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Programme Scientifique

La plate-forme scientifique du GIS telle que présentée ci-dessous est le résultat d’un travail de concertation entre l’ensemble des acteurs. Elle s’appuie sur les compétences des différentes équipes ainsi que sur les moyens expérimentaux mutualisés. Elle est également le fruit d’une réflexion sur les enjeux économiques et sociétaux propres aux domaines couverts par le GIS. Elle sera la base de travail pour la construction de projets de recherche concertés entre les membres du GIS. Trois défis scientifiques sont proposés :

  • les infrastructures et bâtiments interconnectés,
  • la rationalisation des ressources,
  • la sécurisation et l’adaptation des ouvrages aux nouvelles contraintes.

Défi 1 : Les infrastructures et bâtiments interconnectés

Mots clés : Internet des structures, la route intelligente, bâtiments et ouvrages à énergie positive, instrumentation des ouvrages, gestion des données, open data et libre accès, interface pour le grand public

Enjeu V-1 - Donner accès aux informations provenant des ouvrages d’arts

Question de recherche V-1.1 : Mise en œuvre de règles pour l’accès du grand public aux données structurales et de monitorage des infrastructures (application touristique et pédagogique).

Besoin d’innovation V-1.1.1 : mettre en place une expérimentation pour qu’un usager du pont Eric Tabarly puisse savoir, en consultant son smartphone, quelles sont en temps réel les vibrations du pont. La même application sera déclinée pour une éolienne du parc de Saint Hilaire de Chaléon, pour qu’un visiteur puisse se connecter en temps réel au système de suivi des vibrations mais aussi étudier l’évolution des vibrations et contraintes au cours des semaines, des mois ou des années précédents. Les ouvrages d’art sujets de cette expérimentation existent et sont d’ores et déjà équipés de systèmes de monitorage à l’initiative du LiRGeC. La mise à disposition de ces données de manière intelligible par tous sur l’internet mobile est un véritable challenge et une nouveauté.

Question de recherche V-1.2 : Gestion du big data, compactage des données de monitoring d’ouvrages par projection sur des espaces réduits (POD, …)

Besoin d’innovation V-1.2.1 : à l’occasion d’une thèse, mise au point de diverses méthodes de compactage/décompactage de données issues des systèmes de monitorage des ouvrages. Un pont ou un bâtiment, équipé de 100 capteurs dont les signaux sont enregistrés à une fréquence de 100Hz pour suivre les vibrations, engendre chaque année 1 To (Téraoctets) de données. Il n’est pas nécessaire de stocker toutes ces données dont l’exploitation et le transfert sont consommateurs de temps et d’énergie. Il est possible de réduire considérablement l’amas de données stockées en les projetant sur des vecteurs propres orthogonaux ou sur des « modes propres » de l’ouvrage. Ces méthodes encore au stade de la recherche seraient ici mises en application pour une expérimentation grand public, à destination des gestionnaires de ces ouvrages tout autant que pour les enseignants, les chercheurs, les curieux. Par exemple dans le domaine des transports, les outils d’aide à décision pour la gestion durable des infrastructures sont indispensables pour la gestion en temps réel, ainsi que pour les études de planification de la maintenance, de l’entretien, de l’adaptation, de la modernisation du patrimoine existant.

Question de recherche V-1.3 : En quoi les différents ouvrages équipés de capteurs peuvent-ils dialoguer, s’échanger des données captées sur l’un et qui seront utiles à l’autre ?

Besoin d’innovation V-1.3.1 : L’élévation du niveau des océans et l’intensification des sollicitations climatiques vont entraîner une accentuation des sollicitations hydrodynamiques, aérodynamiques, chimiques et mécaniques sur les ouvrages d’art et les bâtiments. Par exemple les ouvrages de protection contre les submersions (digues) se caractérisent par l’importance de leurs linéaires et par les fortes hétérogénéités des matériaux en présence, tant au niveau des ouvrages qu’au niveau des sols de fondation. La tempête Xynthia de février 2010 a mis en exergue le mauvais état des digues (sur les 9 000 kilomètres de digues que compte la France, seul un tiers était en bon état en 2011). S’il faut renforcer les auscultations et l’instrumentation pour éviter la réalisation très rapide d’une instabilité survenant en quelques heures suite à une lente dégradation qui s’est développée en plusieurs années voire plusieurs siècles, les ouvrages d’art peuvent s’échanger des informations. Ainsi la progression d’une crue vers l’aval d’un fleuve peut être suivie de pont en pont. De la même manière la progression d’une tempête et des vents violents qui l’accompagnent peut être suivie depuis les éoliennes offshores, puis les éoliennes de la côte jusque dans les terres où des immeubles, des ponts et des infrastructures pourront être préparés, fermés, alertés automatiquement, par un échange d’information sur un réseau commun à ces différents types d’ouvrages.

Simulateurs :
Ce défi pourra utiliser dans un premier temps les structures existantes d’ores et déjà équipées de systèmes de monitorage au travers de l’action Mag2c. D’autres simulateurs vraie-grandeur, comme des digues, des quais ou des bâtiments déjà construits pourront être ajoutés à la collection de structures interconnectées lorsqu’ils seront équipés de systèmes de surveillance. Dans un deuxième temps il est envisagé d’inscrire, dès leur construction, dans de futurs bâtiments ou ouvrages d’arts, des réseaux de capteurs conçus pour se brancher à ce réseau. On pourra alors pleinement parler de « démonstrateur » avec des structures conçues et érigées dans une optique pédagogique.

Défi 2 : La rationalisation des ressources

ACV, écoconception, économie circulaire à filières courtes, valorisation des déchets, recyclage, durabilité, gestion d’énergie, transition énergétique, biomasse, gisements, réemploi, rénovation-réhabilitation, facteur 4, réduction des gaz à effet de serre,

Enjeu V-1 - Valorisation des déchets et sous-produits industriels

Question de recherche V-1.1 : Face à la raréfaction de certains matériaux de construction notamment les granulats, et face à la problématique de la gestion de grands volumes de déchets ou sous-produits industriels, il convient de développer de nouveaux processus et de nouvelles filières de valorisation de ces déchets. Toutefois cette problématique nécessite la prise en compte de nombreux paramètres qui peuvent être couplés afin de caractériser l’impact environnemental, la faisabilité technique et économique. La démarche méthodologique susceptible de contribuer à la définition de solutions d’écoconception doit coupler :
• l’analyse de cycle de vie des matériaux,
• l’analyse de sensibilité globale,
• la modélisation de phénomènes physiques, chimiques et mécaniques ainsi que
• des modèles décisionnels.
Les recherches sur les matériaux constituent une priorité compte tenu de l’importance première des enjeux et de la culture technique de référence des membres de GIS. La question pourrait porter sur l’ensemble des matériaux et en particulier sur leur caractère recyclable. L’optimisation en terme de quantité (approche performantielle) pourrait être également prise en compte.
Besoin d’innovationV-1.1.3: Des outils d’évaluation a priori faciliteraient l’engagement des décideurs et des outils d’évaluation des résultats faciliteraient le déploiement des décisions sur le territoire. Ils pourraient être associés à un observatoire des initiatives d’économie circulaire.

Enjeu V-2 - Contribuer à l’essor de l’économie circulaire : économie et recyclage des ressources

Question de recherche V-2.1 : Connaître et comprendre le comportement structurel des matériaux bio-sourcé ou recyclés et leurs interactions avec d’autres matériaux selon les conditions d’usage et vis-à-vis du changement climatique.hangements climatiques et ouvrages géotechniques

Enjeu V-3 - Accompagner une évolution du comportement des acteurs vers l’économie circulaire

Besoin d’innovation V-3.1.1 : outils d’analyse pour la construction de la décision publique favorisant l’économie circulaire dans l’aménagement du territoire.

Défi 3 : La sécurisation et l’adaptation des ouvrages aux nouvelles contraintes

Mots clés : Contraintes règlementaires, changements climatiques, gestion des risques, durabilité, risques naturels, interactions sol structure, rénovation-réhabilitation.

Les nouvelles contraintes règlementaires, les changements climatiques ainsi que l’évolution de la perception des risques par les habitants et les usagers rendent nécessaire l’adaptation des bâtiments et des infrastructures. Cette adaptation est conditionnée par une amélioration des outils de modélisation existants. Plus précisément et dans une première phase, les Membres de GIS vont porter leurs efforts autour de de la caractérisation précise du comportement hydro-mécanique des ouvrages vis-à-vis des sollicitations complexes (statiques ou dynamiques (sismiques)) et de leurs conditions limites (interactions sol structure). Dans une deuxième phase, ces outils numériques seront couplés à des stratégies de modélisation simplifiées, utilisables dans des bureaux d’études, permettant d’effectuer des calculs rapides, fiables et un dimensionnement aisé. On donne ci-dessous quelques exemples :

Enjeu V-1 - Couplages multi-physiques et milieux poreux

Question de recherche V-1.1 : Changements climatiques et ouvrages géotechniques

Besoin d’innovation V-1.1.1 : Erosion interne des barrages en terre

Besoin d’innovation V-1.1.2 : Lois de comportement pour la liquéfaction des sols

Besoin d’innovationV-1.1.3: Milieux à microstructure pour la régularisation numérique des milieux granulaires bi ou tri phasiques

Enjeu V-2 - Interactions sol-structure

Question de recherche V-2.1 : Réduction de la vulnérabilité des ouvrages

Besoin d’innovation V-2.1.1 : Ancrages et fondations

Besoin d’innovation V-2.1.2 : Macroéléments d’interaction sol structure

Enjeu V-3 - Localisation des déformations et fissuration

Question de recherche V-3.1 : Fissuration dans des poutres et des voiles en béton armé soumis à des chargements statiques/cycliques/sismiques

Besoin d’innovation V-3.1.1 : Lois globales, homogénéisées, capables de prévoir la fissuration dans des voiles en béton armé

Besoin d’innovationV-3.1.2 : Eléments finis poutres multifibres pour la modélisation de la fissuration des bâtiments de type poteaux poutres

Besoin d’innovationV-3.1.3 : Milieux à microstructure pour la régularisation numérique des éléments structuraux en béton armé

Question de recherche V-3.2 : Localisation des déformations dans les matériaux granulaires

Besoin d’innovation V-3.2.1 : Lois constitutives pour la prise en compte de l’anisotropie induite des sols argileux

Besoin d’innovationV-3.2.2 : Modélisation des sols sous sollicitations à très grand nombre de cycles

Besoin d’innovationV-3.2.3: Milieux à microstructure pour la régularisation numérique des milieux granulaires

Simulateurs :
Dans le cadre de leurs recherches dans le domaine du génie civil, les membres de GIS se sont rapprochés de Saint Hilaire Energies afin de pouvoir installer des capteurs sur le parc éolien de Saint Hilaire de Chaléons. Des chaines de mesures vont être installées sur une éolienne (extensomètres à fibre optique, accéléromètres, thermocouples et système d’acquisition des données) et les résultats seront utilisés pour valider/améliorer les stratégies de modélisation développées dans le cadre des activités de recherche mentionnées plus haut. De plus, la centrifugeuse géotechnique avec simulateur de séismes embarqué (IFSTTAR) sera également utilisée pour valider les nouvelles stratégies de modélisation développées. L’intensification des contraintes environnementales entraîne un accroissement des instabilités voire des ruptures des ouvrages de protection contre les risques de submersion et d’inondation. Pour éviter ces désordres il convient de développer des outils d’aide à la gestion des risques avec prise en compte de tous les phénomènes prépondérants qui ne sont pas encore pris en compte par les outils actuels. Ces développements nécessitent la conception d’un démonstrateur en semi vraie grandeur, en conditions environnementales contrôlées et doté d’instrumentations afin de caractériser les phénomènes mis en jeu et enrichir ainsi les codes de simulation du comportement de ces ouvrages sous sollicitation hydromécanique.