simulation informatique du positionnement de fibres et de leur impact sur la résistance du béton. Pour faire suite à la simulation une série de test sur la calibration du matériel permettant l orientation des fibres, et pour finir un test structurel permettant de vérifier les hypothèses de la simulation. (Ci-dessous un schéma des processus expérimentaux.)

5 5 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Simulation (WIP) La simulation est menée premièrement via un algorithme Grasshopper permettant d imiter le comportement d éléments métalliques de petite taille soumis à un champ magnétique contrôlé. On voit ci-dessous les 3 premiers rendus de la simulation, premièrement un élément classique à la réparation non uniforme et aléatoire des fibres, deuxièmement un élément où l orientation des fibres se fait de façon linéaire selon 2 pôles, et un troisièmement un élément aux fibres orienté selon une courbe de champs magnétique aux pôles très rapprochés. Simulation du comportement physique/ WIP

6 6 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Tests de positionnement (WIP) A l aide d un substitut transparent au béton une série de test sera mené pour vérifier les hypothèses de la simulation. Cette étape permet également la mise en place du système électrique produisant le champ magnétique Tests structurels (WIP) Test d éprouvettes de béton aux différentes caractéristiques, variation de la quantité de fibre, de leur orientation et aussi des propriétés propre au béton notamment sa viscosité (et en général sa rhéologie) Influence d une variation de charge 4 4 CREVECOEUR Ambroise, Super Béton, Réelle opportunité pour les architectes, Faculté d architecture de l Université Libre de Bruxelles, 2013

7 7 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Analyse des données et cycle de vie (WIP) L enjeu de l optimisation des bétons fibrés est-il rentable sur des critères économiques et écologiques. L analyse du cycle de vie du processus d orientation des fibres cherche à vérifier que le rapport entre la consommation d énergie et l économie de matière est positif, et que le système est viable. 7. Conclusion

8 8 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Bibliography BRYNJOLFSSON Erik, MC.AFEE Andrew, The Second Machine Age, New-York, W. W. Norton & Company, SERLIANO Perluigi, Form Follow Software, Berkeley, University of California, YACOUB Claude (dir.), BOURBONNAIS Sébastien Les processus expérimentaux : la position décentrée du concepteur, Conception assisté par concepteur, Paris, Europia, LIONEL SCHAAL et ANTOINE DURIEUX, Renforcement des BFUP par orientation magnétique de leurs fibres. Rapport final, École polytechnique ParisTech, CREVECOEUR Ambroise, Super Béton, Réelle opportunité pour les architectes, Faculté d architecture de l Université Libre de Bruxelles, 2013 HU Chong, Rhéologie des bétons fluides, Paris, ENPC, BOULEKBACHE Bensaid, HAMRAT Mostefa, CHEMROUK Mohamed, AMZIANE Sofiane, Comportement des bétons fibrés à la flexion: influence des fibres et de la résistance à la compression, 31èmes Rencontres de l AUGC, E.N.S. Cachan, YAMMINE Joumana, Rhéologie des bétons fluides à hautes performances : relations entre formulations, propriétés rhéologiques, physico-chimie et propriétés mécaniques, E.N.S. Cachan, 2007.

9 9 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année DAVID Marie, Optimisation de la dispersion des bres pendant le cycle de malaxage des bétons industriels, Université Paris-Est, Paris, G.MORRIS Christopher, Academic Press Dictionary of Science and Technology, Gulf Professional Publishing, 1992, p TOUTLEMONDE Francois, RESPLENDINO Jacques, Symposium on Ultra-High Performance Fibre-Reinforced Concrete, Paris, 2013.

10 10 ENSAPM Département Transitions Séminaire de recherche Année Annexes 1. Réalisation remarquable en BFUHP Stade Jean Bouin, avenue du Général Sarrail, Paris, France (chantier en cours) MuCEM, Fort Saint-Jean, Marseille, Bouches-du-Rhône, France (2013) Passerelle des Anges, site du Pont du Diable, Gignac, Hérault, France (2008)