Cas utilisateurs

Amener la simulation multiphysique sur les chantiers de construction

Le temps, la température, le choix des matériaux, les conditions météorologiques ou encore la technique de coulée sont autant d'éléments qui peuvent impacter les performances initiales du béton utilisé pour construire des bâtiments. Afin d’aider ses clients à prendre des décisions éclairées sur la façon dont les variables clés peuvent affecter leurs projets, Heidelberg Materials permet à ses clients d’accéder aux capacités prédictives de la modélisation multiphysique, grâce à une application de simulation compilée.

Par Alan Petrillo
Septembre 2023

Le béton est un élément essentiel pour de nombreuses structures, qu'il s'agisse de maisons, de ponts ou de gratte-ciel. Cependant, pour que le béton tienne dans le temps, il revient aux constructeurs de prendre les bonnes décisions au cours du processus de construction. Ces choix auront une incidence sur la vitesse de durcissement ou de maturation du béton, ce qui contribuera à déterminer sa résistance et sa durabilité à long terme.

Les constructeurs peuvent prévoir le résultat potentiel d'un processus de coulée de béton en utilisant la maturométrie, mais il peut être difficile d’utiliser cette technique sur le terrain. C'est pourquoi Heidelberg Materials, l'un des plus grands fournisseurs mondiaux de matériaux de construction, met à la disposition de ses clients suédois et norvégiens un programme informatique appelé HETT. Ils ont déjà développé plusieurs générations de HETT, mais la nouvelle version est différente : HETT²² (Réf 1) est une application de simulation compilée qui fournit un accès rapide à des prévisions basées sur des modèles multiphysiques qui tiennent compte des conditions locales, des températures, du choix des matériaux ainsi que d'autres variables pertinentes. HETT²² et ses modèles associés ont été créés pour Heidelberg Materials par Deflexional, un consultant certifié COMSOL spécialisé dans l'utilisation du logiciel COMSOL Multiphysics^®, pour la construction de modèles mutiphysiques et d’applications de simulation (Réf 2). Après avoir utilisé le Constructeur d’applications pour transformer les modèles en une appli personnalisée, Deflexional a utilisé COMSOL Compiler™ pour déployer cette dernière. Six mois après son lancement, HETT²² a été téléchargée plus de 1100 fois.

"HETT²² permet d’envisager les options sous différents angles," explique Mikael Westerholm, chef de projet du programme HETT chez Heidelberg Materials' Cement Sverige (anciennement Cementa). En utilisant la simulation pour prévoir les résultats potentiels du processus de maturité initial, les constructeurs sont plus confiants dans les choix de construction opérés — avant que leurs décisions ne soient irréversibles.

Durée, température et compromis sur l'hydratation du ciment

Bien que de nombreux facteurs affectent les processus chimiques qui contrôlent la maturité et la résistance du béton, la température s’avère être particulièrement importante.

"L'hydratation du ciment, c’est-à-dire la réaction chimique entre le ciment et l'eau, dégage énormément de chaleur," explique Tom Fredvik, directeur technique chez Heidelberg Materials' Sement Norge (anciennement Norcem). "Cela entraîne une augmentation des températures pendant le processus de durcissement, et le taux d'hydratation du ciment dépend fortement de la température. Des températures plus élevées accélèrent l'hydratation et le développement de la résistance."

Une hydratation rapide n'est pas toujours souhaitable. Un béton qui durcit rapidement par temps chaud sera généralement moins solide qu'un béton qui évolue plus lentement dans des conditions plus fraîches. Inversement, des températures inférieures au point de congélation peuvent également nuire au développement de la résistance. "Il est très important de tenir compte de ces effets, en particulier lors du coulage en hiver," précise M. Fredvik. "Dans les pires cas, le béton peut subir des dommages permanents si il gèle avant d'avoir acquis une résistance suffisante."

Les constructeurs peuvent isoler les coffrages et recouvrir les surfaces non bétonnées de matériaux isolants pour atténuer les risques de gel, ou ajouter une source de chaleur extérieure si nécessaire. Ces techniques doivent être utilisées de manière judicieuse afin d'éviter la surchauffe, le séchage prématuré ou l'augmentation significative des coûts du projet de construction.

Estimation du niveau de résistance par maturométrie

Avant de s'engager dans une stratégie de gestion thermique, les constructeurs peuvent utiliser la méthode de maturité pour prévoir le résultat potentiel d'un projet donné. "La méthode de maturité [...] est utilisée depuis plus de 50 ans pour estimer les effets de la température sur le développement de la résistance du béton," indique M. Westerholm. "Il s'agit d'un moyen non destructif de prévoir la résistance, qui ne peut être déterminée qu'en analysant des carottes prélevées après la coulée du béton."

La méthode de maturité combine des paramètres connus avec des données spécifiques au site et au projet. Les valeurs de la fonction de maturité et de la résistance de référence d'un mélange de béton peuvent être obtenues à l'avance, mais la température à laquelle le béton sera exposé doit être estimée. Cette courbe de température estimée doit tenir compte des températures ambiantes et de la chaleur interne générée par l'hydratation du ciment. Les niveaux de température réels n'évolueront pas uniformément dans l'ensemble de la coulée de béton, ce qui signifie que la résistance peut également se développer de façon hétérogène.

Mettre la simulation multiphysique entre les mains des constructeurs

Afin d'élargir l'accès aux capacités prédictives de la simulation, Heidelberg Materials a fait appel à Deflexional pour créer la dernière version de HETT. "Lorsque l'équipe de Heidelberg a exposé ses objectifs, nous avons vu une grande opportunité d’accroître l'utilité de HETT," confie Daniel Ericsson, PDG de Deflexional. HETT²² est la première génération du programme à être développée à l'aide de l'Application Builder du logiciel COMSOL Multiphysics et compilée avec COMSOL Compiler™.

"Avec HETT²², l'un de nos objectifs était d'être le plus simple possible pour l'utilisateur," précise M. Fredvik. "Nous avons également ajouté de nouvelles fonctionnalités qui permettent à nos clients d'étudier plus en détail les conditions réelles."

Prenons l’exemple d’un projet hypothétique de coulée de béton afin d’illustrer les capacités étendues de HETT²² (Figure 2). L'utilisateur de l'application commence par choisir parmi une liste de cas typiques représentant différents scénarios de construction. Il définit les paramètres géométriques de la coulée, le mélange de matériaux, la classe de résistance du béton, le calendrier et les conditions météorologiques prévues. Le modèle tient compte de la manière dont l'environnement physique d'une coulée peut affecter son comportement.

"Dans une situation où le béton est coulé sur une dalle existante, la connexion entre les nouvelles et les anciennes coulées est cruciale," souligne M. Fredvik. "HETT²² nous permet d'analyser ce qui se passe autour de cette liaison." D'autres paramètres physiques pertinents susceptibles d'affecter la température et le développement de la résistance du béton, tels que la présence de câbles chauffants ou de tuyaux de chauffage/refroidissement à l'intérieur d'une coulée, peuvent être intégrés dans le modèle. La géométrie du modèle et son maillage sont illustrés par la Figure 3.

Après avoir défini le coffrage et la géométrie, l'utilisateur peut intégrer les prévisions météorologiques spécifiques au site pour la coulée prévue (Figure 4). Les prévisions météorologiques mondiales peuvent être automatiquement téléchargées et transformées en conditions limites appropriées pour le modèle. "Outre la sélection d'une prévision à l'avance, nous pouvons également alimenter HETT²² avec des températures enregistrées in situ pendant la période de durcissement et procéder à des ajustements si les conditions mesurées sont sensiblement différentes de ce qui a été prévu," ajoute M. Fredvik.

Les contraintes de temps et la résistance souhaitée sont des facteurs clés dans le choix des matériaux. "Dans cet exemple, la résistance requise est de 15 MPa avant que nous puissions retirer le coffrage," explique M. Westerholm, "nous choisissons donc un béton avec un développement de résistance approprié dans la bibliothèque prédéfinie. L'utilisateur peut également choisir des matériaux cimentaires supplémentaires à mélanger au béton. Ces matériaux peuvent inclure des cendres volantes, du laitier granulé de haut fourneau et de la fumée de silice," détaille-t-il.

Ces matériaux sont des produits dérivés d'autres industries, telles que la production d'énergie et le traitement du fer et du ferrosilicium. L'utilisation de matériaux additionnels dans le ciment ou comme additifs au béton permet de réduire l'empreinte carbone globale de la construction en béton. "La réduction des émissions de CO₂ est l'une des priorités de l'industrie du béton au niveau mondial," rappelle M. Westerholm. "Mais ces matériaux alternatifs peuvent ralentir l'hydratation et présenter des caractéristiques de résistance différentes. Nous voulions que HETT²² aide les utilisateurs à prévoir le comportement d'un béton avec lequel ils ne sont peut-être pas familiers."

Les résultats de la simulation permettent des ajustements préventifs

Avec l'aide des modèles COMSOL qui alimentent l'application, HETT²² fournit des valeurs prédictives permettant de déterminer le temps nécessaire pour atteindre la résistance souhaitée — dans cet exemple, 15 MPa — avant le décoffrage. "Nous pouvons suivre les températures prévues dans l'air et le sol environnants et prévoir une courbe de température pour le béton lui-même," explique M. Fredvik. (Figure 5) "Sur la base de l'évolution de la température, nous pouvons calculer qu'il faudra environ 30 heures pour que l'ensemble de la coulée atteigne la résistance dont nous avons besoin. "Si ce délai est trop long pour le projet en question, HETT²² peut montrer l'effet potentiel du choix de différents type de bétons sur le temps estimé pour le décoffrage. Les constructeurs peuvent sélectionner différentes options dans un menu regroupant les différents bétons de Heidelberg Materials et examiner en détail les caractéristiques de performance de chaque option directement dans l'application de simulation.

Que se passe-t-il si les conditions météorologiques réelles diffèrent des prévisions ? Dans ce cas, les utilisateurs peuvent ajuster les valeurs de température pour voir comment cela peut affecter le développement de la résistance. "Si l'air et la vitesse du vent changent de manière significative, nous pouvons potentiellement retirer notre coffrage plus tôt que prévu," indique M. Fredvik.

La simulation multiphysique au service des analyses coûts-avantages

En prédisant les effets des choix liés aux conditions physiques, une équipe de construction peut utiliser une application de simulation compilée pour mieux gérer les facteurs économiques et l'empreinte carbone de chaque projet. Par exemple, si les prévisions météorologiques indiquent qu'une coulée avec un béton à faible teneur en carbone prendra trop de temps en raison des températures froides, les constructeurs seront amenés à faire de potentiels compromis coûts-bénéfices.

"Faut-il passer à un ciment à durcissement plus rapide ou à une classe de béton plus résistante, même si cela revient plus cher et que l'empreinte carbone est potentiellement plus élevée ?" s'interroge M. Westerholm. "Ou est-il possible de s'en tenir à son plan initial et de prendre des mesures pour isoler ou réchauffer le coffrage ?"

Heidelberg propose à ses clients des centaines de formules de béton possibles ; du point de vue de l’entreprise, l'application de simulation est un complément nécessaire face à un éventail d'options qui pourrait s’avérer décourageant. La capacité de modélisation prédictive du logiciel COMSOL Multiphysics, lorsqu'elle est proposée dans l'interface personnalisée de l'application, aide les utilisateurs à prendre des décisions éclairées plus efficacement.

"C'est la raison pour laquelle nous fournissons HETT²² à nos clients," déclare M. Fredvik. "En raison de la valeur ajoutée que cela représente pour eux à chaque étape décisionnelle d’un projet de coulage de béton, nous considérons que cela fait partie intégrante de notre offre d'assistance technique."