Le terme gridshell désigne une coque discrète qui est obtenue par déformation élastique d'une grille bidirectionnelle continue plane sans rigidité en cisaillement puis rigidifiée par une troisième direction de barres. Ainsi défini, un gridshell a un potentiel structural intéressant et peut répondre à des exigences architecturales complexes. La recherche de forme de ces structures a été menée à travers l'histoire principalement par deux méthodes, la méthode du filet inversé et la relaxation dynamique. Ces deux méthodes permettent d'obtenir une forme approchée de celle proposée par l'architecte, dérivant d'une grille à plat et de conditions aux limites partiellement ou complètement imposées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à générer un gridshell sur une surface à forme et contours imposés. Un outil numérique se basant sur la méthode du compas a été développé. Il permet de mailler un réseau de Tchebychev sur une surface connaissant son équation cartésienne. Un autre outil permettant le maillage se basant sur un calcul en éléments finis explicite a été mis en œuvre. La particularité de cette technique est de pouvoir tenir en compte des propriétés mécaniques de la structure et de simuler le comportement du gridshell. Des applications des deux méthodes sur des formes architecturalement intéressantes ont permis de voir les limitations de la possibilité de mailler une forme avec un réseau de Tchebychev. La méthode du compas a ensuite été couplée à des algorithmes métaheuristiques types génétiques. L'algorithme résultant permet d'optimiser un gridshell en minimisant la courbure dans les barres et donc les contraintes dans la structure introduites lors de la mise en forme. Il a été mis en œuvre et testé pour plusieurs surfaces

Les matériaux composites sont des matériaux nouveaux qui possèdent une grande déformabilité et une grande raideur. Les structures de bâtiment qui requièrent ces deux propriétés sont peu nombreuses et les gridshells en sont un bon exemple. En effet, ces structures à double courbure sont obtenues par déformation élastique puis rigidification d'une grille plane sans raideur en cisaillement. Les grands déplacements et les grandes rotations qui surviennent durant la phase de montage de ces structures élancées précontraintes nécessitent la prise en compte de non-linéarités géométriques importantes. Un outil numérique spécifique reposant sur la méthode de la relaxation dynamique est donc développé et validé. Il permet une nouvelle approche de la forme des gridshells et la mise au point d'une méthode de recherche de forme originale. Il est également utilisé pour l'étude géométrique et l'analyse structurelle de prototypes de gridshells en matériaux composites construits sur le site de l'École Nationale des Ponts et Chaussées.

Le terme gridshell désigne une coque discrète qui est obtenue par déformation élastique d'une grille bidirectionnelle continue plane sans rigidité en cisaillement puis rigidifiée par une troisième direction de barres. Ainsi défini, un gridshell a un potentiel structural intéressant et peut répondre à des exigences architecturales complexes. La recherche de forme de ces structures a été menée à travers l'histoire principalement par deux méthodes, la méthode du filet inversé et la relaxation dynamique. Ces deux méthodes permettent d'obtenir une forme approchée de celle proposée par l'architecte, dérivant d'une grille à plat et de conditions aux limites partiellement ou complètement imposées. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à générer un gridshell sur une surface à forme et contours imposés. Un outil numérique se basant sur la méthode du compas a été développé. Il permet de mailler un réseau de Tchebychev sur une surface connaissant son équation cartésienne. Un autre outil permettant le maillage se basant sur un calcul en éléments finis explicite a été mis en œuvre. La particularité de cette technique est de pouvoir tenir en compte des propriétés mécaniques de la structure et de simuler le comportement du gridshell. Des applications des deux méthodes sur des formes architecturalement intéressantes ont permis de voir les limitations de la possibilité de mailler une forme avec un réseau de Tchebychev. La méthode du compas a ensuite été couplée à des algorithmes métaheuristiques types génétiques. L'algorithme résultant permet d'optimiser un gridshell en minimisant la courbure dans les barres et donc les contraintes dans la structure introduites lors de la mise en forme. Il a été mis en œuvre et testé pour plusieurs surfaces / Gridshells are often defined as structures that have the shape and rigidity of a double curvature shell but they consist of a grid and not a continuous surface. They are obtained by elastic deformation of a two-way grid initially flat. The deformed grid is then rigidified using a third direction of bars. Thus, a gridshell has an interesting structural potential and can respond to complex architectural requirements. Two methods have been used through out history for the form finding of gridshells, the inversion method and the dynamic relaxation method. Both techniques lead to a deformed grid which is a result of calculations. The form obtained is closed to the one proposed by the architect. A numerical tool based on the compass method is developed in this thesis. It allows mapping aTchebychev net on an imposed form and imposed boundary conditions.Another tool based on an explicit dynamic finite element calculationis proposed. The particularity of this technique is to be able to take into account the mechanical properties of the structure and to simulate the gridshell behavior. Applications of both methods on differents forms show the limitations of mapping a Tchebychev net on an imposed form. The compass method has been coupled with geneticalgorithms. The algorithm optimizes the gridshell by minimizing the curvature in bars in order not to break the bars during the construction. It has been implemented and tested on several surfaces

Les structures de type gridshell élastique permettent de réaliser des enveloppes courbes par la déformation réversible d’une grille structurelle régulière initialement plane. Cette capacité à “former la forme” de façon efficiente prend tout son sens dans le contexte actuel où, d’une part la forme s’impose comme une composante prédominante de l’architecture moderne, et d’autre partl’enveloppe s’affirme comme le lieu névralgique de la performance des bâtiments. Fruit des recherches de l’architecte et ingénieur allemand Frei Otto dans les années 1960, elles ont été rendues populaires par la construction de la Multihalle de Mannheim en 1975. Cependant, en dépit de leur potentiel, très peu de projets de ce type ont vu le jour suite à cette réalisation emblématique qui en a pourtant démontré la faisabilité à grande échelle. Et pour cause, les moyens engagés à l’époque ne sauraient assurer la reproductibilité de cette expérience dans un contexte plus classique de projet, notamment sur le plan économique. Par ailleurs, les techniques et les méthodes développées alors sont pour la plus part tombées en désuétude ou reposent sur des disciplines scientifiques qui ont considérablement évoluées. Des matériaux nouveaux, composites, ont vu le jour. Ils repoussent les limitations intrinsèques des matériaux usuels tel que le bois et offrent des performances techniques bien plus intéressantes pour ce type d’application. Enfin, notons que le cadre réglementaire a lui aussi profondément muté, apportant une certaine rigidité vis-à-vis de la pénétration des innovations. Ainsi la conception des gridshells se pose-t-elle en des termes nouveaux aux architectes et ingénieurs actuels et se heurte à l’inadéquation des outils et méthodes existant. Dans cette thèse, qui marque une étape importante dans une aventure de recherche personnelle initiée en 2010, nous tentons d’embrasser la question de la conception des gridshells élastiques dans toute sa complexité, en abordant aussi bien les aspects théoriques que techniques et constructifs. Dans une première partie, nous livrons une revue approfondie de cette thématique et nous présentons de façon détaillée l’une de nos principales réalisation, la cathédrale éphémère de Créteil, construite en 2013 et toujours en service. Dans une seconde partie, nous développons un élément de poutre discret original avec un nombre minimal de degrés de liberté adapté à la modélisation de la flexion et de la torsion dans les gridshells constitués de poutres de section anisotrope. Enrichi d’un noeud fantôme, il permet de modéliser plus finement les phénomènes physiques au niveau des connexions et des appuis. Son implémentation numérique est présentée et validée sur quelques cas tests. Bien que cet élément ait été développé spécifiquement pour l’étude des gridshells élastiques, il pourra avantageusement être utilisé dans tout type de problème où la nécessité d’un calcul interactif avec des tiges élastiques prenant en compte les couplages flexion-torsion s’avère nécessaire / An elastic gridshell is a freeform structure, generally doubly curved, but formed out through the reversible deformation of a regular an initially flat structural grid. Building curved shapes that way seems to offer the best of both worlds : shell structures are amongst the most performant mechanically speaking while planar and orthogonal constructions are much more efficient and economic to produce than curved ones. This ability to “form a form” efficiently is of peculiar importance in the current context where morphology is a predominant component of modern architecture, and envelopes appear to be the neuralgic point for building performances. The concept was invented by Frei Otto, a German architect and structural engineer who devoted many years of research to gridshells. In 1975 he designed the Multihalle of Mannheim, a 7500 m2 wooden shell which demonstrated the feasibility of this technology and made it famous to a wide audience. However, despite their potential, very few projects of this kind were built after this major realization. And for good reason, the ressources committed at that time cannot guarantee the replicability of this experiment for more standard projects, especially on the economic level. Moreover, the technics and methods developed by Otto’s team in the 1960s have mostly fall into disuse or are based on disciplines that have considerably evolved. New materials, such as composite materials, have recently emerged. They go beyond the limitations of conventional materials such as timber and offer at all levels much better technical performances for this kind of application. Finally, it should be noted that the regulatory framework has also deeply changed, bringing a certain rigidity to the penetration of innovations in the building industry. Therefore, the design of gridshells arises in new terms for current architects and engineers and comes up against the inadequacy of existing tools and methods. In this thesis, which marks an important step in a personal research adventure initiated in 2010, we try to embrace the issue of the design of elastic gridshells in all its complexity, addressing both theoretical, technical and constructive aspects. In a first part, we deliver a thorough review of this topic and we present in detail one of our main achievements, the ephemeral cathedral of Créteil, built in 2013 and still in service. In a second part, we develop an original discrete beam element with a minimal number of degrees of freedom adapted to the modeling of bending and torsion inside gridshell members with anisotropic cross-section. Enriched with a ghost node, it allows to model more accurately physical phenomena that occur at connections or at supports. Its numerical implementation is presented and validated through several test cases. Although this element has been developed specifically for the study of elastic gridshells, it can advantageously be used in any type of problem where the need for an interactive computation with elastic rods taking into account flexion-torsion couplings is required

La majorité des bâtiments existant aujourd'hui ne respectent pas les réglementations thermiques actuelles. Pour répondre aux exigences environnementales il est impossible, dans ce contexte, d'envisager une politique globale de démolition-reconstruction. Des campagnes de réhabilitation doivent être mises en place. Une solution innovante de réhabilitation énergétique est proposée permettant d'exploiter les ressources énergétiques urbaines, peu utilisées actuellement. Elle consiste à rajouter autour du bâtiment une enveloppe extérieure qui aurait pour fonction principale le captage d'énergie solaire. Un outil d'optimisation de la géométrie de l'enveloppe et de la distribution spatiale de panneaux capteurs à sa surface est développé. Sa validation est effectuée sur des cas simples, puis il est appliqué aux situations présentant de forts contrastes : optimisation pendant la période d'hiver ou d'été, à Oslo ou à Tunis, avec des obstacles proches masquant le Soleil. Afin de réaliser les formes complexes obtenues, il est proposé d'utiliser les gridshells comme système constructif. Ces structures obtenues par déformation élastique d'une grille de poutres en matériau composite initialement planes posent la question de la durabilité de ces matériaux soumis au chargement permanent. Pour étudier le comportement à long terme (fluage et rupture différée) de ces matériaux composés de fibres de renfort et matrice polymère viscoélastique, un modèle micro-mécanique est développé. Ce modèle de type shear-lag permet d'étudier l'influence des propriétés mécaniques des constituants sur la durée de vie du composite soumis à un chargement en traction et traction-cisaillement combinés

Cette thèse porte sur l’appariement des formes, et la recherche par forme clef. Elle décrit quatrecontributions à ce domaine. La première contribution est une amélioration de la méthode des nuéesdynamiques pour partitionner au mieux les voxels à l’intérieur d’une forme donnée ; les partitionsobtenues permettent d’apparier les objets par un couplage optimal dans un graphe biparti. Laseconde contribution est la fusion de deux descripteurs, l’un local, l’autre global, par la règle duproduit. La troisième contribution considère le graphe complet, dont les sommets sont les formes dela base ou la requête, et les arêtes sont étiquetées par plusieurs distances, une par descripteur ;ensuite cette méthode calcule par programmation linéaire la combinaison convexe des distancesqui maximise soit la somme des longueurs des plus courts chemins entre la requête et les objetsde la base de données, soit la longueur du plus court chemin entre la requête et l’objet comparé àla requête. La quatrième contribution consiste à perturber la requête avec un algorithme génétiquepour la rapprocher des formes de la base de données, pour un ou des descripteur(s) donné(s) ; cetteméthode est massivement parallèle, et une architecture multi-agent est proposée. Ces méthodes sontcomparées aux méthodes classiques, et ont de meilleures performances, en terme de précision. / This thesis concerns shape matching and shape retrieval. It describes four contributions to thisdomain. The first is an improvement of the k-means method, in order to find the best partition ofvoxels inside a given shape ; these best partitions permit to match shapes using an optimal matchingin a bipartite graph. The second contribution is the fusion of two descriptors, one local, the otherglobal, with the product rule. The third contribution considers the complete graph, the vertices ofwhich are the shapes in the database and the query. Edges are labelled with several distances,one per descriptor. Then the method computes, with linear programming, the convex combinationof distances which maximizes either the sum of the lengths of all shortest paths from the query toall shapes of the database, or the length of the shortest path in the graph from query to the currentshape compared to query. The fourth contribution consists in perturbing the shape query, to make itcloser to shapes in the database, for any given descriptors. This method is massively parallel and amulti-agent architecture is proposed. These methods are compared to classical methods in the field,they achieve better retrieval performances.

La majorité des bâtiments existant aujourd'hui ne respectent pas les réglementations thermiques actuelles. Pour répondre aux exigences environnementales il est impossible, dans ce contexte, d'envisager une politique globale de démolition-reconstruction. Des campagnes de réhabilitation doivent être mises en place. Une solution innovante de réhabilitation énergétique est proposée permettant d'exploiter les ressources énergétiques urbaines, peu utilisées actuellement. Elle consiste à rajouter autour du bâtiment une enveloppe extérieure qui aurait pour fonction principale le captage d'énergie solaire. Un outil d'optimisation de la géométrie de l'enveloppe et de la distribution spatiale de panneaux capteurs à sa surface est développé. Sa validation est effectuée sur des cas simples, puis il est appliqué aux situations présentant de forts contrastes : optimisation pendant la période d'hiver ou d'été, à Oslo ou à Tunis, avec des obstacles proches masquant le Soleil. Afin de réaliser les formes complexes obtenues, il est proposé d'utiliser les gridshells comme système constructif. Ces structures obtenues par déformation élastique d'une grille de poutres en matériau composite initialement planes posent la question de la durabilité de ces matériaux soumis au chargement permanent. Pour étudier le comportement à long terme (fluage et rupture différée) de ces matériaux composés de fibres de renfort et matrice polymère viscoélastique, un modèle micro-mécanique est développé. Ce modèle de type shear-lag permet d'étudier l'influence des propriétés mécaniques des constituants sur la durée de vie du composite soumis à un chargement en traction et traction-cisaillement combinés / The majority of existing buildings does not follow present energy efficiency regulations. In order to fulfill environmental requirements it seems impossible, in this context, to consider a global demolition-reconstruction policy. Renovation programmes need to be implemented. An innovative energy efficiency improvement solution is proposed, enabling to explore urbain energy ressources presently underexploited. The concept is to add, around the building, an external envelope whose main function would be to collect energy. An optimization tool aiming at finding the optimal geometry and collectors' spatial distribution on the envelope's surface, is developed. Its validation is carried out on simple cases, it is then applied in situations showing strong contrasts: optimization during summer and winter, in Oslo and in Tunis, with close obstacles partially masking the Sun. In order to build the emerging complex geometries, the use of gridshell structures is proposed. These structures are obtained through elastic deformation of an initially plane grid made of composite material slender beams. This raises the problem of composite materials durability under sustained loading. In order to study the long-term behavior (creep and creep rupture) of these materials composed of reinforcing fibres and a polymeric viscoelastic matrix, a micromechanical model is developed. This shear-lag type model allows studying the influence of the constituents' mechanical properties on the lifespan of the composite under permanent pure traction or combined shear and traction loadings

Cette thèse porte sur la reconnaissance et l’appariement de formes 3D pour des systèmes intelligents de vision par ordinateur. Elle décrit deux contributions principales à ce domaine. La première contribution est une implémentation d'un nouveau descripteur de formes construit à la base de la géométrie spectrale de l'opérateur de Laplace-Beltrami ; nous proposons une signature de point globale avancée (AGPS). Ce descripteur exploite la structure intrinsèque de l'objet et organise ses informations de manière efficace. De plus, AGPS est extrêmement compact puisque seulement quelques paires propres étaient nécessaires pour obtenir une description de forme précise. La seconde contribution est une amélioration de la signature du noyau d'onde ; nous proposons une signature du noyau d'onde optimisée (OWKS). La perfectionnement est avec un algorithme heuristique d'optimisation par essaim de particules modifié pour mieux rapprocher une requête aux autres formes appartenant à la même classe dans la base de données. L'approche proposée améliore de manière significative la capacité discriminante de la signature. Pour évaluer la performance de l'approche proposée pour la récupération de forme 3D non rigide, nous comparons le descripteur global d'une requête aux descripteurs globaux du reste des formes de l'ensemble de données en utilisant une mesure de dissimilarité et trouvons la forme la plus proche. Les résultats expérimentaux sur différentes bases de données de formes 3D standards démontrent l'efficacité des approches d'appariement et de récupération proposées par rapport aux autres méthodes de l'état de l'art. / This thesis concerns recognition and matching of 3D shapes for intelligent computer vision systems. It describes two main contributions to this domain. The first contribution is an implementation of a new shape descriptor built on the basis of the spectral geometry of the Laplace-Beltrami operator; we propose an Advanced Global Point Signature (AGPS). This descriptor exploits the intrinsic structure of the object and organizes its information in an efficient way. In addition, AGPS is extremely compact since only a few eigenpairs were necessary to obtain an accurate shape description. The second contribution is an improvement of the wave kernel signature; we propose an optimized wave kernel signature (OWKS). The refinement is with a modified particle swarm optimization heuristic algorithm to better match a query to other shapes belonging to the same class in the database. The proposed approach significantly improves the discriminant capacity of the signature. To assess the performance of the proposed approach for nonrigid 3D shape retrieval, we compare the global descriptor of a query to the global descriptors of the rest of shapes in the dataset using a dissimilarity measure and find the closest shape. Experimental results on different standard 3D shape benchmarks demonstrate the effectiveness of the proposed matching and retrieval approaches in comparison with other state-of-the-art methods.

La Relaxation Dynamique (RD) est une méthode numérique présentée en 1965 par A.S. Day dans l'ouvrage "The Engineer". Depuis 1983, avec les travaux présentés par P. Underwood, la méthode est de plus en plus utilisée. Depuis ces travaux fondateurs, la méthode de RD a trouvé de nombreuses applications, et plusieurs auteurs ont introduit différentes améliorations de la méthode en cherchant l'optimisation des calculs. Désormais, son utilisation s'est largement étendue aux domaines tels que la dynamique des structures (particulièrement la recherche de forme), la geomécanique ou la biomécanique. Dans le cadre de l'utilisation de la RD les chercheurs ont suivi deux chemins différents pour le choix d'une stratégie d'amortissement des oscillations: certains ont utilisé la RD combinée avec un amortissement visqueux et d'autres ont utilisé la RD combinée avec un amortissement cinétique. Néanmoins, très peu de comparaisons entre ces deux méthodes ont été exposées ayant par but d'aider à choisir l'une ou l'autre pour une application en particulier. Focalisés dans la recherche de forme de structures minces, le principal objectif de cette thèse est d'apporter une contribution au développement des méthodes de RD parallèlement à une revue des méthodes existantes en vue de les comparer. Un premier article scientifique est ainsi détaillé dans ce travail en comparant les différentes méthodes de RD avec les deux types d'amortissement, cinétique et visqueux, pour le cas particulier de la recherche de forme de structures gonflables. Puis un second papier est décrit, où une extension pour la méthode de RD avec amortissement cinétique est proposée. En tant qu'application des méthodes de RD étudiées, une contribution à la modélisation des gilets de sauvetage gonflables est exposée. Le but de cette partie de la thèse est d'introduire quelques contributions à la création d'un outil numérique permettant de tester le fonctionnement d'un gilet de sauvetage gonflable en situation en utilisant la méthode des Eléments Finis. Ce travail comprend la création d'un mannequin paramétré, une caractérisation grossière du textile technique impliqué, des améliorations concernant la simulation numérique du gonflage du gilet en utilisant la méthode de RD, et finalement une première approche à la dynamique de l'eau et la mécanique du contact qui seront présents dans la simulation globale.

Ce mémoire présente mes activités en tant qu'enseignant-chercheur au sein du Laboratoire de Mécanique et Génie Civil (LMGC) de l'Université Montpellier 2, en vue de l'obtention de l'Habilitation à Diriger des Recherches. Les travaux de recherche exposés sont liés aux principales thématiques que j'ai pu développer dans l'équipe " Conception en Structures " du LMGC, essentiellement de 2004 à 2013.