Au cours des quinze dernières années, j’ai travaillé sur les structures innovantes. Pour développer ce type de structure, j’ai renforcé les liens entre la mécanique des matériaux, l’ingénierie structurelle et les mathématiques appliquées pour explorer de nouvelles voies et proposer des innovations en matière de construction. Trois sujets principaux seront détaillés dans ce projet de recherche. Le premier sujet est une connaissance approfondie des matériaux en vue d’une utilisation sur mesure. Le second est une gestion mathématique rigoureuse des formes et de la géométrie pour rationaliser des situations complexes de manière totalement intégrative, y compris en y tenant compte des contraintes de connexions, par exemple. Et enfin, si l’on ne peut rester aveugle aux nouvelles perspectives numériques et technologiques qui pénètrent tous les secteurs économiques, comme les robots et l’impression 3D, quelles sont les idées numériques pertinentes pour la construction ? La combinaison de tous ces aspects peut aider à la conception de structures complexes les rendant plus abordables tant dans leur dimensionnement qu’économiquement.

Penser à la mécanique des matériaux

Pour concevoir une structure, le comportement spécifique du matériau qui sera utilisé joue un rôle clé. Il est toujours important de se souvenir que le premier pont en fer ressemblait beaucoup à celui de la maçonnerie. Ce n’est qu’après quelques décennies de développement que l’acier a trouvé ses propres structures telles que le treillis Pratt … De nouveaux matériaux dans l’industrie du bâtiment tels que les matériaux composites copient souvent des solutions en acier (fermes, assemblages boulonnés, poutres en I ou T …), ou encore plus à la mode, quelques solutions d’impression 3D pour béton sans considérations rhéologiques. Plusieurs exemples d’utilisation innovante de matériaux pour concevoir des structures sont en train d’être étudiés. Un premier exemple concerne les alliages à mémoire de forme (SMA) pour un dispositif de protection solaire. Il est impossible de proposer des systèmes pertinents sans modéliser et tester le comportement hautement non linéaire des SMA, qui est couplé à la réponse de la structure. Un deuxième exemple concerne les matériaux composites. Les matériaux composites doivent être utilisés en fonction de leurs caractéristiques spécifiques (légèreté, flexibilité, etc. ), et en recherchant de nouvelles conceptions adéquates. Par exemple, les gridshells élastiques ont été faits de bois parce que c’est le seul matériau de construction traditionnel qui peut être plié élastiquement avec de grandes déformations sans se casser. mais les plastiques renforcés de fibre de verre (GFRP) ont une limite élastique plus élevée (1,5% au mieux pour le GFRP et 0,5% pour le bois) et leur module de Young est également plus élevé (25-30 GPa contre 10 GPa pour le bois). On peut s’attendre à ce que la charge de flambage d’un gridshell dans le GFRP soit 2,5 à 3 fois plus élevée que celle du bois.

La constructibilité cache souvent un problème de géométrie

Les dernières décennies ont vu l’émergence de nouveaux outils pour les architectes; ces outils principalement basés sur les NURBS ont permis de produire des formes architecturales non standard. Malheureusement, ces formes étaient souvent coûteuses économiquement et écologiquement en termes de quantité de matériaux nécessaires à la fabrication en raison de la complexité de l’assemblage. Les concepteurs se retrouvent souvent sans défense face à la complexité géométrique de ces objets. Pour résoudre le problème, certaines entreprises réalisent une post rationalisation de la forme proposée par le concepteur afin de résoudre certains aspects de construction tels que la planéité des facettes ou des nœuds sans torsion… Cette post-rationalisation peut prendre beaucoup de temps et nécessite souvent un expert pour l’exécuter.

La recherche que j’effectue prend le point de vue mathématique basé sur l’invariance sous des transformations géométriques, et étudie plusieurs stratégies pour la modélisation de forme facile à fabriquer. En d’autres termes, nous fournissons des outils qui intègrent des considérations de technique de fabrication directement dans la génération de forme sans
avoir besoin de techniques de post-rationalisation lourdes. Trois points technologiques principaux ont été identifiés et correspondent à trois contributions indépendantes.

1. La répétition des nœuds est étudiée via des transformations par parallélisme. Ils sont utilisés pour généraliser les surfaces de révolution. Cette technique peut être adaptée pour la recherche de formes des structures nexorades.
2. Les réseaux cycliques sont utilisés pour modéliser des formes paramétrées par leurs lignes de courbure. Cela garantit au maillage des panneaux plans et la disposition des poutres sans torsion.
3. Une méthode innovante inspirée de la géométrie descriptive est proposée pour générer des formes doublement courbées recouvertes de facettes planes. La méthode, appelée technique de la marionnette, réduit le problème à un problème linéaire, qui peut être résolu en temps réel.

Quels peuvent être les apports du numérique et de la robotique ?

Le numérique et les nouvelles technologies devraient permettre des approches ra- dicalement nouvelles pour la construction. Une première tâche consiste à identifier les opportunités pertinentes et c’est ce que nous proposons par exemple pour l’impression 3D en béton ou pour les robots maçons.

Jeux d’ensemble et rôle des détails

La pierre est un matériau structurel intéressant, ayant connu une longue phase d’abandon, qui ne saurait être justifiée sur des bases purement techniques. Dépasser ses limites physiques et rattraper une part du retard par rapport aux techniques constructives actuellement dominantes constituent un défi intéressant, qui doit s’appuyer, pour réussir, à la fois sur la connaissance de l’art de bâtir du passé, qu’elle soit savante ou vernaculaire, sur les sciences actuelles de l’ingénieur et, finalement, sur une vision intégrée de la géométrie, de la structure et de l’architecture.

En analysant les structures en pierre, on voit les contacts entre blocs interagir localement pour émerger à l’échelle de la structure et générer le comportement de l’ensemble. Si le projet de ce type d’ouvrages peut être informé par les principes généraux de la morphologie des corps privilégiant la compression, il est tout aussi vrai que la prise en compte des situations locales, et notamment de la géométrie de l’assemblage, joue un rôle important et, parfois, dominant. Deux exemples permettent de défendre cette idée : les plates-bandes à joints complexes, traités dans les thèses de M. Fantin (2017) et de P. Nougayrède, et les murs de pierres confinées, étudiés par W. G. Lasciarrea en 2017-18 et par S. Tumbarello en 2018-20.

La capacité de modéliser la mécanique de ces ensembles permet de concevoir des structures de nouvelle génération. C’est le cas de certaines expérimentations, comme les voûtes d’Abeille, les murs préfabriqués de astonyshine, dont l’évolution est l’objet de la thèse de M. Vekinis, et les structures réalisées dans le cadre de la thèse de Y. Anastas et du PHC al-Maqdisi. Plusieurs pistes s’ouvrent, par ailleurs, pour l’analyse du jeux d’interfaces. Si la recherche des formes réalisables suivant des modèles classiques de la stéréotomie ne cesse de se rénover grâce aux outils informatiques, d’autres pistes peuvent s’ouvrir, comme proposé en dressant un parallèle entre la coupe des pierres et l’origami ou avec la morphologie des tissages (expérience pédagogique dans le cadre du mémoire de master ENSA Paris-Malaquais de S. Zerouini).

Des questions de même nature apparaissent dans d’autres problèmes. Entre appareillages armés et bio-mécanique du pied humain, par exemple, le pas est court : des formes en contact sur des surfaces plus ou moins complexes, liées entre elles de manière compatible avec leurs propriétés mécaniques locales, créent des structures capables de répondre à des cas de charges diversifiés avec des doses optimales de souplesse et de résistance.

On trouve encore dans le domaine de la compréhension des interactions locales et des comportements d’ensemble qu’elles génèrent la collaboration avec A. Blonder dans son projet de post-doctorat sur les composites plissés aléatoirement.

Un ensemble de questions corrélées aux précédentes, mais par le chemin inverse qui va de la forme générale à la structure locale, apparaît dans la recherche d’optimi- sations morphologiques, en s’inscrivant dans la continuité de Michell (Phil. Mag. 1904). La relation entre ces solutions et les maillages géodésiques des surfaces, formant éventuellement des réseaux de Tchebychev, donne un premier élément de réflexion et incite à l’étude de la question de la performance structurale de ces réseaux, et de leur éventuelle optimalité. Les lignes isostatiques en élasticité li- néaire fournissent une deuxième piste pour cette étude, qui voit dans les surfaces minimales des exemples dans lesquels certaines propriétés extrêmes, géométriques et mécaniques, semblent pouvoir converger.

Bien que l’horizon de mes intérêts scientifiques soit actuellement dominé par les structures et leur optimisation, j’attache une grande importance à la compréhen- sion d’autres questions fondamentales, dont – pour des raisons d’espace – je ne donne dans la suite qu’un bref aperçu.

Physique, géométrie et matériaux en architecture

L’étude, par des outils numériques avancés, des interactions entre l’environnement physique et les bâtiments, pouvant aider à leur éco-conception, mais aussi à l’analyse des édifices existants, est à l’origine des thèses de M. Ferrucci (2017) et R. Zarcone (2018) et se prolonge dans le projet sur la Martinique répondant à un appel du PUCA qui a vu la participation de GSA dans l’équipe lauréate.

Réemploi des éléments constructifs et métabolisme urbain

Cette activité a pu être développée grâce au financement obtenu dans le cadre de l’appel « Ignis Mutat Res » en 2012, et appliquée dans le pavillon Liv-lib’ pour le concours Solar Decathlon Europe 2014. Elle est actuellement au cœur de la thèse de R. Androsevic, qui nous projette vers une collaboration avec les équipes du projet européen H2020 Buildings as Material Banks (BAMB).

Histoire des sciences

En collaboration avec A. Mastrorilli de l’ENSAP Lille, nous préparons l’édition commentée des Leçons de mécanique appliquée données à l’École des ponts et chaussées par Saint-Venant en 1837-38, conservées à la bibliothèque de l’École sous forme lithographiée. Il s’agit d’un ouvrage très peu connu, mais contenant les germes de l’œuvre de ce grand ingénieur-savant. Ce travail nous fournit l’occasion de proposer des approfondissements sur le débat scientifique ayant enfanté la mécanique moderne.

M. Brocato est membre de l’International Society for the Interaction of Mechanics and Mathematics et du groupe de travail « Génie civil et calcul de structure » du chantier scientifique CNRS/MCC sur Notre Dame ; il anime le groupe de travail de l’AFPS « Bâti historique, Structures en pierre et maçonnerie et Séismes ».

Les recherches menées s’inscrivent principalement dans les axes « histoire de la construction » et « morphologie structurale » au travers des projets suivants.

Histoire des méthodes de calcul de structures

La démarche adoptée dans cette thématique de recherche consiste à proposer une relecture de méthodes de calcul historiques au regard de leurs hypothèses fondamentales et de leurs résultats. Un premier objectif vise à rendre accessible aux historiens différentes méthodes historiques et de permettre des regards croisés qualitatifs et quantitatifs. Il s’agit aussi de s’appuyer sur des moyens de calcul contemporains permettant de s’affranchir des méthodes calculatoires originelles souvent hétérogènes ou difficiles à mettre en œuvre. Les développements antérieurs de cette approche se sont appuyés sur l’usage de la méthode des réseaux de forces dans le cas de structures maçonnées. Les recherches en cours concernent la « statique graphique des systèmes de l’espace » développées par Benjamin Mayor (1866-1936). Cette approche, fondée sur la géométrie réglée, propose une généralisation à l’espace des méthodes classiques de la statique graphique. Ces méthodes sont étudiées relativement à leur positionnement théorique et à leur impact sur le développement des calculs des structures spatiales. Une étude historique des différentes approches tridimensionnelles de la notion de polygones funiculaires développées notamment par Lévy, Mayor et Foulon est actuellement en cours de réalisation.
Dans la même thématique, les transpositions numériques des théories de la statique graphique faisant l’objet de publications depuis environ deux décennies sont étudiées en fonction de leurs fondements (théorèmes de Rankine et de Maxwell, dualités. . .) et de leurs finalités (conception, morphogénèse, optimisation . . .). Il s’agit en particulier de contextualiser les propositions de nouvelles approches.

Modélisation et évaluation technique du patrimoine historique (Collaboration avec F. Guéna)

Cette thématique, fortement liée aux problématiques de préservation du patrimoine s’appuie sur l’articulation entre l’histoire de l’architecture, l’histoire des techniques et les approches contemporaines de modélisation et de calcul de structures. L’évaluation technique est étroitement liée à la modélisation géométrique et à son adéquation aux méthodes employées. Une première visée de cette thématique consiste à mobiliser des moyens de modélisation géométrique du patrimoine existant (notamment à l’aide de la photogrammétrie) ou disparu au travers des techniques de reconstruction 3D à partir de documents textuels et graphiques (notamment en perspective). Une deuxième visée consiste à développer des moyens d’étude mécanique des structures historiques en interaction avec leurs modélisations géométriques.

La recherche en cours dans ce domaine a pour but de poursuivre à la recherche ANR Monumentum avec le MAP-Maacc. Elle consiste au développement d’un outil interactif d’analyse de la stabilité des maçonneries patrimoniales utilisant la visualisation de lignes de pression dans des sections d’édifices. Le plugin du logiciel Rhinoceros LITHFI développé dans le cadre du stage de P. Nougayrède est outil interactif de construction de lignes de pression potentiellement utile à divers types d’utilisateurs (étudiants, architectes, ingénieurs, historiens de la construction…). La suite de la recherche consistera à le tester en fonction des usages potentiels.

T. Ciblac est membre de l’Association francophone d’histoire de la construction, de la CR et du CPS de l’ENSA Paris-Malaquais. Il est également auteur de Structure gonflable autoportante, en collaboration avec L. Couton, et Connaissance de l’espace, représentation des formes et géométrie descriptive – l’œuvre de Célestin Roubaudi (1858-1922), en collaboration avec J.-M. Delarue et N. Lestringuez.

Publication de l’ouvrage : « Renzo Piano – Entre la Science et l’Art ».

Ce livre porte un regard éclairé et inédit sur la manière dont Renzo Piano conçoit et réalise ses projets. Au travers de ce long décryptage de la pensée d’un des plus célèbres architectes contemporains, plus généralement, c’est tout un mode de conception architectural qui est analysé et expliqué, dont une des spécificités est la prééminence du rôle des cultures constructives.

Dans le cadre des pratiques de l’agence Piano, la construction et ses deux partenaires, que sont la matière et la géométrie, réalisent une trame élargie sur laquelle les postures et les choix des architectes peuvent prétendre à une certaine théorisation. C’est justement dans la diversité et la richesse de leurs expériences, la multitude des chemins qu’elles empruntent et la variété des projets auxquels elles aboutissent, que le lecteur pourra découvrir, non pas une « recette », une mécanique ou des automatismes méthodologiques, qui brideraient l’invention et l’originalité ; mais les principes et les savoirs et, de manière moins répandue, l’éthique qui guident et structurent la pensée de ces architectes, avant tout humanistes.

Structure gonflable autoportante (Collaboration avec T. Ciblac et F. Guéna.)

Il s’agit d’un projet de recherche démarré en 2017, visant à élaborer une structure gonflable autostable et modulable à double courbure inverse réalisée à partir d’élé- ments développables. La structure une fois dégonflée est ainsi parfaitement plate et peut être facilement repliée ou roulée sur elle-même pour le transport ou le sto- ckage. La géométrie étudiée (type PH cubique) permet de relier entre elles plusieurs structures de base afin de constituer une structure plus importante.

1. L’étude morphologique du gonflable PH (expérimentation constructive) : le gonflable PH est issu d’une étude préliminaire sur les structures plissées à double courbure inverse. L’expérimentation constructive (réalisation de deux prototypes) a été menée en juin et juillet 2016 avec la collaboration de Hans- Walter Müller.
2. L’analyse mécanique du gonflable PH (optimisation) : à partir d’une mo- délisation 3D et des outils de simulations numériques, l’objectif de l’étude théorique est de vérifier le comportement mécanique de la structure à grande échelle, sous son poids propre et en fonction des charges statiques, uniformément réparties (neige) ou ponctuelles (personnes se déplaçant sur la structure), et des charges dynamiques (vent) auxquelles elle peut être soumise.

L’enjeu est de vérifier la faisabilité structurelle du gonflable PH en fonction de sa géométrie (nombre de chevrons gonflables), sa taille (échelle) et des matériaux utilisés (PVC, Polyester…). Les résultats attendus concernent essentiellement la résistance globale de la structure aux sollicitations et la détermination des points de faiblesse éventuels pouvant nécessiter soit des renforcements locaux (deux couches de matière, élargissement des bandes de soudures à haute fréquence…), soit des ajustements de la géométrie (changements d’angles, arrondis…).

Recherches sur les processus et l’innovation

Constitution en cours d’un corpus de travaux, de publications et d’éléments bi- bliographiques ciblés dans le domaine des processus de conception architecturale en lien avec l’expérimentation constructive et l’innovation. Il s’agit d’un travail dont l’ambition et de mener vers une forme d’épistémologie de l’innovation, traitant des différentes manières d’innover en architecture (Recherche menée en vue de soutenir une Habilitation à diriger des recherches.)

Dans le règne si important du visuel où « voir c’est savoir » afin d’agir, la connaissance des réalités qui opèrent dans l’univers physique procède de l’intelligence des formes et transformations qui se manifestent au sein d’une spatialité qui exerce ses lois. Aussi dans une école d’architecture, proposant au concepteur les outils conceptuels et instrumentaux qui concourent aux capacités de mise en forme de l’espace et de la matière à l’usage de l’homme, plusieurs raisons invitent à s’in- téresser nouvellement à la géométrie descriptive, science de la représentation des formes spatiales.

Le laboratoire Géométrie Structure Architecture, dont J.-M. Delarue est cofondateur, est dépositaire par l’intermédiaire de l’Institut Henri Poincaré des archives (quelque quatre cent cinquante épures originales et inédites avec leurs sujets) de C. Roubaudi, professeur de mathématiques à l’apogée de la géométrie descriptive et auteur du dernier traité de référence en la matière. A l’ère de l’omnipotence du numérique, et de l’avénement de l’intelligence artificielle pour la reconnaissance des formes, ces dessins inédits illustrent quels pouvoirs opératoires, quelles facultés de recherche, quelles vertus pédagogiques, quelles compréhensions morphologiques cette géométrie apporte à la maitrise des outils informatiques les plus récents.

Ce travail de recherche en cours avec N. Lestringuez propose d’effectuer un in- ventaire raisonné de ce fonds constitué des sujets d’épures de concours, élaborées, réalisées, et expliquées par C. Roubaudi et de travaux exemplaires d’étudiants. Au-delà de cet important travail d’archivage en cours pour constituer un inven- taire sous forme de liste détaillée à plusieurs entrées avec numérisation en haute définition des épures, il s’agit ici de montrer le niveau et la qualité intrinsèque des sujets proposés par rapport aux diverses problématiques de la représentation, inhérentes aux multiples domaines d’application appréhendés ( cartographie, topo- graphie, stéréotomie, dessin industriel, mécanique, perspective, photo restitution, fortifications militaires, …).

Il est prévu que les conclusions de cette première phase donnent lieu à une exposition des dessins les plus emblématiques à l’IHP, avec qui nous œuvrons, à l’occasion de l’ouverture du futur musée des mathématiques. L’ENSA Paris-Malaquais s’associera à cet événement, par le biais de la présentation d’épures, assortie de matériel didactique et d’animations informatiques.

Il s’agira aussi de dégager, par rapport au niveau de connaissance géométrique conjointement requis, les qualités formatrices dont cette discipline était alors porteuse pour la connaissance de l’espace, et d’apprécier en quoi certaines de ces vertus pourraient encore sembler d’actualité pour la formation de l’architecte à l’ère nouvelle de l’informatique. Cette deuxième phase doit démontrer comment la géométrie descriptive, parvenue au statut de science exacte de représentation graphique et auxiliaire de prospection morphologique, permet ainsi « d’aller du connu à l’inconnu » pour contribuer au progrès de la connaissance.

Afin d’enrichir les ressources des outils numériques, cette recherche montre aussi comment la pratique du dessin d’observation, en ce qu’il constitue pour le concepteur une expérimentation personnelle de la spatialité des objets, permet une formulation immédiate et rigoureuse de la pensée créatrice.

Dans cette perspective, afin de parvenir à visualiser nouvellement la spatialité des formes, et rendre plus intelligible l’anatomie de certaines dispositions complexes (comme celles notamment d’essence topologique) J.-M. Delarue œuvre actuelle- ment, à partir de la notion fondamentale de contour apparent, à l’élaboration d’un principe original de représentation qui soit à la portée de tout un chacun, en vue de toutes sortes d’applications.

Dans cet axe, on vise à élaborer des solutions innovantes mais pratiques qui amènent une diminution des impacts environnementaux des constructions. On s’in- téresse particulièrement aux manières de faire évoluer les méthodes de construction et de conception architecturale qui peuvent induire une diminution significative de l’empreinte écologique. Celle-ci étant abordée sous l’angle de fonctions objectifs définies par plusieurs critères (CO2, énergie, ressources non renouvelables, etc.), les solutions sont en général validées par des méthodologies de type ACV (analyse du cycle de vie).

Concrètement, quatre pistes sont ac- tuellement explorées dans cet axe. Dans la première, les obstacles à l’ex- ploitation des matériaux d’empreinte écologique manifestement faible sont analysés et des recherches de solu- tions sont entreprises pour les lever. La terre crue est un de ces matériaux qui font l’objet de recherches au sein du laboratoire.

La seconde piste porte sur le réemploi des produits de la construction. Le réemploi comme hypothèse du projet est un sujet ancien en architecture, mais il nous apparaît que son développement, qui devient nécessaire à grande échelle, peut être accéléré par les apports de la recherche. Celles développées au sein de GSA portent autant sur l’ex- ploitation de l’existant que sur la conception des nouveaux ouvrages en vue de leur réemploi.

La troisième piste traite de la conception des structures en bois et des associations possibles avec d’autres matériaux dans le but d’obtenir des structures hybrides alliant performances mécaniques et performances environnementales. Par ailleurs l’efficacité environnementale des bâtiments en bois est à revoir, étant donné les méthodes nouvelles de comptage du carbone contenu dans le bois. Cette problématique est renforcée par l’arrivée récente d’immeubles de grande hauteur en bois.

Une quatrième piste porte sur le bâtiment comme transformateur d’énergie. Plus précisément, en dehors du photovoltaïque, utiliser le vent est-il judicieux à l’échelle d’un bâtiment ?

Terre crue

Nos recherches sur la terre crue portent sur trois pistes d’innovation possibles : moyens d’augmenter la résistance mécanique du matériau, méthodes de mise en œuvre – terre coulée, briques, etc. -, adaptation des méthodes de conception architecturale aux propriétés de la matière.

Les recherches lancées à l’ENSAPM ont abouti à un partenariat en 2018 avec l’Ifsttar, le LRMH, et l’UMLV sur un projet « Impulsion » dans le cadre de l’I-site de Marne la Vallée, projet intitulé « Alluvium » au sein duquel l’ENSAPM apporte sa compétence sur la conception des bâtiments en terre crue. Il est prévu en 2019 la réalisation d’un démonstrateur. Quatre étudiantes travaillent sur la mise au point d’un dispositif d’extrusion à brancher sur un bras robotisé, ainsi que sur la programmation du robot. Ces expérimentations s’effectuent dans le makerspace de l’École des Ponts ParisTech.

Notons aussi le suivi de la thèse de B. Khosh bin Roudi sur la valorisation des terres de la ville de Yazd en Iran. Le travail doit trouver de nouvelles orientations en 2020 à cause de difficultés du côté de l’université de Yazd.

Réemploi des éléments de construction

Les recherches sur le réemploi portent à la fois sur l’exploitation des ressources existantes que sur les ressources futures des bâtiments à construire aujourd’hui.

Ce domaine de recherche est porteur de partenariats divers. L’ENSAPM coopère avec l’institut pour la conception éco responsable (ICEB). Le ré emploi des composants en bois du bâtiment et notamment de l’examen des méthodes de préparation des bois de réemploi, des méthodes de réassemblage ainsi que la définition des freins techniques à cette filière ont fait l’objet d’études préliminaires. Pendant l’année scolaire 2019-2020, l’activité réemploi va se développer au sein du projet Cycle de la matière, porté par le ministère de la culture.

Une collaboration entre le laboratoire Navier, la société SETEC TPI et GSA a été lancée en 2017 sur la question de la méthode de conception des bâtiments en vue de leur réemploi futur. Le travail se concentre cette année sur la proposition de critères d’évaluation du potentiel de réemploi des structures en fonction de leurs typologies et des techniques d’assemblages utilisées. Une étude ACV est en cours en vue de comparer les solutions bâtiments ordinaires avec des solutions de bâtiments démontables, en intégrant toutes les phases du processus (montage et démontage en particulier). Par ailleurs des essais d’assemblages en béton armé conçus pour être démontés sont programmés en 2020.

En terme de valorisation, notons que dans le cadre du groupe ICEB, un MOOC financé par l’ADEME est en cours de réalisation.

Potentiel structural et environnemental des structures en bois

Une recherche sur les structures en bois a été initiée en 2017 avec comme partenaires l’École des Ponts ParisTech et la société Elioth. La problématique porte ici sur la recherche de méthodes de conception des immeubles de grande hauteur en bois. Ce thème s’intègre dans l’action lancée par le projet Adivbois. Dans l’ensemble des questions que pose la réalisation d’IGH en bois, il en est une qui concerne la conception générale et l’optimisation du contreventement en parti- culier. Les premiers résultats de simulations montrent la nécessité de prendre en compte le comportement réel des assemblages, i.e. leur souplesse et les jeux de montage, dans le calcul de la rigidité au vent. Ces résultats ont permis de concentrer la problématique vers l’intégration des typologies des liaisons et de la topologie du contreventement dans la conception générale.

Les résultats de 2018-2019 ont mis en lumière la nécessité de réorienter le sujet vers des structures à grande portée et pas seulement de grande hauteur. Par ailleurs, la composante environnementale est intégrée dans les problématiques de la thèse. Les nouvelles orientations peuvent se résumer ainsi : rôle des assemblages dans la performance structurelle et environnementale des grands ouvrages en bois.

Energie et architecture La production d’énergie est étudiée dans le cadre de la thèse de D. Serero, lequel explore le lien entre architecture et production d’énergie par le vent. Devant la difficulté d’aborder la conception sur maquette en soufflerie, le recours à de la modélisation numérique sur logiciel spécialisé s’est avéré néces- saire. On sait maintenant que c’est à l’angle entre la façade et un toit horizontal que le potentiel est le meilleur. Cette thèse fait l’objet d’une coopération avec J.-D. Parisse, maître de conférences spécialisé en dynamique des fluides et en transfert de chaleur à l’université de Provence. En 2020, des essais à la soufflerie de Navier sont prévus avec un encadrement de G. Boucher. Ils devraient valider les simu- lations numériques. La thèse va entrer dans une phase touchant à la conception architecturale.

Contribution à l’histoire de l’architecture : comportement du parchemin à long terme Dans le cadre de l’encadrement de la thèse de R. Mahée sur le manuscrit de Villard de Honnecourt, nous avons orienté le travail, par ailleurs commencé sous la direction de J. Sakarovitch, vers une validation des techniques de reproduction des tracés sur parchemin. Plus précisément, il fallait vérifier que les dessins de Villard n’avaient pas subi de déformations importantes avec le temps, afin que leur reproduction puisse faire l’objet de recherches de règles géométriques de construction qui soient indiscutables. Un travail expérimental spécifique a ainsi été effectué (au laboratoire Navier) sur un parchemin ayant subi des variations contrôlées de taux d’humidité. Les résultats montrent effectivement des déforma- tions des parchemins avec une anisotropie, laquelle est dépendante de l’axe d’orientation par rapport au dos de l’animal d’où provient l’échantillon. Cependant il est clairement montré que l’amplitude est plus faible que la précision demandée pour l’étude du manuscrit. Nous avons pu ainsi valider l’approche défendue par R. Ma- hée. La thèse a été soutenue fin novembre 2019.

R. Le Roy est membre du Conseil scientifique et technique de l’AFGC et du groupe de travail « Bois et charpente » du chantier scientifique CNRS/MCC sur Notre-Dame de Paris.

La recherche sur la « Stabilité des voûtes légères en maçonnerie, appliquée à l’équilibre des escaliers sur voûtes catalanes », que j’ai effectuée pour le mémoire d’ingénieur soutenu au CNAM en 2016 (grâce à l’obtention d’une bourse d’étude de la Fondation Besnard de Quelen pour l’innovation dans la construction), m’a permis d’effectuer une première synthèse sur les constructions en voûtes catalanes qui s’inscrit dans les axes de recherche suivants : géométrie constructive, modélisation et calcul de structures, histoire de la construction, expérimentations constructives à grande échelle.

Le mémoire présente le système constructif de la voûte catalane, technique de construction vernaculaire originale et méconnue en France. Il propose, en vue de sa réutilisation, un calcul pratique réactualisé de la stabilité des voûtes en maçonnerie à partir de la statique graphique, mise en pratique notamment dans de nombreux exemples d’escaliers et cas courants de voûtes. La méthode graphique intuitive et familière aux architectes, est utilisée pour mieux comprendre le fonctionnement possible de ces structures, en complémentarité des méthodes par éléments finis, plus répandues aujourd’hui.

Dans l’objectif d’une publication sur la modélisation des voûtes catalanes en briques et plâtre et en vue de leur réemploi dans le champ de l’architecture contemporaine, je souhaite intégrer les notions plus générales de géométrie constructive des surfaces utiles pour une compréhension nouvelle de ces ouvrages. Le cours de morphologie que J.-M. Delarue a développé pendant prés de quarante ans – auquel j’ai participé à l’ENSAPM les dernières années –, et les enseignements inscrits dans le domaine de la géométrie constructive des surfaces appliquée à la construction et à l’architecture, constituent les bases de l’approche morphologique d’une analyse structurelle moderne de plusieurs exemples emblématiques d’édifices à base de voûtes catalanes.

Il s’agit dans un premier temps d’actualiser les notions de morphologie construc- tive appliquées aux différentes familles de surfaces, en particulier les surfaces de révolution, de translation, et les surfaces réglées, couramment utilisées dans le champ de l’architecture. Des applications pratiques pour l’étude des systèmes de construction traditionnelle en maçonnerie seront ensuite exposées au moyen des outils de modélisation et de représentation tridimensionnelle, en considérant plus particulièrement le cas de la voûte catalane, emblématique de la construction par surfaces porteuses d’épaisseurs minimales en maçonnerie.

Étant aussi impliqué dans l’enseignement de l’architecture, notamment en tech- niques de représentation, nous travaillons depuis deux ans avec J.-M. Delarue à l’inventaire et l’analyse du fonds d’archives pédagogiques de Célestin Roubaudi (cf. sujet de recherche commun présenté) en partenariat avec l’IHP et la biblio- thèque de mathématiques Sophie Germain. L’analyse de ces épures, du point de vue de la nature des objets traités dans les sujets et de la compréhension des formes complexes, nous conduit à revisiter à la fois le champ de la représentation en architecture mais aussi celui de la géométrie constructive des surfaces, deux domaines souvent imbriqués, à partir des archives personnelles de J.-M. Delarue.

Ces archives comprenant des cours inédits, des exercices, des expérimentations à grande échelle, des maquettes de toutes sortes, des dessins et des ensembles de diapos, méritent aujourd’hui d’être remises en valeur pour leur caractère prospec- tif. Notre objectif est d’en montrer la cohérence et l’actualité par un nécessaire travail d’inventaire accompagné d’une sélection pertinente qui permette de consti- tuer un nouveau fascicule témoin de son enseignement tel qu’il l’a fait évoluer et enrichi jusqu’à la récente publication du Mooc sur les surfaces développables [160]. Dans le prolongement, ce recueil de cours sera accompagné par la réalisation d’un certain nombre de films instantanés démonstratifs et explicatifs sur des thèmes choisis.

N. Lestringuez est coauteur également de Connaissance de l’espace, représentation des formes et géométrie descriptive – l’œuvre de Célestin Roubaudi (1858-1922), en collaboration avec J.-M. Delarue et T. Ciblac.

Le pliage rectiligne d’une feuille de bristol a fait l’objet de très nombreuses études, aussi bien expérimentales et morphologiques – l’origami en donne de superbes exemples – que mathématiques. Pour le pliage curviligne, si l’approche expérimen- tale est ancienne – on peut par exemple, évoquer l’enseignement d’Albers à l’école du Bauhaus – les publications scientifiques sont peu nombreuses et plus récentes. Dans ses réalisations plus sophistiquées, l’origami peut faire appel à des pliages curvilignes. De même des artistes plasticiens s’en sont emparé pour générer des formes aussi variées qu’esthétiques.

Dans un premier temps, cette étude se consacrera à la déformation progressive d’une surface plane par pliage selon une courbe gauche : l’opération crée deux surfaces appariées, également développables, la transformation étant isométrique. L’objectif est d’étudier la cinétique de cette transformation lorsque le pli évolue : les deux surfaces se déforment continûment, tout en restant développables. Il s’agit de les modéliser en étudiant l’évolution du réseau de génératrices rectilignes de cha- cune d’elles.

Une propriété géométrique essentielle pour ce faire est que les plans tangents de chacune des surfaces en un point sont symétriques par rapport au plan osculateur de la courbe en ce point. Cette propriété peut être mise en œuvre pour générer ce type de surfaces en utilisant, par exemple, Rhinoceros + Grasshopper. On a obtenu des résultats convain- cants pour les premiers cas étudiés, où l’une des surfaces est déformée par application isométrique sur un cylindre de révolution.

Des questions se posent alors, qui concernent notamment la courbe elle-même et sa déformation dans l’opération de pliage (courbe ouverte/fermée, courbure, points singuliers, éventuelle intersection avec une arête de rebroussement, etc.).
Lorsque la courbe est plane, la propriété faisant intervenir le plan osculateur se simplifie, les plans tangents en un point aux deux surfaces étant alors symétriques par rapport au plan de la courbe. On a affaire à une simple réflexion des génératrices sur le plan. Quand on part d’une surface plane, la courbe initiale du pli l’est évidemment. Puis elle devient gauche. Peut-elle à nouveau devenir plane? Ces cas éventuels correspondent-ils à des positions d’équilibre ? Il ne s’agit là que de premières questions et de pistes à explorer.

On abordera également l’aspect constructif (au-delà du caractère structurant du pli, qu’il soit rectiligne ou curviligne) et les applications potentielles dans différents domaines, à commencer par la conception de formes en architecture. À l’image de la fameuse porte de garage de Calatrava, on peut envisager de réaliser un mécanisme, certainement complexe, permettant la déformation progressive d’une surface plane le long d’une ligne courbe.

D’autres questions apparaîtront inévitablement dans le cours de l’étude et ouvriront alors sur des prolongements possibles de cette recherche.

Thème I. Conception d’une structure révolutionnaire. Notes sur la cou- pole en fonte et fer forgé de l’ancienne Halle au blé de Paris, 1809-1813

La recherche a pour objectif d’approfondir les connaissances sur l’histoire de la charpente en fonte et fer forgé qui protège la Bourse du commerce de Paris, ancienne Halle au blé. Œuvre de F.-J. Bélanger et F. Brunet, cette structure fut exécutée en 1809-13 en se basant sur des notions théoriques embryonnaires dont le développement – permettant de résoudre le problème des poutres courbes élastiques – ne sera effectif qu’ultérieurement (Navier 1826), et sur les connaissances incertaines acquises dans la construction en Angleterre et en France des premiers ponts en fonte. Nous voudrions par cette étude reconstituer le cadre théorique ayant permis le bon dimensionnement de cette coupole unique, dont le chantier se situe au moment où le bois commence à tomber en désuétude en tant que matériau pour les couvertures des grandes architectures civiles, mais bien avant que les charpentes métalliques ne parviennent à une forme technique autonome. Les travaux pour le réaménagement de la Bourse du commerce (2017-20) nous offrent l’occasion d’accéder aux données issues d’un nouveau relevé de caractéristiques géométriques et constructives de la coupole, et au diagnostic de ses conditions de conservation. Ces travaux in situ sont complétés par des recherches documentaires menées aux Archives nationales, à Paris, et aux archives des forges du Creusot. Les premiers résultats de cette activité de recherche ont été présentés lors de la 2e journée d’étude d’histoire de la construction GSA/ENSAPM, (actes sous presse), et dans le cadre du colloque François Joseph Bélanger (1744-1818), décembre 2018, (actes à paraître).

Thème II. Incertitude et perspectives des édifices industriels en contexte urbain, études pour le réaménagement et la valorisation des bâtiments et des espaces du transport public

Dans le prolongement des recherches antérieures, ce projet a comporté des études approfondies sur des cas de réaménagement de bâtiments désaffectés (usines, en- trepôts, halles industrielles) et sur la valorisation des espaces destinés aux services de transport public (gares, stations, haltes). Notre attention s’est tournée vers les conditions de conservation des structures métalliques du XIXe siècle (fer forgé, fer puddlé, fonte), vers les méthodes et les technologies utiles pour leur restauration ou leur adaptation, et vers les options de réutilisation des espaces qu’elles protègent, tout en préservant l’identité architecturale du bâtiment concerné. Ces études, comprenant la modélisation et l’analyse des structures existantes ainsi que la comparaison des résultats obtenus à partir des différentes hypothèses d’intervention, ont pour objectif la définition de méthodologies utiles pour la réhabilitation complète de l’édifice, qu’il soit ou non inscrit ou classé et sauvegardé en tant que monument historique. L’approche adoptée, à l’intersection des deux champs histoire de la construction et science des structures et ouverte vers le projet architectural, permet de revisiter sous un angle inédit les questions soulevées par la réhabilitation et la réutilisation de l’existant et du patrimoine bâti, par le partage des espaces dans la ville contemporaine, par la restructuration des lieux du transport public et l’aménagement des pôles d’échange, notamment dans la perspective de la transition énergétique.

Thème III. Contribution à une histoire technique de la ville moderne européenne et études pour la restauration et le réaménagement des édifices spécialisés en contexte urbain

À partir de l’étude des aspects constructifs – relations entre conception structu- relle, techniques adoptées et intentionnalités architecturales – on peut mettre en évidence les potentialités du projet en tant que moyen d’analyse et de compré- hension de la réalité. Si les techniques constructives modernes du fer et du béton, ainsi que la production de ces matériaux, doivent être considérées comme étant indissociables des programmes architecturaux apparus avec le développement de la société industrielle, les études portant sur les architectures spécialisées dans le contexte urbain sont parmi les mieux à même de mettre en lumière les effets des nouvelles technologies et des nouveaux types architecturaux dans la ville moderne en transformation. Ces analyses portent sur les aspects historiques et constructifs des architectures spécialisées, éventuellement en relation avec la naissance des premiers systèmes et services de transport public et avec le développement des réseaux techniques dans les villes européennes, aux XIXe–XXe siècles. Ces contributions font notamment apparaître l’édifice spécialisé/industriel comme un lieu d’expérimentation des nouvelles techniques constructives avant leur diffusion/généralisation dans le bâtiment (travaux en préparation).

M. Porrino est membre de la Society for the History of Technology – SHOT, de Rails & Histoire – Association pour l’histoire des chemins de fer, de l’AHA – Association d’histoire de l’architecture, du comité éditorial de PROFIL – Revue de l’association d’histoire de l’architecture, de la CR et du CPS de l’ENSA Paris-Malaquais.

L’activité programmée concerne l’étude de la capacité sismique des structures construites à l’aide de la technologie appelée « Murs de Pierres Confinées » (MPC). Il s’agit d’une recherche en collaboration avec Architecture & Développement (A&D), association de solidarité internationale spécialisée dans les programmes d’habitat intégré et dans l’appui technique aux projets de construction, de re- construction et de réhabilitation. D’autres projets passés et en cours voient la collaboration de GSA avec cette association : au Népal, au Maroc, à Saint-Martin et, récemment, en Martinique (Antilles).

La technologie MPC propose de transposer la technique des gabions, déjà connue dans le génie rural et routier, dans le domaine de l’habitat, en essayant de concilier les contraintes de l’intervention en contexte de précarité avec une exigence de sécurité, de confort, d’économie et de faible impact sur l’environnement. Le système constructif prévoit des murs porteurs faits de cages remplies de pierres, collectées sur place, protégées à l’intérieur et à l’extérieur par des enduits. Les cages sont fabriquées à partir de fil de fer galvanisé tressé en grillage, qui est ensuite découpé, plié et assemblé pour former des parois de confinement des pierres.

Cette technologie, déjà répandue dans le monde entier, n’a été analysée jusqu’ici que d’un point de vue statique. La compréhension du comportement sismique de ces structures devient de plus en plus importante, pour pouvoir étendre leur utilisation aux régions vulnérables de ce point de vue.

La disposition particulière des pierres à l’intérieur des cages métalliques, prévue par la technologie MPC, peut engendrer des propriétés antisismiques intéressantes grâce aux dissipations d’énergie pouvant avoir lieu aux interfaces entre pierres. Des simulations numériques effectuées à l’aide de modèles d’éléments finis et des expériences de laboratoire ont démontré la nécessité de mener des études plus ap- profondies et de développer une recherche expérimentale à une échelle significative. Par une telle recherche, des informations détaillées pourront être obtenues, indis- pensables à la compréhension précise du comportement dynamique des bâtiments réalisés avec la technologie MPC.

L’objectif de la recherche en cours est donc de fournir un support scientifique avancé, à la fois numérique et expérimental, afin d’évaluer les performances de ce type d’ouvrage dans les régions sismiques.

Un modèle de milieu granulaire confiné pour le MPC a été élaboré à l’aide de la théorie des milieux continus avec microstructure. Les premiers résultats numériques obtenus sur un gabion de 1 m × 0.5 m × 0.5 m sous charge cyclique quasi-statique ont permis l’observation de l’évolution des contacts entre pierres voisines, phénomène fondamental pour la compréhension des mécanismes de dissipations internes au système.

En 2019, deux campagnes d’essais dynamiques ont été réalisées en partenariat avec le Centre LEDA de l’Université Kore de Enna (Italie), dont la table vibrante de 10 m × 4 m a servi pour les tests : une première campagne à l’échelle réelle et une deuxième à l’échelle réduite 0.8. Les essais ont été conduits en appliquant simul- tanément des accélérations horizontales et verticales avec des intensités variables. La forme d’onde originelle a été synthétisée à partir de l’accélérogramme naturel enregistré durant la secousse principale du séisme qui a frappé la ville de L’Aquila (Italie) le 6 avril 2009. Ces tests ont permis de reproduire de manière réaliste le scenario tridimensionnel des sollicitations induites par un séisme. Les mesures obtenues et les observations faites témoignent d’un comportement antisismique intéressant du système.

Le travail se développe actuellement sur deux axes : d’un côté l’exploitation des résultats expérimentaux pour alimenter le modèle numérique et de l’autre le projet d’essais de modèles d’édifices complets. D’autres campagnes de tests sont prévues en 2020 : la construction de deux murs joints (en L ou en T) et celle d’un bâti- ment entier à l’échelle réduite 0.8. Il est également prévu d’organiser un workshop avec des activités de formation durant les phases de chantier, avec la participa- tion d’étudiants provenant de l’Università Kore et d’autres écoles d’architecture et d’ingénierie en Italie, France, Espagne et Maroc.

Les recherches s’appuient principalement sur deux thèmes résultant de l’association de trois axes de recherche du laboratoire : évaluation environnementale/développement des outils numériques et histoire de la construction/évaluation environnementale. Dans la continuité de mon travail de thèse (achevée en octobre 2018), nous continuons les recherches sur les deux thématiques suivantes :

1. Les analyses et les simulations dynamiques des performances énergétiques à l’aide des outils avancés ;
2. La rénovation énergétique du bâti existant (ancien et moderne).

Les analyses et les simulations dynamiques des performances énergétiques à l’aide d’outils avancés

La simulation énergétique d’un bâtiment a pour but de fournir une représentation des échanges énergétiques entre espace extérieur et espace bâti. L’enveloppe représente l’interface entre ces deux environnements, lieu d’échange de matière et d’énergie. Le développement du numérique a déterminé la présence d’un large éventail de logiciels et/ou de modules de simulation, capables de donner des résultats simples sur le comportement énergétique de l’objet auquel s’applique la simulation. Cependant, tout logiciel d’analyse énergétique se base sur des hypo- thèses simplificatrices choisies en fonction de l’objet d’étude. Comment choisir ces logiciels ?

Nous posons l’hypothèse que pour une correcte évaluation des performances éner- gétiques d’un bâtiment, une approche calculatoire dynamique est nécessaire. Il s’agit de mettre en place des modèles mathématiques qui prennent en compte la variation des différents paramètres dans le temps. Dans ce contexte, un outil 2D aux éléments finis développé dans le cadre de ma thèse doctorale en collaboration avec M. Brocato a permis d’effectuer des simulations dynamiques de l’enveloppe du bâtiment (enveloppe homogène et ponts thermiques). L’implémentation de cet outil en 3D permettra de traduire d’autres aspects des échanges thermiques. Le couplage de cet outil avec des analyses hygrométriques des matériaux mis en place pourra ensuite donner des résultats précis sur les phénomènes de condensation, moisissure et ponts thermiques.

La réhabilitation énergétique du bâti existant (ancien et moderne)
La réhabilitation du bâti existant ne peut pas reposer sur la seule nécessité de conserver les valeurs identitaires et sociales qui lui sont propres mais elle doit tendre à une amélioration par rapport à un contexte environnemental qui change sans cesse. Lors de la conception d’une intervention visant à améliorer la performance énergétique d’un bâtiment historique, le processus de développement du
projet architectural doit prendre en compte plusieurs facteurs : les caractéristiques historiques à protéger, l’utilisation finale du bâtiment dans son ensemble, l’éner- gie et le confort des personnes. Il n’est pas toujours possible d’opérer librement, surtout si l’on considère que l’attitude liée à la nécessité d’intervenir « énergéti- quement » peut contrecarrer le désir de conservation et, dans certains cas, être presque inconciliable. Cette partie de la recherche vise à investiguer le processus de réhabilitation énergétique du bâti existant, tenant compte et/ou questionnant les règlementations normatives sur l’efficacité énergétique et sur le patrimoine afin de définir des stratégies d’intervention sur l’espace bâti. Ces questions sont à l’ori- gine de la thèse de A. Maniero (en cotutelle avec l’Université de Padoue, Italie) portant sur les approches pour la réhabilitation énergétique du patrimoine du xxe siècle. En corrélation avec les thématiques précédentes, deux pistes sont explorées. En premier lieu, le développement des outils BIM permet l’ouverture des modèles numériques au partage de projet en temps réel et à l’échange d’informations, permettant la collaboration et l’expérimentation des acteurs du processus dans un espace pluridisciplinaire. Ensuite, la recherche de nouveaux matériaux et systèmes en vue de réduire la consommation d’énergie du bâti nous oriente vers la mise en place de nouveaux matériaux, capables d’atténuer la transmission de chaleur dans le temps (matériaux à changement de phase) ou capables de produire de l’énergie renouvelable (concentrateurs solaires luminescents).

R. Zarcone est membre du CFVE de l’ENSAP Lille et du CNCEA.

Le projet de recherche en cours au sein du laboratoire explore la performance et les caractéristiques mécaniques d’un panneau en matériaux composites (fibre de verre), de structure poreuse particulière. Conçu par l’auteure dans le cadre des recherches pour sa thèse en architecture au Technion-Israel Institute of Technology, le design et la fabrication de l’élément intègrent des valeurs et des principes provenant de l’univers de production textile, plutôt qu’une production industrielle d’éléments composites. La mise en forme de la matière ne repose pas sur l’usage habituel d’un moule rigide, mais sur un procédé de plissage des couches de tis- sus de verre, assemblées entre elles par contact aléatoire. La surface de l’élément est articulée par une configuration complexe, imposée par le motif de plissage. Sa morphologie globale, issue d’un procédé d’auto-organisation des couches plissées partiellement laminées entre elles, formant un objet de très faible densité, a des ca- pacités structurelles. Sa structure interne de surfaces courbées superposées donne au panneau flexibilité et résilience en cas de compression par charge distribuée sur la surface.

Des panneaux ainsi fabriqués ont été testés en compression orthogonale à leur plan sur des cycles lents en déplacement imposé. L’observation des courbes force-flèche montre un effet d’hystérésis et donc une dissipation d’énergie, sans effets permanents sensibles. La dissipation éventuelle d’énergie par le panneau ainsi que sa résistance aux chargements répétés et ses propriétés de résilience, indiquent un éventuel potentiel protectif, pour des applications en tant que revêtement de façade, que la recherche vise à maîtriser.

L’étude de l’élément consiste en la modélisation géométrique et numérique simplifiée de sa structure, pour une simulation de son comportement et l’analyse de sa performance. Ceci implique l’identification de facteurs, qui proviennent de la forme géométrique ou bien du procédé de fabrication, ayant une influence significative sur cette performance. Par la suite, des variantes contrôlées pourront être fabriquées dans l’objectif d’une performance améliorée.

Cette étude nécessite un travail collaboratif de différentes disciplines, architecture, ingénierie des structures, mathématique et physique, appuyé sur la collaboration de E. Sharon, B. Romain, G. Napoli et M. Brocato. Les essais ont été réalisés à l’École des Ponts ParisTech, grâce au support de G. Foret.

Le cadre de post-doctorat relié à ce projet de recherche est supporté par une bourse du Conseil israélien des hautes études.

Bamboo has been used as a building material for ages. However, recently, its struc- tural use has been reduced, favouring materials (like steel and concrete) with more stable properties, larger versatility, and higher structural performances. Neverthe- less, bamboo has maintained its relevance and is starting to gain momentum as an alternative structural material in a lot of areas in the world, especially with the rise of the prices of the alternatives, the exponential increase in populations, and, with it, the need for affordable housing.
One of these areas is Lagos (Nigeria) and more specifically Makoko, an informal settlement like tens others scattered all over the capital, where more than 100 000 inhabitants live in self-constructed dwellings, built with whatever materials available. In these areas, there’s been a complete oversight of bamboo which grows in abundance but is not used in construction. This situation presented a need for not just using bamboo in construction, but of developing an entire methodology to bamboo construction where three major aspects are being investigated :

1. Materiality ; where the focus is on the properties intrinsic to bamboo as an anisotropic natural material and how they impact other design-related facets, like durability, performance and integrity.
2. Form; where the focus is on the generation of optimised forms–in different scales–testing the geometries to optimise them according to structural per- formances that are adapted to bamboo’s mechanical and physical properties.
3. Realisation and assembly ; where the focus is on the joinery techniques that are suited for the physical properties of bamboo, the enhancement of the overall structural integrity, and the complexity in relation to the maintenance of the structure.

These aspects impact one another and create a multiplicity of possibilities where the scale, the durability, and the complexity of the structure are in direct relation to its use, cost, and expected lifespan.

Depuis l’apparition du béton armé et des structures en acier et la séparation dans l’architecture de la structure et de l’enveloppe, la pierre n’est utilisée que comme un parement de façade alors qu’elle offre des propriétés physiques sous-utilisées. Il s’agit de trouver de nouvelles formes en pierre que l’on peut générer à l’aide d’outils de conception et de fabrication avancées, et de comprendre l’impact de cette utilisation dans un contexte architectural plus contemporain.

Une première expérimentation est Stone Matters, voûte en pierre de taille réalisée a Jéricho. (Palestine) en 2017, qui a été nominée et exposée parmi les 80 premiers projets du Design of the Year Award 2018, prix attribué par le Design Museum de Londres.

Une deuxième structure nommée While We Wait a été réalisée à partir de « briques » de pierre à interfaces en surfaces réglées à double courbure permettant une résis- tance latérale de la structure ainsi qu’une pose des pierres autoplaçante. While We Wait a été exposé au Victoria and Albert Museum à Londres en 2017, ainsi qu’au Serkal Avenue de Dubai avant son installation permanente dans la vallée de Cremisan à l’ouest de Bethléem (Palestine).

Une troisième structure, réalisée en 2017-18 est l’extension de l’Abbaye Sainte Marie de la Résurrection à Abu Gosh, entièrement construite en pierre armée, selon une technique nouvelle qui en assure la résistance aux séismes.

Une quatrième réalisation a été exposée au Jerusalem Show IX en octobre 2018 ; il s’agit de la voûte Analogy, qui reprend une typologie très répandue à la fin du XIXe – début XXe en Palestine en revisitant l’appareillage grâce aux outils numériques.

Une cinquième réalisation est Qamt, banc en pierre de taille réalisé comme un linteau circulaire, acquis dans la collection permanente du Victoria & Albert Museum de Londres. Qamt, linteau en arabe, est inspiré de la stéréotomie observable dans l’ancienne ville à Jérusalem. Élément fonctionnel et démonstratif architectural, il représente un effort pour questionner les échanges locaux et mondiaux de techniques et pour tracer des analogies invisibles entre les formes architecturales par delà les frontières. Son fonctionnement mécanique, basé sur le recours aux joints courbes et à un assemblage à sec, mérite une remarque particulière pour sa nature expérimentale.

La dernière réalisation achevée pour le Amman Design Week 2019 est Amoud, une colonne composée de pierres provenant de ruines architecturales. Les différents voussoirs de pierre proviennent de périodes diverses, et illustrent une variété de techniques de construction en pierre. Le projet questionne les possibilités de réutilisation de la pierre comme matériau structurel ainsi que la ressource finie que le matériau représente et ses effets sur le paysage naturel. Plus globalement, l’approche tente d’intégrer des composants architecturaux récupérés dans l’architecture contemporaine. Les pierres collectées ont été analysées géométriquement et la conception des interfaces est fondée sur un principe de stéréotomie permettant la stabilité de l’ensemble de la colonne. La recherche menée se focalise sur la réutilisation d’éléments en pierre et leur adaptation à de nouvelles formes et configurations spatiales.

Y. Anastas est intégré dans l’équipe du projet Paradigme de l’usage de la pierre dans l’architecture contemporaine palestinienne.

L’objectif de la thèse est de contribuer à la conception et à la réalisation de systèmes constructifs plus durables et réutilisables. À cette fin, on souhaite réaliser des analyses aidant les professionnels du bâtiment, les architectes et les constructeurs à avoir une vision claire de l’augmentation du potentiel de réutilisation et de la durabilité des éléments, composants et systèmes du bâtiment.

Ces analyses permettront l’établissement de règles et d’outils, notamment pour la conception de l’enveloppe des bâtiments. En particulier, on envisage que ces règles puissent servir de guide et être appliquées dans le système juridique pour la construction de bâtiments en Bosnie-Herzégovine et dans d’autres pays, et s’intégrer dans les DSS et les BIM pour faciliter le processus décisionnel.

Une première étape du travail consiste en l’identification des caractéristiques de projet existants, en fonction des systèmes analysés, qui facilitent ou rendent anti-économiques leur réutilisation. Pour cela, une mesure doit être proposée pour le potentiel de réutilisation, à l’instar de Durmišević, E. « Transformable building structures » PhD dissertation TU Delft, Netherlands, 2006, pouvant évaluer la capacité du bâtiment à être transformé et démonté sans endommager ses éléments de construction. L’analyse des flux de matériaux (AMF) pourra être utile à cet effet. Un cas sera choisi pour chaque système d’enveloppe du bâtiment, en limitant le terrain d’étude aux bâtiments résidentiels construits en Bosnie-Herzégovine après la guerre en ex-Yougoslavie.

Une deuxième étape est de proposer des méthodologies de projet intégrant dans la conception de l’enveloppe d’un bâtiment son potentiel de réutilisation. Elle montrera les détails positifs et négatifs de chaque système et établira une base de données pertinentes pour tirer des conclusions sur ce qui devrait être fait pour maximiser le potentiel de réutilisation d’un système. Un registre de règles avec des outils pour augmenter le potentiel de réutilisation des systèmes pourra être établi sur cette base.

Les résultats de ce travail pourront contribuer à prolonger la durée de vie fonctionnelle de l’enveloppe extérieure des bâtiments et de ses composants et matériaux, ce qui réduirait la quantité de ressources consommées par la construction et générerait moins de déchets dans la construction, l’entretien et la démolition des édifices. Ils pourront ainsi aider à développer l’économie circulaire.

Les arcs, les voûtes et les dômes représentent certains des éléments structurels les plus couramment utilisés dans les constructions historiques en maçonnerie. Dans de nombreux cas, ces éléments présentent un grand intérêt historique, artistique et architectural. Une attention considérable et toujours croissante a été accordée à leur conservation, en particulier au cours des dernières décennies. Ces efforts ont été axés en particulier sur la nécessité de mettre au point des méthodes d’analyse efficaces pour évaluer leur capacité de résistance aux actions verticales et, surtout, horizontales. Cette tâche est loin d’être facile, étant donné la réponse mécanique complexe de la maçonnerie, qui est encore loin d’être entièrement comprise, car elle dépend fortement d’un grand nombre de paramètres mécaniques et géométriques, tels que, par exemple, la nature des matériaux, la forme et les dimensions caractéristiques des éléments constitutifs de la structure.

Dans la vaste littérature visant à définir les stratégies possibles pour l’étude du comportement structurel des bâtiments en maçonnerie, deux approches principales et bien connues ont été suivies : l’analyse élastique non linéaire et l’analyse limite. L’analyse élastique non linéaire vise à suivre l’évolution dans le temps des déplace- ments et des champs de contraintes et de déformations de la structure. La solution dépend des conditions limites particulières appliquées et nécessite une caractérisation précise des matériaux constitutifs. L’analyse limite vise à déterminer les conditions qui conduisent à l’effondrement d’une structure. Les travaux de Jacques Heyman en 1966 en donnent une forme adaptée aux maçonneries largement utilisée. Ce projet de recherche s’inscrit principalement dans le cadre de l’analyse limite appliquée à la problématique de l’évaluation de la réponse mécanique des dômes maçonnés.

La recherche sera organisée en trois phases. La première consistera en une étude historique des méthodes d’étude de la réponse structurelle des dômes en maçon- nerie, depuis les études des XVIIIe et XIXe siècles jusqu’aux méthodes disponibles dans la littérature récente. La deuxième phase consistera à adapter et à déve- lopper une méthode d’analyse, inscrite principalement dans le cadre de l’analyse limite, capable de fournir des informations utiles sur le comportement mécanique des dômes en maçonnerie de l’époque romane et de la Renaissance soumis à des charges statiques horizontales. Dans la troisième phase, les modèles analytiques et numériques développés devraient être appliqués aux études de cas identifiées afin d’établir leur niveau de sécurité contre les actions horizontales.

Les modes de la reconstruction numérique 3D représentent non seulement une ressource pour l’aide à la conservation patrimoniale, mais également un support scientifique dans de nombreux domaines prometteurs comme l’imagerie médicale, la géophysique, ou l’astrophysique par exemple. La spécificité des problématiques a permis d’élaborer des produits adaptés utilisant de nombreuses typologies d’algorithmes par photogrammétrie visant chacune un résultat souvent approché selon des critères prédéfinis. Nous souhaitons contribuer à l’approche de la restitution tridimensionnelle tant dans son application architecturale – en relevés courants ou en rapport à la gestion et la conservation du patrimoine – qu’en emploi en temps réel sur chantier pour la vision artificielle des robots de construction.

La recherche couvre transversalement les différents axes d’investigation. L’optimisation du processus de reconstruction proposée résultera d’une approche pluridisciplinaire et mobilisera les connaissances liées aux métiers de l’architecture ainsi que les diverses techniques de reconstruction employées dans les domaines limitrophes. L’intégration automatisée des données de sortie dans la maquette BIM ouvre de larges applications pour les professionnels des domaines adjacents divers, tels que la conservation et la gestion du patrimoine, la scénographie, la conception d’ouvrage spécialisé, l’archéologie, l’immobilier, etc. grâce à une interopérabilité facilitée. La démarche s’inscrit dans la nouvelle étape vers l’automatisation du pro- cessus de construction en chantier avec un fort bénéfice économique et industriel. Elle aura également une influence sur la qualité et la précision de la construction avec une incidence sur la minimisation d’impact environnemental et la prévention du risque humain.
Dans le cadre des expérimentations méthodologiques, le travail peut être divisé en quatre grandes étapes principales regroupées par problématique : 1) positionnement dans l’espace; 2) restauration des données d’entrée; 3) algorithmes de reconstruction 3D ; 4) interopérabilité des données.

La thèse envisage un volet d’expérimentation constructive. Nous prévoyons de réaliser une simulation du processus de construction en collaboration avec l’École des Ponts ParisTech, les Compagnons du devoir et de tour de France, ainsi que, si possible, des sociétés de construction partenaires industriels du laboratoire GSA. Cette expérimentation aura pour but la définition d’un méta projet général et la vérification de la méthode hybride proposée en deux temps de simulation sur modèle dynamique.

Les résultats attendus visent l’optimisation du processus de la reconstruction 3D en explicitant sa méthodologie en fonction des objectifs liés aux applications ar- chitecturales et constructives.

Avec le tournant numérique apparaissent à partir des années 60 en architecture de nouvelles méthodes de conception, mais aussi une série de projets expérimentaux, avec pour point commun le recours à des algorithmes et à des outils de programmation – un ensemble de projets que l’on peut regrouper sous l’appellation courant computationnel. Or le recours à un processus de conception procédural, computationnel (informatisé) nécessite de mettre au point une série d’instructions exprimable en langage formalisé, un processus à première vue contradictoire avec les connaissances tacites sur lesquelles s’appuie la pratique architecturale.

Le projet de thèse propose une analyse à trois niveaux de cette série de projets et du recours aux outils de programmation pour la conception spatiale au cours des cinquante dernières années :

• Dans un premier temps, on cherche à caractériser le courant computation- nel d’un point de vue technique : quels processus algorithmiques sont utili- sés pour la conception architecturale et quels biais techniques ces processus entraînent-ils ?
• Dans un second temps, on s’intéresse à la dimension socio-historique de ce courant.
• Enfin, on s’interroge sur une possible épistémologie de l’architecture compu- tationnelle à partir des notions de savoir-faire et de calculabilité.

Cette thèse est une contribution à la modernisation des outils de conception par le biais de l’étude des morphologies des assemblages et des systèmes structuraux et de leur évolution permise par l’automatisation et la robotique. Les expérimentations réalisées jusqu’à présent nécessitent un milieu contrôlé ainsi que des éléments préfabriqués parfaitement calibrés pour une tolérance spécifique. Ainsi, la question de l’autonomie des systèmes automatiques d’assemblage reste à traiter. Il s’agit de coupler de multiples techniques pour aboutir à une synergie entre l’ensemble des données captées et rendues intelligibles pour le robot, les performances des robots et les performances et les contraintes imposées par le design des éléments.

Ce contexte soulève deux questions principales :

• Comment passer d’un modèle géométrique de la structure et des interfaces à des jeux de séquences d’opérations et de trajectoires d’assemblage ?
• Comment intégrer des modèles qui permettent d’informer la simulation prenant en compte des variables environnementales ?

Ce travail s’initie sur des cas d’étude de systèmes d’assemblages existants. Ensuite, il s’agira d’élaborer une théorie, menant à une évolution des morphologies structurales guidées par la transformation des systèmes d’assemblages. Les retombées consisteront principalement dans le développement d’outils d’aide à la conception, intégrant les aspects constructifs permis par la robotique.

La thèse vise à utiliser l’auto-comportement du sable, qui génère des surfaces d’égale pente sous l’action de la gravité, pour la réalisation de structures moyennant un nouveau processus de solidification, obtenu avec du sel. Ce processus permet la fabrication de prototypes utilisant du sable disponible in situ et le restituant à la fin du cycle de vie du bâtiment, mettant ainsi en question les méthodes conventionnelles de production et de consommation en architecture.

L’attention porte sur des méthodes numériques et physiques d’expérimentation dirigées selon trois axes : le matériau, les systèmes de fabrication et les stratégies de conception.
Le comportement mécanique du mélange de sable et de sel (Hyposable) a été étudié, analysé et développé pour optimiser sa résistance en compression et en traction, en obtenant in fine des valeurs comparables à celles du béton.
L’avantage mécanique de l’Hyposable et son comportement d’auto-formation nourrissent la recherche et nous conduisent au développement de systèmes de fabrication basés sur des surfaces d’égale pente.

La réalisation d’un grand nombre de prototypes physiques a permis l’expérimentation de techniques de distribution du sable ainsi que de techniques de solidification par pulvérisation, injection et malaxage avec le sel. L’utilisation du robot dans la fabrication a permis l’élaboration de formes inattendues et le développement de systèmes d’impression 3D. Sur la base de ces résultats, un programme a été développé, simulant le comportement de l’Hyposable et ses possibilités morphologiques.

Cette thèse étudie la construction en terre dans la zone désertique de l’Iran, où plusieurs villes sont construites avec différents types de terre crue, et en particulier dans la ville de Yazd.

Les grandes régions en terre crue qui font face aux mêmes problèmes que l’Iran du point de vue climatique et sismique ont fait l’objet d’une première étude.

Par la suite, nous nous sommes concentrés sur le tissu historique de Yazd, où on trouve des maisons, des bâtiments et d’autres monuments historiques en terre crue. Les éléments étudiés sont les suivants :

• Les constructions et les matériaux les plus utilisés dans l’architecture traditionnelle et contemporaine de Yazd et la situation actuelle de la région en terme de production des matériaux de construction;
• Les obstacles et les opportunités de la construction en terre;
• L’analyse approfondie des typologies des maisons traditionnelles: relevés, matériaux, morphologie des maisons traditionnelles (structurales et environnementales, système de circulation intérieure, etc.).

Une enquête de terrain a été réalisée dans les quartiers historiques, afin d’identifier les éléments traditionnels des maisons de Yazd que les habitants préfèrent garder dans les nouvelles constructions et de comprendre l’effet ressenti des systèmes de climatisation (tour à vent, pergola ou cour centrale).

En collaboration avec le centre de recherche VARC (Vernacular Architecture Research Center), nous avons effectué les recherches initiales sur la terre de Yazd. Actuellement, nous sommes en train d’examiner, tester et affiner ce matériau et de définir les composants traditionnels qui pourront être intégrés dans les nouveaux logements. Nous allons ainsi pouvoir proposer une méthodologie de conception architecturale cohérente avec les objectifs de cette thèse.

Ce travail de recherche s’inscrit dans le contexte global de la crise de la biodiversité (cf. Rapport IPBES 2019). Les façades, à travers leur végétalisation, offrent une opportunité majeure pour la préservation et la revitalisation de la biodiversité en ville, où l’espace de pleine terre est très restreint. En plus de constituer des abris locaux de biodiversité urbaine en trois dimensions (liaison entre le sol, le mur et la toiture), les façades végétalisées devront s’inscrire à terme dans un réseau global d’abris connectés en « pas japonais », composant les corridors écologiques à l’échelle du territoire. L’un des objectifs principaux de cette recherche consiste à développer un ou des systèmes de façade végétalisés favorisant la préservation, l’installation spontanée et le développement d’une biodiversité locale, qui soit le plus autonome possible, tout en répondant aux performances techniques attendues (isolation thermique et acoustique, gestion de l’eau), et à des attentes architecturales définies (usages). L’enjeu de la recherche est de définir les conditions techniques et biologiques d’un système de façade pour permettre le développement de cette biodiversité, et de son intégration architecturale et urbaine à long terme.

Du point de vue scientifique, plusieurs axes de recherche s’imbriquent pour y répondre de manière globale. Dans le champ des sciences des matériaux, l’axe de recherche vise la bioréceptivité des matériaux (Guillite, 1995), c’est-à-dire la capacité d’un matériau à accueillir des organismes vivants, sans qu’il ne subisse de biodétérioration critique. Dans le champ de l’écologie urbaine, il s’agit de recréer un milieu favorable au développement d’une communauté végétale muricole (qui vit sur les murs) qui puisse s’installer durablement dans un système vertical, à l’image de la végétalisation spontanée des vieux murs de pierre. Un autre résultat important attendu est de proposer des procédés techniques nouveaux et de les rendre accessibles aux concepteurs afin de permettre le développement de façades biodiversitaires. Ce partage des connaissances en matière environnementale s’inscrit plus largement dans un changement de paradigme possible au cœur des pratiques architecturales et de leur engagement écologique.

Cette thèse cherche à réinterpréter, pour un usage contemporain, les voûtes en muqarnas, élément décoratif et structurel de l’architecture iranienne en période islamique. Le travail porte sur la mise en place de modèles paramétriques capables de générer de nouveaux types de muqarnas, en reprenant les caractéristiques géométriques et morphologiques de la tradition. Il s’organise en deux étapes :

• Analyse historique:
  recherche des origines, étude des caractéristiques géométriques et morphologiques tout au long de l’histoire, méthodes de construction.
• Génération, modélisation paramétrique et fabrication de prototypes:
  plusieurs approches de génération ont été développées, en partant soit d’une surface, soit des courbes de niveau, ou en combinant ces deux approches (approche hybride).

Les principaux résultats obtenus sont:

• Réalisation d’un prototype (workshop GAIA 2016), dont la forme a été générée à l’aide de l’approche hybride : la surface de base est définie à partir de deux courbes paramétriques, une ossature est construite sur ces courbes pour rigidifier les cellules et pour faciliter leur pliage;
• Intégration de la dimension structurelle sur la base de surfaces funiculaires: la combinaison de plusieurs algorithmes a permis de traiter le problème de la recherche d’une forme \og multidôme \fg , dont chaque maximum local soit le centre d’un maillage concentrique.

With the improvement of the 3D printing industry, the interest in additive manufacturing of large-scale structures (AMLS) is rapidly increasing. Recent attempts of seeking solutions for 3D printing of large-scale buildings demonstrate that the transition from conventional construction systems to automated robotic manufacturing workflows is evident. The usage of formwork plays a crucial role in accelerating the progress of AMLS domination in construction industries. Time-saving, reducing labor cost, saving materials resources are the key advantages of supportless 3D printing of the shells. Other advantages have been seen in NASA’s research for in-situ 3D printing of habitats on Mars.

Investigations of large-scale 3D printing of concrete structures are mostly related to robotics, rheology and material mechanics. There is little research done on the application of architecture and form-finding in this field. Our research discusses solutions for supportless 3D printing of large-scale compression shells with the focus on In-situ concrete 3D printing with six-axis robotic arms. The main question of this research is “How can we span any closed quadrilateral boundaries in an efficient way?”.

In order to find a solution to this problem, we delve into the precedents of form workless vaulting techniques recognised in drylands countries vaulting records. Hence we aim at the revival of desert vernacular architecture within the retro-futuristic style.

The main questions will then reside in

1. devising a sustainable workflow for robotic architecture;
2. adapting soil vaulting systems with robotic fabrication;
3. tuning techniques to span boundaries without formwork using robotic 3D printing systems;
4. sintering mud shells to make super adobes.

In answering them, the research intends to produce techniques for fabricating dwellings which are sustainable, inexpensive, fast, human friendly, durable, and responsive.

Le contexte actuel engage les différents acteurs du domaine de l’architecture et de la construction à réinterroger de plus en plus les méthodes de conception et les techniques de production architecturales, au regard des problématiques liées au changement climatique et à la raréfaction de certaines ressources. Dans cette optique, la réhabilitation de l’utilisation du matériau pierre semble bénéficier, depuis quelques décennies, d’un intérêt grandissant pour plusieurs raisons (qualités mécaniques, durabilité, potentielle ressource de proximité…) et notamment en ce qui concerne les structures clavées, c’est-à-dire constituées de claveaux en pierre, taillés et appareillés. Les propriétés de ces différents types de structures (arcs, voûtes, dômes, plates-bandes, etc…) font encore aujourd’hui l’objet d’une grande diversité de travaux de recherches qui mettent en œuvre différentes approches pour l’étude de leur stabilité, selon les différents contextes.

L’utilisation du calcul à la rupture et de l’analyse limite permet notamment de contourner les difficultés inhérentes à la modélisation du matériau pierre puisque, pour des critères de rupture donnés, on peut déterminer relativement aisément un domaine de stabilité potentiel à partir des seules hypothèses géométriques et de chargements extérieurs. L’application de cette méthode a trouvé écho dans une longue tradition d’étude des structures en maçonneries patrimoniales qui ont ainsi pu faire les preuves de son efficacité. Sans utiliser de méthodes restrictives et contraignantes (méthode des réseaux de forces, par exemple) on se propose d’implémenter numériquement les approches du calcul à la rupture et de l’analyse limite de la manière la plus générale possible en s’appuyant sur des outils de résolutions mathématiques avancés. Ainsi, on pourra envisager la conception de structures clavées originales et complexes.

Plusieurs expérimentations constructives testant notamment les propriétés des joints particuliers (joints multi-facettes, joints courbes, etc.) pourront alors voir le jour. Outre l’intérêt pédagogique de ces constructions expérimentales inédites, une campagne d’essais et de modélisations complémentaires (comportement sous sollicitations sismiques et charges de vents notamment) permettra d’estimer les capacités des structures clavées réalisées et d’évaluer le processus de conception.

Combinant analyse numérique de type CFD (Computational Fluid Dynamics) et mesures en soufflerie, cette recherche investit les réactions entre le vent et plusieurs types de conditions urbaines afin de prévoir le potentiel de l’énergie éolienne extractible.

Ces mesures ont permis d’identifier un gisement d’énergie qui reste à ce jour largement inexploité. Les phénomènes de turbulence associées à des vents non réguliers ont désintéressé la plupart des acteurs de l’industrie énergétique éolienne.

Ces études montrent que la géométrie et l’orientation de projet d’architecture peuvent ainsi être profilées pour une amélioration de la vitesse du vent en sa périphérie.

Tout bâtiment, tout mur, génère par sa simple présence un différentiel de pression lié au vent entre ses deux faces. Cette recherche vise à établir une méthode de conception des bâtiments, simple et facile d’utilisation, par les architectes, pour intégrer dans le développement de leurs projets des dispositifs éoliens de production d’énergie.

La pierre est un des plus anciens matériaux de construction, mais aujourd’hui, au-delà des applications dans le domaine du patrimoine historique, son utilisation comme matériau de structure est fortement limitée.

Or, il s’agit d’un matériau de structure parfaitement adapté aux besoins du développement durable avec des propriétés qui seraient très appréciées aujourd’hui, si seulement on arrivait à le rendre plus accessible et à démontrer son potentiel sur la base des technologies contemporaines. La pierre deviendrait ainsi de nouveau accessible grâce à cette modernisation de sa filière.
Cette thèse s’inscrit dans une tendance de revalorisation de la pierre dans le monde de la construction et du design par le biais de la préfabrication et de l’automatisation robotisée. L’emploi des technologies contemporaines dans une stratégie de projet basée sur la préfabrication savante peut donner accès à de nouveaux marchés pour la pierre et en même temps créer de nouvelles configurations architecturales.

On se focalise en particulier sur les trois axes majeurs que sont la pierre, les systèmes préfabriqués et la robotisation de la production. Il est question d’explorer le potentiel à l’interface de ces problématiques : le développement des systèmes préfabriqués en pierre, le rôle des nouveaux moyens numériques et robotiques dans la conception, l’optimisation et la fabrication de ces systèmes, ainsi que le renouveau de la filière pierre par ces moyens.

L’objectif de ce travail est d’apporter des solutions techniques concrètes pour démontrer que l’utilisation de la pierre aujourd’hui peut être non seulement une question d’esthétique mais aussi une alternative économique et durable aux autres matériaux de construction.

Un constat existe, le patrimoine bâti est en péril par méconnaissance des techniques traditionnelles de mise en œuvre. Les organismes travaillant dans la restauration du patrimoine ont un besoin de connaissances techniques afin de former des professionnels et mener à bien leurs interventions. Partant de ce postulat, il paraît indispensable pour les architectes, bureau d’étude et tailleurs de pierre d’avoir des outils de compréhension historique, pratique et d’analyse structurelle sur les maçonneries complexes en pierre.

La recherche suit une approche croisée de la statique et de l’histoire de la construction. L’objectif est de répertorier, caractériser, analyser les éléments de franchissement en pierres clavées à joints complexes en Europe et dans le monde arabe sur la période médiévale.

Les avancées scientifiques attendues concernent plusieurs secteurs ; en premier lieu, celui de la conservation et la mise en valeur du patrimoine. Si par datation nous sommes à même de donner des influences sur le tracé des arcs ou la transmission de certains systèmes constructifs, une voie de transmission et d’innovation peut alors apparaitre. Existe-il une influence arabe sur l’appareillage de certaines plates-bandes à joints complexes en Europe ?

La connaissance structurelle agit sur plusieurs plans utiles dans le cas d’intervention future. De plus, comprendre un système constructif permet de connaitre la réponse adoptée en rapport à son environnement, c’est surement le cas dans des zones sismiques ou fortifiées.

Le projet, réalisé en collaboration avec AAU Anastas de Bethléem, l’Ecole polytechnique de Hébron et l’Université Al Quds de Jérusalem, a été financé en 2014-16 et en 2017-19 dans le cadre du Partenariat Hubert Curien (PHC) franco-palestinien Al-Maqdisi, mis en œuvre en Palestine par le ministère de l’Enseignement supérieur et en France par les ministères de l’Europe et des Affaires étrangères et de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation.

La pierre est inscrite naturellement dans l’histoire des villes palestiniennes, qui se sont formées autour d’un noyau dense, émanant d’un urbanisme autogéré. Les bâtiments étaient constitués de murs épais en pierre, portant l’édifice et exploitant l’inertie thermique du matériau pour le confort intérieur.
Avec l’arrivée de l’autorité urbaine mise en place par l’Empire ottoman, le recours à la pierre est devenu une obligation pour la construction de tous types d’ouvrages. Cette loi est appliquée encore aujourd’hui, alors qu’entretemps le béton armé a conquis le monde de la construction, faisant progressivement disparaître un savoir-faire sophistiqué sur l’utilisation structurelle et thermique de la pierre. Ainsi, les nouveaux édifices se résument à un seul mode de construction, une seule technique et beaucoup de fioritures; on est passé d’une exploitation vivante de la pierre — certes empirique, mais douée d’une grande capacité d’innovation et d’expérimentation –, à une ère où cette ressource se trouve reléguée à un usage de parement de façade.

Le projet avait pour ambition de créer des alternatives à ce mode de construction unique, en pensant la pierre différemment, en profitant au mieux de ses propriétés, des nouvelles techniques de conception et des outils nouveaux de fabrication. On a pu ainsi contribuer à la création d’un paradigme dans l’usage de la pierre dans l’architecture contemporaine palestinienne, pour redonner vie à un paysage de pierre, devenu générique, accessoire et non contextuel, marqué par un matériau bafoué, en exaltant ce matériau pour qu’il marque à nouveau l’identité de son territoire.

Après la réalisation, en 2013, de Stonesourcing Space sur la place de la Nativité à Bethléem, la collaboration entre GSA et AAU Anastas a permis la réalisation en 2017 de Stone Matters à Jéricho et de While We Wait au London Design Festival, en 2018 de l’extension en pierre de taille du monastère de Abou-Gosh et de Analogy au Jerusalem Show IX et en 2019 à la réalisation de Qamt, banc en pierre acquis dans la collection permanente du Victoria & Albert Museum de Londres (UK) et de la colonne Amoud à la Amman Design Week.

Ce travail de réception de l’AOCDTF se situe à la fin d’un parcours initié en 2012 par M. Brocato et G. Fallacara du polytechnique de Bari. Après la présentation à Marmomacc 2012 du prototype ELICA, dessinée par G. Fallacara et réalisé en pierre par la société SNBR, le concept d’une structure similaire en béton post-contraint a été élaboré dans le cadre de plusieurs cours, à l’École des Ponts ParisTech et à l’ENSA Paris-Malaquais, entre 2013 et 2017 et il a fait l’objet du travail de reception de L. Cacchia en 2017.

L’idée que la création du prototype permet de valider est celle de la réalisation d’une structure dessinée sur mesure, mais fabriquée par un processus numérique semi-automatique, permettant de garder son coût au niveau de celui d’un produit standardisé équivalent.

La structure en question, pouvant servir de support pour une escalier hélicoïdal, est dessinée à partir d’une hélicoïde de Monge. Cette surface étant développable, la structure hérite la propriété de contenir des segments de droite, pouvant être matérialisés par des tirants en acier. En découpant le solide par des plans normaux aux directions des tirants, on obtient un système de blocs susceptible d’une mise en post-contrainte optimale.

Le moule, découpé au fil chaud par un bras robotisé 6-axes, a été fourni par SNBR, le béton i.design EFFIX ARCA par Ciments Calcia, entreprises partenaires de GSA. Le travail de reception a été suivi par P. Mignot du CSTB, R. Merling de Ciments Calcia et M. Brocato et s’est déroulé dans la maison des Compagnons de Champs-sur-Marne.

Ont participé au projet dans les années précédentes: (2013-14 ENPC) Alexandra Dumitru, Juan José Martinez Taboada, Yanni Zhao; (2014-15 ENSAPM) Sixian Lin. Oswald Pfeiffer, Guillaume Robert, Roberta Zarcone (encadrement); (2016-17 ENSAPM) Ho Jun Bae, Nils Gallon, Lakhdar Hind, Chloé Le Minh, Clarisse Merlet, Sevdalina Valkova; (2016-17 Compagnons du devoir et du tours de France) Lionel Cacchia.

L’équipe de recherche, composée de M. Brocato, E. Fried, M. Grunwald et P. Podio-Guidugli, vise la réalisation d’un modèle mécanique complet du pied humain et se concentre pour le moment sur l’étude du médio-pied.

Le projet a pu s’appuyer en 2019 sur un séjour de P. Podio-Guidugli à GSA et deux séjours de M. Brocato et P. Podio-Guidugli à OIST (Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University) et il a donné lieu à une présentation à l’Académie des Lincei à l’occasion du congrès « Leonardo il corpo dell’uomo », suivie de la publication des actes.

Le travail part de la constatation que les arches (longitudinale médiale, longitudinale latérale, et transverse) permettant la description morphologique du pied induisent une vision inexacte du comportement mécanique du système, par un rapprochement trop rapide entre terminologies morphologique et structurelle. Le comportement statique du sytème semblerait alors mériter une analyse structurelle plus détaillée, dont le cœur réside dans le médio-pied.

Un autre ensemble de considérations, parallèles aux précédentes, concerne l’observation du mouvement du pied lors de la marche, les modèles retenus négligeant les déformations du médio-pied. Si celles-ci restent sans doute de plus petite étendue que celles localisées ailleurs dans le pied, il est néanmoins utile de les étudier dans le but d’une meilleure compréhension de la structure.

En fait, vu sous un autre angle, qui est celui des chaînes cinématiques propre de la robotique, le système de l’arrière-pied et du médio-pied apparaît comme une chaîne ayant trois boucles fermées, ce qui est un cas unique dans le corps humain. Normalement dans les robots, un ensemble d’une telle complexité correspond à des besoins particulièrement poussés de force et de précision. Il semblerait alors intéressant d’approfondir la question de la raison d’être de ce type d’assemblage dans le pied humain.

L’avancement actuel du projet correspond à l’écriture mathématique d’un modèle cinématique complet du médio-pied et de l’arrière-pied et à la réalisation d’un prototype physique par impression 3D du même modèle. Ces résultats seront comparés moyennant des simulations numériques et des essais, afin d’étudier les rôles des diverses jonctions sur le fonctionnement d’ensemble de la chaîne cinématique. Il sera alors possible d’établir dans quelle mesure certains mouvements peuvent être négligés afin de parvenir — éventuellement — à une simplification du modèle tout en gardant une efficacité dynamique suffisante.

L’étude historique des connaissances sur la mécanique du pied, à l’occasion des célébrations pour les 500 ans de la naissance de Léonard de Vinci, a permis la proposition de réflexions concernant l’approche scientifique de cet auteur. Il apparait chez Léonard, peut être pour la première fois dans l’histoire de l’anatomie, la volonté de mener une étude analytique du fonctionnement mécanique du corps humain, basée sur des maquette à échelle 1, réalisées avec des os et des tirants métalliques. Une telle approche anticipe de cinq siècles celle qu’on peut proposer actuellement grâce aux outils de fabrication numérique.

Dans le cadre de l’appel à manifestation d’intérêt  « Opérations d’Habitat Renouvelé en Outre-Mer » porté par le Plan Urbanisme Construction et Architecture (PUCA), GSA a collaboré avec l’association de Solidarité Internationale Architecture & Développement, le cabinet d’architecture Tectône, l’entreprise haïtienne YCF Group et le bureau d’étude environnement Eléments Ingénieries pour proposer un projet d’aménagement urbain sur les mornes du Prêcheur, en Martinique.

Le site de projet (le Centre-Bourg) est composé de parcelles majoritairement dédiées à l’agriculture, à l’élevage et au maraîchage. Le but n’a pas été d’urbaniser et d’imperméabiliser des terres fertiles, mais de mettre en place une mixité des usages, en faisant cohabiter petits bâtiments de logements collectifs, agriculture urbaine, habitat traditionnel individuel évolutif et élevage. La reconversion de l’habitat côtier soumis aux aléas climatiques a été un impératif stratégique. Pour limiter les risques financiers et permettre une transition douce du territoire, le projet propose un aménagement graduel avec un investissement initial limité. D’abord à dominante agricole par l’aménagement de terrasses cultivables, le site pourra ensuite évoluer en proposant de l’habitat plus ou moins dense. Une forte densité dans le découpage parcellaire et l’implantation du bâti a été recherchée pour économiser le foncier, éviter l’étalement urbain et prolonger la typologie de village, en conservant l’identité du Prêcheur.

La matière première du projet (symbolique et concrète) est la pierre de lahars et ses produits dérivés (agrégats, pouzzolane). Ce gisement en aval du volcan est estimé à plusieurs millions de mètres cubes et sa disponibilité est immédiate. Le mode constructif proposé est une combinaison de deux techniques éprouvées dans des contextes similaires, à savoir le Mur de pierre confinée (MPC) qui est issu du gabion bien connu dans le génie civil, et du Light Gauge Steel Building System (LGS), technique modulaire inspirée du « balloon frame » américain, en version métallique. Le MPC est une technique non standard expérimentée et perfectionnée par l’association A\&D depuis plus de dix ans dans des pays fragiles et qui fait l’objet de recherche et développement. GSA et A\&D ont actuellement en cours un projet sur l’analyse du comportement sismique de cette technologie.

Etant donné l’exposition à différentes aléas climatiques et le fort risque cyclonique, une étude des vents sur le site de projet a paru nécessaire pour concevoir les solutions architecturales les plus adaptées et une implantation urbaine des bâtiments efficiente.

Une simulation numérique des effets du vent en l’état existant a été effectuée, afin d’identifier les solutions les moins vulnérables aux risques (vent N-NE de 32 m/s à 2 m du sol). Des informations significatives ont été obtenues sur les lignes de courant, les pressions sur les bâtiments et le champ de vitesse à 2 m du sol. La simulation montre des niveaux de pression importants sur certains bâtiments et des couloirs de vent créés par le relief (couloirs naturels) ou par l’implantation des bâtiments (couloirs artificiels).

Ces observations ont confirmé l’idée initiale: le renforcement de tous les édifices existants pour reprendre les forces dues au vent n’est pas nécessaire, on peut choisir l’alternative d’implanter les nouveaux bâtiments en dehors des couloirs du vent et/ou de remodeler ces couloirs, en implantant quelques constructions nouvelles de manière à protéger les édifices existants.

Ces stratégies innovantes ont été proposées dans le projet. Parmi les sites étudiés, un (C) a été dessiné comme plus dense pour faire office d’écran, ralentissant les vents et protégeant la ville existante, et un autre (A), plus bas, naturellement moins soumis aux vents, a été imaginé avec une densité plus faible.

Au cours des phases suivantes du projet, la même méthodologie permettra l’optimisation des choix morphologiques et constructifs pour réduire l’aléa engendrée par le vent. La simulation numérique permet de tester, à un coût assez faible, en des temps relativement courts et avec une fiabilité élevée, différentes configurations, de distinguer les bons et les mauvais choix et de tendre vers la solution optimale.

Simulations réalisées par G. Bouchet avec le support de S. Tumbarello.

L’étude des maçonneries patrimoniales a bénéficié, ces dernières décennies, d’un regain d’intérêt remarquable, notamment grâce à la contribution de J. Heyman durant la deuxième moitié du XXe siècle. Celui-ci a pu poser les bases du calcul à la rupture et de l’analyse limite appliquées aux structures en maçonnerie. En posant trois hypothèses de comportement des structures clavées (résistance des blocs à la compression infinie, résistance à la traction nulle au niveau des joints et glissement entre deux blocs impossible), l’approche statique par l’intérieur permet de poser un critère nécessaire de stabilité particulièrement simple et efficace. Pour une combinaison de forces aux joints des blocs de la structure qui assure l’équilibre statique de chacun des blocs, on définit la ligne de pression par l’ensemble des points d’application des forces sur les surfaces des joints. Le critère géométrique résultant du théorème statique stipule alors que si l’on peut trouver une ligne de pression contenue dans les frontières des joints de la maçonnerie alors la structure est considérée comme potentiellement stable.

L’objet de ce travail consiste à développer un outil informatique qui, couplé à un logiciel de DAO, puisse appliquer ce théorème statique à n’importe quelle structure, dessinée en deux dimensions dans l’interface graphique du logiciel, pour un chargement donné quelconque. En outre, en plus de permettre d’imposer des chargements divers (séismes, charges extérieures quelconques) et des hypothèses de calcul préalables (localisations d’éventuels points de passage de la ligne de pression connues) l’outil LITHFI (Line of Thrust Finder) est capable de retourner à l’utilisateur diverses informations sur le comportement de la structure : la visualisation et la manipulation dynamique de la ligne de pression, évidemment, mais également les risques de glissements au sens de Coulomb en chacun des joints pour une ligne de pression donnée, les poussées minimales et maximales admissibles et le polygone des forces pour une ligne de pression donnée. Après avoir validé l’outil informatique grâce à des exemples et cas d’études connus et déjà documentés, on propose une méthodologie générale pour une structure maçonnée patrimoniale et son application à un cas d’études : la basilique Sainte-Marie-Madeleine à Vézelay.

L’histoire de la construction est le récit d’une innovation continue, plus forte que la nécessité, toujours surprenante pour les traces de ses succès, mais surtout pour ce qu’elle représente: l’émergence d’une volonté noble, d’un esprit transcendant ses limites pour relever le défi de ses rêves.

Les églises de Saint-Pierre et Saint-Paul à Villers-Saint-Paul et de Saint-Etienne à Beauvais conservent des témoignages de l’esprit d’innovation des constructeurs du XIIe siècle.
Sur la façade principale de la première et dans le portail nord de la deuxième se trouvent des plates-bandes à joint courbes, uniques dans leur contexte géographique et chronologique, pouvant être rapprochées d’éléments bâtis à la même époque au Moyen-Orient.

Ce stage a eu le but d’identifier par recherche bibliographique d’autres possibles occurrences de ce type de structure en France. Il a permis le recensement de sept autres édifices dans lesquels se trouvent ou se trouvaient des éléments similaires à ceux des églises citées.