Cours structures tensostatiques

LIEN VERS LE COURS EN DIAPORAMA

Introduction aux Matériaux

Principales Origines des Matières Premières

Origine Organique :

• Origine végétale / Origine ligneuse (bois)
• Origine animale

Origine minérale:

 Principales Familles de Matériaux

Description des principales familles de matériaux : les polymères, les céramiques, les métaux et alliages, et les composites.
  
- Les polymères (très utilisés pour les matrices de matériaux composites):

• fibres naturelles :

•     fibres végétales (cellulose) : bois, papier, textiles naturels (chanvre, lin, coton), etc.,

•     fibres animales : cuir,  tendons (collagène), soie et laine (kératine), etc. ;

• les matières plastiques:
• les caoutchoucs naturels (latex) et artificiel
• les colles ;
• les peintures ;
• les résines.

- Les céramiques (argile) et les verres (silice):  Porcelaine, Grès, Céramiques techniques


- Les métaux et les alliages métalliques:

- Les matériaux composites ( assemblage intime d'au moins deux matériaux composés comme suit : matrice + renfort + optionnellement : charge et/ou additif ):

• béton armé = composite béton + armature en acier; 
• fibre de verre + résine polyester; 
• imperméable: caoutchouc + textile
  

  Matériaux de Construction

 Cependant dans la construction, il est courant de distinguer les matériaux selon des domaines d’emploi et des caractéristiques principales: les matériaux de construction et les matériaux de protection. Les matériaux de construction sont les matériaux qui ont la propriété de résister contre des forces importantes:

• Pierres
• Terres cuites
• Verres
• Bois
• Béton
• Métaux, etc.

 

Propriétés mécaniques et physiques des matériaux

Définitions des principales propriétés mécaniques des matériaux et de quelques unes de leurs propriétés physiques.

•     La densité (++ Osmium 27t/m3) (-- aérogel )
•     La rigidité
•     La limite d'élasticité
•     La déformation à la rupture et la contrainte maximale
•     La dureté
•     La ténacité
•     La résilience
•     La conductivité électrique / Isolation électrique
•     La conductivité thermique / Isolation thermique
•     La conductivité acoustique / Isolation acoustique

Celles-ci sont reliées aux contraintes auxquelles les matériaux peuvent être soumis.

5 Types de contraintes mécaniques sur les matériaux

Il existe cinq principaux types de contraintes.

Type de contrainte	Description	Symbole	Exemples
Compression	Les forces ont tendance à écraser le matériau.		Une suspension de vélo qui amortit les chocs; les ressorts d'un matelas qui se compriment sous notre poids; une canette que l'on écrase; etc.
Traction ou Tension	Les forces ont tendance à étirer le matériau. La traction est l'inverse de la compression car les forces y agissent en sens opposé.		Deux équipes qui tirent sur une corde lors du souque-à-la-corde; le cable d'une grue mécanique qui s'étire lorsqu'il soulève du poid; du cuivre qu'on étire pour en faire du fil; etc.
Torsion	Les forces agissant sur le matériau ont tendance à le tordre.		Un pont qui se tord sous l'effet de forts vents; des fils électriques que l'on torsade pour en faire un cable; du linge qu'on essore; etc.
Flexion	Les forces feront courber le matériau sur lequel elles agissent.		Une tablette qui se courbe sous le poids des livres; un poisson qui fait fléchir une canne à pêche; des vêtements qui font courber une corde à linge; etc.
Cisaillement	Le matériau a tendance à se fendre, à se déchirer.		Du papier que l'on déchire; du métal que l'on découpe; etc.

Ces contraintes exercent trois types de déformations sur les matériaux:

Type de déformation     

Élastique     Changement temporaire dans la forme ou les dimensions d'un objet. Celui-ci reprend sa forme initiale dès qu'il n'y a plus de contrainte. C'est un changement réversible.     Un élastique qui reprend sa forme initiale après étirement; une trampoline qui se déforme lorsqu'on y saute; etc.


Permanente (ou plastique)     Changement permanent dans la forme ou les dimensions d'un objet. C'est un changement irréversible car l'objet ne reprend plus sa forme initiale, même lorsque la force causant la déformation est suprimée.     Un fil de métal que l'on courbe; une canette écrasée sous notre pied; une planche de bois qui plie sous le poids de livres; etc.

Rupture     Bris de l'objet sous l'effet d'une contrainte plus forte que le seuil de résistance de l'objet.     Un verre que l'on échappe par terre; une craie qui se brise en morceaux; etc.

Sources/Liens:

MatériO: (accessible depuis l'EESAB)
Portail: Matériaux, Wikipedia
Choix de Matériaux et de Procédés, Université de Technologie Compiègne
Les-proprietes-mecaniques-des-materiaux, Canada
wikiversity.org: propriétés mécaniques des matériaux
Materiaux: Agence universitaire de la francophonie
Introduction to structures
Cours résistance de matériaux

Exercices 1 - Empilement de matière

Choix entre les exercices suivants:

Fabrication ou construction à échelle (1/1, 1/2, 1/5, 1/10) d'un des éléments suivants:

1. Fabrication de briques en terre crue 
2. Construction d'un socle à base de briques capable de supporte le poids d'une personne
3. Construction d'un mur droit à base de modules (briques ou rondins) 
4. Construction d'un angle de murs en rondins 
5. Construction d'un mur en terre banchée
6. Construction d'un mur courbe à base de modules (briques, blocs) 
7. Construction d'un porte-à-faux, encorbellement
8. Construction d'une fausse voûte ou par encorbellement (corbeau)
9. Construction d'un arc ou d'une voute (forme à choisir) 

 

Matériaux: 

Briques et terre banchée:

• Matière première : terre grasse plus ou moins argileuse.
• Mise en œuvre: matériau coulé et compacté entre deux coffrages modulaires ou banches.
• Mur homogène réalisé par assises complètes successives

(Composition: En dessous de 5 % de liant, il y a risque d'effritement, mais que si la proportion dépasse les 15 %, des fissures apparaitront.)
Arcs, voutes et mur à base de blocs:

• Cubes de bois
• De quoi les raboter en biseau.
• Cales assez lourdes pour contre-rester les forces latérales.

Mur en rondins:

• Tasseau

Liens/Sources: 

Terre crue:

• Terrevivante: construire en terre crue 
• Wikipedia: Pisé 
• Wikipedia: Construction en terre 

Arcs / Voutes / Dômes:

• Dictionnaire_raisonné_de_l’architecture_française_du_XIe_au_XVIe_siècle/Voûte
• Fête de la science 2005
• Art roman: Voûtes, arcs et matériaux 
• Les ponts
• Pourquoi-les-ponts-en-pierre-portent-il-des-arches?

 Empilement de bois: 

• Construction en rondins empilés, wikipedia

 

Cours 1: Empilement:

Mises en œuvre à base d'empilement de matière :

Lien vers le Diaporama du cours

 

 Contraintes et risques: 

La contrainte principale est la compression.
Le risque face à la compression est surtout celui de l'écrasement.

 1) Maçonnerie / empilement de matière minérale:

Composée de:

• Pierres (moellons, blocs)
• Briques de terre cuite  
• Briques de terre cuite alvéolaire
• Parpaings de béton
• Blocs de béton cellulaire
• Béton banché
• Terre-Pisé
• Earth-Bags

2) Empilement de matière végétale ou mixte:

Composée de:

• Rondins de bois
• Bottes de paille
• Adobe (terre et paille) 

3)  Autres:

- H20: Blocs de glace (igloos) 
- PET:

Mise en oeuvre:

• Fondations
• Murs
• Poteaux
• Linteaux
• Porte-a-faux
• Encorbellements
• Voûtes
• Dômes

Évolution historique de mises en œuvre:

1.     Source proche / Transformation faible
2.     Sources lointaines / Transformation forte
3.     Recherche d'une plus grande efficacité
4.     Recherche de l'économie de construction et de matière 
5.     Recherche d'une réduction de l'empreinte écologique 

 Liens / Sources: 

Maçonnerie: 
Gabion.Org: Maçonnerie Dictionnaire Imagé


Maçonnerie, Wikipedia
History of masonry construction



Béton: 
Explorations-architecturales: Béton

Imprimante 3D de maisons en béton

Empilement de bois: 
 Wikipedia: Construction en rondins empilés
Maison en rondin: techniques-construction 
 

Bottes de paille: 
Revolution lente: Bottes de paille 
Werner Schmidt, architecte 

PROGRAMME

ENSEIGNEMENT : Matériaux en design d’espace : Architectoniques en Tension et Compression

Enseignants: Tania Urvois + Assistant Matériaux Bernard Debast

Méthode : Enseignement de six semaines, travail seul ou en binome au choix, exercices avec l'assistance de Bernard Debast

Objectifs : Exploration des propriétés mécaniques des matériaux et de leur structure dans la construction de l’espace

Contenu : Exercices d’expérimentation avec différents types de structures :

- Structures compressives

- Structures tensostatiques

- Structures mixtes

Production : Fabrication de matériaux ou de petites structures

Exercices hebdomadaires : 
Publications sur ce blog:
- Rédaction des comptes-rendus des exercices d'expérimentation hebdomadaires 
- Rédaction de (6) fiches matériaux suivant les thèmes de chaque semaine. 

Sommaire du Programme :

Cours 1) Introduction aux matériaux et leurs propriétés mécaniques
            Exercices autour de la compression, maçonnerie
Cours 2) Introduction sur la Tension :
            Exercices autour de structures tensiles (corde, toile, papier)
Cours 3)Structures mixtes et modulaires en poteaux-poutres et en treillis.
            Exercices: Créer une plateforme ou une passerelle en assemblages bois (Tasseau, corde)
Cours 4) Structures et matériaux composites
            Exercices: Construire une structure ou un matériau composite 

Cours 5) Géométries structurelles: Plus fort et plus léger! 
            Exercices: Construire une structure en papier ( par pliage, roulage...) 

Cours 6) Le métal: ses origines et son façonnage
a) + une intervention de Malo Kervern (Groupes A+B)
             (fabriquer son propre métal à partir de minéraux recueilli en Finistère) 
b) + une intervention de ... 

Rendu final : Document de synthèse présentant votre compréhension de l'enseignement et chaque exercice sous forme de croquis et photos de la production, des tests et des résultats.

Ressources à l'école

• Mediathèque de l'école
• Accès au site Web MateriO
• Ateliers bois et maquettes
• Atelier Métal
• Atelier Composite
• Atelier Porcelaine

Nature de l’évaluation : Continu et en fin de module

Critères de l'évaluation:

• Assiduité et engagement
• Progression dans l’acquisition des outils
• Qualité de la réflexion
• Qualité plastique du travail

Activité(s) complémentaire(s) :

1.12 MATERIAUX MINERAUX - Pierre artificielle

Pierre artificielle : 

Matériaux manufacturés composées de: 

• matériaux minéraux : silice, calcaire, gypse, terre, argile,
• matériaux végétaux : paille, tourbe, chanvre etc.

 Le béton est composé de granulats (sable, gravillons) agglomérés par un liant 

 

Taille des grains

 

Rôle	Mini	Appellation	Maxi
Liant		Argiles	2 µm
	2 µm	Silt	20 µm
Agrégat	20 µm	Sables fins	0,2 mm
	0,2 mm	Sables grossiers	2 mm
	2 mm	Graviers	20 mm
	20 mm	Cailloux	200 mm

Types de Liants :

•     le plâtre
•     la chaux hydraulique naturelle ou de synthèse
•     la pouzzolane naturelle
•     le ciment prompt
•     le ciment Portland ou ciment artificiel
•     l'argile 

Description de divers liants :  

• La chaux est un liant à base de calcaire, utilisé depuis des millénaires. Elle entre dans la composition des mortiers à maçonner depuis la plus haute antiquité. Elle fût utilisée dans toute l’Asie mineure, mais ce sont les Romains qui, à la suite des Grecs d’Italie, en l’additionnant de divers matériaux pouzzolaniques l’ont fait évoluer en un liant efficace et durable. (Evolution de la chaux au Ciment Portland)
•  Le ciment artificiel ou Portland est un produit provenant de la cuisson de mélanges artificiels de proportions appropriées de chaux, de silice, d'alumine et de fer qui, réduits en poudre mécaniquement, font prise et durcissent en vertu d'une réaction chimique à l'eau appelée hydratation. (La fabrication du ciment courant)
• L'argile est le liant présent naturellement dans la terre utilisée en construction : L'argile est un des plus anciens matériaux utilisés par l'homme. Pétrie avec de l'eau, elle donne une pâte plastique qui peut être facilement moulée ou mise en forme. Après cuisson, elle donne un objet résistant et imperméable. Ces propriétés remarquables sont à l'origine de son utilisation très ancienne pour réaliser des objets en céramique, en porcelaine… Briques et tuiles sont également fabriquées à partir d'un mélange d'argile et d'eau moulé sous pression et cuit à température suffisamment élevée (1 000 à 1 200 °C)
• Le plâtre est extrait du gypse utilisé seul en parement (plaques de plâtre, moulures...) ou pour créer des sculptures et des moules. Il fut anciennement utilisé comme mortier pour assembler les pierres.

Types de Bétons :

•     Le béton de ciment (le plus répandu) à base de ciment, d'eau, air et de granulats (sable et gravier, pierre concassée ou autre matériau granulaire).
•     Le béton de chaux à base de chaux, de sable, de gravier et d'eau.
•     Le béton de chanvre est constitué de chaux, de chanvre, de sable, et d'eau.
•     La terre utilisée en construction est un béton naturel puisqu'elle contient un liant et des granulats.

    Types de pierres synthétiques ou reconstituées:

• Avec l'intention d'imiter les pierre naturelle, dès le 19e siècle se développent les pierres synthétique, comme la Coade Stone, à base de  sable et silice en poudre réagissant à une solution alcaline.
•  Une grande quantité de pierres artificielles sont à base de Ciment Portland.
•  La pierre synthétique à base de résine a été en premier développée dans les années 1980 par l'entreprise italienne Breton S.p.A. avec la technologie Bretonstone. Il existe deux grandes variétés de pierres reconstitutées selon le choix d'agrégats entre le marbre et le quartz. Le processus en gros est un mélange de poudre de marbre, résine, plâtre et des pigment. 
  

1.11 MATERIAUX MINERAUX - Pierre naturelle :

Matériau de construction extrait de la roche dans la croûte terrestre

2 origines de roches :

• Endogènes : formées en profondeur et généralement plus dures/ solides (roches magmatiques)
• Exogènes : formées par solidification à la surface de la terre (roches sédimentaires et métamorphiques) plus stratifiées, poreuses,

Roche magmatique :

- de type plutoniques (solidification en profondeur) : granites 

- de type éruptive ou volcanique ( solidification en surface) : basaltes

Roche métamorphique : Elle provient de la transformation à l'état solide d'autres roches par une augmentation de la pression et de la température environnantes. 

Exemples : schistes, gneiss, marbres, quartzite ...

Roche sédimentaire : Elle provient de l'accumulation de sédiments qui se déposent en strates.

Exemples : Calcaires : la craie, le tuffeau (châteaux de la Loire) dont le travertin (Rome antique) ; Le grès (issu de l'agrégation et la cimentation de grains de sable.)

Lors de mouvements tectoniques, les roches, soumises, localement, à des pressions très fortes et à de très hautes températures, se transforment en roches métamorphiques. Les calcaires se métamorphisent en marbres et les argiles en schistes, voire en gneiss.