Le coffrage béton se fait plus solide, léger et durable grâce à la conception générative
Rares sont les méthodes de construction révolutionnaires, comme celles qui ont servi à édifier les pyramides d’Egypte, le pont du Gard, le barrage Hoover ou encore les réalisations du Corbusier, sur dalles flottantes. Des siècles d’innovation dans la conception ont fait du béton un matériau incontournable pour les structures artificielles. Mais les anciennes formules et méthodes évoluent alors que de nouvelles technologies comme l’impression 3D et l’intelligence artificielle promettent un béton plus léger, plus résistant et, surtout, plus durable.
Marcos Silveira, ingénieur structures, dirige la start-up brésilienne BRAVO Engineering ; lui et son équipe portent un projet baptisé Hone Structures qui va contribuer, espèrent-ils, à pérenniser les techniques de construction en béton. Hone Structures applique les principes de la conception générative à des structures de béton armé – dans un premier temps, des poutres-cloisons en béton pour valider le concept – en vue de faire, entre autres, des économies de matériaux.
Au beau milieu de son doctorat à l’université de São Paulo et à l’université canadienne de Windsor (respectivement sous la direction de Luís Bitencourt et de Sreekanta Das), Marcos Silveira, accompagné de sa collaboratrice Gabriela Vivan, a pris part à la résidence intensive consacrée à la conception générative en Architecture, Ingénierie et Construction (AEC), organisée par l’Autodesk Technology Centre de Toronto.
L’objectif était d’y développer des concepts, puis de travailler avec des experts en robotique de Boston pour construire du béton armé et se former à l’impression 3D. Pour Marcos Silveira, le projet « application vivante et dynamique » auquel il consacre sa thèse, « vise à repenser le processus de conception et de construction des structures en béton armé » à l’aide de la conception générative, de l’intelligence artificielle (IA) et de la robotique.
Selon lui, la conception et la construction traditionnelles du béton ne constituent pas un problème, mais plutôt une restriction car elles dépendent de l’expérience du concepteur et des limites du processus de fabrication classique. L’approche de Hone Structures, elle, observe comment une structure en béton se comporte à l’aide d’une analyse par éléments finis (FEA), puis a recours au calcul pour la remodeler et la renforcer aux bons endroits. « Pour simplifier, nous divisons la charge nominale en une série d’échelons, précise-t-il. Au lieu de proposer et de calculer un treillis équivalent pour représenter la forme complexe, comme dans la méthode bielles-tirants, nous analysons chaque échelon de charge et nous l’augmentons pour comprendre où se trouvent les points les plus faibles à renforcer. »
L’équipe a construit plusieurs formes en béton dans le laboratoire structurel de l’université de Windsor, les a associées à des structures hydrauliques pour exercer de la pression et a appliqué un système de corrélation d’images numériques (CIN) en utilisant des caméras pour enregistrer les essais ; de cette manière, elle a pu analyser les tensions et les contraintes dans certaines conditions de force. Elle est ensuite revenue à l’algorithme de conception générative pour élaborer de nouvelles lignes de code afin d’améliorer encore le rapport entre le comportement structurel et le matériau utilisé pour la prochaine série.
Ce processus a immédiatement engendré des économies de matériau : « Cela signifie que le processus de conception est basé sur la contrainte, explique Marcos Silveira. La contrainte, c’est la force divisée par la surface. Si j’augmente la force en termes de contrainte, je peux réduire la surface et si je réduis la surface, je peux réduire la quantité interne de matériau. »
Cela a abouti à un treillis caractéristique des formes atypiques et irrégulières qui font la notoriété des algorithmes de la conception générative : étranges mais optimales. Hone Structures a produit dix grands dessins pour la pièce, sélectionnés parmi plus de mille modèles générés par l’algorithme. L’équipe s’est servie de l’optimisation topologique comme d’un déclencheur dans la méthode de la conception générative.
Autrement dit, la pièce a été divisée en plusieurs petites pièces (processus FEA) : le fait de comprendre le comportement d’une certaine pièce et les contraintes qu’elle subit a débouché sur des calculs qui, ensemble, ont façonné la réaction de la pièce dans son intégralité. Pour chaque échelon de charge, l’algorithme indiquait les petites pièces qui pouvaient être supprimées sans pour autant compromettre le comportement structurel de l’ensemble ; il a poursuivi ensuite jusqu’à atteindre l’objectif de la conception.
La poutre-cloison finalement obtenue était composée de seulement 55 % du matériau qui aurait été utilisé lors d’un processus de conception traditionnel, sans algorithmes. Après avoir prouvé qu’il est possible de faire des économies de matériaux, il était logique de s’intéresser à la science des matériaux en intégrant la fabrication additive et en rendant le processus entier plus intelligent (et plus écologique) encore.
Le béton à ultra-hautes performances, privilégié par la US Federal Highway Administration (agence américaine de conception et de construction des autoroutes), est plus résistant et plus coûteux que les mélanges classiques, mais s’utilise en moins grande quantité que le béton ordinaire ; il devient encore plus accessible avec les économies de matériaux qu’offre la conception générative. En outre, comme il est utilisé avec des coffrages plus durables, cela représente des économies supplémentaires d’argent et de matériaux.
Les technologies comme l’impression 3D font évoluer le processus de fabrication. Les coffrages classiques utilisés pour obtenir des dalles bétonnées aux lignes nettes pourraient bientôt appartenir au passé car les recherches sur l’impression 3D des barres d’armature en acier dans les structures en béton vont bon train. Parallèlement, Marcos Silveira affirme que les recherches menées par les entreprises qui impriment de l’acier à petite échelle ouvrent la voie à des structures d’armature toujours plus complexes en faveur du béton. D’autres cherchent à fabriquer des barres d’armature en fibres de carbone, donc plus légères et plus solides.
Pour valider son concept, Hone Structures conçoit actuellement une passerelle en béton armé à l’aide d’algorithmes de la conception générative et de constructeurs de robot. La mise au point d’une telle structure permettra à l’équipe de travailler avec des formes et des dimensions qui dépassent les limites de la technologie actuelle.
« Quand nous travaillons sur des coffrages classiques, nous devons nous limiter à certaines formes et donc tenir compte de ces limites lors du processus de conception, explique Marcos Silveira. À l’avenir, la conception de la cage d’armature pourrait être dictée par les exigences de la réalisation et non par la technologie d’assemblage actuelle. »
Selon lui, une passerelle est la réalisation idéale de tout ce sur quoi Hone Structures travaille car le béton précontraint né des recherches de l’entreprise peut prendre des formes très différentes de celles traditionnellement utilisées dans le BTP. « Cette réalisation pourrait être l’occasion de mettre à mal quelques paradigmes sur la fabrication additive et la conception générative dans le monde du béton armé », note-t-il. L’objectif est d’achever le projet en deux ou trois ans. La passerelle, outre le fait de montrer les possibles, sera également un outil didactique pour présenter les limites, les perspectives et les spécificités de la méthode.
Pour Marcos Silveira, ces techniques peuvent être appliquées à diverses structures, partout dans le monde. « Nous visons la production de bâtiments entiers, qu’ils soient élevés ou encore en métal, explique-t-il. Quand on a recours à l’intelligence artificielle pour concevoir la position des éléments structurels, on peut aller très loin. »
Ces types d’innovation pourraient créer un monde d’apparence très différent dans la mesure où l’architecture reposera en partie sur des algorithmes offrant des choix qui n’existeraient pas avec les pratiques de conception classiques.
« À l’avenir, nous pourrons utiliser cette approche pour décider de l’architecture et de la position des éléments, ce qui aboutira à des formes très différentes de ce qui existe actuellement et à des réalisations bien meilleures, conclut Marcos Silveira. Travailler avec des milliers de solutions permettra d’identifier les endroits où améliorer les réalisations et réduire la quantité de matériaux utilisés ».
Alors que l’impression 3D et la robotique accélèrent la construction, la conception générative est en passe de réduire la quantité de matériaux utilisés et de créer de nouveaux paradigmes pour améliorer les éléments de construction. Les projets comme Hone Structures ont tous les atouts pour donner un souffle nouveau et durable à la construction.
