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  • Le 05 octobre 2022
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Le laboratoire GeM (Institut de Génie Civil et Mécanique, UNR CNRS 6183) est constitué de 230 personnes (EC, IATOSS, Doctorants, etc.) réparties sur 3 sites : IUT de Saint-Nazaire, Faculté des Sciences et Techniques et Centrale Nantes. Depuis le 1er janvier 2022, le laboratoire s’est restructuré en Unités Thématiques de Recherche (UTRs) pour rapprocher davantage les chercheurs et leurs activités sur les 3 sites du GeM. Les 9 UTRS sont listées ci-après :

  • Géomécanique environnementale,
  • Approches de l’ingénierie verte,
  • Procédés et durabilité des matériaux et des structures,
  • Couplages et méthodes numériques pour les structures complexes,
  • Dynamique des structures, procédés et séismes,
  • Mécanique et physique multi-échelles des matériaux,
  • Mesures, assimilation de données et incertitudes,
  • Biomécanique-santé du futur,
  • Rapid Manufacturing

Le contexte scientifique du laboratoire s’étend de l’élaboration des matériaux, des procédés jusqu’à la durabilité des structures, avec des approches : expérimentale, de modélisation et de simulation.

Les objectifs scientifiques des UTRS et la stratégie du laboratoire sont :

1. Soutenir les thématiques à forte visibilité :

  • Mécanique numérique
  • Caractérisation et modélisation des couplages à différentes échelles (au travers notamment de l’UTR « Mécanique et physique multi-échelles des matériaux »)
  • Calcul intensif
  • Fabrication additive
  • Durabilité des ouvrages

2. Porter les thématiques en développement :

  • Mesures expérimentales, données et incertitudes

 3. Développer des thématiques :

  • en lien avec les enjeux sociétaux (risques naturels, ingénierie verte, EMR)
  • transversales : biomécanique, pour étudier la structure et le comportement biomécanique du corps humain des matériaux innovants pour la médecine.  
Les domaines d’application sont :
  • Médecine personnalisée
  • Dispositifs médicaux (notamment vis-à-vis de l’orthopédie)
  • Médecine régénératrice
  • Ingénierie tissulaire
  • Traitements thérapeutiques

Cette thématique est notamment abordée dans l’UTR « Biomécanique et santé du futur ».

Sur le site de Saint-Nazaire, sont particulièrement étudiés : la durabilité des ouvrages hydrauliques, la valorisation des éco-produits pour des constructions durables et à faible impact environnemental, les ancrages d’éoliennes flottantes et les drones de demain. Ces différents thèmes sont présentés ci-après.


 

Durabilité des ouvrages hydrauliques

La France dispose d’un parc important d’ouvrages hydrauliques avec près de 9 000 km de digues de protection contre les crues, 8 000 km de digues de canaux de navigation et 1 000 km de canaux hydroélectriques. Le nombre de petits barrages est de l’ordre de plusieurs dizaines de milliers et celui des grands barrages avoisine les 600.

Les travaux de recherche menés au sein de l’UTR Géomécanique Environnementale ont pour but de caractériser et de modéliser les processus responsables de la majeure partie des instabilités que peuvent subir les ouvrages hydrauliques notamment les barrages et les digues, afin d’optimiser leur dimensionnement et leur maintenance.

La complexité des phénomènes d’instabilité étudiés (érosion d’interface, suffusion, etc…) nécessite une approche interdisciplinaire et le développement conjoint de caractérisations expérimentales et de modélisations numériques suivant plusieurs échelles spatiales (de l’échelle microstructurale du pore, à celle de l’ouvrage) et temporelles. Ces recherches sont réalisées en partenariat avec plusieurs industriels français (EDF-CIH, CNR) et étranger (Verbund) et en collaboration avec plusieurs partenaires académiques internationaux (Université Laval, Université de Sheffield). Un site internet dédié résume les travaux en cours : internal-erosion-research.com.

La Figure 1(a) présente un dispositif original « Erodimètre triaxial de grandes dimensions » permettant de tester l’érodabilité des sols sous sollicitations hydrauliques et mécaniques complexes.

Figure 1 : (a) Erodimètre pour mesurer la résistance des matériaux au phénomène d’érosion ; (b) Simulateur de marnage de grandes dimensions


 

Valorisation des éco-produits pour des constructions durables et à faible impact environnemental

Pour réduire l’empreinte carbone liée à la fabrication du ciment (1 tonne de ciment fabriqué c’est 700 à 900kg de CO2 dégagés) des solutions alternatives sont mises en œuvre à différentes échelles de la fabrication des constituants du béton : ciment, eau et granulats (sables et gravillons). Dans les UTRs « Approches de l’ingénierie verte » et « Procédés et durabilité des matériaux et structures » des bétons à base de liant bas carbone sont formulés et caractérisés d’un point de vue durabilité pour diverses applications. En voici quelques exemples :

  1. Etude de la corrosion des aciers noyés dans des matériaux cimentaires bas carbone en vue d’optimiser le béton des flotteurs d’éoliennes offshore : collaboration GeM/ CEA
  2. Etude du comportement à jeune âge des bétons à bases de granulats recyclés : collaboration GeM/ UTHB Alger
  3. Valorisation des laitiers de haut fourneaux et cendres volantes de Pologne en vue de la conception de bétons durables en milieu marin : collaboration GeM/ Ecole Polytechnique de Cracovie.

La Figure 1(b) montre un simulateur de marnage d’échelle 1, conçu au laboratoire pour soumettre des bétons aux cycles d’humidification (marée haute) et séchage (marée basse). Le simulateur orignal en termes de taille (2 bassins (LxlxH) : 4x1x2m3) permet de tester la résistance à la corrosion des éléments de structures de grandes dimensions : poutres, poteaux dalles et matériaux métalliques par exemple.

La construction de demain nécessite aussi de trouver des solutions avec d’autres matériaux de construction. La construction en terre crue représente une solution d’avenir. Des études sont entreprises au laboratoire pour imprimer en 3D ces matériaux à base de terre crue et étudier leurs performances hygrothermiques.

La Figure 2 présente un mur en terre crue où sont placées des sondes d’humidité et de température. Le mur est testé dans une chambre bi-climatique d’échelle 1.

Figure 2 : Equipement d’un mur en terre crue pour l’étude du comportement hygrothermique dans une chambre bi-climatique d’échelle 1. Les repères S1 à S21 indiquent la position des carottages prévus pour l’étude de l’effet de la variabilité spatiale des propriétés de transfert

Les matériaux étudiés au laboratoire ne se limitent pas au domaine de la construction pour le génie civil mais concernent aussi l’aéronautique et la construction navale. Il s’agit par exemple de mettre au point des matériaux résistants à base de composites biosourcés pour fabriquer des pièces composites pour le domaine du nautisme. Les fibres de verre classiquement utilisées sont remplacées par des fibres de lin et la résine époxy par de l'époxy partiellement biosourcée pour réduire l’emprunte carbone liée à la fabrication du verre.

La recherche porte notamment sur l’adaptation du procédé de mise en œuvre et pour s'assurer que les performances mécaniques à long terme du matériau formé soient conservées.
La Figure 3 montre un exemple d’essai de traction sur une éprouvette de fibre de lin.

Figure 3 : Essai de traction sur éprouvette en fibre de lin


 

Ancrage d’éolienne flottante

Très récemment le GeM a participé au projet ANR FEM MONAMOOR qui se termine. Ce projet, en partenariat notamment avec France Energie Marine, Ifremer et le fabriquant de ligne d’ancrage synthétique Bexco, porte sur le monitoring de ligne d’ancrage en nylon pour éolienne flottante par l’intermédiaire de fibres optiques plastiques.

La ligne d'amarrage étant un élément essentiel des éoliennes flottantes, il est fondamental à la fois de comprendre le comportement à long terme des composants de ces lignes et de développer des systèmes de surveillance pour suivre leur comportement tout au long de leur vie.

Le rôle du GeM dans ce projet a été le développement de systèmes de surveillance innovants basés sur une fibre optique plastique. Le dernier challenge relevé a été de quantifier l’allongement de la ligne d’ancrage en mesurant le temps de vol d’un pulse lumineux se propageant à travers la fibre optique plastique avec une précision inférieure à 10 cm sur 100 m.

Un exemple de ligne d’ancrage est montré par la Figure 4(a).

Figure 4 : (a) Ligne d’ancrage en nylon (source : Bexco ©) ; (b) Prototype d’un drone conçu pour un test de crash


 

Au GeM, on imagine les drones de demain

Les travaux récents du GeM sur le comportement des matériaux à base de fibre de carbone ont donné lieu à une curieuse application : l’amélioration de la résistance au crash d’un drone (voir Figure 4(b)). Pour la petite histoire, ce concept de châssis de drone a donné lieu au dépôt d’un brevet d’invention. Ce châssis limite la force d’impact sur des victimes en cas de panne et protège la charge embarquée, telle qu’une caméra ou un défibrillateur par exemple. Ce sujet sera au cœur de l’innovation des futures solutions de transports économes.


Contribution portée par Ouali AMIRI - Directeur Adjoint du GeM et Didier MAROT - Président du Conseil Scientifique de l'IUT de Saint-Nazaire