Les fonctions structurales
Que recouvre cette notion ?
L’objectif de ce module est d’envisager les structures sous l'angle de la fonction qu'elles remplissent. Les 3 fonctions de base possibles sont : Supporter / Ponter / Contreventer.
Le but d'un élément structural est toujours de reprendre des charges en plus de son poids propre. Pour autant, si on regarde de plus près un ensemble d'éléments structuraux, on s'aperçoit qu'il existe des configurations très différentes : une colonne qui se ramasse une charge sur la tête, une dalle qui se prend tout un bureau sur les bras, une coupole qui s'arc-boute au-dessus de l'espace qu'elle abrite et fait le gros dos contre une lourde couche de neige… On parle de fonctions structurales, parce que la fonction que remplit l'élément structural est différente dans tous ces cas. Comme les phénomènes en jeu à l'intérieur de la matière de l'élément sont à chaque fois différents, il en va de même pour les "lois" à considérer pour concevoir et développer correctement cet élément. Cela fait beaucoup de choses à connaître de la part de l'architecte !
Heureusement, en réalité, toute cette diversité peut se ramener à seulement 3 fonctions principales, qu'on peut regrouper en 2 + 1 :
‑ "supporter", soit reprendre une charge longitudinale (c'est-à-dire alignée sur l'élément) pour l'amener à un autre niveau. Ce peut être vers le bas, en compression, ou vers le haut, en traction.
‑ "ponter", ce qui consiste à reprendre une charge transversale (c'est-à-dire perpendiculaire à l'élément). En pratique, cette fonction peut s'exprimer dans deux situations différentes (on peut parler de "sous-fonctions") :
‑ soit il s'agit de soutenir un praticable, et alors il faut respecter une contrainte formelle, qui est de présenter une surface plus ou moins horizontale, de manière à ce que les usagers puissent l'emprunter ;
‑ soit il s'agit de couvrir un espace, où une telle contrainte est absente, et la forme peut dès lors se développer librement.
Et la fonction "joker", d'une nature un peu différente des deux premières : contreventer une structure, c'est-à-dire la stabiliser contre les forces horizontales, comme par exemple le vent et les séismes.
À quoi sert cette notion ?
Suivant la fonction en jeu, les efforts internes (compression/ traction vs flexion) mènent à des phénomènes différents au sein des éléments structuraux. En parallèle, sur le plan formel, des contraintes différentes modèlent la liberté dont on dispose ou non pour faire évoluer la géométrie de ces éléments afin de répondre au mieux à leurs sollicitations : un praticable doit rester peu ou prou horizontal, alors qu'une toiture, pas nécessairement – surtout qu'il faut assurer l'étanchéité et l'écoulement des eaux de pluie !
C'est pourquoi chaque (sous-)fonction structurale correspond à son propre ensemble de "lois", qu'il faut connaître pour concevoir et développer le mieux possible l'élément structural en question.
Illustrations
La colonne à laquelle la corde a été attachée est prévue pour recevoir une partie du poids du toit, soit une charge verticale. La colonne aussi est verticale, donc la charge est alignée sur l'élément qui la reprend : on dit que la charge est longitudinale. Dès lors, elle remplit la fonction structurale "supporter".
Mais là, la colonne est sollicitée horizontalement par la corde, soit transversalement ! C'est une fonction structurale, ponter, pour laquelle elle n'a pas été conçue. Dès lors, pas étonnant que la colonne ne puisse résister, et cède. Heureusement, ici, personne n'est blessé. Mais dans la réalité de la construction, une telle erreur à exclure !
Entre les deux tours Petronas à Kuala Lampur (Cesar Pelli, 1997), une passerelle est soutenue en son milieu par deux barres disposées en V inversé. Chacun de ces éléments est sollicité
principalement selon son axe, même s'ils sont placés de manière oblique. Cela veut dire que, du point de vue de sa fonction structurale, ces éléments font partie de la même "famille" (fonction
"supporter") que les colonnes, même si celles-ci sont généralement verticales. On appelle de telles pièces des butons, et un buton répond donc aux mêmes règles de conception qu'une colonne
(par exemple, une section de forme "centrée", ici une section ronde).
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