La révolution industrielle de 1880

Depuis la révolution industrielle de 1880, le climat se réchauffe à cause de l’exploitation des énergies fossiles par l’Homme, c’est à dire les énergies produitent par la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel qui émettent du CO2 et d’autres gaz polluant. Le développement des sources d’énergies plus propres devient une priorité pour un développement plus durable, comme l’énergie éolienne (l’énergie produite par le vent) avec ou l’énergie hydraulique (l’énergie de la force de l’eau). La question des matériaux utilisés pour construire les installations d’exploitations de ces énergies devient donc une problématique importante pour pouvoir optimiser au maximum nos ressources terrestres renouvelables. Un matériau appelé BFUP (béton fibré à ultra haute performance) se développe énormément depuis peu grâce à ses performances de résistance et de durabilité. Aidera-t-il au développement des énergies vertes ? Nous parlerons

Résistance des matériaux:

Généralités

De façon générale, la mécanique est l’étude des effets d’actions extérieures sur des solides et des fluides. La résistance des matériaux (RDM) ou mécanique des matériaux est une branche de la mécanique appliquée servant à étudier le comportement des corps solides sous l\’action des différents types de charges et permet le calcul des contraintes et déformations dans les structures des différents matériaux (machines, génie mécanique, bâtiment et génie civil) .

En mécanique des solides déformables, on étudie:
les déplacements relatifs entre points d’un solide (notion de déformations)
les efforts intérieurs associés (notion de contraintes)

La RDM est basée sur les résultats théoriques de la mécanique et les propriétés des matériaux qui ne peuvent être disponibles qu\’à travers les résultats des travaux expérimentaux comme le témoigne l\’histoire du développement de la résistance des matériaux qui constitue une combinaison fascinante de la théorie et l\’expérience.

2. Objectifs de la RDM

Maîtriser une technique particulière : la résistance des matériaux est l\’un des outils de base de l\’ingénieur mécanicien. Elle permet la résolution à faible coût d\’un très grand nombre de problèmes pratiques. Notons parmi ceux-ci: dimensionnement de charpentes (lamellé-collé,c’est à dire le collage de plusieurs lamelles en bois, charpentes en acier, …), transport par câble : dimensionnement des cabines, des pylônes,dimensionnement de structures de bâtiment ou de Génie Civil.

Obtenir une image vraisemblable d\’un résultat ; la notion de vraisemblance implique un savoir-faire et un jugement. Il est important de conforter les résultats obtenus à des essais expérimentaux ou, pour les zones les plus sollicitées, de compléter par un calcul de structure plus élaboré (Eléments Finis par exemple)

Introduire une approche mécanicienne

de la conception de produits. Le centre des préoccupation d\’un mécanicien est la définition d\’une pièce assurant une fonction mécanique (transmission d\’un effort ou d\’un déplacement) en travaillant à la fois sur la géométrie et le matériau qui le constitue. En particulier, dans ce cadre-là, le matériau doit être le plus courant possible (faible coût d\’approvisionnement, mise en oeuvre éprouvée). L\’approche mécanique de conception est un exemple typique d\’optimisation sous contraintes. En fonction de chaque cas, il est important de bien dégager les contraintes et l\’objectif visé.

3. Domaine d’utilisation:

Un calcul de Résistance des Matériaux permet :
le pré dimensionnement de structures
le prédimensionnement d\’essais
l\’application de normes de calcul

4. Les sollicitations simples :

La résistance est la force maximale que peut supporter une pièce par unité de surface sans casser.

a : traction ou extension b : compression

4.1 Contraintes de traction et de compression :
Pour a et b

force en newton N
surface en mm²
contrainte en N/mm² ou MPa (Méga Pascal)

Pour a et b la contrainte est appelée contrainte normale de traction (compression) symbole σ(c) (sigma).
force en newton N
surface en mm²
contrainte en N/mm² ou MPa

4.2 Condition de Résistance et coefficient de sécurité s ou k

a- courbe d\’essai de traction b- formules

Rpe résistance pratique à l’extension ou traction en N/mm² ou MPa (Résistance pratique à la compression dans le cas de la compression).
Re résistance élastique à l’extension en N/mm² ou MPa
s ou k coefficient de sécurité sans unité

4.3 Déformation

L = longueur initiale en mm
∆ L = allongement en mm
ε = (epsilon) allongement relatif en %
E = module de Young en MPa (mégapascal)
est la contrainte (en unité de pression)

Le module de Young ou module d’élasticité (longitudinale) ou encore module de traction est la constante qui relie la contrainte de traction (ou de compression) et la déformation pour un matériau élastique isotrope (c’est-à-dire que les propriétés mécaniques sont identiques quelle que soit la direction. Par exemple, si l\’on vient prélever une carotte dans un cube de matière et que l\’on tire dessus, son comportement (déformation sous charge, comportement à la rupture) ne dépend pas de la direction dans laquelle on a trépané. Un tel matériau est dit isotrope.)
Cette grandeur caractérise la pente de la droite et l\’élasticité du matériau dans le sens longitudinal, selon la proportionnalité entre contrainte et déformation (loi de Hooke) :

Unité : N/mm² (ou MPa)

Principale formule en traction et compression:

B) Le béton Classique

L’histoire des matériaux de constructions

Le bois

L’un des premiers matériaux structurels, qui est encore utilisé aujourd’hui est le Bois. Par le passé, les continents Nord Américains et Européens étaient riches de cette ressource, ce qui a bien sûr incité la construction des maisons à structure de bois. L’usage de bois remonte à l’époque de nos ancêtres préhistoriques, tristement ce matériel a un défaut Important: l’humidité s’infiltre facilement, faisant du bois une porte d’entrée pour les bactéries. Mais ce matériel est encore largement utilisé aujourd’hui dans les chantiers importants et de petites tailles, comme structure temporaire et permanente (Ex: Laminé).

b) l’Acier

L’acier fut, et l’est encore, un matériel très utile: il peut être travaillé sur mesure sans que ses propriétés structurales et de résistance soient modifiées. On utilise deux types d’acier dans la construction: de l’acier Laminé chaud et l’acier plié à Froid. Leur utilisation varie selon le type de construction: l’acier Laminé chaud sera utilisé dans les grandes infrastructures tandis que l’acier plié froid sera utilisé dans les constructions de type Résidentielles.

c) Le béton

Le béton fit d’abord apparition au temps des Romains, les plus anciens utilisateurs connu aujourd\’hui. Ce matériau novateur est très polyvalent et très résistant sous certaines forces (notamment la compression). En 1849, on créa le Béton armé, étant l’association de deux matériaux important: le Béton et l’acier. Les propriétés de résistance du de ce matériel seront hautement augmenté par l’addition d’une structure en acier.

2. La classification des différents béton
Il existe plusieurs types de bétons, allant du C8/10 à C100/115, les bétons ordinaires sont les bétons C8/10 à C40/50, puis viennent les Bétons à Hautes performances qui vont du Béton C45/55 au béton C60/75. Puis viennent les bétons à très hautes Performances qui vont du béton C70/85 au béton C100/115. Chaque béton ayant un usage précis, prenons l\’exemple du béton C12/15 qui est employé pour un usage décoratif, ou le béton C45/55 qui lui est utilisé pour des éléments sous des efforts importants.

On catégorise les différentes catégories de béton par rapport à leur résistance à la compression sous forme cubique ou de forme cylindrique .

C= Concrete (Béton en anglais)
25 = Résistance à la compression mesurée au bout de 28 jours (à 28 jours, le béton acquiert la quasi totalité de sa force, à cause de la cohésion des différents composants) sous forme d’une éprouvette Cylindrique (MPa).
28 = Résistance à la compression mesurée au bout de 28 jours sous forme d’une éprouvette Cubique (MPa).

3. Les propriétés de déformation du béton Classique

La Compression

Le béton, reconnue pour sa résistance, est particulièrement résistant à la compression.
Les valeurs de résistance à la compression varient selon la forme que le béton prend.

Les valeurs suivantes sont celles du béton C 25/30, qui est le plus utilisé:
-Résistance éprouvette Cylindrique: 25 MPa
-Résistance éprouvette Cubique: 30 MPa

Cette résistance est expliquée par la composition du béton, nous savons que le béton (Seul) est composé d’un Ciment, de sable, de granulat tous de tailles différentes (le plus grand allant jusqu’à 33 mm) et d’eau de gâchage.

(Schéma d’une coupe transversale d’un bloc de béton, traversé par une force de compression.)

Nous pouvons voir que dans ce schéma, une force de compression est appliqué sur un bloc de béton. Nous pouvons aussi voir que la force est répartie entre les granulats, ces forces se répartissent comme cela car le ciment est beaucoup trop flexible comparé aux granulats présents, la déformation du ciment est alors compensé.

b) La Flexion

Le béton à une certaine réaction pendant qu’on le met sous stress. La réaction suivante sera exprimé à travers une éprouvette de béton rectangulaire de dimension variable. Si l’on applique une force de flexion au centre de l’éprouvette, sur la section oú s’exprime la force, deux autres forces agissent sur l’éprouvette: Un effort de compression et un autre de traction.
Par composition, le béton aura une résistance bien plus faible à la traction que d’autres matériaux, tandis que là oú l’effort de Compression agit, il aura une haute résistance. Cet effet est parfaitement exprimé dans le Schéma ci-dessous.

Schéma d’une éprouvette rectangulaire de Béton C25/30 sous l’effet d’une flexion.

Le béton tiendra la pression jusqu’à un certain point en présentant des fissures. Ces dernières sont le résultat d’une séparation des différents composants du béton: le ciment se sépare par accoups des granulats, alors créant ces fissures.

C) Le béton fibré à ultra hautes performances

Généralités

Le béton fibré à ultra haute performance (BFUP) a une résistance à la compression élevée de plus de 120 MPa au minimum jusqu’à plus de 200 MPa et une durabilité améliorée marquant un bond en avant dans la technologie du béton. Ce matériau de performance offre une variété d\’applications intéressantes. Il permet la construction de bâtiments durables et économiques avec un design extraordinaire. Sa haute résistance et la ductilité (Propriété des corps ductiles, qui peuvent être étirés sans se rompre) en fait le matériau de construction ultime, par exemple pour tabliers de pont:

Outre ses propriétés de résistance améliorées, Le BFUP a des propriétés très spéciales qui sont remarquablement différentes des propriétés du béton normal. Pour une utilisation complète des propriétés supérieures de ce béton, des connaissances spéciales sont nécessaires pour la production, la construction et la conception.
Le nombre d\’installations en BFUP est en constante augmentation depuis ces 10 dernières années

Graphique : Nombre de ponts en béton à ultra haute performance aux Etats Unis depuis 2006 à 2016.

2) Composition

La composition d\’un BFUP repose sur une maîtrise avancée de la technologie du béton et, avant tout, sur les principes suivants :
Réduction de la taille des grains inertes (granulats) pour améliorer l’homogénéité du mélange.
Optimisation de la distribution granulométrique granulats et liants.
la baisse du rapport E/C : Grandeur exprimant le rapport entre le poids d\’eau de gâchage(Eau incorporée au mélange liant et granulats afin d\’enclencher sa prise et de conférer au béton sa plasticité, donc son ouvrabilité) et le poids de ciment d\’un béton.
Augmentation de la quantité de pâte liante (ciment et additions pouzzolaniques).
Ajout de fibres pour augmenter la capacité de déformation et la résistance à la fissuration.
Radiographie du fibrage d\’une carotte de BFUP

La composition des BFUP est constituée de ciment, fumée de silice, fibres, eau et super plastifiant. Le rapport eau sur ciment (E/C) varie entre 0.15 et 0.2 avec des dosages en fumée de silice variant entre 20 et 30%.Enfin, le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées (LCPC, France) a mis au point un
avec un mélange de fibres métalliques courtes et longues, connu sous le nom de fibre multi-échelle
Béton armé (MSFRC). CEMTECMultiscale® est un exemple de ce produit.
a été introduit en France en 2000. La teneur en fibres de ce type UHPFRC peut atteindre 11%
en volume et les fibres peuvent aller de moins de 1 mm à 20 mm. Les fibres dans
Les bétons de type 3 augmentent à la fois la résistance à la traction et la ductilité et peuvent remplacer
barres d\’armature traditionnelles dans un élément structurel.

Vue en coupe d\’une carotte BFUP/Béton

3) Performances mécaniques des BFUP

Comportement en compression
Les BFUP ont un comportement quasi linéaire jusqu’à une résistance à la compression à 28 jours comprise entre 150 et 250 MPA. Le module d’élasticité varie selon les formulations entre 40 et 70 GPA (giga pascal).

Comportement en flexion
Selon le type de formule, la géométrie du corps d’épreuve , le type de fibres et les modalités de bétonnage , les bfup ont une résistance en flexion de l’ordre de 30 à 50 MPA.

Ductilité
La ductilité (capacité du matériau à se déformer sous charge sans rupture fragile), la résistance en traction et la ténacité (résistance à la micro-fissuration) des bfup sont dues à la présence des fibres (pourcentage variant généralement entre 2 et 3 % en volume) et à l’interaction fibre-matrice.

Ces propriétés permettent au matériau de se déformer et de supporter des charges importantes même après apparition des premières microfissures.

4) Propriétés des BFUP

Les propriétés du Béton Fibré à Ultra haute Performance sont les suivantes :

Il est un Béton Autoplaçant:
Le BFUP n’a aucune nécessité d\’être retravaillé suite à son placement. Ils présentent, du fait de leur granulométrie (Mesure de la granularité d\’un granulat, c\’est-à-dire de l\’échelonnement des dimensions des grains qu\’il contient, par passage de celui-ci à travers une série de tamis à mailles carrées dont les dimensions sont normalisées très fine et optimisée, une porosité très faible non connectée à l’échelle du nanomètre ainsi qu’une absence de porosité capillaire. Cette propriété garantit une très faible perméabilité aux agents agressifs. , le BFUP n’a besoin que d’un moule et il prendra la forme du moule. Et surtout voyant l’absence de granulats, il est “entièrement” liquide.

Il est peu perméable:

Le BFUP est, de composition, très peu perméable. Á sa création, le BFUP utilise très peu d’eau (Le béton Basic utilise 175L pour 1m3 d’eau, comparé au BFUP qui utilise à peine 95L pour 1m3 ). Le BFUP est alors peu perméable, et sachant qu’il est fibré à la conception, si de l’eau s’infiltre, le BFUP sera un peu plus flexible mais aucun dégât ne sera causé à la structure.

D) Le réchauffement climatique

1) Définition

Le réchauffement climatique est un phénomène global de transformation du climat caractérisé par une augmentation générale des températures moyennes à cause de l’activité industrielle et notamment à l’effet de serre : on parle donc parfois du réchauffement climatique dit « d’origine anthropique » (d’origine humaine). Il s’agit donc d’une forme de réchauffement climatique dont les causes ne sont pas naturelles mais économiques et industrielles, et qui modifie durablement les équilibres météorologiques et les écosystèmes.

2) Effet de serre sur Terre

L\’atmosphère est composée de nombreux et différents gaz. Certains ont la capacité de retenir la chaleur du soleil à la surface de la terre : ce sont les gaz à effet de serre. Ils sont naturellement en équilibre et permettent de maintenir une température propice au développement de la vie sur terre : ils sont donc essentiels car sans eux, la température du globe serait de -18°C mais elle est actuellement de 15°C en moyenne. La vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2) sont les deux principaux gaz à effet de serre. Par ciel clair, la vapeur d’eau est responsable de 60% de l’effet de serre et le dioxyde de carbone de 26 %, le méthane (CH4), le protoxyde d’azote (N2O), l’ozone (O3) et d’autres gaz étant responsables des 14 % restants. L’ensemble de ces gaz à effet de serre constitue moins de 1 % de l’atmosphère.

3) Evolution récente de la concentration en CO2 dans l’atmosphère

La combustion du charbon, du pétrole, du gaz ou du bois libère essentiellement de la vapeur d’eau et du CO2. La vapeur d’eau ne reste que quelques jours dans l’atmosphère avant de se condenser et de retomber sous forme de pluie. L’hypothèse que le CO2 puisse s’accumuler, au moins partiellement, dans l’atmosphère date de la fin du XIXe siècle. Elle a tout de suite été contestée car les échanges de CO2 entre l’atmosphère et l’océan ou la végétation sont très intenses et l’on pouvait donc supposer qu’ils évoluent de façon à maintenir la concentration en CO2 à peu près constante. C’est seulement à partir des années 1960 que l’on a mesuré assez précisément la concentration en CO2, loin des zones où il est émis, et observé qu’elle augmentait bien. Depuis, on a pu établir que l’océan et la végétation absorbent environ la moitié des émissions anthropiques (c’est-à-dire d’origine humaine) de CO2, l’autre moitié s\’accumulent dans l’atmosphère. Il est important de remarquer que la concentration en CO2 augmenterait deux fois plus vite si l’océan et la végétation ne jouaient pas leur rôle.

Évolution de la concentration de l’atmosphère en CO2 (source : Centre d’analyse de l’information relative au gaz carbonique – CAIRGC, http://cdiac. esd.ornl.gov/).

Pour exprimer une fraction volumique on précise « partie par million en volume » (ppmv ; 1 ppmv = 1 μL/L)
La mesure de la composition chimique des bulles d’air emprisonnées dans la glace des calottes polaires permet d’évaluer la variation de la concentration en CO2 depuis plus de six cent mille ans. Celle-ci a varié de 200 à 300 ppm (parties par million : Pour exprimer une fraction volumique on précise « partie par million en volume » ppmv ; 1 ppmv = 1 μL/L) environ entre les périodes glaciaires (concentration basse) et les périodes interglaciaires (concentration plus élevée) selon un cycle dont la période est d’environ cent mille ans. Aujourd’hui, nous sommes dans une période interglaciaire et la concentration est passée de 280 ppm vers 1860 à 380 ppm aujourd’hui. Ainsi, la concentration en CO2 a autant augmenté en cent cinquante ans qu’en quelques milliers d’années (lors des transitions entre une période glaciaire et interglaciaire).

4) Le réchauffement climatique dû à un accroissement de CO2

Parallèlement à l’accroissement de la concentration en CO2 dans l’atmosphère, on observe une augmentation de la température moyenne de la surface de la Terre. Ce réchauffement est d’environ 0,8 °C sur cent cinquante ans, dont 0,6 °C sur les cinquante dernières années. Le CO2 étant un des principaux gaz à effet de serre, une augmentation de sa concentration renforce l’absorption du rayonnement infrarouge par l’atmosphère, ce qui a pour conséquence d’augmenter la température de surface. Néanmoins, nous allons exposer pourquoi ce lien entre concentration en CO2 et température de surface n’est pas si direct et pourquoi il faut faire intervenir toute la complexité du système climatique en plus de l’effet de serre lui-même. Ce sont toutes ces difficultés qui font que c’est seulement depuis quelques années que les climatologues ont établi que l’augmentation des gaz à effet de serre, et notamment du CO2, est la principale cause de cette augmentation de la température. Une modification de la concentration en CO2 a des effets sur l’effet de serre que l’on sait aujourd’hui calculer de façon précise et fiable. Si l’on suppose que l’atmosphère terrestre conserve exactement ses propriétés actuelles, que seules la concentration en CO2 et les températures de l’air et de la surface de la Terre peuvent varier, on obtient alors qu’un doublement de la concentration en CO2 a pour conséquence une augmentation de la température moyenne de la Terre de 1,2 °C. Ce calcul peut être fait de façon très précise, mais il est basé sur des hypothèses qui sont beaucoup trop simplificatrices. En effet, si la température change, toutes les autres grandeurs décrivant le climat changent aussi : humidité, vent, nuages, pluies, couverture neigeuse, etc. Tout cela peut à son tour modifier les échanges de chaleur dans l’atmosphère, et donc avoir un effet sur les températures : ce sont des phénomènes de rétroaction.

E) L\’énergie éolienne
Le vent

Avant de parler du fonctionnement de l’énergie éolienne, demandons nous qu’est-ce que le vent. Le vent est en réalité une énergie Solaire: le soleil produit des rayons lumineux qui réchauffent la couche terrestre (Océan et continent) inégalement à cause de la forme de la terre. Ce réchauffement crée alors, soit une zone à haute pression atmosphérique que l’on appelle un Anticyclone, soit une zone à basse pression atmosphérique que l’on appelle une Dépression. Le vent va aussi varier son comportement en fonction de la région, qu’elle soit Maritime ou Montagnarde, dans les deux cas elle agira différemment. Dans le cas d’une région Maritime, quand le soleil est levé, la côte se réchauffera plus rapidement que la mer, créant alors un, le vent sera alors un vent qui vient de la mer, et la nuit il se passe la même chose mais en inversant les rôles: l’eau ayant une température plus élevé car elle contient la température plus longtemps, que la côte, il y aura donc un vent de Mer.

Nous pouvons voir dans ce schéma, le changement de direction du vent en fonction du cycle Jour/Nuit. La température de l’air joue aussi un rôle important, l’air chaud se déplacera vers le haut (Créant alors le Thermique, tellement apprécié par les parapentistes), durant ce mouvement, l’air se refroidit et redescend vers la croûte terrestre. Tout cela fait faire à l’air des mouvement, créant alors le Vent!

b) Le fonctionnement des éoliennes

De plus en plus nous voyons, dans la campagne, apparaître des turbines de plus en plus hautes, ayant des hélices gigantesques. Ces turbines sont des éoliennes et elles produisent de l’énergie électrique à l’aide du vent.
La manière dont cette énergie est produite est grâce à un Alternateur placé à l\’intérieur de la nacelle. L’aimant de l’Alternateur est attaché aux pales, qui celui-ci tourne à l’intérieur d’une bobine circulaire de cuivre. Grâce à la rotation de l’aimant dans la bobine, un champ électromagnétique se forme, le courant est ensuite transmis à un transformateur, et arrive enfin aux foyers.