Quelques évolutions récentes des matériaux et méthodes de construction

Projet de Mécanique
L’évolution des matériaux et des méthodes de
construction
Benoît Clavier
15 avril 2020
Table des matières
1 Introduction 4
1.1 Historique............................. 4
1.2 Évolution ............................. 4
2 Matériaux de construction modernes : les matériaux compo-
sites à fibres 5
2.1 Origines et nécessité des matériaux composites à fibres . . . . 5
2.2 Développement des fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Les fibres de basalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Comparaison des performances par un calcul . . . . . . . . . . 12
2.4.1 Présentation du problème . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.2 Comparaison des performances . . . . . . . . . . . . . 14
2.4.3 Interprétation des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Génie civil et développement durable 18
3.1 Estimation des émissions en CO2................ 18
3.2 Mise en pratique de la construction à base de bois . . . . . . . 19
4 Avancées technologiques appliquées au génie civil 23
4.1 Une avancée majeure dans l’isolation thermique : la micro-
encapsulation de matériaux à changement de phase . . . . . . 23
4.1.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1.2 Développements récents des PCM . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Modélisation du gain thermique : l’exemple d’un casert à Pa-
laiseau............................... 24
1

4.2.1 Modélisation de la température . . . . . . . . . . . . . 24
4.2.2 Modélisation du gain de température . . . . . . . . . . 31
4.2.3 Bilan du modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5 Conclusion 36
2

L’objectif de ce projet est de synthétiser les dernières avancées dans le
génie civil, qu’il s’agisse du développement et de l’utilisation de nouveaux
matériaux de construction, ou bien des nouveaux procédés de fabrication et
de construction pour améliorer certains aspects de la construction (rentabi-
lité, efficacité, empreinte écologique...). L’étude ne se veut pas exhaustive et
met l’accent sur trois points en particulier, choisis arbitrairement mais per-
mettant de faire un tour d’horizon des différents types d’avancées que l’on
a observés récemment. Après une introduction visant à établir un état de
l’art en la matière, on s’intéresse d’abord à l’émergence des matériaux de
construction à base de fibres, en on démontre comment leur grand module
de résistance à la compression permet de construire des structures de grande
taille. Ensuite, dans la partie suivante, on s’intéresse aux avancées axées sur
l’écologie, principalement en présentant les intérêts et les nouveaux proces-
sus de la construction en bois. Enfin, dans la dernière partie, on présente un
nouveau matériau de construction aux propriétés thermiques innovantes et
on mène une modélisation numérique pour simuler le gain thermique annuel
permis par ce matériau. [9]
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1 Introduction
1.1 Historique
On distingue, dans les premières constructions humaines, dont les pre-
mières traces datent du Néolithique, deux types de construction distincts :
d’une part l’utilisation de bois assemblé avec des feuillages et/ou des peaux
d’animaux, permettant de former des structures puis de les couvrir. D’autre
part, l’utilisation de matériaux que l’on agglutine ou empile, comme les
pierres, la terre, l’argile... Dans les deux cas, il s’agit uniquement de ma-
tières premières.
Les premiers matériaux "artificiels" que l’on voit apparaître sont des mor-
tiers, qui permettent de lier des matériaux comme les pierres ou la terre cuite.
Par exemple, les Égyptiens utilisent, vers 2600 ans av J.-C. un mélange de
chaux, d’argile, de sable et d’eau pour la construction de pyramides [16].
1.2 Évolution
La plupart des matériaux cités précédemment sont encore massivement
utilisés aujourd’hui. Le bois, par exemple, est toujours le matériau le plus
utilisé pour les charpentes des maisons. Cependant, avec la révolution indus-
trielle, de nouveaux procédés de fabrication se mettent en place et permettent
de produire du métal en quantité suffisante pour construire de plus grands
ouvrages. Ainsi, le haut fourneau au coke, le puddlage puis le convertisseur
ont permis la fabrication industrielle de la fonte (début XIXe), du fer forgé
(fin XIXe), et enfin de l’acier (depuis le XXe siècle), qui est désormais le
matériau prépondérant pour la construction des grands ouvrages [8]. C’est
avec l’apparition de l’acier que débute la construction de bâtiments autrefois
inenvisageables, comme l’Empire State Building, de 1929 à 1931.
Le développement de métaux de constructions s’accompagne de la décou-
verte de bétons à prise rapide, et donc de l’apparition du béton armé comme
matériau alliant versatilité, avec le béton que l’on coule dans un coffrage, et
solidité, grâce à la forte résistance en traction et compression de l’acier. On
observe un mariage des matériaux de structure et d’empilement.
Par la suite, on assiste surtout, au long du XXe siècle, à des améliorations
des processus de construction, notamment, en France, dans le cadre de la po-
litique de logements de masse. Les procédés de fabrication sont automatisés,
les pièces préfabriquées, les engins de chantiers se modernisent, ce qui permet
de construire plus grand, plus vite et à moindre coût.
Enfin, l’utilisation de l’ordinateur à partir des années 70, permet de non
seulement de dessiner et concevoir avec beaucoup plus de précision (CAO :
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conception assistée par ordinateur), mais également de mieux prévoir le com-
portement des grandes structures grâce au BIM (Building Information Mo-
delling).
Désormais, le domaine du génie civil doit s’adapter aux problématiques
actuelles : la concentration des populations, qui nécessite de construire tou-
jours plus grand, plus solide, et l’urgence écologique qui oblige le secteur du
BTP (bâtiments et travaux publics), à trouver de nouvelles solutions pour
construire de façon durable.
2 Matériaux de construction modernes : les ma-
tériaux composites à fibres
2.1 Origines et nécessité des matériaux composites à
fibres
D’une manière générale, on n’utilise quasiment que des matériaux com-
posites pour les constructions modernes. Un matériau composite est l’as-
semblage de deux (ou plus) matériaux non miscibles. Généralement, il s’agit
d’une matrice associée à un renfort, la matrice formant le corps du matériau
composite, qui apporte la rigidité, et le renfort permet une meilleure tenue
mécanique du matériau.
L’Homme a eu très tôt cette idée de mélanger deux matériaux différents
pour en tirer le meilleur de chacun. On peut remonter au Néolithique pour
voir les premières utilisations d’un matériau composite dans les constructions
européennes : le torchis. Ici, la matrice est la terre argileuse, et le renfort peut
être divers : paille ou autres fibres végétales, voire même parfois des fibres
animales comme le crin de cheval. La terre argileuse permet d’obtenir un
matériau bien étanche et isolant, cependant lorsqu’elle est sèche, elle fissure
trop facilement. C’est en incorporant des fibres dans la terre que l’on peut
pallier ce problème. Leur résistance à la traction supérieure à celle de l’argile
permet de maintenir la matrice en place et d’éviter les fissures. Même si le
torchis n’est pas conçu pour être un matériau porteur, il permet ainsi de
cloisonner de façon efficace les constructions humaines et peut s’appliquer de
plusieurs façons. Le torchis est ainsi un des premiers matériaux composites
utilisés par l’Homme.
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