Classement des structures Démarche de conception

Éléments pour la stratégie de conception Qu’entend-on par structure ?

fiche technique n°1 Typologie des structures
Un classement rationnel
Classement opérationnel des
structures

1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 Configurations géométriques -
Portiques
3 Configurations géométriques -
Voiles et dalles
4 Configurations géométriques -
Voûtes et coques
5 Le béton armé, principes
mécaniques
Fine colonne creuse supportant
7 Le béton précontraint
une coque, Meiso no Mori. ©Toyo Ito
& associates, Architects.
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Introduction 6 Normalisation européenne sur le
La conception d’une structure est le processus qui, inscrit dans une démarche de projet d’architecture, vise la béton
production d’un schéma structurel qui conduit à une construction stable, peu déformable, résistante, et aussi
réalisable. Il s’agit d’une activité de l’esprit par laquelle on forme des projets. Nous apportons dans cette fiche
quelques éléments de réflexion sur la démarche de conception. Nous proposons ensuite 2 principes de
A L N P T V
classement des structures, ce qui permet de faire un panorama des typologies.

1 Démarche de conception

Le processus de conception transforme les informations données sur le projet d’architecture ou crées par ce
projet -les entrées du processus de conception de la structure- en informations pour le projet sommaire de la
structure -les sorties-. Au cours du processus, certaines informations restent fixes – elles constituent donc un
ensemble de données pour la conception de la structure –, d’autres subissent des évolutions ou sont générées à
nouveau – constituant ainsi les variables du processus –.

L’existence d’entrées qui peuvent être variables donne au processus sa nature itérative.

Données et recherches qui guident la conception

Avant toute recherche de solution, il est primordial d’examiner les données disponibles. Elles sont fournies par le
maître d’ouvrage ou par d’autres canaux. Elles résultent aussi du dialogue entre architectes et ingénieurs, entre
volonté architecturale et limitations structurelles, environnementales ou économiques.

Programme et exigences du maître d’ouvrage : programme architectural, durée d’utilisation du projet,

conditions du sol, cibles environnementales, enveloppes budgétaires, parfois conditions de maintenance, etc. ;

Environnement du projet de la structure : règlements, conditions climatiques, autres conditions particulières

dictées par l’environnement naturel (par exemple zone sismique), offre de technologie et matériaux, conditions
de chantier ;

Figure 1a. Arche naturelle. ©SCD Figure 1b. Les arcs des ponts de Gateshead. ©SCD

Recherche formelle de la structure : expression architecturale recherchée (explicitée sur la base de critères
perceptifs, donnant lieu éventuellement à une conception architecturale a priori de la structure), Influence de
l’expérience du concepteur de la structure sur le résultat ;

Cahier d’informations sur la structure : schémas structurels et principes de portée, choix et propriétés des
matériaux, moyens de modélisation et de représentation, résultats de la modélisation et représentation, moyens
d’analyse de la structure et des fondations, résultats de l’analyse, méthodes de fabrication et de mise en œuvre,
nouvelles méthodes et innovations industrielles, coût et temps de la construction estimés ;

Produits de la créativité : solutions s’appuyant sur l’état de l’art et les innovations. L’objectif du processus de
conception de la structure est un cahier d’informations sur la structure décrit ci-dessus, mais ces informations ne
sont pas les seules sorties du processus, car l’évolution de l’expression architecturale et l’innovation sont des
retombées possibles de la démarche de conception.

2 Qu’entend-on par structure ?

Figure 2. Compression et flexion Torre del Bramante.

L’architecture se développe dans un cadre si riche de contraintes que les techniques nécessaires à sa réalisation
deviennent, comme tout autre art, langage et expression. Ces contraintes dérivent du fait que l’homme construit
pour des besoins fonctionnels, même si ce n’est pas la seule motivation. Habiter, se déplacer, communiquer sont
des activités qui requièrent des supports construits. La ville, la ligne de transport ou de communication
nécessitent des structures adéquates pour fonctionner. Si on regarde en détail chaque édifice, on voit qu’il est
muni d’une structure expressément conçue pour répondre aux besoins fonctionnels qui sont à son origine.

La structure est une fonction de la construction: concevoir la structure d’un édifice signifie projeter l’édifice de
sorte que ses performances soient appropriées aux besoins sous les actions prévues. On ne peut pas projeter
l’un sans penser à l’autre. Dans certains cas on ne peut même pas distinguer concrètement la structure du reste
de la construction (pensez aux toiles tendues, nappes de câbles, tensegrités, structures pneumatiques, voûtes et
voiles en béton, constructions en maçonnerie ou en terre).

L’analyse séparée de chaque fonction de l’architecture, et donc de la structure, et son étude finalisée à
l’obtention des performances souhaitées est une méthode efficace de travail – dont il ne faut pas nier
l’importance, la puissance et la fécondité –, mais cette analyse n’est pas en elle même conception architecturale.

Dans son rôle de médiateur entre actions répertoriées et performances demandées, la fonction structurelle est
normalement conçue sur la base de quelques principes :

Economie de moyens. Obtenir les performances demandées avec la démarche de projet et le système
constructif les plus simples, en donnant à ce terme le sens de ce qui est plus utilisé dans des contextes
analogues ;

Décomposition et ordre morphologique. L’ensemble est obtenu à partir d’éléments dont le fonctionnement
est appréhendé sur la base de modèles simples; l’association de ces éléments réalise un système d’ordre
supérieur, dont le fonctionnement peut à nouveau s’appréhender simplement. Par exemple une ossature
peut être décomposée en portiques qui, à leur tour, se composent de poutres et poteaux: le premier
niveau d’ordre morphologique du système est celui des poutres et poteaux, le deuxième celui des
portiques et le dernier est l’ossature ;

Hiérarchisation des éléments, contrôle de la redondance. Entre éléments porteurs et éléments portés
existe une relation d’ordre hiérarchique qui permet la distinction d’une structure primaire, secondaire,
etc. On introduit éventuellement de la redondance au sein des différents niveaux (qui demeurent
distincts). Une structure n’est jamais simplement définie par la donnée d’un matériau et d’un volume
plein composé de ce matériau ;

Aptitude au montage. Une structure est un assemblage qui doit se construire. Les conditions aux limites
et les joints composent la structure au même titre que les éléments de structure proprement dits, la
logique constructive de l’ensemble fini résulte aussi de la logique du montage.

Figure 3. Voûte en brique sur une source. ©SCD

La question fondamentale dans le travail de conception est le rapport entre les coûts et les avantages. La
contrainte économique est en effet le plus souvent la contrainte principale dans la réalisation d’une œuvre. A
cause de cette limitation, il n’est pratiquement jamais possible qu’une structure soit conçue pour qu’elle résiste
sous n’importe quel événement pour une durée illimitée. concevoir la structure signifie donc essentiellement
faire les choix qui permettent, dans les limites des coûts admissibles, l’obtention des performances minimales
requises pour que la structure puisse fonctionner sous un ensemble prévisible et raisonnablement limité
d’actions extérieures.
3 Typologie des structures

Parmi les entrées du processus de conception on trouve l’expérience du concepteur. Les différents choix
demandées par la conception d’une œuvre sont orientés par les individus qui partagent ce processus en fonction
de leurs connaissances. C’est par ce biais que le substrat culturel du concepteur émerge.
Pour s’orienter dans cette phase très importante de la conception, il est utile de se référer à des archétypes de
structures et de s’appuyer sur une vision organisée du champ du possible par rapport à l’expérience acquise. Un
classement typologique des structures est alors utile.
On peut d’ailleurs s’interroger sur le rôle d’un tel classement dans un univers dominé par l’ordinateur: pourquoi
réduire la structure à un ensemble d’objets élémentaires, alors qu’il existe des moyens de calcul numérique
capables de tout modéliser sans avoir recours à ces schémas réductifs ? Les diverses réponses à cette question
confirment la priorité de la capacité de synthèse de l’ingénieur sur les outils d’analyse: il faut diriger les choix de
modélisation, aller au delà des capacités prédictives, forcement limitées, des modèles et, surtout, comprendre la
structure pour l’exprimer en tant qu’élément d’architecture.

4 Un classement rationnel

Une structure est, avant tout, une forme géométrique par laquelle transitent des forces. Par conséquent, les
structures sont souvent classées en fonction de la nature des efforts intérieurs et des dimensions
caractéristiques de leur géométrie.

Dimensions Compression Effort normal Traction seule Flexion

seule ou efforts (avec autres
membranaires efforts)

1D Piliers, colonnes, arches Barres Câbles (haubans ou Poutres

caténaires),
cerclages

1D+ (*) Remplages et rosaces, Poutres treillis, Nappes de câbles, Ossatures,

systèmes arche-arc-boutant- treillis spatiaux, systèmes câble grillages, grid
pilier, voûtes à nervures dômes en treillis porteur-tirant- shells, nexorades,
stabilisation fermes

2D Murs, piles, contreforts, Voiles et coques Toiles Dalles, coques

voûtes minces épaisses

2D+ (*) Murs et contreforts Systèmes à

facettes,
- -
systèmes plissés,
caissons

(* éléments 1D qui forment des structures 2D ou 3D)

(** éléments 2D qui forment des structures 3D)

La première colonne est le propre des structures réalisées en pierres de taille, maçonnerie, adobe, terre armée
ou non et tout autre système ayant une résistance à la traction faible ou nulle (au moins suivant une direction).
Bien sûr, on peut se servir d’éléments soumis à la compression seule qui sont aussi capables de résister à la
traction.

Dans la deuxième colonne, on énumère les structures unidimensionnelles sous efforts de traction ou
compression (lignes 1D et 1D+ du classement), et les structures bidimensionnelles soumises à traction,
compression et cisaillement dans leur plan (lignes 2D et 2D+).

Dans la troisième colonne, on signale les structures simplement tendues. En analogie avec les structures
simplement comprimées, on conçoit souvent les structures simplement tendues comme de compositions
d’éléments non résistants à la compression. Néanmoins, dans le cas le plus courant, les deux catégories
d’éléments non résistants à la traction ou à la compression diffèrent par la cause qui engendre ce manque de
résistance : une loi constitutive du matériau dans le premier cas, ce qui est le cas du béton non armé (cf. fiche
béton armé) et une instabilité géométrique dans le deuxième, c’est-à-dire l’apparition du phénomène de
flambement.

La quatrième colonne contient les structures dont les éléments sont principalement fléchis et éventuellement
soumis à d’autres efforts intérieurs. Il faut noter que la flexion peut se manifester comme effort parasite dans les
autres cas de figure, mais dans les cas de cette colonne, c’est le mode de déformation primaire.

Figure 4a. Pilier de La Sagrada Familia. ©SCD Figure 4b. Colonnes Ajanta. ©SCD
 Figure 4c. Arche de pont en pierre. ©SCD Figure 4d. Haubans du viaduc de Millau. ©SCD

Piliers, colonnes et arches

Il s’agit d’éléments ayant une dimension dominante sur les deux autres (ce qui permet de définir une ligne d’axe
– droite ou courbe – et de sections droites). Les contraintes de compression normales aux sections droites
n’étant pas nécessairement également reparties, même en l’absence d’une résistance sensible à la traction ces
éléments peuvent être vus comme des poutres capables d’exprimer des efforts normaux de compression, des
efforts tranchants et des moments de flexion. En ce sens, la seule différence entre les types d’éléments cités est
à rechercher dans la courbure de leur ligne d’axe, laquelle doit être conçue pour ce type de structure en fonction
du chargement.

Figure 5. Arc boutant. Photo d.r.

Remplages et rosaces
Il s’agit d’assemblages plans de piles et arches (mais aussi d’autres éléments géométriquement plus complexes),
propres de l’architecture gothique, étendus normalement sur un plan vertical qui contient la ligne d’axe (ou le
plan) de tout élément de l’ensemble. La différence de dénomination n’est pas liée à une différence de
fonctionnement structurel.

Figure 6a. Voûte d’arêtes. ©SCD Figure 6b. Voûte nervurée. ©SCD

Murs et voûtes
Dans ces cas, deux dimensions dominent sur la troisième, le matériau étant toujours éventuellement incapable
de reprendre de la traction suivant l’une des directions du plan de la structure (pour les murs), ou de son plan
tangent (pour les voûtes).. La différence des deux types de structure est donc dans leur forme et dans la nature
des appareillages (en généralisant ce terme aux différents systèmes constructifs non résistants à la traction), le
comportement mécanique des voûtes étant en tout cas plus complexe que celui des murs, à cause du rôle
attribué à l’effet de coque sur la tenue de l’ensemble (cf. fiche coque). Les murs en béton armé peuvent
évidemment reprendre des tractions dans leur plan.
 Figure 7a. Treillis du viaduc de Sylans. ©RLR Figure 7b. Treillis spatiaux Gare de Satolas. ©NN

Figure 7c. Treillis détail Gare de Satolas. ©NN

Poutres treillis, treillis spatiaux, dômes en treillis

Il s’agit de structures composées de barres liées par des articulations ou des rotules à leurs extrémités et
chargées seulement aux nœuds, de telle façon que tout élément de l’ensemble ne soit que comprimé ou tendu.
Avec le terme « treillis » on se réfère aux structures ainsi composées ayant forme de poutre, avec « treillis
spatiaux » aux assemblages en forme de dalle et avec « dôme treillis » à ceux en forme de voûte.
L’assemblage en treillis permet donc de construire des structures complexes en partant d’éléments simples
comme les barres.

Figure 8a. Voiles du Musée d’helsinki. ©SCD Figure 8b. Voile courbe Musée Barcelone. ©SCD

Figure 8d. Coque Grin Grin. ©Toyo Ito & associates,

Architectes.

Figure 8c. Coupole du Panthéon. ©SCD

Voiles et coques minces

Il s’agit d’éléments de structure continus, dans lesquels une dimension est négligeable face aux deux autres, au
point qu’on néglige toute hétérogénéité de l’état de contrainte dans l’épaisseur (état de contrainte
membranaire). La différence entre les deux types est dans la forme de la surface qui caractérise la géométrie de
la structure, plane pour les voiles et courbe pour les coques minces.
 Figure 9a. Couverture soufflerie de l’ENPC, grid shell, Figure 9b. Couverture soufflerie de l’ENPC, grid shell,
©doc enpc ©doc enpc

Ossatures, grillages, grid shells, nexorades

Toutes ces structures sont composées de poutres (donc d’éléments capables d’exprimer des efforts intérieurs à 6
composantes – 3 forces et 3 moments), mais les différents assemblages jouent sur des interactions différentes
entre poutres voisines :

Dans une ossature on exploite surtout l’interaction flexion–flexion entre poutres convergentes dans un
seul nœud ;

Dans un grillage on exploite surtout l’interaction flexion–torsion entre poutres convergentes sur un nœud
avec directions différentes (et flexion-flexion entre poutres ayant la même direction ;

Dans un grid shell c’est l’interaction entre efforts normaux et tranchants qui joue le rôle dominant, les
poutres étant, tant que possible, découplées en flexion ;

Dans une nexorade l’interaction se fait grâce aux raideurs en flexion, mais elle se fait essentiellement
dans le but de transmettre des efforts normaux, fléchissant et tranchants ;

Dans une ferme on exploite essentiellement l’interaction effort normal–effort normal, mais la flexion et
l’effort tranchant entrent en jeu de façon parasite à cause du chargement reparti sur les éléments et des
assemblages; de plus, les nœuds d’une ferme sont souvent le lieu d’états de contrainte tridimensionnels ;

On peut voir un classement par efficacité de la liaison entre poutres dans ces quatre types de structures,
l’interaction directe flexion-flexion étant celle qui permet de mieux repartir l’énergie élastique du
système.

Dalles et coques épaisses

La distinction est la même que pour les voiles et les coques minces, mais ici l’épaisseur est plus importante et on
doit en tenir compte, car, en plus des efforts membranaires, le comportement en flexion de ces structures doit
être considéré.

Ce classement est utile pour l’analyse des structures, mais il a le désavantage de ne pas être en relation avec les
performances, ce qui le rend peu utile dans un processus de conception. Ainsi un classement opérationnel peut
être proposé.

5 Classement opérationnel des structures

Du point de vue des performances

En vue d’un classement plus détaillé, organisé sur des bases opérationnelles, on rappellera que l’on demande
aux structures des performances précises vis-à-vis de :

La stabilité
La résistance aux actions prévues ;
La déformabilité limitée sous ces actions ;
La stabilité de leur équilibre compte tenu de leur déformabilité ;
D’autres critères comme par exemple leur comportement sous sollicitations dynamiques (réponse en
fréquences)

Stratégies

Quelque soit la performance demandée, on voit que le classement présenté précédemment ne suggère pas de
pistes de projet. Pour ce faire, on peut partir de ce classement, mais ajouter l’information sur les stratégies qui
peuvent être entreprises pour optimiser les performances de la structure.

On peut classer ces stratégies en quatre catégories :

La géométrie, les liaisons et les matériaux sont appropriés pour fournir les performances demandées ;
Ces conditions ne sont pas remplies sans la mise en place d’un état d’autocontrainte (précontrainte) ;
Idem, mais on fait appel à un chargement dominant généré par le poids propre ;
Idem, mais on fait appel à un chargement extérieur dominant autre que le poids propre.

La première catégorie est celle des structures « standard ». Lorsqu’on veut projeter des structures comme dans
la première et la troisième colonne du classement précédent, on doit forcément choisir une stratégie alternative.

La mise en place d’un état d’autocontrainte est une technique souvent employée pour contrecarrer les effets
nocifs de l’unilatéralité du comportement de certains éléments de structure (ainsi le béton peut être
précomprimé pour qu’il travaille toujours en compression (cf fiche béton précontraint) ou un câble peut être
prétendu pour éviter sa détension) et aussi, mais moins souvent, pour augmenter la déformabilité d’un système
(c’est le cas des nappes de câbles). La précontrainte peut aussi servir à la stabilisation d’un système, autrement
cinématiquement indéterminée. C’est le cas des structures en tenségrité.

La troisième catégorie représente les structures en pierre ou en maçonnerie qui, ayant une très faible résistance
à la traction, s’appuient sur leur poids propre important pour spécialiser le chargement extérieur. Il ne faut pas
confondre cette stratégie avec une pratique de lestage, qui en représente en fait une dégénération.

Enfin, d’autres actions extérieures que la gravité peuvent être prises en compte pour dominer les fluctuations
propres du chargement. Par exemple, on peut citer les structures pneumatiques, dans lesquelles la mise en
place d’une pression permet de contrôler l’état de contrainte.

Figure 10a. Nappe de cables du stade de St Ouen. Photo

d.r.

Figure 10b. Voile plissé de l’unesco. ©RLR

Figure 10c. Toile tendue du Zénith. ©SCD

Classement

On présente la grille qui correspond au croisement du classement rationnel avec les stratégies d’optimisation
données ci-dessus. Il est intéressant de noter qu’il existe un certain nombre de croisements qui ne sont pas
porteurs d’exemples construits.

Dans le tableau qui suit on liste, pour chaque stratégie, les éléments de structure 1D, mixtes et 2D.

Stratégie Compression Compression Traction Flexion

seule et traction seule + compression et
traction

Standard - Barres suspentes Poutres

- Treillis divers - Ossatures diverses

- Voiles et coques minces - Dalles, coques

épaisses

Autocontrainte Piles et arches Barres précontraintes Câbles Poutres

maçonnées avec (tendons) précontraintesPoutres
câbles de préc., avec contreflèche
platebandes

Remplages et rosaces Treillis précontraints, Nappes de Ossatures

tenségrités, voûtes câbles précontraintes
synclastiques avec arches et anticlastiques
câbles

Murs et voûtes Voiles et coques minces Toiles Dalles et coques

précontraintes précontraintes anticlastiques précontraintes

Poids Piliers… arches - Câbles Poutres sous tendues

dominant (caténaires)

Remplages et rosaces Treillis divers sous tendus Nappes de Ossatures

câbles entralacées
synclastiques

Murs, voûtes - - Dalles sous tendues

Pneumatiques - - - Poutres tenségrités

- - Toiles et
-
câbles

- - Toiles
-
synclastiques
BIBLIOGRAPHIE

Rémy Mouterde, François Fleury, (2007) Comprendre simplement la résistance des matériaux - La structure,
principes et enjeux de la conception, , Editions du Moniteur, Paris.

André Coin, (1991), Ossature des bâtiments - Bases de la conception, différentes catégories d’ouvrages
élémentaires, annexes sur l’isolation et la sécurité, Eyrolles, Paris.

René Walther, Julien Tréleani, (1993), Construire en béton, synthèse pour architectes, Presses polytechniques et
universitaires romandes. Lausanne, épuisé.

Construire avec les bétons, (2000) collection « technique de conception », Editions du Moniteur, Paris.