Comprendre simplement les techniques de conception

Pete SilverWill McLean

Les ouvrages de la collection « Comprendre simplement » ont pour objectif d’expliquer les mécanismes physiques et les principes constructifs qui permettent de faire les meilleurs choix technologiques et d’aboutir à une bonne conception architecturale. Leur approche pédagogique conjugue trois axes complémentaires : l’expérience commune, la démarche scientifi que et l’exemple.

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Au moyen de nombreuses illustrations et photographies en couleurs, cet ouvrage pédagogique présente les aspects fondamentaux des techniques de conception : physique du bâtiment, éléments structurels, logiques structurelles, chauffage, éclairage, performances des bâtiments, etc.

La première partie expose les principes fondamentaux des structures : science des matériaux, technologie des matériaux et solidité des structures. Elle s’attache ensuite à décrire en détail les éléments, notamment leurs fonctions et leurs matériaux, puis la manière dont leur combinaison aboutit à la création des différents types de bâtiments, de la simple structure poteaux-poutre aux monocoques en aluminium en passant par les structures tendues.

Une deuxième partie montre l’interaction de l’enveloppe avec son environnement et détaille

les techniques de conception qui permettent de satisfaire aux principes du confort thermique, acoustique et lumineux.

Comprendre simplement les techniques de conception explore également les techniques informatiques actuelles, notamment les possibilités offertes par les maquettes numériques.

Enfi n, les différentes thématiques abordées dans l’ouvrage sont mises en perspective au travers d’études de cas qui analysent des bâtiments tant historiques que contemporains.

Véritable introduction à l’ingénierie des structures, ce livre s’adresse aux architectes et aux étudiants en architecture : il leur propose une vision d’ensemble des enjeux de conception et valorise les techniques en tant que source d’inspiration fondamentale.

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STRUCTURE ET FORME : PHYSIQUE DU BÂTIMENT – SCIENCE DES MATÉRIAUX – SOLIDITÉ – TECHNOLOGIE DES MATÉRIAUX – ÉLÉMENTS STRUCTURELS – ÉLÉMENTS PORTEURS – ÉLÉMENTS DE FRANCHISSEMENT – CONNEXIONS ET ASSEMBLAGES – LOGIQUES STRUCTURELLES • CLIMAT ET ENVELOPPE : CONFORT THERMIQUE – PERFORMANCES DES BÂTIMENTS – ENVELOPPE DU BÂTIMENT – ACOUSTIQUE ET ÉCLAIRAGE – ÉQUIPEMENTS TECHNIQUES • OUTILS ET TECHNIQUES INFORMATIQUES – BIM – ANALYSE STRUCTURELLE ET ENVIRONNEMENTALE • ÉTUDES DE CAS

Pete Silveret Will McLean

sont tous deux enseignants à la School of Architecture and the

Built Environment (Sabe) – l’école d’architecture

de l’Université de Westminster. Ils sont

les auteurs de l’ouvrage de référence sur les

techniques et processus de fabrication des matériaux

Fabrication : The Designers Guide (2006).

les techniquesde conception


COMPRENDRE SIMPLEMENT

-:HSMCSB=VV[^[U:ISSN 1965-863X

ISBN 978-2-281-11696-0


8046_Comprendre_SILVER_couv.indd 1 20/03/14 16:56

12

Physique du bâtiment 15

Science des matériaux 16Forces 16

ContrainteDéformation

Propriétés 18SoliditéRigidité et flexibilité

Réactions 20FlexionCisaillement

Solidité 22Charges 22

Charges dynamiques et statiquesForces horizontalesContreventementTorsion

Stabilité structurelle 24AncrageHauteurCentre de gravitéPorte-à-faux

Technologie des matériaux 26Pierre 26Bois 27Acier 28Béton armé 29Verre 30Tissus 31Plastique renforcé de fibres 32Matériaux composites 33

Structure et forme

Éléments structurels 35

Éléments porteurs 36Murs porteurs 36

Maçonnerie de petits élémentsConstruction composite

Poteaux et colonnes 40Fondations 42

Semelles filantesPlotsRadiersPieuxMurs de soutènement

Éléments unidirectionnels 44de franchissement

Poutres 44Sections Profils en long

Dalles 48Dalles en béton arméTôles profiléesPanneaux compositesPanneaux alvéolaires ou sandwiches

Éléments multidirectionnels 50de franchissement

Dalles en béton arméCaissonsStructures spatialesPanneaux alvéolaires ou sandwiches

Connexions et assemblages 52Assemblage par profils complémentairesPierre sècheClousVisBoulonsRivetsRidoirsCollesSoudageBrasage

Logiques structurelles 57

Structures en compression 58Formes bidimensionnelles 58

Poteaux-poutresStructures en APortiquesArcsVoûtesDômes

Surfaces tridimensionnelles 62Dômes par triangulationDômes à lamellesDômes géodésiques

Voiles et monocoques 66

Structures tendues 68Membranes 68Résilles de câbles 68Tenségrité 68

Avant-propos 9Hanif Kara

Introduction 10

Table des matières

7708_001_033_Layout 1 18/03/14 16:11 Page6 > XPress 6 Couleur

70

Confort 73

Confort thermique 74

Géométrie solaire 76

Climat et enveloppe

Performances des bâtiments 79

Enveloppe du bâtiment 80Inertie thermique 80Isolation thermique 82

PrincipesTypologie

Ventilation 86Ventilation naturelleVentilation passive contrôlée

Fenêtres et vitrages 90Façades 92

Petits élémentsSystèmes de bardageMembranesRevêtements d’étanchéitéÉtanchéité en détails

Glossaire 194Bibliographie 197

Index 200Crédits photos et illustrations 208

Remerciements 208

Outils et techniques 121informatiques

Building Information Modeling (BIM) 122Domotique et systèmes intelligents 124

Analyse structurelle 126Recherche de formesMéthode des éléments finis

Analyse environnementale 128Confort thermiqueLumière naturelleVentilationAcoustique

Études de cas 133

Maison en terre crue 134Tipi 136Igloo 138Obélisque 140Panthéon de Rome 142Pont de Coalbrookdale 144Phare de Bell Rock 146Crystal Palace 148Pont suspendu de Clifton 150Maison tropicale 152

(pavillon démontable)Kresge Auditorium 154Palazzetto dello Sport 156Astrodome de Houston 158Pavillon allemand 160Pavillon des États-Unis 162Maison autoconstruite à ossature bois 164Opéra de Sydney 166Siège de la HSBC 168Pavillon du futur 170Pavillon du Portugal 172Centre de presse du Lord’s 17430 St Mary Axe 176Tour « D » 178Davies Alpine House 180Station spatiale internationale 182Media-TIC 184Extension du Stedelijk Museum 186

Cadre réglementaire 189de la construction

Obligations réglementaires 190et exigences normatives

Lignes directrices européennes 192sur la construction durable

Acoustique et éclairage 102Acoustique 102

Propriétés du sonContrôle et isolation

Lumière naturelle 106

Équipements techniques 108Chauffage 108Ventilation mécanique 110Climatisation 112

PrincipesSystèmes

Systèmes intégrés 116Assainissement 118


58

Poteaux-poutres

La structure la plus simple consiste en deuxpoteaux supportant une poutre.

Structures en A

Ce type de structures se déploie partriangulation, chaque côté s’appuyant contrel’autre. Si les jambes de cette structure ne sontpas fixées à leur base, un contreventementhorizontal agissant en tension est alorsnécessaire afin d’empêcher les jambes des’écarter.

Portiques

Le principe du portique combine celui despoteaux-poutres et celui de la structure en A. Ilopère telle une poutre échelle, avec un cadrerigide composé d’éléments dont la section estassez épaisse pour participer aucontreventement de la structure.

Arcs

Un arc peut être courbe ou brisé. L’arc courbeest un élément continu en compression quirépartit les charges sur toute sa formecurviligne. Ces charges augmentant vers labase de l’arc, un ancrage ou une fixation estnécessaire pour éviter que l’arc ne s’évase.

Courbes paraboliques, elliptiques ou en

chaînette

Ces trois types de courbes sont considéréscomme étant structurellement efficaces pourconstituer un arc. Parmi ceux-ci, l’arc elliptiquepermet de couvrir les plus longues distancesdu fait de son aplatissement. La courbe enchaînette tire quant à elle son nom du faitqu’on la dessine en inversant la courbe

obtenue en laissant une chaîne pendre. Quantà la courbe parabolique, c’est la courbenaturellement formée par un jet d’eau. Toutesdeux peuvent être considérées comme desreprésentations graphiques d’équations dusecond degré. Si, dans un pont suspendu, lescâbles porteurs tendus entre les mâts formentnaturellement une courbe en chaînette, ilssuivent en revanche une courbe paraboliquedès lors que des suspentes verticalesrégulièrement réparties portent le poids dutablier.Une courbe en chaînette inversée constitue unarc naturellement stable. Elle eststructurellement efficace, car la poussée au solsuit exactement la ligne de l’arc.

La parabole, dans sa forme la plus simple,correspond à l’équation :y = x^2

L’arc en chaînette est défini par le cosinushyperbolique : y = cosh(x) = (e^x + e^-x)/2

Arcs articulés

Une articulation est une liaison structurelle quipermet une rotation au point de connexion, à lafaçon une charnière. On utilise desarticulations aux bases ou au sommet d’un arcafin de faciliter sa construction et de permettreun mouvement différentiel. Lorsqu’un axe estfixé de façon rigide, des contraintesapparaissent dès qu’il subit une charge externenon-uniforme, à la suite de mouvements deterrain par exemple.

1 Formes primaires (2D) encompression. De gauche à droite :poteaux-poutre, structure en A,portique, arc courbe, arc brisé.

2 Courbes en chaînette.3 Un arc à une articulation permet

déjà quelques mouvements limités dusol. Un arc à deux articulations permet àchaque base d’agir en tant que pivot.Une troisième articulation permet auxdeux moitiés de s’appuyer l’une contrel’autre, offrant ainsi une bien plusgrande liberté de mouvement.

4, 5, 6 Poteaux-poutres.7 Charpente constituée de portiques,

par Lamisell Ltd, Royaume-Uni.8 Structure en A.9, 10 Bien que ces structures, conçues

par Nox Architecture, soient constituéesd’arches, le principe de franchissementappliqué est celui du portique.

11 En découpant une section obliquesur un cône, on obtient une courbeparabolique. L’intersection d’un cône etd’un plan forme une ellipse.

Structures en compression / Formes bidimensionnelles : poteaux-poutres, structures en A,

portiques, arcs

Structure et forme / Éléments structurels

1


2 3 4

5 6

9

11

10

87

Courbes en chaînette

Une articulation

Deux articulations

Trois articulations


122

Maquette numérique

Appelée aussi maquette numériqueintelligente ou modélisation des données dubâtiment, cette technologie couvre unensemble d’applications informatiques depointe. Elle repose sur la CAO et la capacité dedifférents programmes à s’intégrer dans unmodèle informatique unique.Une maquette numérique est la représentationd’un bâtiment comme « base de donnéesintégrée d’informations coordonnées ». Il s’agitd’un logiciel de CAO standard auquel onadjoint des systèmes orientés objet. Touteligne dessinée peut donc être codée en tantqu’objet. En appliquant cette logique, lesobjets d’un projet architectural peuvent êtreassociés à des données non graphiquesenregistrées dans des formats informatiquesstandard. On peut ainsi affecter des attributscachés à chaque élément de construction d’unprojet, tels que les propriétés de sesmatériaux, ses coûts, ses fournisseurs, etc.Ces données non graphiques, rassembléesdans une série de feuilles de calcul, pourrontêtre ensuite extraites afin d’établir desplanifications ou des spécifications.

Différents types de programmes peuventcontribuer à la réalisation d’une maquetteglobale.Études de site : étude géotechnique en 3D,imagerie thermique, cartographie des bruits,cartographie du vent.Conception : la modélisation paramétrique estimportante pour l’efficacité d’une maquettenumérique. Il s’agit d’un logiciel qui utilise unebase de données relationnelle dans un modèledynamique de l’ensemble du projet. Ce logicielprend en compte les comportements desdifférents éléments d’un bâtiment – sescomposants paramétriques –, à la fois en

termes graphiques et informationnels. Ils’assure que les relations entre les élémentsrestent cohérentes lors de toute manipulationdu modèle.Ainsi, toute modification sur un plan d’étage,une coupe ou un planning se répercutera dansl’ensemble du projet et tous les ajustementsou modifications nécessaires s’effectuerontautomatiquement.Analyse structurelle : il s’agit de logiciels desélection des matériaux ou d’application de laméthode des éléments finis.Analyse environnementale : les logicielsd’analyse s’appliquent à la géométrie solaire, àla lumière naturelle ainsi qu’aux propriétésthermiques et acoustiques. S’ajoutent encorela ventilation et la gestion des foules, pourlesquelles on pourra s’appuyer sur l’outil deComputational Fluid Dynamics (CFD), oumécanique des fluides numérique (MFN).Optimisation et détection des

interférences : le modèle paramétrique estégalement en mesure d’identifier tous leséléments de construction d’un dessin en 3D etde les utiliser comme une base de donnéespour la planification, les feuilles de calcul et lesspécifications. Il peut donc faciliter le suivi et lecalcul précis des quantités de matériaux pourl’estimation des coûts.Construction : les programmes machinedirectement convertis à partir des fichiersgraphiques du concepteur permettent lapréfabrication hors site d’éléments deconstruction. Entre autres, l’organisation dutravail des entrepreneurs, les cheminscritiques, l’approvisionnement et les coûtspeuvent aussi être intégrés dans le modèled’optimisation.Clients : les clients peuvent consulter lamaquette numérique sans disposer del’application d’origine. Une gestion des

installations après la réception des travaux estégalement possible afin de localiser, réparer ouremplacer tout élément dans le bâtiment. Àcette fin, un codage à barres des élémentspeut être utilisé.

1 Modèle informatique centralisé.2 Conception paramétrique avec le

logiciel Revit.2.1 Une maquette numérique répercute

tout changement opéré : plans, coupes,vues détaillées, plannings et quantitésseront tous mis à jour automatiquement.

2.2 Les composants 3D utilisés dans lamaquette sont réunis par familles :armoires, équipements, parties debâtiment, murs, poteaux, etc. Tous cescomposants sont intégralementparamétrés. Les plans, coupes et vuesdétaillées sont alors plus flexibles et mis àjour plus rapidement.

2.3 Une maquette numérique permet àtous les acteurs d’un projet – consultants,clients, spécialistes, fournisseurs etentrepreneurs – de travailler sur unmodèle en 3D partagé unique, ce quifacilite la collaboration et réduit tant lesrisques de conflit que les impacts descorrectifs sur les coûts et les délais.

2.4 Les clients ont une idée claire durésultat futur, dans la mesure où lesprojets peuvent être visualisés à un stadeprécoce. Avant même que la constructionne débute, une maquette numériquepermet à l’équipe de projet de travaillerdans l’environnement virtuel du chantierafin d’optimiser l’organisation des travaux.

2.5 Une maquette numérique permetune exécution des projets beaucoup plusrapide et plus efficace, le modèle en 3Dfournissant les quantités, le plan de travailet les schémas de fabrication et deconstruction.

2.6 Une maquette numérique peutintégrer des informations produit quifaciliteront l’exploitation et la maintenancedu bâtiment une fois celui-ci achevé.

Building Information Modeling (BIM) ou maquette numérique du bâtiment

Outils et techniques informatiques


1Architecte

IngénieurstructureVisualisation

BIMIngénieur

équipementsAnalyse

énergétique

Maîtred’ouvrage

EntrepreneurSpécification

2.1

2.4

2.2

2.3

2.62.5


180

Localisation : jardins botaniques royaux

de Kew, Londres

Date d’achèvement : 2005

Hauteur / largeur / portée : 10 / 15 / 19 m

Matériaux : acier peint et verre de

construction

Architectes : Wilkinson Eyre

Ingénierie structure : Dewhurst

MacFarlane

Ingénierie environnementale : Atelier 10

Chaque arche double, constituée d’unearcade supérieure et d’une arcade inférieure,est mise en tension par des tirants ancrés auniveau du sol à un mur de soutènement enbéton. Les arches sont fabriquées à partir deplaques en acier découpées en arc, puissoudées ensemble pour obtenir des sectionsrectangulaires de 240 × 120 mm. Les tirantsen acier inoxydable portent également despanneaux de verre à facettes. Les plantesalpines ont besoin d’un air sec, frais etsouvent renouvelé, ainsi que de beaucoup delumière. La hauteur de la serre favorise lesflux d’air ascendants, par des ventilationsplacées en haut et en bas, tandis qu’un socleen béton sert de réservoir thermique. Unpetit ventilateur aspire l’air frais la nuit àtravers un labyrinthe de béton situé sous leplancher, alors qu’une série de ventilationsdirige l’air frais vers le haut au cours de lajournée (voir aussi Inertie thermique, p. 80).Le bâtiment est orienté nord-sud, de manièreà présenter sa plus petite façade au soleil.Un verre à faible teneur en fer assure unetransparence d’environ 90 %, tout en offrantune protection solaire mécanique assuréepar un déploiement en éventail sur la façade.

1 Dessin axonométrique « éclaté »décrivant la logique structurelle et lesprincipaux éléments structurels et debardage.

2 Contrôle thermique. Sectionillustrant les flux d’air et lestempératures.

3 Vue de la Davies Alpine House etde sa protection solaire déployée.

Davies Alpine House

Études de cas

> 86 Ventilation> 74 Confort thermique> 60 Voûte en berceau


21

3


Pete SilverWill McLean

Les ouvrages de la collection « Comprendre simplement » ont pour objectif d’expliquer les mécanismes physiques et les principes constructifs qui permettent de faire les meilleurs choix technologiques et d’aboutir à une bonne conception architecturale. Leur approche pédagogique conjugue trois axes complémentaires : l’expérience commune, la démarche scientifi que et l’exemple.

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Au moyen de nombreuses illustrations et photographies en couleurs, cet ouvrage pédagogique présente les aspects fondamentaux des techniques de conception : physique du bâtiment, éléments structurels, logiques structurelles, chauffage, éclairage, performances des bâtiments, etc.

La première partie expose les principes fondamentaux des structures : science des matériaux, technologie des matériaux et solidité des structures. Elle s’attache ensuite à décrire en détail les éléments, notamment leurs fonctions et leurs matériaux, puis la manière dont leur combinaison aboutit à la création des différents types de bâtiments, de la simple structure poteaux-poutre aux monocoques en aluminium en passant par les structures tendues.

Une deuxième partie montre l’interaction de l’enveloppe avec son environnement et détaille

les techniques de conception qui permettent de satisfaire aux principes du confort thermique, acoustique et lumineux.

Comprendre simplement les techniques de conception explore également les techniques informatiques actuelles, notamment les possibilités offertes par les maquettes numériques.

Enfi n, les différentes thématiques abordées dans l’ouvrage sont mises en perspective au travers d’études de cas qui analysent des bâtiments tant historiques que contemporains.

Véritable introduction à l’ingénierie des structures, ce livre s’adresse aux architectes et aux étudiants en architecture : il leur propose une vision d’ensemble des enjeux de conception et valorise les techniques en tant que source d’inspiration fondamentale.

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STRUCTURE ET FORME : PHYSIQUE DU BÂTIMENT – SCIENCE DES MATÉRIAUX – SOLIDITÉ – TECHNOLOGIE DES MATÉRIAUX – ÉLÉMENTS STRUCTURELS – ÉLÉMENTS PORTEURS – ÉLÉMENTS DE FRANCHISSEMENT – CONNEXIONS ET ASSEMBLAGES – LOGIQUES STRUCTURELLES • CLIMAT ET ENVELOPPE : CONFORT THERMIQUE – PERFORMANCES DES BÂTIMENTS – ENVELOPPE DU BÂTIMENT – ACOUSTIQUE ET ÉCLAIRAGE – ÉQUIPEMENTS TECHNIQUES • OUTILS ET TECHNIQUES INFORMATIQUES – BIM – ANALYSE STRUCTURELLE ET ENVIRONNEMENTALE • ÉTUDES DE CAS

Pete Silveret Will McLean

sont tous deux enseignants à la School of Architecture and the

Built Environment (Sabe) – l’école d’architecture

de l’Université de Westminster. Ils sont

les auteurs de l’ouvrage de référence sur les

techniques et processus de fabrication des matériaux

Fabrication : The Designers Guide (2006).




-:HSMCSB=VV[^[U:ISSN 1965-863X

ISBN 978-2-281-11696-0


8046_Comprendre_SILVER_couv.indd 1 20/03/14 16:56

Comprendre simplement les techniques de conception

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