Optimisation structurelle : moins de béton pour moins d’impacts


« Le meilleur matériau est celui que l’on n’utilise pas ! » C’est ce principe qui a guidé les travaux de recherche du laboratoire Navier à l'Ecole des Ponts pour concevoir des poutres en béton armé frugales. Les géométries optimisées de ces éléments structurels, fabriqués selon un process industriel employant l’impression 3D, permettent d’économiser jusqu’à 60% de béton en comparaison des procédés ordinaires. Les performances environnementales de cette conception – économie de ressources et limitation des émissions de gaz à effet de serre (GES) - sont significatives.

Une partie importante de l’empreinte carbone de l’industrie de la construction est liée aux matériaux qu’elle emploie. 5 à 8 % des émissions mondiales de CO2 sont ainsi générées par la seule production de ciment. Ingénieurs et chercheurs travaillent activement à leur réduction, notamment en formulant des bétons à base de ciment bas carbone. Mais si ce travail sur la composition des matériaux est nécessaire, il n’est pas suffisant… Des efforts doivent en effet être également déployés pour optimiser les quantités mises en œuvre dans les ouvrages. Et de ce point de vue-là, l’industrie de la construction a encore des efforts à faire !

« Il y a encore un demi-siècle sur les chantiers de bâtiment, les matériaux employés étaient très onéreux. Il était donc essentiel d’optimiser les structures pour minimiser les quantités employées, expose Sébastien Maitenaz, ancien doctorant au laboratoire Navier de l’École des Ponts ParisTech, auteur d’une thèse Cifre financée par le bureau d’études ISC (VINCI Construction). Mais depuis plusieurs décennies, l’industrialisation des procédés de production a entraîné une baisse importante du coût des matériaux ». Si bien que l’on peut parfois observer aujourd’hui un surdimensionnement de certaines structures.

Vers un juste dimensionnement des structures

Cette recherche de productivité conduit par exemple à disposer les nappes d’armatures de manière orthogonale dans les éléments de structure et à remplir tous les volumes de béton, même dans les parties où il ne supporte pas de charges. « Ces quantités supplémentaires pourraient être évitées, constate Sébastien Maitenaz. C’est pourquoi il est utile de se baser sur les fondamentaux de l’ingénierie – à savoir le juste dimensionnement des structures ».

Au sein du laboratoire, le jeune chercheur travaille à la conception et à la fabrication de modèles de poutres en béton armé optimisés, dans lesquels la matière – béton et armatures d’acier – est positionnée uniquement aux endroits qui le nécessitent structurellement. « L’objet que nous obtenons est une poutre treillis en béton armé, dont la géométrie épouse les lignes de force, un peu à la manière des poutres treillis métalliques ».

Entre 30 et 60% d’économie de béton sur des structures optimisées

Dans un souci de pragmatisme, le projet cible des cas d’usage très courants.  « Nous avons testé plusieurs types de poutres optimisées conformes aux Eurocodes adaptées à des chantiers de logements classiques, variant selon leur taille et leur capacité portante. Au final, selon les cas, nous estimons que la quantité de béton économisée est située entre 30 et 60% par rapport à une poutre pleine en béton armé ». A ces économies directes significatives s’ajoutent des économies indirectes : « En réduisant la quantité de béton d’une poutre, on réduit son poids propre, ce qui permet d’optimiser le dimensionnement d’autres éléments porteurs comme les poteaux, les voiles et les fondations », précise Sébastien Maitenaz.

Une fabrication industrielle, mais sur mesure

Pour que ces solutions optimisées ne restent pas cantonnées aux bancs d’essai du laboratoire mais puissent s’exporter de manière opérationnelle sur les projets, il fallait également que la compétitivité économique soit au rendez-vous. C’est pourquoi la fabrication fait appel à une méthodologie industrielle permettant de livrer des éléments structurels sur mesure.  « Puisque chaque bâtiment est différent, nous devions être capables de livrer rapidement des éléments dont la géométrie est adaptée à chaque cas de charge ». Ces variations de formes sont rendues possibles grâce à l’impression 3D : « Nous avons développé des « mannequins » – des outils destinés à faire des réservations dans les coffrages – imprimés en argile crue par un bras robotisé directement sur le fond de coffrage», précise Sébastien Maitenaz. Ces éléments creux, positionnés selon les plans exacts de conception, sont remplis de sable pour leur permettre de résister à la pression hydrostatique du béton frais. Les cages d’armatures préfabriquées peuvent ensuite être insérées entre les mannequins, puis le béton peut être coulé de manière classique. « Du fait de la fragilité de l’argile crue et du faible espace séparant les armatures des mannequins, nous ne pouvions pas vibrer le béton. C’est pour cela que nous utilisons un béton autoplaçant (BAP), dont la grande fluidité lui permet de se placer dans le coffrage de manière homogène ».

Une fois la poutre démoulée, l’argile qui les constitue – recyclable « à l’infini » – est réduite en poudre puis réinjectée directement dans le process de fabrication d’autres mannequins.

Une ACV comparative…

Outre l’économie de matériau et l’industrialisation de la fabrication, la validation opérationnelle du procédé passait également par une évaluation environnementale rigoureuse. Pour cela, l’équipe a comparé, à travers une analyse de cycle de vie (ACV), l’empreinte carbone d’une poutre optimisée préfabriquée en usine avec un BAP, à celle d’une poutre de référence, en l’occurrence une poutre pleine en béton « ordinaire » préfabriquée sur chantier. De nombreux facteurs entraient en ligne de compte dans le calcul, dont les émissions liées à la logistique – distance entre l’usine de préfabrication et le chantier pour l’une, distance entre la centrale à béton et le chantier pour l’autre… – et celles liées à la production des matériaux. « Pour pouvoir comparer un BAP, contenant une forte proportion de ciment, et un béton « ordinaire » coulé en place,  nous avons développé une méthodologie qui permet, pour chacune de ces deux familles, de trouver les formulations les plus performantes vis-à-vis de deux indicateurs – l’impact sur le changement climatique (réduction des émissions de GES), et la quantité de ciment substitué par des liants hydrauliques équivalents (laitiers de hauts-fourneaux, cendres volantes…).  Au final, nous avons retenu deux formules parmi celles qui obtenaient un score optimal vis-à-vis de ces deux indicateurs ».

…donne une longueur d’avance aux poutres optimisées

L’ACV comparée a donné ses premiers résultats: « Les performances environnementales des poutres optimisées deviennent significatives à partir d’une réduction de 30 à 40% des quantités de béton, synthétise Sébastien Maitenaz. A titre d’exemple, une réduction de 35% du volume de béton pour des poutres moyennement et peu ferraillées (190 kg/m3 et 120 kg/3) conduit à des réductions d’émissions de GES respectives de 10 % et 30%.

Ces chiffres consolidés ont été calculés pour un chantier « théorique » moyen. La prochaine étape du projet, accompagnée par le lab recherche environnement VINCI ParisTech, consistera à paramétrer le modèle environnemental pour l’adapter aux chantiers « réels », en prenant notamment en compte les distances existantes séparant les sites des centrales à béton et des usines de préfabrication.

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