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Objectifs et programme du module : voir la fiche module
Concevoir une structure est une démarche complexe, itérative qui fait appel à de nombreux champs disciplinaires du génie civil, ainsi qu’à une certaine culture constructive. C’est un acte de compromis entre une intention structurelle, un concept porteur et des contraintes spécifiques de lieu, de programme ou de fabrication. Le cours proposé se veut une initiation à cette démarche, il est l’occasion d’appliquer dans des exercices de projet les outils théoriques développés dans le cours du même nom. A partir de la donnée d’un jeu initial de contraintes géométriques, mécaniques et programmatiques, il permet l’exploration des principales typologies de structures (fléchies, tendues ou comprimées), de l’interaction entre la forme et les efforts qui circulent dans celle-ci, de l’influence et de l’intérêt de l’isostaticité et de la redondance structurelle.
La modélisation des structures est au cœur de l’exercice, car elle parle de la compréhension, de l’appréhension que l’on a du comportement de l’objet projeté, car elle est auto-réalisatrice, dans le sens où l’objet conçu en accord avec son modèle se comportera comme celui-ci. Concevoir est une histoire de choix et d’arbitraire de sorte que tout l’enjeu des modèles n’est pas simplement de pouvoir calculer mais de pouvoir fournir des données objectives qui permettent la comparaison entre diverses solutions, qui permettent de questionner le compromis qui s’établit au fil des semaines entre une géométrie/forme, une topologie/structure, des forces/chargements et des solutions matérielles et technologiques.
Concevoir est aussi une question de méthode. On s’attachera donc à ne jamais dissocier l’image, de la donnée quantifiée et de sa description littérale, car « ce que l’on conçoit bien s’énonce clairement, et les mots pour le dire arrivent aisément. » On s’efforcera de construire une vision globale du projet et des étapes qui aboutiront à son dimensionnement complet. Cette vision s’appuiera sur une hiérarchisation des éléments constitutifs ainsi que sur une exploration des potentiels chargements et des conditions d’une stabilité d’ensemble de la structure. La combinaison de cette vision globale et de modélisations adéquates est la base d’une discussion objective autour du projet que ce soit au sein d’un groupe de travail, ou avec l’enseignant ou avec l’ensemble des étudiants du cours.
(page mise à jour le 8 février 2019)
La partie appliquée du cours de conception des structures ne prend son sens que si elle est accompagnée de la partie théorique qu’elle propose de mettre en pratique. On ne saurait donc suivre ce cours indépendamment de l’autre.
Il est également nécessaire pour ce cours de savoir calculer des efforts et des déplacements dans une structure et d’avoir des notions de base sur le calcul et le comportement des principaux matériaux de construction (métal, bois et béton armé). Des notions élémentaires sur la méthode des éléments finis et le calcul numérique des structures (méthode des déplacements, théorie statique linéaire, méthode P-Δ, analyse linéaire de flambement et analyse modale) sont également indispensables.
On trouvera dans cette section toutes les informations pratiques relatives à l'organisation du module : la liste des groupes, la liste des sujets et les horaires de passage des groupes pour les corrections.
Chaque séance s’accompagne d’un rendu qui comporte :
Le rendu formel de l’esquisse, rendu qui participe de
l’évaluation finale, est effectué en séance 5 et se compose de l’ensemble des
études faites en séance 1 à 4, dont il présente une analyse critique (avantage/inconvénient, force/faiblesse) en fonction des remarques faites en séance sur l'ensemble des projets présentés. Il constitue la genèse du projet et se conclue par une présentation succincte de l'objet dont l'étude va être poussée plus avant. Pour des raisons de simplicité et d'économie de travail, il pourra prendre la forme d'une présentation intégrant l'ensemble des présentations précédentes qui auront été revues.
A l’issue de la séance 4, une typologie structurelle est choisie ainsi que la meilleure façon d’adapter sa géométrie aux contraintes du projet. L’ensemble constitue le cœur de la proposition qui sera développée dans le reste du semestre jusqu’au jury final.
Le rendu intermédiaire fait l’objet d’une correction
collective avec une présentation (10 minutes) à l’ensemble des groupes qui participent à la
discussion des choix de conception et de modélisation (5 minutes). Les autres séances sont constituées de correction individuelles de 30 minutes par groupe.
Dans la troisième partie du cours, la plus courte (deux
séances seulement), chaque groupe travaille sur la proposition d’un autre
groupe dont il vérifie le dimensionnement à partir de la description du projet
fournie en séance 8. L’objectif est d’obtenir des ordres de grandeur rapidement
par un calcul indépendant (et une modélisation indépendante) et de faire des
propositions pour une optimisation de la structure.
La correction de la séance 9 est une correction individuelle, celle de la séance 10 une correction collective avec des présentations courtes (5 minutes) dans lesquelles on insistera sur les similarités et les différences des résultats entre la contre-étude et le projet initial.
Les dernières séances sont consacrées à la préparation du jury.
Le dossier de rendu final comprendra les éléments suivants :
NB: Pour la présentation orale, il est conseillé d'avoir un support de
présentation pour l'exposé. Ensuite,
compte tenu du peu de temps accordé à chaque projet, il est important
d'aller à l'essentiel qui est pour ce cours la conception de la structure.
Il est donc demandé de ne pas s'attarder sur le sujet, le contexte ou
le programme, et de détailler le fonctionnement de la structure (qui
porte qui? comment les efforts sont-ils repris dans telle ou telle
direction? etc.) ainsi que les hypothèses qui ont été faites pour
aboutir au dimensionnement des différents éléments. En outre, afin que
le jury puisse juger du degré d'optimisation de la structure, il est
indispensable de présenter une synthèse chiffrée du projet avec: le
poids de la structure par m2 (sa répartition entre les différents éléments porteur), une liste des éléments de la
structure avec leur section et leur taux de travail, quelques ratios
"flèche maximale" / "flèche maximale autorisée". On préférera pour cela
des rendus graphiques et des légendes par couleur à de longues équations
ou d'énormes tableaux de nombres. La conclusion portera notamment sur
les limites des modèles proposés et sur les améliorations possibles pour
l'optimisation de la structure et l'analyse plus fine de son
comportement.
L’évaluation des étudiants se base sur deux éléments :
Le contrôle continu témoigne de la progression du travail des étudiants et de la régularité de leur travail. Il s’appuie sur un rendu en quatre étapes qui chacune compte pour 15% de la note :
Le jury final évalue la qualité de la proposition des étudiants et la finesse de compréhension qu’ils ont de son comportement structurel sur la base d’une présentation orale (15 minutes) et d’une discussion (15 minutes) avec les membres du jury, composé pour l’essentiel de praticiens extérieurs invités.
A l’occasion de la première journée pédagogique du semestre, des formations différentiées aux outils numériques du module seront proposées :
Les supports de quelques unes des conférences d'introduction des années précédentes sont disponibles ci-dessous, ainsi que certains documents utiles à la conception des projets de structures.
Il faut avant tout souligner que l'usage de logiciels de calcul de structures n'intervient que dans la deuxième partie du module. Il est INDISPENSABLE que les étudiants comprennent le fonctionnement général de leur structure et acquièrent les ordres de grandeur de leur projet avant d'aborder la simulation. Si la structure est bien conçue, la vérification sera aisée. L'essentiel du travail doit donc porter sur la conception, la définition de modèles de calcul simplifiés, leur justification vis-à-vis d'une problématique donnée et la compréhension de l'influence des différents paramètres.
Afin de poursuivre cette démarche de conception et d'analyse de l'influence des différents paramètres dans l'analyse numérique de la structure, il a été décidé de travailler à l'aide de la suite Rhinoceros/Grasshopper/Karamba3d :
Rhinoceros est un logiciel de dessin 3d,
Grasshopper est un module complémentaire de Rhinoceros dédié à la programmation graphique qui permet une paramétrisation de la géométrie de la structure,
Karamba3d est un module complémentaire de Grasshopper dédié au calcul de structure qui permet l'analyse de la structure paramétrée à l'aide de Grasshopper.
Afin d'homogénéiser les niveaux des étudiants qui n'auraient jamais utilisé ces logiciels, des séances d'initiation à Rhino et Grasshopper sont organisées lors de la journée pédagogique du 26 février. Elles sont obligatoires pour les débutants car des connaissances de base de Rhino et Grasshopper sont nécessaire à la bonne utilisation de Karamba3d. L'apprentissage de Karamba3d est ensuite réalisé en auto-apprentissage à l'aide des tutoriels disponibles sur le site du développeurs, ainsi que des fichiers exemples sur mesure fabriqués pour le cours. En outre un tutorat est assuré tous les mercredis en parallèle des corrections de groupe de la semaine 7 à la semaine 12.
Les étudiants qui souhaitent installer les logiciels sur leur ordinateur personnel (sous système d'exploitation Windows uniquement) trouveront ci-après les liens pour le téléchargement de la version d'évaluation de Rhinoceros (valable 90 jours), grasshopper et la version d'essai de Karamba3d (limitée à 20 éléments, la version étudiante ne coûte que 30€ et installable sur deux postes).
Les supports d'auto-formation ci-dessous reprennent quelques fondamentaux de la conception des structures et développent une application numérique paramétrique des différentes typologies étudiées dans le cadre de la partie théorique du cours. Ils comprennent:
NB: Le manuel d'utilisation de Karamba3d est disponible ici et de nombreux exemples sont développés sur le site du développeur.
NB2: Pour bénéficier d'une licence Karamba3d étudiante gratuitement pendant la durée du module, merci de sauvegarder votre identifiant machine selon la procédure décrite ici et de le déposer là avant le 22 février 17h.
Sont présentés ci-dessous quelques éléments méthodologiques pour effectuer une descente de charges:
Les calculs des efforts
climatiques sont effectués selon l'EC1, en considérant des bâtiments
en région parisienne dans des zones pavillonnaires. L'essentiel des
efforts porte en général sur les répartitions non-uniformes des charges de neige
et sur les coefficients de pression de vent Cpe et Cpi. On pourra
s'aider des deux documents sur le sujet tirés de "Techniques de
l'Ingénieur" qui sont disponibles avec les autres documents utiles du cours.