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Comme dans chaque discipline majeure, les ingénieurs civils et structure se trouvent confrontés à un
ensemble de défis relatifs au calcul technique. Les sociétés accordent une importance croissante
aux questions suivantes :
• Les questions environnementales – protection et préservation des ressources naturelles
• La durabilité – croissance démographique mondiale et expansion de l’empreinte humaine
• Une infrastructure intelligente bénéfique pour la société – sociétés plus sophistiquées et exigeant
une efficacité plus grande et des résultats en temps réel
Pour les ingénieurs civils et structure, des modèles de système précis et intelligents (et les calculs
complexes qu’ils nécessitent) sont indispensables pour relever les défis complexes actuels. Le besoin
d’une modélisation précise de l’infrastructure, des commodités, des systèmes environnementaux,
de la planification urbaine et des grands projets d’architecture ne s’est jamais fait sentir avec autant
d’acuité et de complexité. Les ingénieurs sont contraints de réussir d’emblée alors qu’ils doivent
respecter davantage de règlements.
Les calculs techniques capables de résoudre ces
problèmes sont complexes et difficiles à gérer.
Il ne suffit plus d’effectuer les calculs et de verrouiller
la propriété intellectuelle de l’entreprise dans des
feuilles de calcul ou des carnets d’ingénierie.
Heureusement, la technologie mathématique a évolué
et offre aux ingénieurs des solutions extrêmement
efficaces, à condition d’être bien utilisées. Un logiciel
de conception et de calcul donne aux ingénieurs civils
et structure les outils indispensables pour résoudre
les problèmes les plus complexes et les plus urgents,
et pour innover davantage.
Ce document passe en revue des projets de génie civil
et d’ingénierie structure qui ont utilisé des calculs
techniques complexes pour relever ces nouveaux
défis. Dans le cas présent, nous nous intéressons
à des ingénieurs qui :
• conçoivent des bâtiments durables comme la Tour
Shanghai qui est capable de résister aux conditions
et catastrophes liées à l’environnement
• protègent les ressources aquatiques en Virginie
• coopèrent avec le programme d’aide australien
pour construire des infrastructures répondant
aux besoins d’une population vieillissante et
d’une urbanisation plus dense
Repousser les limites des mathématiques
Études de cas sur les problèmes de calcul en génie civil et en ingénierie de structure
Culminant à 662 mètres de haut, la Tour Shanghai (en
construction à gauche) sera le deuxième gratte-ciel
le plus haut du monde (fin prévue en 2014).

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Tour Shanghai : étude de cas de conception durable
Les facteurs économiques et politiques s’associent pour
mettre la pression sur les ingénieurs et les concepteurs,
les obligeant à prendre aujourd’hui des décisions qui
limiteront l’impact environnemental sur les générations
futures. La conception durable est particulièrement
importante pour les grandes structures, où la difficulté
consiste à construire des immeubles résistant aux
catastrophes environnementales tout en limitant la
consommation énergétique et la quantité de matériaux.
Du haut de ses 662 mètres, la Tour Shanghai sera le
deuxième gratte-ciel le plus haut du monde (fin prévue
des travaux en 2014). Peter Weingarten, responsable
de la conception, sait pertinemment bien que les
ingénieurs ont mis des années pour trouver comment
faire tenir debout des tours d’une telle hauteur.
« Au-delà de 80 étages, la plupart des agents privés vous
expliquent que le bâtiment n’est pas économiquement
intéressant en raison des innombrables conditions de
structure et de la charge latérale », déclare-t-il dans
un entretien avec CleanTechies.
Mais aujourd’hui, grâce aux techniques avancées
de résolution de problème et aux logiciels de calcul
technique, les villes verticales comme la Tour
Shanghai ne sont pas seulement réalisables, elles sont
à l’avant-garde de la révolution de l’écoconstruction.
La structure définit une nouvelle norme de durabilité
en intégrant les fonctions suivantes :
• Des éoliennes générant jusqu’à 350 000 kWh
d’électricité par an
• Un système de recyclage de l’eau de pluie
• Une forme torsadée réduisant de plus de 20 %
la quantité d’acier de structure nécessaire
Pour M. Weingarten, la force du vent au sommet de
la tour constituait le principal défi rencontré par son
équipe. Une forme courbe unique a suffi pour résoudre
le problème et pour diminuer de près de 25 % les
coûts en acier. « Nous avons pu économiser 25 % sur
le tonnage d’acier simplement en n’offrant pas de
grande surface au vent », explique M. Weingarten.
« En permettant une circulation aérodynamique du vent,
nous réduisons les pressions latérales directes. Nous
avons également utilisé le système Diagrid qui permet
au vent de circuler de manière naturelle et non de façon
orthogonale comme dans les architectures classiques. »
Le calcul classique de la force et de la charge latérale
doit prendre en compte la courbure et d’autres
propriétés de la structure aérodynamique, ce qui
requiert des calculs plus complets et plus sophistiqués.
Des calculs sophistiqués pour
résoudre les problèmes de génie
civil et d’ingénierie de structure
Les avancées du logiciel de calcul technique
garantissent l’exactitude du calcul et limitent
les risques.
Défi
Calculs
requis
Construction
d’immeubles
durables capables de
résister aux facteurs
environnementaux
et aux catastrophes
naturelles
• Force latérale
• Force d’impulsion
latérale maximale
• Analyse statique
équivalente
• Analyse de spectre
de réponse
• Analyse dynamique
linéaire
• Analyse statique non
linéaire
• Analyse dynamique non
linéaire
Réalisation d’études
hydrographiques
pour protéger les
ressources en eau
• Mécanique des fluides
et hydrologie
• Mécanique des fluides
numérique
• Interactions
fluide-structure
Examen de l’impact
de la croissance
démographique
sur l’infrastructure
et les ressources
• Taux de croissance
naturelle
• Modélisation
de transition
démographique
• Capacité portante

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Outre sa forme aérodynamique particulière, la
Tour Shanghai intègre des treillis latéraux tous
les 14 étages afin de renforcer le support. Chaque
treillis latéral « agit comme votre épaule » pour
élargir la base du bâtiment, explique M. Weingarten.
Les structures qui impliquent des systèmes de
support renforcé (comme les treillis latéraux)
nécessitent généralement des analyses approfondies
linéaires et non linéaires, statiques et dynamiques,
de la structure complète et de ses composants.
Dans ce cas, un logiciel d’ingénierie est indispensable.
Le bâtiment devant être d’une solidité à toute
épreuve, les concepteurs ont mis au point des
éléments de durabilité supplémentaires, comme
la double peau. Pour Dan Winey de Gensler, la double
peau est « une ode aux cours ouvertes de la ville
historique » et cette caractéristique apporte en outre
des avantages notables en termes de durabilité :
« la paroi de verre continue fait entrer au maximum
la lumière du jour dans les atriums, limitant ainsi la
nécessité de recourir à l’éclairage artificiel », précise-
t-il et il poursuit : « Le verre a un revêtement sélectif
basse émissivité (Low-E) qui contribue à réduire les
charges de chauffage et de refroidissement. »
M. Weingarten explique :
« Nous avons prévu un espace entre la façade interne
et la façade réelle du bâtiment afin de créer une série
de parcs verticaux qui serviront de tampon thermique
entre le bâtiment et le monde extérieur. Ainsi, le
bâtiment est clair, au lieu d’être complètement
opaque. Vus de l’extérieur, la plupart des gratte-ciel
sont opaques en raison de la haute réflectivité de leur
vitrage, nécessaire pour limiter la chaleur solaire. »
Quantification de l’érosion : étude de cas
de protection d’une zone aquatique
Pendant que des ingénieurs se concentrent sur la
durabilité des constructions humaines, d’autres
s’évertuent à maintenir le caractère durable de
structures naturelles telles que les bassins hydro­
graphiques. Une zone aquatique insalubre a un impact
négatif sur les réserves d’eau potable, sur les offres de
loisir et sur la chaîne alimentaire. Il est donc nécessaire
de trouver les moyens de limiter la pollution, l’érosion
et tout autre facteur menaçant ces écosystèmes
fournisseurs d’eau.
Au Center for Watershed Studies du Virginia Tech
(l’Institut polytechnique et Université d’État de Virginie),
des ingénieurs en systèmes biologiques utilisent un
système d’information géographique pour aider l’État
de Virginie à mieux calculer le volume des sédiments
dans les fleuves et les courants afin de réduire l’érosion.
Jusqu’à présent, l’État s’est concentré sur la réduction
de l’érosion des terres agricoles et urbaines mais
a négligé une autre source majeure de sédiments :
l’érosion des berges. En raison de la complexité et du
manque d’algorithmes basés sur des facteurs physiques
pour décrire le processus, la quantification de l’érosion
des berges a été singulièrement sous-estimée.
Les chercheurs du Center for Watershed Studies du Virginia
Tech (l’Institut polytechnique et Université d’État de Virginie)
s’assurent que l’érosion des berges soit calculée avec la plus
grande précision dans les modèles d’érosion.
Les chercheurs du Virginia Tech sont en train de mettre
au point de nouveaux modèles et des calculs statistiques
afin d’estimer avec précision le volume de sédiments
provenant de la dégradation du canal. Ils devront étudier
les interactions fluide-structure, les équations de
mécanique des fluides et d’hydrologie, et procéder à la
modélisation numérique de la mécanique des fluides.
Ils ont l’intention d’intégrer leurs résultats à un plan à
long terme conçu pour garantir un calcul plus précis de
l’érosion des berges dans le modèle d’érosion.

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AusAID : étude de cas d’infrastructure durable
La qualité de vie en ville dépend de la salubrité et du
caractère durable de l’infrastructure urbaine. Pour
garantir le succès de l’infrastructure, les ingénieurs
appliquent des technologies appartenant au concept
générique d’« infrastructure intelligente ». D’après
un rapport de l’OCDE (Organisation de Coopération
et de Développement Économiques), les ingénieurs
civils et structure seront amenés à explorer les
pistes suivantes :
• Modèles d’aide à la décision et automatisation
dans le secteur de l’électricité contribuant à
optimiser la capacité de génération, la distribution
et le réseau. Avantages : possibilité de réduire les
pertes en distribution, de mieux gérer les pics de
consommation, d’améliorer la fiabilité et de mieux
protéger l’environnement.
• Technologies de modélisation de système intelligent
dans le secteur de l’eau permettant de mieux
surveiller et contrôler le cycle de l’eau en temps
réel. Au niveau local ou du consommateur final,
la fermeture virtuelle du cycle de l’eau peut être
contrôlée au moyen de senseurs, de logiciels
embarqués et d’une intelligence artificielle.
• Intégration de plusieurs technologies alternatives
sans fil sur une plate-forme multiservice unique
dans les systèmes de télécommunication permet­
tant de disposer d’une infrastructure très simplifiée
avec des réseaux capables de se rétablir et de
s’organiser eux-mêmes. Ce type d’intégration
pourrait, par exemple, faciliter la création de
systèmes de soins de santé intégrés ou de concepts
de « maison intelligente » pour les personnes âgées.
• Systèmes autoroutiers intelligents et technologies
avancées destinées aux véhicules pour le transport
terrestre, permettant d’améliorer la gestion du
réseau, la réaction aux accidents, l’information aux
conducteurs et la capacité routière/ferroviaire.
Les modèles mathématiques sont essentiels pour
atteindre ces objectifs. La compréhension chiffrée
de facteurs fondamentaux comme la capacité
portante, l’évolution démographique et le taux de
croissance naturelle est indispensable pour mesurer
le progrès et évaluer les manques.
Le programme d’aide australien (AusAID), une organi­
sation gouvernementale, utilise les investissements
dans les infrastructures pour doper la croissance
économique et mener des actions sociales dans les
pays voisins dans l’est de l’Asie et le Pacifique, ainsi
que dans le sud de l’Asie et en Afrique subsaharienne.
AusAID définit son approche de l’amélioration des
infrastructures selon quatre axes :
1. Offrir des infrastructures de transport durables
2. Faciliter l’accès aux services de base en termes
d’eau et de système sanitaire
3. Créer des services d’énergie fiables et prendre
en charge les technologies d’information
et de communication
4. Prendre en charge la planification et le
développement des infrastructures urbaines
Via l’initiative d’infrastructure économique approuvée
en 2009-2010, AusAID finance des infrastructures
prioritaires, renforce la capacité des organisations
gouvernementales partenaires à répondre à l’urbani­
sation rapide et favorise les conditions d’un meilleur
financement des infrastructures. AusAID est égale­
ment attentif aux gouvernements régionaux en
raison de la décentralisation de la planification et des
travaux d’infrastructure dans les régions en voie de
développement.
En Indonésie, AusAID soutient un programme important
pour les routes nationales. En Papouasie-Nouvelle-
Guinée, l’organisation aide à améliorer les processus
impliqués dans la planification et la réalisation
d’infrastructures de transport. Dans le Grand
Mékong, AusAID cherche à soutenir des programmes
d’infrastructure favorisant l’intégration régionale.En Papouasie-Nouvelle-Guinée, les améliorations des
infrastructures de transport sont essentielles pour
approvisionner efficacement les marchés et acheminer les
biens et les services vers les communautés rurales et urbaines.

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Conclusion
La capacité avec laquelle les ingénieurs civils et
structure relèvent aujourd’hui les défis majeurs liés
à la conception et à l’environnement aura un impact
immense sur les sociétés pour les générations futures.
La conception de structures durables, la préservation
des ressources naturelles et la satisfaction des
besoins en infrastructure d’une population en
constante évolution (tout cela avec un budget convenant
aux gouvernements et citoyens) vont demander des
efforts et une ingéniosité extraordinaires.
Les ingénieurs continueront à se fier aux progrès
technologiques pour relever les défis actuels et futurs.
La puissance informatique et un logiciel de conception
amélioré vont accroître les performances, et un
logiciel de calcul sophistiqué va garantir l’exactitude
des résultats et réduire les risques.
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Sources
Arlein, Jacob (2010). « The Shanghai Tower: The
Beginnings of a Green Revolution in China », CleanTechies,
25 mars 2010. Extrait en mars 2012 sur :
http://www.matternetwork.com/2010/3/shanghai-tower-
beginnings-green-revolution.cfm
« Developing Strategies for Urban Channel Erosion
Quantification in Upland Coastal Zone Streams », Center
for Watershed Studies de Virginia Tech, 2010. Extrait en
mars 2012 sur : http://www.cws.bse.vt.edu/index.php/
research/project/developing_strategies_for_urban_
channel_erosion_quantification_in_upla
Les infrastructures à l’horizon 2030 : Télécommunications,
transports terrestres, eau et électricité, publication
OCDE, 2006.
« Sustainable Economic Development: Infrastructure
Thematic Strategy », AusAID, 2011. Extrait en mai 2012 sur :
http://www.ausaid.gov.au/aidissues/infrastructure/Pages/
home.aspx
Winey, Dan (2011). « Shanghai Tower: Sustainable Strategies
in a Super Tall Building », GenslerOnCities, 18 juillet 2011.
Extrait en mai 2012 sur : http://www.gensleron.com/
cities/2011/7/18/shanghai-tower-sustainable-strategies-
in-a-super-tall-buildi.html