Numérisation et secteur du calcul de structure

Article technique

La numérisation se développe à un rythme soutenu au sein du secteur de la construction. Les ingénieurs structures constituent une spécialité bien précise de ce domaine et on estime couramment qu'ils ne s'emparent pas immédiatement des nouvelles tendances, souvent à raison. Cette prudence vis-à-vis de la méthode BIM pourrait s'expliquer par le fait qu'elle n'est pas encore appliquée systématiquement dans cette branche. Toutefois, les professionnels de ce champ d'activité lui portent un intérêt croissant depuis quelques années et les nouvelles tendances numériques sont ainsi progressivement intégrées et appliquées.

Le salon digitalBau, un nouveau rendez-vous incontournable ?

Un salon consacré à la numérisation dans le bâtiment s'est tenu pour la première fois en février 2020 à Cologne. Après de nombreuses années difficiles pour les salons dédiés aux logiciels du secteur de la construction, il s'agit du premier salon à adopter avec succès une nouvelle orientation. Cet événement était exclusivement consacré aux logiciels, qui n'ont ainsi pas été noyés dans la multitude de produits présentés lors de la plupart des salons de l'industrie du bâtiment. Il sera intéressant de voir si ce salon parvient à transformer l'essai dans deux ans en réussissant à attirer un plus grand nombre d'exposants et de visiteurs. Il s'impose néanmoins déjà comme un lieu de rencontre pour tous les éditeurs de logiciels du secteur de la construction, notamment le calcul de structure. Certaines tendances abordées dans cet article sont déjà connues de ceux qui suivent les évolutions récentes du domaine, représentées au salon digitalBau.

L'importance croissante du BIM

Depuis plus de 20 ans, les ingénieurs civils évaluent les possibilités offertes par la numérisation pour aborder la durée de vie des bâtiments dans sa globalité. Cependant, on peut avoir l'impression que cette tendance commence tout juste à se démocratiser. Les ingénieurs structures considèrent également ce sujet comme une opportunité de toucher une nouvelle clientèle, de travailler plus efficacement et de donner une image novatrice et moderne de leur entreprise. Ce dernier aspect ne doit pas être négligé pour le recrutement d'ingénieurs spécialisés, des profils difficiles à attirer et à conserver au sein d'une société.

Les versions récentes des logiciels spécialisés incluent davantage d'outils pour mieux traiter les données 3D et communiquer numériquement. Ces avancées ont été rendues possibles par l'attention que les architectes portent depuis des années au potentiel de la numérisation. La création de rendus attractifs tout comme une estimation rapide et précise des coûts faisaient partie de leurs principales motivations. Une fois un modèle 3D créé, l'objectif est de s'en servir pour d'autres tâches, telles que le calcul de structure.

Figure 01 - Modèle de bâtiment dans diverses applications BIM, IFC Viewer et modèle calculé dans RFEM avec les déformations (en bas)

Pourquoi reprendre un projet du début lorsqu'on peut importer des modèles à l'aide d'une interface BIM certifiée ? On peut résumer ainsi l'objectif qui était visé. De nombreux professionnels estimaient cependant qu'un modèle de calcul numérique était très différent d'un modèle 3D créé par un architecte, bien qu'ils semblent a priori similaires. Si ce second modèle est basé sur les dimensions et les données du modèle numérique, il ne contient pas nécessairement d'informations sur les appuis, les articulations, les charges associées et les combinaisons de charges essentielles au calcul. Le modèle analytique présente en outre des simplifications importantes, sans lesquelles il serait impossible d'effectuer efficacement des calculs. Par exemple, tous les composants structuraux sont représentés comme des solides dans un modèle BIM.

Toutefois, le modèle utilisé pour le calcul de structure est rarement calculé avec de tels éléments. Les poteaux et poutres sont plutôt modélisés comme des éléments finis 1D, c'est-à-dire à l'aide d'une ligne avec un nœud à chacune de ses extrémités. La rigidité de l'élément est décrite par les propriétés de section et la longueur de la ligne. Les géométries des solides 3D deviennent ainsi des éléments filaires simples. Par conséquent, les lignes et les surfaces centrales des poteaux, poutres, plafonds ou murs ne se croisent pas toujours au niveau d'un nœud ou d'une ligne, ce qui permet d'aboutir facilement au modèle filaire. Néanmoins, la ligne d'action statique doit souvent être déplacée et sa position définie plus précisément afin d'obtenir un modèle analytique cohérent et adapté à un maillage.

Figure 02 - Variantes d'un modèle d'analyse de connexion en acier boulonnée (lignes rouges et nœuds) pour un calcul dans un logiciel de calcul de structures filaires

Cette opération nécessite des connaissances en ingénierie et ne peut pas toujours être entièrement automatisée à l'aide d'un logiciel, ce qui entraîne alors un travail considérable. Les logiciels BIM modernes permettent de parer à ce problème car ils sont adaptés aux deux types de modèle mentionnés plus haut. Des outils sont en effet conçus pour allonger, raccourcir ou trouver les points proches et pour les définir comme des nœuds statiques. Le transfert de ces modèles structuraux vers un logiciel de calcul de structure requiert un format d'échange de données compatible, sans qu'il s'agisse nécessairement du format standardisé IFC. Il existe de nombreux formats et interfaces BIM directes entre les logiciels de calcul de structure, grâce auxquels il est possible d'échanger des données sans fichiers intermédiaires.

Nouvelles solutions numériques pour simuler les charges de vent

Il est nécessaire d'affiner les modèles qui viennent tout juste d'être importés dans un logiciel de calcul de structure. Outre les appuis, les articulations et d'autres paramètres mécaniques, l'application des charges représente un progrès notable. Les hypothèses de charge sont habituellement entrées dans le modèle analytique sous forme de charges de barre ou surfaciques. Les normes contiennent des instructions quant aux charges pour les bâtiments dont la forme est régulière. L'application des charges provenant du poids propre, des charges d'exploitation et des charges de neige pose rarement problème. Les charges de vent peuvent toutefois s'avérer plus complexes. Les règles relatives aux flux de vent et aux turbulences ne concernent que les solides simples. Des cas aussi courants que des lucarnes, des combles, des auvents ou des bâtiments partiellement ouverts peuvent rapidement conduire à des situations où il est difficile de déterminer si les charges de succion ou de compression sont déterminantes et quelle est leur valeur. Cependant, les possibilités offertes par la planification numérique peuvent susciter le désir de concevoir des architectures sophistiquées et originales. Même si des hypothèses de charge peuvent être formulées dans de tels cas, il est souvent fastidieux de les appliquer au modèle de calcul de structure. Il est possible de recourir à la méthode des éléments finis pour simuler les flux de vent, qui est par exemple systématiquement utilisée en génie mécanique pour analyser ces flux. La simulation numérique s'impose alors comme une évidence et pour l'étude des flux de vent et pour déterminer la pression du vent sur les bâtiments.

C'est pour cette raison que la simulation des charges de vent était l'un des thèmes mis en avant sur le stand de Dlubal Software lors du salon digitalBau de Cologne. Le programme autonome RWIND Simulation permet d'utiliser une soufflerie numérique. Des tests longs et coûteux sur des modèles physiques en soufflerie sont ainsi évités et les analyses peuvent être menées bien plus rapidement. Des modèles numériques, comme ceux générés à l'aide de la méthode BIM, sont importés dans le logiciel et affichés de manière très détaillée. La topographie de l'environnement et les bâtiments adjacents ont eux aussi un impact sur la simulation des flux de vent et peuvent être importés, mais également adaptés au bâtiment. Les vitesses de vent et les turbulences de référence à appliquer sont disponibles dans les diagrammes des normes associées. Ces données peuvent être définies dans le programme comme un profil de vent vertical. Sur cette base, il est possible de lancer la simulation de flux de vent provenant de différentes directions. On obtient ainsi des représentations animées des flux et des vitesses de vent ainsi que des pressions résultantes sur la surface de la structure, qui peuvent ensuite être utilisées comme charges statiques.

Figure 03 - Simulation des charges de vent de la CIMU de l'Île Seguin, près de Paris, dans la soufflerie numérique de RWIND Simulation (© www.bouygues.com)

Cette soufflerie numérique peut être utilisée encore plus efficacement lorsqu'elle est combinée avec le logiciel de calcul de structure RFEM. Les modèles 3D peuvent en effet être transférés directement dans la soufflerie numérique. Une fois la simulation terminée, les charges sont automatiquement transférées sous forme de cas de charge. L'utilisation d'un programme de simulation CFD tel que RWIND Simulation constitue un progrès significatif en matière de calcul de structure. Les hypothèses de charge basées sur la CFD permettent de déterminer les actions des charges de manière plus réaliste, plus économique et plus sûre dans le cas de structures porteuses. L'utilisation de modèles 3D pour l'analyse statique et la simulation des flux de vent permet également de gagner du temps lors de la saisie des charges de vent. Néanmoins, les approches de charge basées sur des normes ne correspondent pas nécessairement aux charges déterminées numériquement à partir de l'analyse CFD. Une telle différence peut susciter des doutes, notamment si le niveau de charge est inférieur. Il est alors nécessaire de disposer de calculs de référence et de résultats numériques validés par rapport aux références connues.

On pourrait cependant objecter que les tests physiques en soufflerie ne constituent qu'une approximation en raison des modèles à taille réduite, des erreurs de mesure et de la manière dont les capteurs sont positionnés. De plus, ce type de test ne permet pas de déterminer facilement l'élasticité d'un bâtiment. Les solutions numériques offrent donc des perspectives enthousiasmantes. Les normes relatives aux charges constituent des méthodes très simplifiées et généralement considérées comme fiables. Ces deux méthodes de détermination des charges (test en soufflerie et méthode simplifiée basée sur une norme) ne fournissent elles aussi qu'une estimation du comportement d'une structure en conditions réelles. Les charges déterminées à l'aide de l'analyse CFD et du programme RWIND Simulation fournissent toutefois une bonne alternative et aident à appréhender les conditions réelles d'un projet. Il s'agit donc d'un exemple représentatif de la manière dont le secteur de la construction peut tirer parti de la numérisation, du BIM et de produits innovants afin d'obtenir des modèles architecturaux, de calcul et d'analyse des flux de vent. Il reste à espérer que les conditions juridiques et les méthodes de contrôle des calculs de structure seront adaptées à ces nouvelles possibilités et favoriseront les avancées techniques.

Figure 04 - Répartition de la pression sur une maison avec garage dans la soufflerie numérique de RWIND Simulation

Services basés sur le cloud

L'utilisation de services basés sur le cloud suscite lui aussi de nombreuses réflexions dans le secteur du calcul de structures. Il ne s'agit pas uniquement du stockage de données sur des serveurs, mais également de la mise à disposition d'informations sur Internet et de leur utilisation automatisée. Il est déjà possible d'effectuer en ligne divers calculs utiles dans ce domaine. L'outil de géolocalisation en ligne de Dlubal Software constitue un bon exemple des avantages qu'offrent les services basés sur le cloud. Ce service permet en effet d'obtenir les charges de vent, de neige, de sismicité et provoquées par les tornades pour de nombreux pays à travers le monde. Il est également prévu que des cartes incluant les charges liées aux tsunamis, aux températures, à la pluie ou au givre soient ajoutées à cet outil. Les cartes de ces charges sont basées sur les cartes numériques de services en ligne tels que Google Maps ou OpenStreetMap. Les normes correspondant aux différents pays sont disponibles dans l'outil. L'utilisateur peut effectuer gratuitement un nombre limité de recherches et avoir accès à toutes les cartes en se connectant à son compte. Une interface (services Web) permet également d'obtenir automatiquement les valeurs de charge depuis des sites Web tiers. Ce service peut ainsi être intégré à d'autres applications.

Figure 05 - Détermination des charges de vent avec l'outil de géolocalisation en ligne Dlubal grâce à des services de cartographie basés sur le Cloud

Un tableau des propriétés de profilés et de sections est également disponible sur le site Web de Dlubal Software. Auparavant, il était nécessaire de mettre régulièrement à jour la documentation interne sur ce sujet ou d'obtenir les tableaux des propriétés des profilés sous forme imprimée. Ce tableau inclut les profilés standards, mais permet aussi d'entrer librement les dimensions pour obtenir la forme recherchée. Ce service en ligne offre donc de nombreux avantages par rapport à un support imprimé.

Figure 06 - Bibliothèque de sections complète en ligne et détermination des propriétés de section pour le calcul de structure

La sophistication de certains logiciels aux éléments finis et la complexité des projets qui y sont calculés nécessitent parfois des échanges approfondis avec les développeurs de ces logiciels. On note ainsi une tendance croissante aux formations en ligne improvisées et aux réunions spontanées sur les questions de support technique. Le support technique d'une entreprise et les utilisateurs sont souvent contactés directement au moment de la prise en main des logiciels. Les modes de contact actuels s'étendent désormais bien au-delà des traditionnels e-mails et passent par les commentaires ou les messages sur des réseaux sociaux tels que Facebook ou Instagram. Certaines sociétés proposent également des fonctionnalités de chat sur leur site Web afin de fournir automatiquement des réponses à l'aide d'une intelligence artificielle. Plutôt que de planifier une formation de plusieurs jours et les déplacements associés, il est désormais possible de s'appuyer sur les contenus de formation (webinaires, tutoriels, etc.) proposés sur la chaîne YouTube d'une société.

Figure 07 - La chaîne YouTube Dlubal avec des webinaires et des vidéos sur divers thèmes portant sur le calcul de structure

Le site Web de Dlubal Software constitue par exemple un véritable portail vers le calcul de structure avec de très nombreuses ressources sur ce domaine. Un forum international et une Foire aux Questions (FAQ) contenant des milliers d'articles permettent en outre de trouver des réponses à des questions variées en dehors des heures d'ouverture de la société. Les articles techniques de la Base de connaissance Dlubal contiennent quant à eux des informations détaillées sur des thèmes spécifiques. Ces contenus en ligne sont gratuits et il est possible d'effectuer une recherche par mot-clé ou expression pour trouver rapidement les ressources nécessaires.

Figure 08 - Base de connaissance en ligne Dlubal avec articles techniques et exemples de calcul

Mots-Clés

BIM Building Information Modeling RWIND Charge de vent Simulation des charges de vent CFD Calcul de structure

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RFEM Logiciel principal
RFEM 5.xx

Programme de base

Logiciel de calcul de structures aux éléments finis (MEF) pour les structures 2D et 3D composées de plaques, voiles, coques, barres (poutres), solides et éléments d'assemblage

Prix de la première licence
3 540,00 USD
Compatible Programs Program
RWIND Simulation 1.xx

Programme autonome

Programme autonome de simulation CFD des flux de vent autour de bâtiments et de tout type d'objet. Les charges de vent générées qui agissent sur ces objets peuvent être importées dans les logiciels de calcul de structure RFEM et RSTAB.

Prix de la première licence
2 690,00 USD