Activités sur un support issu de l’Architecture et Construction.

Cette activité a été conçue pour les enseignants STI2D. Elle permet d’aborder l’analyse du besoin, les fonctions d’une construction architecturale, et les réponses technologiques apportées en rapport avec un cahier des charges.

Ces activités peuvent être réutilisées avec des élèves pour aborder l’énergie, les matériaux, les comportements la représentation volumique, et un grand nombre de points du programme de STI2D.

De nombreuses municipalités sont chargées d’entretenir des écoles et groupes scolaires. La modernisation des cantines fait l’objet d’études précises pour concevoir les projets les plus adaptés aux besoins et aux contraintes.

On se propose ici d’étudier la réponse d’une cantine scolaire aux besoins des usagers.

La cantine étudiée se situe près de Toulouse dans le groupe scolaire LES PRES de la ville de BLAGNAC.

L’objectif de l’étude est d’analyser un bâtiment dédié à la restauration des élèves en référence avec la norme NF X 50-220 datée de octobre 2011. Nous en profiterons pour élargir l’étude à d’autres thèmes.


Ce TD comporte 5 parties :

Sommaire

Extrait de la norme NF X 50-220 de octobre 2011 1

Partie 1 : Manipulation d’une maquette 3D 1

Partie 2 : Etude de l’agencement des pièces dans la cantine. 2

Partie 3 : Etude de l’éclairage de la pièce avec le logiciel Dialux 3

Partie 4 : Etude thermique d’une salle 4

Partie 5 : Etude de l’acoustique de la salle 7

Partie 5 : Etude mécanique du auvent d’accueil 8



On s’attachera à montrer comment on peut contrôler les exigences prescrites par la norme, en s’arrêtant sur celles mises en caractère gras et en italique (page suivante)


Pour toute question concernant ce document : cedric.dziubanowski@ac-nancy-metz.fr

Extrait de la norme NF X 50-220 de octobre 2011


Indice de classement : X 50-220


Éditée et diffusée par l’Association Française de Normalisation (AFNOR) — 11, rue Francis de Pressensé — 93571 La Plaine Saint-Denis Cedex

Tél. : + 33 (0)1 41 62 80 00 — Fax : + 33 (0)1 49 17 90 00 — www.afnor.org


ICS : 03.080.30


3.2 Aménagement des locaux

3.2.1 Conception

Exigences

La conception ou la réhabilitation du restaurant scolaire doit faire l’objet d’une réflexion partagée avec toutes les parties intéressées (représentants des familles, enseignants, personnel, convives, élus, etc.).

En plus des critères réglementaires, le cahier des charges de la conception ou réhabilitation doit contenir

des éléments permettant :

  • de privilégier les critères d’éco conception ;

  • de favoriser un éclairage naturel ;

  • de permettre l’absence de courant d’air à l’intérieur du restaurant ;

  • d’éviter l’attente sous les intempéries au moment des entrées/sorties des convives, par la présence

d’un sas d’accès par exemple ;

  • de prendre en compte le niveau d’autonomie des convives.


Recommandations

Il est recommandé que les collectivités territoriales de rattachement élaborent un référentiel type de

construction/réhabilitation du restaurant scolaire afin d’harmoniser l’offre sur l’ensemble des restaurants

scolaires de son territoire.

Pour les projets neufs ou les restructurations, il est recommandé de situer le restaurant scolaire dans

l’enceinte des établissements pour éviter les déplacements.


3.2.2 Restaurant scolaire

3.2.2.1 Agencement


Exigences

La surface par place assise doit être au minimum de 1,4 m2.

Cette surface se calcule avec l’ensemble des circulations et des espaces dédiés au service des convives

(hors zone technique d’approvisionnement du self) de la façon suivante :

  • pour le service à table : surface linéaire de la salle à manger divisée par le nombre de places assises » ;

  • pour le libre service : surface linéaire de la salle, moins la surface linéaire technique occupée par la distribution des plats et le tri de la vaisselle, divisée par le nombre de places assises. La surface technique doit comprendre une bande de 1 m nécessaire à la circulation à proximité des linéaires ;

  • avec pour toutes les salles : retrait des surfaces dédiées aux meubles de rangement, aux lavabos, au stockage de mobilier ne servant pas, aux espaces aménagés pour d’autres activités, aux porte manteaux, etc.


L’aménagement du restaurant scolaire doit intégrer une organisation des tables en petits espaces conviviaux mais permettant une surveillance générale sans obstacle visuel contraignant.


Les critères à prendre en compte pour l'agencement doivent être les suivants :

  • surveillance et accompagnement des convives facilités ;

  • lutte contre le bruit ;

  • convivialité.

Partie 1 : Manipulation d’une maquette 3D

Ce TD a pour objectif de vous faire découvrir la manipulation et l’exploitation possible sur une maquette 3D.

Vous pouvez utiliser ce type de maquette pour contextualiser en enseignement transversal une étude sur le besoin et les fonctions, une étude de structure, de domotique ou une étude énergétique.

La maquette 3D fournie a été réalisée à la demande de la ville de Blagnac qui modélise désormais en 3D ses bâtiments publics. Cette maquette modélise une cantine issue du groupe scolaire « Les prés », bâtiment numéroté 13 ci-contre. Les modèles 3D de ces bâtiments ont été réalisés avec le logiciel AUTODESK REVIT et gracieusement mis à disposition des enseignants pour la réforme STI2D. Vous en trouverez d’autres sur le site internet de l’école d’architecture de Toulouse. http://lra.toulouse.archi.fr/club-des-usages

Ouvrir le fichier « 020-03-RESTAURATION2_2011 », il est possible qu’à l’ouverture vous ne voyez pas votre modèle 3D.

La fenêtre se compose de plusieurs zones fonctionnelles :

Vous pouvez déplacer la vue en manipulant avec la souris le cube situé en haut à droite.

Si vous ne voyez pas votre maquette, cliquez deux fois sur une face du cube et le logiciel vous montre l’intégralité de votre maquette dans le plan choisi. Vous retrouvez l’orientation de votre bâtiment (Nord, Sud …)

Vous pouvez faire tourner en 3D la maquette en cliquant sur l’icône .

Il est cependant plus pratique de vous déplacer dans la maquette 3D par translation en utilisant la molette de souris avec la touche Ctrl enfoncée, ou par rotation en enfonçant à la place la touche Shift.

Vous devez maintenant voir la cantine en 3D, et nous allons lemasquer le toit afin de voir la distribution des espaces fonctionnels dans ce bâtiment.

Dans l’arborescence à gauche, effectuer un clic droit pour MASQUER le volume de pièce intitulé « Terrasse non accessible ». On masque en fait un volume translucide qui permet de calculer la surface et le volume des pièces. Pour cela, cliquer sur le toit et par un clic droit, appliquer la fonction MASQUER.

On voit désormais apparaitre les cloisons et l’agencement des locaux dans la maquette.

Vous observerez des volumes translucides qui occupent les pièces, ils représentent les volumes d’air délimités par une pièce. On peut les grâce à ces volumes nommer les pièces, estimer leurs surface et volume, et exploiter ces données pour des calculs thermiques ou autres.

Cliquez maintenant sur une pièce (un volume translucide) afin de connaitre le nom de cette pièce. Attention à ne pas cliquer sur un mur.

Vous voyez apparaitre une fenêtre de propriétés sur la droite qui vous donne diverses informations sur la pièce sélectionnée.

En répétant plusieurs fois ces manipulations, vous serez rapidement capable de naviguer et d’explorer une maquette BIM (Building Information Model).

Note : il est aussi possible d’utiliser d’autres formats de maquette numérique, comme le format ouvert IFC.

On se propose maintenant d’étudier les contraintes réglementaires qui pèsent sur la construction d’un bâtiment à proximité de ce groupe scolaire. Attention, le règlement actuel est sûrement différent de celui en vigueur à la construction du groupe LES PRES.

Retrouver sur Mappy la vue satellite du groupe scolaire LES PRES à BLAGNAC. (31700). Cliquer sur la figurine jaune à gauche de l’écran et la déplacer sur la photo sans relâcher. Les voies de circulation vont être marquées en bleu.

Déposer la figurine jaune sur la route devant l’école et attendez que la vue bascule sur une vue des façades.

Vous pouvez étendre la carte en dessous pour partager l’écran en deux pour déplacer votre point de vue.



REMARQUE : Il est donc possible de travailler avec des élèves sur des supports AC distants.


Partie 2 : Etude de l’agencement des pièces dans la cantine.

Retrouvez sur la maquette 3D l’affectation des différents locaux et leur surface. Compléter le plan vide fourni ci-dessous en hachurant en rouge les espaces dédiés aux élèves, en vert celui dédié au personnel de la cuisine, en bleu les autres espaces. Indiquez le nom de chaque pièce et sa fonction.


Déterminez la surface de la salle de réfectoire et indiquez combien d’élèves peuvent manger en même temps pour respecter la norme NF X 50-220.


Le plan avec l’affectation des surfaces est donné en correction pdf, ainsi qu’en fichier original RVT (Revit)



Partie 3 : Etude de l’éclairage de la pièce avec le logiciel Dialux

On se propose maintenant d’étudier l’éclairage dans le réfectoire.

Ouvrir le logiciel DIALUX et sélectionner « NOUVEAU PROJET D’INTERIEUR »

Dans le menu fichier, importer le fichier GbXML nommé « 020-03-RESTAURATION_2011_GbXML.xml » . Ce fichier a tout simplement été exporté de REVIT à partir de la même maquette de la cantine, en même temps que le fichier DWFX utilisé précédemment.

Ce format de fichier a été inventé pour récupérer des géométries complexes à partir des modeleurs, et les envoyer dans des simulateurs d’éclairage ou de thermique.

A l’import, il est possible que des messages préviennent d’erreur de géométrie, on pourra les corriger ultérieurement.

Vous venez de récupérer la géométrie du bâtiment dans le logiciel DIALUX.

Sur la gauche, l’explorateur vous liste toutes les pièces du bâtiment, et on va pouvoir préciser les types de revêtements muraux, des sols et plafonds, les types de fenêtres et de luminaires. Tous ces réglages vont permettre de calculer et simuler les effets de propagation, diffusion, réflexion de la lumière naturelle et artificielle.

Le calcul de lumière naturelle impose de localiser le projet. A partir du géoportail (www.geoportail.fr ), on récupère les coordonnées géographiques du projet.

Et on peut les définir dans DIALUX dans le gestionnaire de projet à gauche.

On sélectionne la pièce dans laquelle on souhaite réaliser la simulation (ici REFECTOIRE ½ PENSION) et on EDITE LA PIECE après un clic droit. On récupère la géométrie de la pièce, la position des ouvertures etc …







On a maintenant la possibilité de redéfinir la position des fenêtres, ajouter des éléments dans la pièce qui pourraient influer sur la transmission lumineuse (poteaux, murets …), ainsi que tous les revêtement de toutes les surfaces (murs, plafond, sol …)

On peut sélectionner dans l’arborescence à gauche un mur et une fenêtre dans le mur. Celle-ci se met en surbrillance en bleu sur le plan et on peut changer ses caractéristiques en direct.

Renommer Bosen (sol), Decke (plafond) et Nutzebene (plan de travail)

La lecture des messages d’erreur à l’import, la lecture du répertoire des fenêtres du réfectoire, ainsi que la visualisation du plan sur DIALUX montrent que les baies vitrées du réfectoire n’ont pas été correctement importées, il est nécessaire de remettre les baies vitrées en sélectionnant « FENETRES ET PORTES » dans l’explorateur.

Pour réaliser une étude de lumière de jour, il faut cliquer sur « INSERER UN DECOR DE LUMIERE ARTIFICELLE » (un ciel artificiel calibrant l’éclairage extérieur) et activer l’option « TENIR COMPTE DE LA LUMIERE DE JOUR »









Il faut aussi indiquer quelles surfaces ou points doivent être calculés en insérant dans le modèle une localisation du calcul. (point, surface ou trame de calcul)

On peut sélectionner tous les calculs ou simulations qu’on souhaite réaliser dans l’explorateur.


Lancer le calcul dans le menu à droite.


Dans le menu FICHIER, cliquer sur APERCU et récupérer les résultats. On peut ainsi obtenir les valeur d’éclairement moyens ou à une date précise et déterminer les besoins en éclairage artificiel.

Les simulations d’éclairage artificiel se réalisent de la même manière en insérant des éclairages paramétrables et en simulant. Des bibliothèques de fournisseurs de systèmes d’éclairages sont téléchargeables gratuitement sur internet et permettent même d’évaluer les consommations énergétiques.

Partie 4 : Etude thermique d’une salle

Le contrôle du confort thermique de la cantine nécessite de réaliser un bilan des apports et des pertes thermiques dans le local afin de compenser les pertes par un apport avec des émetteurs de chaleur (radiateurs …) ou de compenser les apports.

La salle de restauration doit être maintenue pendant le repas des élèves (de 11h à 14h) à une température confortable (20°C mini, 30°C maxi en été), mais elle n’a pas besoin d’être maintenue dans ces consignes en dehors des plages horaires d’utilisation.

L’étude réelle est complexe car la température extérieure n’est jamais constante et les flux de chaleur ne le sont donc pas. De même les apports solaires varient au fur et à mesure de l’année et de la journée, et les matériaux accumulent de la chaleur pour la redistribuer lentement par la suite. De même, les apports d’énergie interne, notamment par l’occupation des usagers est aussi irrégulière.

Des logiciels de calculs dynamiques existent pour les bureaux d’études (Climawin, FISA …). Le plus simple à utiliser en STI2D est Archiwizzard (Il permet aussi de réaliser des simulations d’éclairage naturel).

Ce logiciel n’étant pas disponible dans tous les établissements, nous utiliseront un tableur pour évaluer les pertes thermiques du local. Ces pertes (Puissance en Watts) devront pouvoir être équilibrées par des radiateurs ou un plancher chauffant.


L’objectif du TD est d’identifier les parois qui sont soumises à un flux de déperdition thermique (parois qui donnent à l’extérieur) et de quantifier ces pertes.Une_thermographie_pour_l_agglo_de_Bellegarde.jpg






La résistance thermique Ri d’une paroi (i) dépend de l’épaisseur de la paroi (ei) et de sa conductivité thermique (). La valeur de la résistance est donnée par la relation .eps_etic_ti721_0171i2.jpg

La différence de température entre l’intérieur (20°C par exemple) et l’extérieur (0°C par exemple) impose un flux surfacique de transfert de chaleur φ tel que .

En fonction des matériaux et des conductivités thermiques, on peut donc évaluer dans un tableau les déperditions qui s’observent sur les parois d’un local.

Evaluer pour le local de restauration les pertes thermiques en une journée, pour un écart de température de 20°C entre l’extérieur et l’intérieur.

Attention : le calcul précis fait également intervenir leséchanges par convetion, les pont thermiques ainsi que les pertes par renouvellement d’air.

Activités pratiques à réaliser sur la thermique de votre salle de classe :

(Les 5 activités suivantes ont été tirées d’un document gracieusement fourni par Nicole LAXALT, professeur de génie civil au lycée EIFFEL de Talange)

Activité 1 : Mesure de la température de surface

  1. Mesurer la température ambiante de la salle de classe.

  2. A l'aide de la caméra thermique, capturer une image des 4 parois de la pièce (paroi courante, pas de radiateur, pas de porte...)

  3. Transférer ces images sur ordinateur (logiciel Testo)

  4. Pour chaque image, faire apparaître le point chaud et le point froid, faire apparaître l'histogramme des températures et lire la valeur moyenne.

  5. Comparer vos observations sur les 4 parois de la salle de classe.

  6. Sortir mesurer la température extérieure.

  7. Filmer la façade du bâtiment (au niveau de la salle de classe) et capturer une image.

  8. Transférer cette image sur ordinateur, faire apparaître le point chaud, le point froid, l'histogramme des températures et lire la valeur moyenne.

  9. Après analyse, que peut-on déduire de ces mesures ?


Activité 2: La convection

  1. A l'aide de la caméra thermique, capturer une image d'une paroi intérieure (toute hauteur, largeur indifférente).

  2. Transférer cette image sur ordinateur, faire apparaître le point chaud et le point froid.

  3. Etablir le profil de température le long d'une ligne verticale.

  4. Conclusion ?


Activité 3: Les déperditions

  1. Analyser l'image suivante (qui se trouve dans l'espace élèves) :









  1. Où se situe la principale déperdition ?

  2. Que remarque-t-on sur le pignon de la maison au centre de l'image ?

  3. Qu'y a-t-il à cet endroit (au point de vue technologique : éléments porteurs) ?

  4. Pourquoi cette déperdition ? Faire un croquis en coupe.

  5. Comment va-t-on appeler cette zone remarquable ?

  6. Proposer une solution pour régler le problème et l'illustrer sur un schéma.


  1. Par la fenêtre, filmer l'internat à la caméra thermique, capturer une image de la façade et la transférer sur l'ordinateur. Effectuer une analyse rapide (non écrite).

  2. Si ce TP n'est pas effectué le même jour que le TP n°1, mesurer les températures intérieure et extérieure.

  3. Dehors, filmer l'internat de face et le plus près possible.

  4. De retour en classe, transférer l'image capturée et établir un rapport d'analyse :


Activité 4 : Diagnostic d'un bâtiment

Observer attentivement l'image suivante (fournir une image provenant du lycée):









  1. Reconnaissez-vous ce bâtiment ?

  2. Que remarquez-vous sur le pignon ?

  3. Trouver une explication technologique à ce phénomène.

  4. D'après vous, ce bâtiment est-il correctement isolé thermiquement?


Activité n°5 : Les ouvertures

  1. A l'aide de la caméra thermique, capturer plusieurs images des ouvertures de la salle de classe :

  1. Transférer ces images sur ordinateur, faire apparaître les points chauds et les points froids.

Consigner les différentes observations dans une synthèse.

Partie 5 : Etude de l’acoustique de la salle

On souhaite savoir s’il est nécessaire de réaliser une correction acoustique dans cette salle de cours. Les exigences réglementaires sont multiples et on ne s’intéressera ici qu’au temps de réverbération, qui est un paramètre qui qualifie la facilité qu’on les sons à se mélanger, et à générer du brouhaha.

Le temps de réverbération est le temps qu’il faut à un bruit pour voir son énergie sonore diminuer de 60 décibels.

Plus les matériaux des parois d’une salle sont absorbants (laine, moquettes …) et disposés en grande quantité, plus le temps de réverbération sera faible. Les matériaux absorbent différemment les sons graves, aigues ou médiums, il est donc nécessaire de vérifier que toutes les fréquences sont suffisamment atténuées. La réglementation impose que le temps de réverbération ne soit pas trop important en fonction de l’usage de la pièce.

On distingue trois types de fréquences : les fréquences graves (de 20 à 400 Hz), les fréquences médium (de 400 à 1 600 Hz),les fréquences aiguës (de 1 600 à 20 000 Hz). Dans le bâtiment, on ne retient que 6 groupes de fréquences, chacun d’eux ayant une fréquence centrale. Ces 6 groupes ou bandes de fréquences, appelés octaves, sont centrés sur 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 000 Hz, 2000 Hz et 4 000 Hz.


Le temps de réverbération pour chaque bande de fréquences (ou d’octave) doit respecter les limites suivantes

RECOMMANDATIONS PAR TYPE DE PIÈCE

Éducation

Temps de réverbération(tr)

Salle de classe

0,4 < Tr < 0,8 s.

Salle de restauration V > 250 m³

Tr <1,2 s.

Santé


Salle de restauration V < 250 m³

Tr < 0,8 s.

Local d'hébergement et de soins

Tr < 0,8 s.

Salle de repos

Tr < 0,5 s.

Bureau

Tr < 0,8 s.

Bureau


Bureau individuel

Tr < 0,7 s.

Bureau collectif

Tr < 0,6 s.

Espace ouvert V > 250 m³

0,6 < Tr < 0,8 s.

Restaurant V > 250 m³

Tr < 1 s.


longueur de pièce


largeur de pièce


hauteur de pièce


Surface de parois vitrées


Nombre de sièges


Nombre de portes


Volume de la pièce


Compléter le tableau ci-contre qui permet de quantifier les surfaces d’absorption acoustique de la pièce.








Plusieurs formules permettent d’évaluer le temps de réverbération en fonction des conditions (volume de la salle, géométrie …). Pour des salles de dimension réduite (sans phénomènes d’écho …), la formule de Sabine est couramment employée.

Pour l’utiliser, on calcule le Volume V de la pièce, et la surface totale d’absorption acoustique (somme des surfaces affectées du coefficient α d’absorption acoustique).

On donne les coefficients d’absorption ci-dessous pour les différents matériaux de la salle.

On considère que les murs sont en plaque de plâtre ainsi que le plafond (hors correction acoustique). Le sol est en carrelage. Le nombre de sièges sera celui qui correspond à une occupation minimale, à savoir 60 personnes.



125

250

500

1000

2000

4000

carrelage

α

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

0.01

plaque de plâtre

α

0.01

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

verre

α

0.35

0.25

0.18

0.12

0.07

0.04

plafond plaque de plâtre

α

0.01

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

plafond acoustique avec plénum

α

0.35

0.4

0.6

0.8

0.9

1

porte bois

α

0.3

0.2

0.2

0.1

0.07

0.04

siège plastique

α

0.35

0.45

0.5

0.5

0.5

0.45

siège plastique + personne assise

α

0.55

0.7

0.8

0.9

0.9

0.9


A partir de la géométrie de la salle de réfectoire et des matériaux en présence, établir une feuille de calcul sur tableur permettant de calculer à l’aide de la formule de Sabine le temps de réverbération de la salle de réfectoire.

Déterminer s’il est nécessaire de prévoir une correction acoustique pour cette salle de réfectoire.

Expérimenter les conditions de réverbération acoustiques de la salle

Le temps de réverbération se mesure simplement avec un ordinateur équipé d’un microphone qui trace l’enregistrement du bruit dans le temps.

On utilise un ordinateur équipé d’un microphone, et du logiciel Praat qui permet d’enregistrer l’évolution du niveau sonore en fonction du temps.

On crée un bruit fort en claquant 2 morceaux de bois l’un sur l’autre. Le niveau va ainsi monter brusquement, puis décroître. C’est cette baisse qui nous intéresse.

Activité :

- Lancer le logiciel Praat, puis faire « New » « Record Mono Sound ». Laisser l’échantillonage à 44100Hz et faire « Record ». Parler devant le micro pour vérifier que l’enregistrement se fait bien.

- Ensuite, claquer fortement les 2 pièces de bois dans la pièce, mais pas trop près du micro pour ne pas le faire saturer. De plus, on veut créer un niveau général dans la pièce et non localement près du micro.

- Répéter le claquement 3 fois.

- Arreter l’enregistrement. Donner un nom et faire « Save to list », puis « close ».

- Dans la fenêtre « Praat Objects » sélectionner votre enregistrement et sélectionner « Edit » Sélectionner avec la souris la partie intéressante en faisant « View selection ». On voit la courbe du niveau en fonction du temps.

Vous pouvez écouter ou stopper l’écoute en appuyant sur la touche Tab.

Vérifier que l’option « show intensity » est activée afin de voir les niveaux d’intentité en dB.

On voit que la décroissance du niveau se fait au début selon une droite : c’est la pente de cette droite qui nous intéresse.

- Placer la souris sur le début du bruit et relever les valeurs (temps, niveau en dB). Ici (29.488 s – 82.76 dB) Il faut noter les coordonnées de 2 points sur cette droite, assez éloignés.

- Noter les coordonnées d’un point en bas de pente. Ici (29.768 s – 55.71dB)

- Calculer la pente de la droite pour chacun des 3 bruits

- Calculer dans les 3 cas le temps nécessaire à une diminution de 60 dB

- Evaluez le temps de réverbération par la moyenne des 3 temps précédents.

(remarque : ce logiciel n’est pas capable de donner le Tr par bande d’octave, il faut un logiciel professionnel. De même, les micros doivent être étalonnés. La méthode donnée ici donne cependant une bonne évaluation du Tr.

Travaux Pratiques STI2D d’évaluation du coefficient d’absorption d’un matériau.

Choisir une salle très réverbérante (carrelage + béton + vitrages, au moins Tr > 2,5 ou 3) et disposer par terre au moins 10 m2 de matériau à évaluer. Mesurer le Tr qui a du décroitre, et calculer le coefficient d’absorption du matériau.

Partie 5 : Etude mécanique du auvent d’accueil

On envisage de protéger l’entrée des élèves pendant les récréations par un auvent métallique. On vous demande de vérifier si la structure prévue résistera aux charges appliquées.

La surface au sol de l’abri doit permettre d’accueillir au moins 5 élèves, l’auvent sera donc réalisé par deux portiques rectangulaires qu’on imagine en premier lieu en HEB 140 espacés de 3m, dont un sera accolé à l’entrée du réfectoire. Leur hauteur sera de 3m également. On s’interroge sur les liaisons à choisir en pied de poteau pour la liaison au sol.

Des pannes de type IPE 120 sont envisagées en pré-étude leur portée sera donc de 3m. On souhaite vérifier si la flèche est admissible, inférieure à 1/300 ème de la portée.

On dimensionnera cet abri soumis à une charge verticale de neige de 20 daN/m2 qui devra s’ajouter au poids propre de la structure et à la couverture en bacs acier de 30 daN/m2. On ne vérifiera pas ici sa stabilité horizontale (vent, chocs …) ainsi que les problèmes de soulèvement en cas de vent s’engouffrant sous le auvent.

Les fondations en béton sont prévues de dimension 60cm x 60cm x 40cm de haut, et ne devront pas transmettre plus de 0.2 Mpa de pression au sol (contrainte maximale admissible du sol en compression).

La masse volumique de l’acier est de 7800 kg/m3 et celle du béton armé de 2500 kg/m3.

Nous utiliserons pour cette étude le logiciel PYBAR réalisé par Philippe Lawrence, enseignant en génie civil au lycée Cantau à Anglet (64). Ce logiciel est téléchargeable ici http://open.btp.free.fr/?/pyBar

Descente de charges

Les structures de bâtiment sont tridmensionnelles et l’étude mécanique peut vite être complexe. Des modèles simplifiés permettent de gagner du temps et d’obtenir des résultats avec une bonne précision.





Si on lit la chaine en sens inverse, on lit « QUI PORTE QUI ». C’est une sorte de CHAINE STRUCTURELLE.

On va commencer par étudier les constituants de début de chaine, et déterminer quelles actions mécaniques ils exercent sur ceux qui les portent.


On va maintenant simplifier le problème en essayant de le rendre plan.


La couverture pèse 30 daN/m2 (kg/m2) et reçoit la neige qui pèse au maximum 20 daN/m2. Le poids est une charge permanente qu’on va noter « G », et la neige est une charge climatique variable qu’on va noter « S » (snow).


Les pannes IPE 120 sont espacées de 1.60 mètres. La panne la plus sollicitée reprend donc une largeur de toiture de 1.60 mètre. Quels sont les efforts dimensionnants pour cette panne ?


Il faut calculer la charge maximale par unité de longueur reprise par la panne la plus sollicitée : (G=1.60 x 30 daN/ml et S=1.6 x 20 daN/ml)


On souhaite maintenant déterminer les efforts qui s’exercent sur les deux portiques. Ils supportent les efforts concentrés des 5 pannes. donc une largeur de toiture de 1.60 mètre. Quels sont les efforts dimensionnants pour ces portiques ?


Il faut donc déterminer les actions exercées par chaque panne sur le portique. Cette résolution se réalise ici simplement par l’application du Principe Fondamental de la Statique, on propose de le résoudre à l’aide d’un logiciel Opensource : Pybar.


Découverte du logiciel.

Ouvrir le logiciel Pybar afin d’ouvrir un fichier existant dans le répertoire d’installation. Sélectionnez et ouvrez le fichier nommé « PONT1TRAVEE-CHARGES-PONCTUELLES.DAT »

Vous voyez apparaitre une barre horizontale posée sur deux triangles.

Ceci est une modélisation mécanique d’une pont à une seule travée posé sur deux appuis (deux culées).

On considère que le fonctionnement du pont est contenu dans un plan vertical, cette modélisation ne tient donc pas compte de tous les effets tridimensionnels qu’on pourrait rencontrer (torsion du tablier par exemple). Mais ce modèle à barres plan suffit pour débuter une étude, et est également applicable aux pannes du auvent .


On va maintenant découvrir comment modifier les paramètres de ce modèle (géométrie, matériaux) ainsi que les forces mécaniques appliquées sur ce modèle mécanique.

Cliquer sur le calepin « EDITEUR DE DONNEES »

Une fenêtre s’ouvre contenant 8 onglets qu’on va devoir renseigner pour définir la simulation:




Utilisons ce modèle pour simuler le comportement de la panne du auvent, réalisé en poutrelles acier de limite élastique 235 MPa et de type IPE 120, en appui sur deux portiques espacés de 3m.

Dans l’onglet NŒUDS modifier la position du nœud 2, la définir à 3 m du nœud 1. Toute modification dans l’éditeur doit être suivie d’un clic sur « ENREGISTRER » pour garder les modifications apportées.


Dans l’onglet BARRE, vérifier que la barre B1 va bien du nœud 1 au nœud 2 et que la barre est droite. On peut modéliser également des arcs pour les voutes par exemple.


Dans l’onglet LIAISONS, vérifier que le nœud 1 est articulé par rapport au sol, et le nœud 2 en appui simple. Vous pouvez varier les configurations pour étudier l’effet des liaisons. On peut aussi imposer un déplacement pour simuler par exemple le tassement d’une fondation sur une structure.


Définissons la géométrie de la poutre dans l’onglet GEOMETRIE. L’onglet est complété mais on ne sait pas ce que représentent ces valeurs en terme de choix de profilé.




On va définir la poutre pour représenter un profil IPE 120. Par défaut toutes les barres (on met * dans la liste) sont définies mais on ne connait pas le profilé. Cliquer sur le dossier en haut de l’éditeur afin d’ouvrir la librairie de profilés.

Sélectionner un profilé IPE 120 dans la librairie et cliquer sur le doigt dans l’éditeur pour affecter ce profilé a votre barre.

On peut aussi remplacer l’astérisque par le nom de la barre B1.


On voit que la barre B1 est maintenant caractérisée par un profilé IPE 120.


On contrôle que le module de YOUNG de l’acier est correct, cette valeur caractérise la rigidité de notre matériau. On peut l’exprimer en GigaPascals si on change les unités dans le premier onglet.

On ouvre l’ongle des cas de chargements. On peut définir différents types d’actions mécaniques (forces ponctuelles, réparties, trapezoidales, sur des nœuds, dilatation thermique …)

Le modèle par défaut comporte 8 cas, d’une force verticale descendante de 1000 N (soit environ 100Kg) placée à un mètres d’intervales. On va observer ces résultats mais en supprimant les cas 4 à 8 puisqu’on a réduit la poutre à 3m de portée.



On ouvre maintenant l’onglet COMBINAISONS

On a la possibilité d’associer des combinaisons de cas de charge afin d’observer les effets combinés par exemple du poids de la structure et de la neige, ou du vent qui soulève le toit avec le poids de la structure.

On peut aussi mettre en place des coefficients de pondération sur les charges.

Ce type de combinaison de charges est la base du calcul réglementaire des structures aux Eurocodes. Cependant un grand nombre de coefficients et calculs viennent compliquer l’étude réglementaire. On reste ici sur une approche simplifiée.

On nommera toujours « G » le POIDS PROPRE et « Q » les charges d’exploitation (variables)

Enregistrer, fermer l’EDITEUR et retourner sur la fenêtre de PYBAR. Cliquer successivement sur DESSINE LES NŒUDS, LES BARRES, et LE CHARGEMENT pour contrôler la modélisation.


Selectionner successivement les cas de charges et les combinaisons d’action pour contrôler le paramétrage.


Le paramétrage de la simulation étant validé, on va pouvoir recueillir des résultats qu’on pourra analyser. Recueillons ces résultats en cliquant sur les îcones. Chaque valeur peut être amenée à devoir respecter le cahcier des charges.

Selectionner « TRACER LES INCONNUES DE LIAISON ». Ceci vous affiche la résulution de l’équilibre de la structure et vous donne la résolution par le Principe Fondamental de la Statique. Le logiciel traite également les structures hyperstatiques. Ces valeurs vous donnent les efforts que les pannes transmettent aux portiques.


Selectionner « EFFORT NORMAL N», ici on indique si la barre est tendue ou comprimée. Dans ce cas elle est juste fléchie.


Superposez le chargement à votre diagramme en réalisant un clic droit sur le diagramme. Ceci est valable pour tous les diagrammes.



Selectionner « EFFORT TRANCHANT » . En déplaçant votre souris sur les barres, vous accédez à la valeur de l’effort tranchant V. Cette valeur est utilisée par exemple pour prévoir les risques d’écrasement de l’âme de la poutre sur les appuis.



Selectionner « MOMENT FLECHISSANT » et rechercher la valeur maximale du moment. Cette valeur et sa position nous indique quelle est la zone la plus sollicitée par la flexion et avec quelle intensité..




Positionnez-vous sur la poutre horizontale et par un clic droit, OUVREZ LA FENETRE DES BARRES


Une fenêtre apparait et vous permet de sélectionner la barre étudiée (ici il n’y en a qu’une) ainsi que la position de la section affichée. Elle vous donne la répartition des contraintes normales dans une section verticale de la barre.

Ces valeurs sont utilisées pour vérifier que les matériaux ne sont pas trop sollicités (le béton par exemple fissurerait aux alentours de 2 Mégapascal. (ici on est à 1.51 MPa sur le diagramme ci contre).

L’acier lui commence à se plastifier dès qu’on se rapproche de sa limite élastique (ici 235 Mpa). On prend toujours des coefficients de sécurité sur les limites des matériaux, de valeur entre 1 et 2 suivant les cas, ces coefficients sont donnés par les règlements Eurocodes.

Pour vérifier la résistance des matériaux, on se placera toujours dans les sections les plus sollicitées, d’où la nécessité de connaitre ces sections grâce aux diagrammes de sollicitations.




En superposant les cas de charges et combinaisons, on affiche l’ENVELOPPE DES SOLLICITATIONS, c’est-à-dire les valeurs maximales de sollicitations atteintes en chaque point quelque soit le chargement appliqué.


Actionner maintenant l’icône de menu « AFFICHER LA DEFORMEE ».

Le logiciel trace la structure déformée. Pour une panne la flèche admissible est de 1/300 ème de la portée.

Ici la panne fait trois mètres on a donc l’autorisation d’avoir une flèche de 1cm, et on observe une flèche de 0.76 cm.

Le profilé IPE 120 serait adapté en terme de rigidité aux chargements que nous sommes en train de simuler.

Dans le menu AFFICHAGE, sélectionnez AFFICHER LES EQUATIONS . Le logiciel vous donne les équations des diagrammes affichés.

Vous pouvez ainsi entrer ces équations dans un tableur pour effectuer d’autres tracés ou d’autres calculs.




A tout moment vous pouvez superposer plusieurs diagrammes en effectuant un clic droit sur un diagramme et choisissant « AJOUTER UN DIAGRAMME ».


Ouvrez le fichier « DILATATION THERMIQUE.DAT » et superposez les trois diagrammes ci-contre, le chargement, la déformée et le moment fléchissant.



En cliquant sur le calepin et l’équerre dans un diagramme vous pouvez choisir son échelle d’affichage.

Ouvrez le fichier PORTIQUE SIMPLE et affichez les 5 diagrammes (chargement, N, V, M et la déformée)


VOUS AVEZ MAINTENANT PRESQUE TOUT CE QU’IL VOUS FAUT POUR VERIFIER LE AUVENT … !!!!