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La conception des structures (calcul statique et conception) est une spécialité très avancée du génie civil. Il s’agit d’un ensemble de méthodes et d’outils qui garantissent la résistance sûre et économique d’une structure. Les ingénieurs qui effectuent des calculs et des projets statiques réalisent une analyse structurelle pour déterminer les forces internes et externes qui affectent la structure, puis conçoivent la structure avec les matériaux et les renforts appropriés pour répondre aux exigences.

En tant que disciplines professionnelles, il existe une relation étroite entre l’architecture et les ingénieurs en structures (ingénieurs en structures). Alors que les architectes sont généralement chargés de concevoir les caractéristiques visuelles et fonctionnelles impressionnantes d’un projet, les ingénieurs structurels se concentrent sur la résistance, la durabilité et la sécurité de leurs conceptions.

Principes de base de la conception structurelle (calcul statique et projet)

Les ingénieurs qui effectuent des calculs statiques et des projets combinent les principes de base de la conception structurelle avec une solide formation en physique et en science des matériaux pour s’assurer que les structures sont construites de manière à résister aux charges et aux forces auxquelles elles seront confrontées au cours de leur utilisation.

Les ingénieurs civils qui conçoivent des structures pour des projets de construction doivent savoir résoudre les problèmes. Les décisions prises par les ingénieurs structurels au cours de la phase de conception structurelle du projet ont une incidence sur tous les aspects, depuis le coût et la durée du projet jusqu’à la sécurité et la viabilité finales de la structure.

1- Sélection des matériaux appropriés

La sélection de matériaux de construction appropriés est l’une des responsabilités les plus importantes de la conception d’un projet statique. La capacité d’une structure à résister aux forces internes et externes et à maintenir son équilibre et sa stabilité dépend des propriétés du matériau dont elle est constituée. Les ingénieurs qui effectuent des calculs et des projets statiques sélectionnent les matériaux sur la base d’une série de propriétés quantifiées qui permettent de prédire leurs performances dans les applications de construction.

• Résistance : mesure de la capacité d’un matériau à résister aux contraintes et aux charges appliquées.
• La ténacité, une mesure de la quantité d’énergie au niveau de la fissuration/fragmentation d’un matériau.
• Fragilité, le contraire de la satiété, la fragilité
• Élasticité : mesure de la capacité d’un matériau à s’étirer et à revenir à son état initial.

La plasticité mesure la capacité d’un matériau à subir une déformation permanente. La déformation plastique se produit lorsqu’un matériau est étiré au-delà de sa capacité à revenir à sa forme normale. Les métaux, plus résistants que d’autres matériaux frangibles comme le verre, changent de forme permanente lorsqu’ils se fissurent.

2- Suivi de l’analyse structurelle

Les ingénieurs structurels (ingénieurs en structures) sont principalement concernés par la sécurité et la stabilité des structures qu’ils conçoivent. L’analyse structurelle est le principal outil utilisé par les ingénieurs structurels pour s’assurer qu’une structure peut résister aux différents types de forces auxquelles elle sera soumise au cours de son fonctionnement normal.

L’ingénieur civil qui conçoit un héliport construit sur une haute structure doit garantir que la plate-forme ne s’effondrera pas sous le poids de milliers de kilos. En plus du poids propre de la charge d’hélicoptère sur le bâtiment existant, il doit avoir effectué des vérifications de résistance basées sur les effets dynamiques de l’héliport. Un ingénieur structurel qui conçoit une voie ferrée doit utiliser un matériau qui ne sera pas endommagé lorsqu’un wagon de 30 tonnes passera sur les rails.

Les ingénieurs civils examinent trois propriétés des forces lorsqu’ils effectuent une analyse structurelle :

L’ampleur : L’ampleur de la force appliquée à la structure.

Direction (sens de la force) : un vent fort agit sur le côté du bâtiment, tandis qu’une lourde charge de neige agit vers le bas dans le sens de la gravité. Différents matériaux et systèmes de durabilité sont nécessaires pour neutraliser les effets des différents types de forces.

Position (Position) : La position sur laquelle la force agit. Les ingénieurs structurels doivent évaluer les effets des forces prévues non seulement sur l’ensemble du bâtiment, mais aussi sur chacune de ses parties.

3-Les éléments structurels doivent rester stables

La stabilisation des éléments structurels est un principe structurel important pour maintenir la stabilité des structures.  La première étape consiste à s’assurer, grâce à l’ingénierie géotechnique, que le sol constitue une fondation solide pour la construction. Une fondation solide permet de garantir que la structure elle-même est immuable et qu’elle résistera aux forces extérieures.

Pour qu’une structure reste stable, la somme des forces qui agissent sur elle doit toujours être nulle. Cependant, les ingénieurs civils savent que des forces externes seront appliquées à la structure pendant son fonctionnement. Il s’agit notamment des charges vives, telles que les occupants et le mobilier, et des charges environnementales, telles que le vent, la neige et les tremblements de terre.

Dans tous les cas, une conception structurelle efficace (calcul et conception statiques) exige des ingénieurs civils qu’ils s’assurent que le bâtiment peut absorber les effets des forces extérieures et maintenir sa propre stabilité. Tout comme les branches d’arbres non pliées se brisent sous l’effet du vent, une structure qui ne peut pas absorber les forces extérieures sera vulnérable aux dommages et à l’instabilité.

Conclusion

Lorsqu’un bâtiment très haut doit être conçu, de nombreux éléments doivent être pris en compte, qu’il s’agisse des matériaux à utiliser ou des risques auxquels le bâtiment sera confronté. La largeur et la hauteur de sa façade l’exposeront à des vents violents et il y aura un risque de renversement en cas de tremblement de terre.

Si la conception prévoit une construction en béton ou en acier, il sera nécessaire d’analyser les propriétés de ces deux matériaux pour voir comment ils affecteront la sécurité du bâtiment. En examinant les propriétés de la construction en acier, on se rend compte que l’acier est plus flexible. L’acier peut être étiré de 15 % jusqu’à ce qu’il atteigne le stade de la rupture, alors que le béton, en tant que matériau fragile et ondulé, présente peu de plasticité et se rompt dès que le seuil de contrainte élastique est dépassé. Dans ce cas, l’acier sera choisi comme matériau de construction, car le matériau qui ne se fracture pas sous l’effet de la tension est considéré comme une meilleure option.

La conception structurelle (calcul statique et conception) joue un rôle important dans la sécurité et l’économie des projets de construction. Cette tâche importante est réalisée par des ingénieurs qui effectuent des calculs et des projets statiques. Ils utilisent l’analyse structurelle pour garantir la sécurité, la stabilité et la performance de la structure, pour évaluer les forces agissant sur la structure et pour sélectionner les matériaux qui résisteront efficacement à ces forces.

Les ingénieurs structurels conçoivent des bâtiments, des tours, des tunnels, des ponts et d’autres types de structures en appliquant avec succès les connaissances et les principes de la physique et de la science des matériaux.