Concrete structure of the Stata Center, MIT.Frank O. Gehry, Architect. Unité 15. Architecture et Environnements construits : Matériaux pour le bâtiment Il y a des notes dans ce cadre à chaque diapositive Les 23 Unités de Cours de 2011 Sujet Numéro Nom Découvrir et Afficher les Informations Unité 1 The materials and processes universe (Les matériaux et l'univers des procédés) : familles, classes, membres, attributs Unité 2 Materials charts (Diagrammes de propriétés des matériaux) : cartographie de l'univers des matériaux Propriétés des Matériaux Unité 3 The Elements (Table des Eléments naturels ) : Origines des propriétés, tendances et interrelations Unité 4 Manipulating Properties (manipulation des propriétés) : Chimie, Microstructure, Architecture Unité 5 Designing New Materials (créer de nouveaux matériaux) : Combler les espaces vides des frontières des propriétés des matériaux. Séléction Unité 6 Translation, Screening, Documentation (Traduction, sélection et documentation) : Le premier pas d’une sélection optimisée. Unité 7 Ranking (hiérarchiser) : Affiner le choix Unité 8 Objectives in conflict (Objectifs en conflit) : Méthode de négociation et fonctions pénalisantes Unité 9 Matériauand shape (matériaux et formes) Unité 10 Selecting processes (sélection de procédés) : Mise en forme, assemblage et traitement de surface Unité 11 The economics (Le point de vue économique): modélisation économique pour permettre une séléction Développement Durable Unité 12 Eco Selection : L’outil “eco audit “ Unité 13 Advanced Eco design (conception écologique avancée) : sélection systémique des matériaux Unité 14 Low Carbon Power (énergies à basse empreinte carbone) : Emploi des matériaux et de l’intensité des ressources Sujets Spéciaux Unité 15 Architecture and the Built Environment (Architecture et l’Environnement Construit) : matériaux de construction Unité 16 Structural sections (formes types des structures) : l’action des formes Unité 17 CES EduPack Bio Edition : Matériaux implantables naturels et fabriqués. Unité 18 Materials in Industrial design (les matériaux en conception industrielle) : Pourquoi les consommateurs achètent-ils des produits ? Enseignements et Recherches avancés Unité 19 Advanced Databases (Base de données avancées) : Niveau 3 Standard, Aérospatial et Polymères Unité 20 Hybrid Synthesizer (synthétiser des matériaux hybrides) : Modéliser des composites, des structures cellulaires et des panneaux sandwich. Unité 21 Database creation (création de bases de données) : Emploi de CES Constructor dans les recherches. Unité 22 Research (recherche) : CES Selector et Constructor Unité 23 Campus : aperçu général de cette base de données des polymères commerciaux

Bibliographie et ressources Sommaire Pourquoi les architectes pourraient-ils être intéressés par les matériaux ? La base de données CES pour l’Architecture et les Environnements construits (actuellement seulement en Anglais) Contenu et mode d’emploi de cette base de données Exercices pratiques Bibliographie et ressources Textes : “MatériauArchitecture – emergent materials for innovative buildings and ecological construction” by John Fernandez, Architecture Press, Elsevier, Oxford, UK, 2006 ISBN 0-7506-6497-5. Software: The CES EduPack Database for Architecture and the Built Environment, Granta Design, Cambridge UK, 2011

Pourquoi les architectes ont ils besoin de savoir beaucoup sur les matériaux ? Révolution Post-industrielle- ETFE (et des milliers d’autres…) Centre spacial, Leicester, Angleterre N. Grimshaw Architecte Révolution Pré-industrielle Pierre, bois, verre,… York Minster, York, UK. Angleterre Pourquoi les architectes ont ils besoin de savoir beaucoup sur les matériaux ? La première raison est évidente : les bâtiments et l’industrie de la construction ont changé fondamentalement depuis ces quelques 7 siècles passés. Parmi ces changements, sont les nombreux nouveaux matériaux capables d’être employés dans les bâtiments contemporains ; nouveaux alliages d’aluminium, structures composites, adhésifs , résines synthétiques ou polymères (comme l’ETFE, sur la photo ci-dessus à droite) et autres.

Les produits finis, mais pas les matériaux ? Aujourd’hui, les architectes et les ingénieurs en structures indiquent les produits finis qu’ils emploient, mais pas les matériaux. Les architectes et les scientifiques du bâtiment gèrent essentiellement des produits finis, dont la plupart combinent plusieurs matériaux. Les performances de ces produits dépendent des propriétés des matériaux dont ils sont faits. Une connaissance professionnelle des propriétés des matériaux peut aider le concepteur à coordonner des comportements prévisibles avec des besoins fonctionnels – et l’ignorance de ceux-ci peut conduire à manquer des opportunités ou à effectuer des choix erronés. Verre laminé (ou feuilleté) à faible émissivité thermique (Low-E) : Le verre laminé est un assemblage de deux ou de plusieurs feuilles de verre et d’une ou plusieurs couches d’intercalaires, généralement de type polyvinyle butyrale ou PVB. Il rejete 99% des UV solaires. Verre laminé à faible émission thermique (Low “E”) Gypse et panneaux composites de fibre de verre employés comme protection extérieure

Matériaux peu communs employés dans de nouveaux produits - 1 Institute of Contemporary Art, Boston, MA. -USA - Diller + Scofidio, Architects. Les nouveaux matériaux peuvent donner de l’élan à de nouvelle architecture – mais il appartient à la culture des concepteurs de tirer avantages des matériaux non-conventionnels. Dans ce bâtiment, l’emploi de verre à “angle sélectif”, tout autour de l’espace de la galerie principale du volume en porte-à-faux, conduit à une vision et des comportements fonctionnels uniques. Le verre à angle sélectif vous permet de décider quel sera l'angle de « vision claire » à travers le panneau de verre sélectif. L’apparence du verre change de transparent à obscur, ou translucide quand vous changez de votre angle de vue. Verre à angle sélectif

Matériaux peu communs employés dans de nouveaux produits - 2 Beaucoup des matériaux employés ici sont peu familiers aux concepteurs Simmons Hall Student Dormitory, MIT, USA. Steven Holl, Architect. Beaucoup de matériaux employés actuellement sont nouveaux et peu familiers aux architectes. Des matériaux, comme le mastic en silicone, des revetements organiques, les composites, le béton à haute résistance, etc. ont leurs origines dans les laboratoires des entreprises, et sont vendus directement aux fabriquants. Les photos ci-dessus montrent le film d’EPDM adhésif et étanche qui réside sous la couverture en aluminium de l’immeuble achevé, comme celui de la photo de gauche. Couverture en “peau d’Aluminum”, ... Film d’EPDM, adhésif et étanche

Matériaux peu communs employés dans de nouveaux produits - 3 Appartements, Munich, Germany. Thomas Herzog, Architect. Certains de ces nouveaux matériaux ont la capacité de nous faire changer de point de vue sur les bâtiments et leurs systèmes internes. Les aérogels de silice, par exemple, sont non seulement d’excellents isolants thermiques, mais ils sont translucides – permettant ainsi la conception de murs-rideaux de verre à hautes performances, avec une bonne inertie thermique tout en fournissant généreusement la lumière du jour à ses occupants. Insertion d’Aerogels de Silice ... Murs translucides avec inertie thermique (~isolation thermique)

Matériaux peu communs employés dans de nouveaux produits - 4 Cathédrale de Los Angeles, USA. Rafael Moneo Architect Stata Center, MIT, USA. F.O. Gehry Architect L’évolution exige de prendre en compte les indicateurs de performances écologiques et environnementales, comme l’énergie intrinsèque, la toxicité, le potentiel de recyclabilité, le renouvellement, etc. Le souhait d’un bâtiment de très longue durée de vie, comme la cathédrale de Los Angeles ci-dessus, a conduit au choix d’un béton à haute densité, avec des barres de renforts en acier inox. Ce qui promet une durée de vie sans maintenance d’au moins 500ans. La conception architecturale est une discipline sans repos, engagée dans une recherche perpétuelle de nouvelles formes, et de nouveaux procédés pour les créer. Le Stata Center, ci-dessus, est un exemple de formes insensées, obtenues par la diversité de l’acier inox, de feuilles de métal composites de titane revêtues de zinc, et d’un maillage d’adhésifs polymères et de mastic silicones. En plus, l’enveloppe externe a été subtantiellement obtenue par des méthodes de calculs informatiques (CAM - Computer Assisted Manufacturing ), qui recquéraient l’emploi de mousses légères et d’autres matériaux pour réduire le poids du transport de grands panneaux de fenêtres. Béton à haute densité, avec renforts en acier inox Acier inox, recouvert de zinc, de titane, et de mastics polymères

Les 4 systèmes semi-autonomes Fonctions Transmettre les charges verticales aux fondations horizontales Résister aux efforts dynamiques du vent ou autre, et aux grandes énergies comme les tremblements de terre Assurer une grande durée de vie Superstructure Contrôler la circulation de l’air de la chaleur de l’eau liquide, comme de la vapeur les transferts de radiations Assurer une séparation acoustique Envelope Externe Délimiter les espaces intérieurs Fournir des zones climatisées distinctes des zones acoustiquement séparées des surfaces finies Assurer la santé et la sécurité de ses occupants Système Intérieur Les bâtiments contemporains s’appuient sur les performances des systèmes semi-autonomes du bâtiment entier (superstructure, envelope externe, système intérieur, services communs). Chaque système assure un ensemble particulier de fonctions. La liste complète de ces fonctions dépend de la taille et du type de bâtiment (résidentiel, bureaux, industriel,…). La liste est longue et exige des comportements qui ne peuvent être satifaits qu’avec la maitrise des propriétés de chaque classe : mécanique, thermique, optique, électrique, acoustique, écologique et environnementale, etc Services communs Fournir chaleur et froid à ses divers espaces interieurs une ventilation adéquate une lumière artificielle et naturelle un contrôle de l’humidité une évacuation de l’eau et des déchets

Les 4 systèmes exigent des matériaux divers Fonctions Matériaux Transmettre les charges verticales aux fondations horizontales Résister aux efforts dynamiques du vent ou autre, et aux grandes énergies comme les tremblements de terre Assurer une grande durée de vie Béton armé Fonte et alliages d’aciers Bois Briques, céramiques de terre battue Pierre Contrôler la circulation de l’air de la chaleur de l’eau liquide, comme de la vapeur les transferts de radiations Assurer une séparation acoustique Verre Aluminum Silicone, neoprene, époxy Fibres isolantes, et des mousses Bitumes, fibres de verre Délimiter les espaces intérieurs Fournir des zones climatisées distinctes des zones acoustiquement séparées des surfaces finies Assurer la santé et la sécurité de ses occupants Panneaux de particules de bois (agglo) Plâtre renforcé de Polymères Résines et autres polymères Tissus, fibres naturelles Carrelages, terre cuite, briques La mise en correspondance de ces fonctions avec des matériaux spécifiques aboutit à la diversité des solution employées dans les bâtiments actuels. Jusqu’à peu, la plupart de ces matériaux étaient à bas prix, et de perfomances médiocres. Mais, avec l’accroissement de la spécialisation des assemblages dans les systèmes propres aux bâtiments, (comme la récuparation de chaleur dans les maisons à “basse énergie”, ou des enveloppes externes à haute performances, ou les éclairages à semi-conducteurs [DELS] par exemple), des matériaux plus exotiques sont dignes d’intérêts (comme la mousse d’aluminium stabilisée –SAF-, une catégorie de mousse métallique pour les échangeurs thermiques). Fournir chaleur et froid à ses divers espaces interieurs une ventilation adéquate une lumière artificielle et naturelle un contrôle de l’humidité une évacuation de l’eau et des déchets Feuilles de métal galvanisé (+zinc) Colles et rubans adhésifs Isolants électriques polymères Matériaux d’échanges thermiques Tuyaux de cuivre et de PVC

La base de données CES pour l’Architecture File Edit View Select Tools Window Help Feature request Barres d’Outils Browse Search Find what: Look in table: Univers des Matériaux Lamellé collé Search Select Print Univers des Matériaux Béton, Pierre, Céramique, Brique….. + Bois, Contreplaqué, Lamellé collé, Bambou, Paille… Métaux, Ferreux et Non-ferreux Polymères : Elastomères, Thermoplastiques… Composites Mousses, Tissus et fibres Table : Univers des Matériaux Subset : Architecture La base de données CES pour l’Architecture a une fenêtre de consultation comme ceci. Ouvrir l’arborescence de classification des matériaux permet d’accéder aux diverses fiches. Les fiches peuvent être trouvées également par la fonction “Search”. Ces deux outils Browse et Search sont détaillés dans la leçon 1

Architecture et Environnements construits Extrait d’une fiche type (remise en forme) : Sandstone La base de données CES pour l’Architecture comprend 126 fiches de matériaux et 109 de procédés. Les fiches de matériaux, dont ceci est un exemple, sont illustrées au possible avec des exemples d’applications en architecture, et contiennent des propriétés significatives pour la conception des bâtiments. Il y a des fiches pour tous les nouveaux matériaux cités précédemment – ETFE, EPDM et Aérogel – et bien d’autre. Les propriétés uniques de cette base de données sont cerclées de rouge ci-dessus. Depuis la version 2009, la BDD Architecture et Environnements construits, inclut des informations écologiques pour les matériaux qu’elle cite.

Qu’est-ce qui est différent de CES Edupack ? Contenu : Niveau 2, étendu 127 fiches de matériaux mettant l’accent sur leur emploi dans la construction Images où “l’environnement construit” est possible... Plus de catégories de bétons Plus de catégories de briques, tuiles et carrelages Plus de fibres, de contreplaqués et d’agglomérés Plus de matériaux pour l’isolation Critères additionnels (62 critères de contrôle) Propriétés mécaniques en cintrage Propriétés Hygro-thermique Propriétés Acoustiques Durabilité en atmosphères variées La base de données CES pour l’Architecture et les Environnements Construits diffère de CES Edupack niveau 2 de la façon exposée ci-dessus.

Capacité de créer des diagrammes de propriétés Matériaux avec haute résistance thermique Résultats 5 parmi 95 fiches Matériau 1 313 Matériau 2 300 Matériau 3 278 Matériau 4 247 etc... Hiérachiser Résistance thermique CES Edupack permet la construction de diagramme barres ou bulles, par les méthodes décrites dans la leçon 2. Voici ci-dessus, un diagramme barre de résistivité thermique, le contraire de la conductivité thermique. Il permet la sélection de matériaux avec une résisitivité exceptionnellement haute, par positionnement d’une boite de sélection, comme montré ci-dessus. Permet aux étudiants d’explorer les diverses relations Produit des sélections basiques (“Trouver des Matériaux avec une haute résistance thermique”)

Sélection : Revêtement pour bâtiments Selection de matériaux de Revêtement pour bâtiments Interprétation Fonction Revêtement Protecteur Durable, résistant, revêtement ductile sous forme de feuille. Faible impact environnemental Aussi économique que possible Propriétés attendues Contraintes Forme : feuille Résistance en traction > 50 MPa Elongation > 2% Durabilité en environnement industriel : Excellent Durabilité en environnement rural : Excellent Durabilité en environnement marin : Excellent Minimiser coût (et / ou) Minimiser l’énergie intrinsèque Objectifs Cette diapo structure un cas d’étude. Un matériau est recherché pour recouvrir un bâtiment. Il doit répondre à certaines contraintes, listées ici : Disponible sous forme de feuilles Suffisamment robuste pour supporter des charges de travail - 50MPa, la charge typique des revêtements aluminium est un bon repère. Ductilité suffisante pour permettre un cintrage, et s’adapter aux profils du toit. Durabilité excellente en environnements rural et marin Il y a deux objectifs (Les Objectifs sont traités dans les leçons 7 et 8) Le souhait de minimiser le coût du matériau, et Le souhait d’employer un matériau avec la plus faible énergie intrinsèque. Variable libre Choix du materiau

Appliquer les Contraintes Appliquer les contraintes en employant un filtre de type “Limit” Propriétés Mécaniques Forme du Matériau Brut Feuille Durabilité MPa % - Environnement Industriel Résist. en Traction Elongation etc Environnement Rural Environnement Marin Excellent 2 50 Les contraintes sont imposées au travers d’un filtre de type “Limites”, comme illustré ici.

Revêtements : la sélection Ensuite, un filtre graphique pour minimiser le coût et l’énergie intrinsèque. Les objectifs sont appliqués comme ci-contre. C’est un diagramme “bulle” Prix Matériau/Energie intrinsèque – les matériaux de faible valeur sur les deux critères sont en bas à gauche du graphe. Les matériaux qui n’ont pas répondu à une ou plus des contraintes précédentes (limit stage) apparaissent en gris. Ceux qui respectent les contraintes sont colorés. Un de ceux qui respectent les deux critères est l’acier galvanisé. Sa fiche est présentée dans la diapo suivante.

L’Acier Galvanisé La sélection CES Edupack affiche la liste des matériaux qui respectent les contraintes dans le coin inf. gauche du graphe précédent. La fenêtre principale montre le début de la fiche de l’Acier galvanisé.

Et alors ?

Sommaire des leçons disponibles Le diaporama de cette leçon est disponible sur le site web des Ressources d’enseignement C’est dans ce cadre que se trouvent les notes explicatives. Chaque diapo d’une leçon comporte des notes explicatives. Vous pouvez les consulter en ouvrant le diaporama en mode [“Normal”], ou en cliquant sur l’icône correspondante dans la barre d’outils inférieure. 20

Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : Auteur Il y a plus de 200 ressources disponibles Incluant : 77 diaporamas des Exercices avec leur solution des séquences enregistrées sur le web. des Posters des Rapports d’analyse des Manuels de Solutions des études de cas interactifs Mike Ashby University of Cambridge, Granta Design Ltd. www.grantadesign.com www.eng.cam.ac.uk Reproduction Ces ressources sont soumises aux droits d'auteur de Mike Ashby. Vous pouvez reproduire ces ressources pour les utiliser avec des étudiants, pourvu que vous ayez acheté les droits d'accès aux ressources d'Enseignement de Granta Design. Assurez-vous, s'il vous plaît, que Mike Ashby et Granta Design sont cités sur toutes vos reproductions. Vous ne pouvez utiliser ces ressources pour des buts commerciaux. Précision / Pertinence Traduction Nous remercions encore Jean-Noël Chouard du Lycée Victor Bérard de Meroz pour avoir traduit cette ressource. Les personnes souhaitant entrer en contact avec M. Chouard au sujet de cette traduction peuvent le contacter à l’adresse suivante : microbox2@orange.fr Nous faisons tout pour que ces ressources soient d'une grande qualité. Si vous avez des suggestions pour des améliorations, contactez-nous s'il vous plaît par courrier électronique à : teachingresources@grantadesign.com Granta Design est toujours interessé par les retours d’information sur les bons résultats obtenus avec diverses ressources. Si vous employez avec succès des cours que vous pensez utiles à proposer sur notre site web, s’il vous plait, prenez contact par mail à l’adresse : teachingresources@grantadesign.com Nous continuons de coordonner un symposium annuel sur les matériaux. Vous pouvez consulter les documents correspondants à l’adresse : http://www.grantadesign.com/symposium/index.htm © M. F. Ashby, 2011 Le site Web "Ressources d'Enseignement" vise à aider l'enseignement des matériaux, et les cours correspondants en Conception, Ingénierie et Science. Les ressources sont fournies dans des formats divers et sont destinées principalement à la formation des étudiants. Ce cours fait partie d'un ensemble créé par Mike Ashby pour aider à présenter aux étudiants, les matériaux, les procédés et une sélection rationnelle. Le site Web contient aussi d'autres ressources apportées par plus de 800 universités et lycées du monde entier, employant CES EduPack de Granta Design. Ce site Web contient deux catégories de ressources, qui, soit exigent l'emploi de CES EduPack, soit ne l'exigent pas. www.grantadesign.com/education/resources