Pourquoi utiliser des modèles 3D dans le calcul de structure ?

Article technique

Les structures sont par définition des objets en 3D. Elles ont cependant longtemps été simplifiées et divisées en sous-systèmes 2D car il était impossible d'effectuer facilement des calculs sur des modèles 3D. Cependant, cette étape de simplification n'est souvent plus nécessaire grâce à des ordinateurs plus performants qu'auparavant et à des logiciels plus sophistiqués.

Une évolution qui a été renforcée par certaines tendances du numérique telles que le BIM ou les nouvelles possibilités de création de modèles réalistes. Les modèles 3D offrent-ils de véritables avantages ou s'agit-il d'une tendance parmi d'autres dans le domaine du calcul de structure ? Cet article présente plusieurs arguments en faveur de leur utilisation.

Calcul de structure et stabilité

Au début d'un projet, il est nécessaire d'envisager le comportement global de la structure. Les distances maximales possibles entre les poteaux et les poutres, la position des contreventements de la toiture et des murs ou encore la réalisation des fondations sont quelques-uns des aspects qui doivent alors être étudiés. Il faut également concevoir la structure porteuse du bâtiment.

Même dans le cas de bâtiments simples, on peut envisager la possibilité de renoncer à des éléments de contreventement ou s'interroger sur leur disposition optimale. Les tâches relatives au plan, aux vues et aux coupes n'aident pas toujours à saisir parfaitement les problématiques liées aux zones de charge et à la diffusion des charges. Un modèle 3D permet de se représenter plus facilement les emplacements auxquels les forces s'exercent et sont transférées aux fondations. Une bonne compréhension du comportement et de la fonction d'une structure constitue donc la base d'une planification économique. Pour des questions de sécurité, il est essentiel d'être en mesure de détecter les problèmes de stabilité.

Dans le cas d'un modèle 2D simplifié, les problèmes de stabilité tels que le flambement hors du plan ou le renversement sont exclus : ils ne se produisent pas lors du calcul et peuvent donc être négligés. Mais dans le cas d'un modèle 3D, l'ingénieur structures doit considérer ce type de phénomène. Les erreurs dans la conception d'une structure sont généralement identifiées au cours du calcul.

Un modèle 3D offre la possibilité de mieux évaluer d'éventuels échecs de stabilité sur l'ensemble de la structure.

Conception de modèles 3D avec la méthode BIM

Les méthodes de planification modernes telles que le BIM s'appuient notamment sur des modèles 3D. Ils constituent également la base du calcul de structure, pour lequel ils permettent de concevoir des modèles idéaux. Dans une situation optimale, le modèle 3D est donc déjà fourni pour le calcul de structure, ce qui représente un gain de temps.

Il s'agit souvent d'une solution rapide et utile dans le cas d'un prédimensionnement ou d’une étude simple de la structure afin d'atteindre le résultat adéquat. La planification paramétrique, où le calcul de structure est entièrement couplé au logiciel d'architecture, constitue une autre tendance du numérique. Il est alors possible vérifier et calculer automatiquement de nombreuses variantes d'un même modèle en modifiant les paramètres en conséquence.

Limites des modèles 2D

Lorsqu'un bâtiment ne peut pas être facilement divisé en sous-structures avec une diffusion claire des charges, un modèle 3D constitue souvent la seule solution pour réaliser un projet. En effet, tous les bâtiments ne peuvent pas être conçus selon une grille régulière, ce qui rend la diffusion des charges complexe et difficile à contrôler. Par prudence, les hypothèses de charge maximales sont donc utilisées au cours des projets, mais elles peuvent être à l'origine de résultats peu économiques.

Simulation des actions sur un modèle entier : une solution claire et simple

Les logiciels de calcul 3D peuvent générer automatiquement des charges pour des actions telles que le poids propre, le vent ou la neige sur des bâtiments de forme standardisée. Les dimensions du bâtiment doivent bien évidemment être connues et l'utilisation d'un modèle complet permet de les obtenir facilement. Les profils de charge de vent et de neige peuvent être appliqués automatiquement à la structure et les charges changent automatiquement en cas de modification de la géométrie. Les simulations dans une soufflerie numérique ne sont possibles qu'avec des modèles 3D.

Des analyses dynamiques de modèles 2D souvent insuffisantes

Dans le cas de calculs sismiques ou d’autres analyses dynamiques, des modes propres doivent être pris en compte.

De même, les excitations sismiques dans les directions x et y doivent être superposées en conséquence. Les charges de torsion accidentelles jouent également un rôle. C'est donc seulement dans les cas les plus simples qu'on pourra se passer d'un modèle 3D.

Modifications et flexibilité

De nombreuses modifications peuvent être effectuées au cours du processus de planification. Il est important de toujours savoir ce qui est structurellement réalisable et quels sont les changements à apporter afin de pouvoir entamer le processus de construction. Dans le cas d'un calcul de structure classique, cela peut signifier que toutes les hypothèses de charge doivent être reconsidérées.

Avec un modèle 3D complet, les forces susceptibles de changer sont automatiquement incluses dans la structure et transférées d'un composant à l'autre. Les vérifications sont également mises à jour si un nouveau calcul est effectué, ce qui compense généralement les efforts parfois plus élevés fournis au moment de l'entrée du modèle.

Conditions d'appui problématiques lors de la création de modèles partiels

Lors de l'extraction de modèles partiels du modèle global, les points de connexion du modèle partiel doivent être fournis avec des appuis définis. Des appuis articulés ou rigides sont utilisés pour des raisons de simplification car les rigidités de ces points ne sont généralement pas connues ou difficiles à déterminer. Cette solution n'est pas parfaitement correcte et produit des résultats différents des modèles où ces rigidités sont obtenues à partir d'un modèle complet.

Des modèles 3D nécessaires aux analyses détaillées

L'utilisation de modèles en coque 3D, par exemple pour le calcul d'assemblages en acier, est une solution à la pointe des techniques actuelles. De telles analyses ne pourraient pas être effectuées sans modèles 3D, qui ne sont alors plus une possibilité mais une nécessité. Il est donc difficile de comprendre pourquoi les calculs 3D ne sont parfois pas utilisés pour le calcul de bâtiments complets.

Retombées positives des modèles 3D

Un modèle 3D complet fournit des résultats souvent bien plus compréhensibles que plusieurs petits modèles partiels. Le comportement d'une structure peut être évalué plus facilement lorsque les déformations, les contraintes et les forces sont affichées graphiquement, par exemple.

Ce type de modèle montre en outre que le projet est géré avec professionnalisme et contribue à la réputation des ingénieurs structures. Ces modèles peuvent également être utilisés pour réaliser une première estimation des quantités de matériaux nécessaires et des coûts. La forme, le comportement et le poids des différents éléments d'un projet peuvent être optimisés grâce à la flexibilité mentionnée ci-dessus.

Résumé

Il existe de nombreuses raisons d'utiliser des modèles 3D pour le calcul de structure. La 2D et la 3D ne sont cependant pas en concurrence : elles se complètent. Un modèle 3D ne présente pas nécessairement d'avantages dans le cas de structures simples et des résultats corrects peuvent être obtenus autrement. Il appartient donc à l'ingénieur structures de sélectionner le type de modélisation le plus approprié.

Mots-Clés

Modèle 3D Modèle 2D BIM Building Information Modeling Modèle d'analyse Modèle de structure

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