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.

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

Following a well-documented rise in the popularity of concrete shell application in the 20th century, thin concrete shells have experienced a global decline despite their potential as efficient structures with an economy of material use with aesthetics benefits. This phenomenon is subject to geographically determined socio-economic conditions and competition from other building solutions as a result of technological advancement in alternative construction systems. Importantly, their decline was attributed to limitations inherent to concrete shell formwork and construction methods. Being able to produce efficient shaping did not ensure that this method of construction is most cost efficient as it still remains difficult to construct double curved surfaces. The thesis addresses the limitations associated with past and present concrete shell building by proposing the use of actively-bent gridshells as re-configurable and reusable formwork for concrete shells to be designed and built. The hypothesis uses deployable scissor-jointed actively-bent gridshells as re-configurable and reusable formwork for concrete shell construction. This was developed from a series of Flash research (Benjamin, 2012) as student construction workshops to investigate the design and creation of actively-bent gridshells held between December 2008 and March 2011 in Sheffield. In this study, to understand this new system, scaled models of actively-bent gridshells were used as preliminary design aid. Deployed into three dimensional forms from a flexible flat grid mat, the structures were rigidized by bracing through triangulation restraints. The temporary rigid structure was subsequently enveloped with fabric onto which concrete was applied to create the concrete shell, thus acting as formwork. This formwork was then removed following the curing of the concrete cast to be reused repeatedly, or reconfigured into another concrete shell form. Hence, the thesis draws on the concepts, principles and ideas pertaining to three key architectural technologies: 1. concrete shell, 2. actively-bent gridshells and 3.fabric formwork. The thesis then presents a series of four prototype concrete shells constructed from different materials spanning between 1.3 meters and 2.45 meters in the workshops at the University of Edinburgh built between August 2014 and September 2015. For each experimental construction, the process of gridshell construction, fabric formwork preparation, concrete casting, gridshell formwork decentring and different design elements of openings, edges and anchorage abutments were analysed and discussed under the themes of construction, architectural tectonics and structure. The tectonic of process and material is understood and discussed based on the idea of stereogeneity (Manelius, 2012). Specifically, the relationship between gridshell as formwork and the concreting process was studied, analysed and assimilated in concrete shells built with progressive sophistication and elegance, culminating in a doubly-curved concrete shell that demonstrated both synclastic and anticlastic geometries, with further abutment simplification, edge leaning and physical openings incorporation. The study concludes with a physical concrete shell model formed by applying concrete onto fabric formwork to cover the Weald and Downland Jerwood gridshell. In the 1:20 scaled model, the proposed method is speculatively applied onto fabric stretched between pre-determined curvatures of the as-built gridshell. This formwork was subsequently removed for reuse, re-deployed and reconfigured. Using finite element analysis, the structural behaviour of the gridshell made of glass-fibre reinforced tubes and structural characteristics of the resultant concrete shell was checked. The interaction between the three technologies are discussed architectonically and structurally to inform guidelines for potential life-scale application. The thesis evidences the feasibility of the proposed system. It re-purposes a scaled model of a deployable gridshell as a physical modelling tool to facilitate concrete shell design, for both pure compression shells and "improper" shells, demonstrating its adaptability. It also promotes and reinvigorates concrete shells as possible architectural systems serving to instigate future research to revive concrete shell construction as an intelligent and intuitive way of creating structures with material economy, structural efficiency and visual elegance.

Les dernières décennies ont vu l’émergence de formes architecturales non standard. Les concepteurs se retrouvent généralement démunis face à la complexité géométrique de ces objets, dont la fabrication rime souvent avec complication. De plus, les outils utilisés dissocient forme et fonctionnement structurel,ce qui complexifie le processus de décision pour ingénieurs et architectes. Ce mémoire prend un point de vue fondé sur la notion d’invariance par transformation géométrique et étudie plusieurs strategies de génération de formes naturellement constructibles pour remédier à ces manques. Trois contraintes constructives ont été identifiées et correspondent à trois contributions indépendantes de cette thèse.La répétition des noeuds d’assemblage est étudiée via les transformations par maillages parallèles. Ces dernières sont utilisées pour créer une généralisation des surfaces de révolution. On retrouve par là un paramétrage particulier des surfaces moulures de Monge avec une grande répétition d’éléments, et notamment de noeuds d’assemblage.Les réseaux de cyclides sont ensuite utilisés pour dessiner des formes parametrées par leurs lignes de courbures. Cela permet la couverture par panneaux plans ainsi que l’offset des éléments structurels sans excentricité. L’apport de cette thèse est l’implémentation de plusieurs améliorations, notamment l’introduction de plis à double courbure, un algorithme permettant de généraliser les réseaux de cyclides à des topologies quelconques, et la génération de surfaces généralisant les surfaces canal à partir de deux courbes rail et une courbe profil.Finalement, une méthode innovante inspirée de la géométrie descriptive permettant la génération de formes courbes couvertes par des quadrilatères plans est proposée. La méthode, baptisée méthode marionnette, réduit ce problème à un système linéaire, ce qui permet une manipulation de ces forms constructibles en temps réel. Une étude comparative montre que cette technique peut être utilisée pour paramétrer des problèmes d’optimisation de forme de coques sans perte de performance par rapport aux paramétrages utilisés de façon classique. L’intégration des contraintes de fabrication dans le processus d’optimisation structurelle ouvre de nouvelles possibilités d’applications, comme des résilles gauches et des coques plissées. La pertinence de ces nouvelles solutions est démontrée par de multiples études de cas / The last decades have seen the emergence of non-standard architectural shapes. Designers find often themselves helpless with the geometrical complexity of these objects. Furthermore, the available tools dissociate shape and structural behaviour, which adds another complication. This dissertation takes the point of view based on invariance under geometrical transformations, and studies several strategies for fabrication-aware shape modelling. Three technological constraints have been identified and correspond to three independent contributions of this thesis.The repetition of nodes is studied via transformations by parallelism. They are used to generalise surfaces of revolution. A special parametrisation of moulding surfaces is found with this method. The resulting structure has a high node congruence.Cyclidic nets are then used to model shapes parametrised by their lines of curvature. This guarantees meshing by planar panels and torsion-free beam layout. The contribution of this dissertation is the implementation of several improvements, like doubly-curved creases, a hole-filling strategy that allows the extension of cyclidic nets to complex topologies, and the generation of a generalisation of canal surfaces from two rail curves and one profile curves.Finally, an innovative method inspired by descriptive geometry is proposed to generate doubly-curved shapes covered with planar facets. The method, called marionette technique, reduces the problem to a linear problem, which can be solved in real-time. A comparative study shows that this technique can be used to parametrise shape optimisation of shell structures without loss of performance compared to usual modelling technique. The handling of fabrication constraints in shape optimisation opens new possibilities for its practical application, like gridshells or plated shell structures. The relevance of those solutions is demonstrated through multiple case-studies