Un pont, une aile d'avion, un rail de chemin de fer, un container pour déchets nucléaires : a priori, aucun point commun entre ces objets. A priori seulement… Car les matériaux qui les composent sont tous au centre des recherches du Laboratoire de mécanique et technologie (LMT) de Cachan¹, au sud de Paris. Là, encerclés par d'inquiétantes machines qui ne demandent qu'à tâter et tester de la matière, près de 150 chercheurs partagent au gré des rencontres leurs dernières avancées sur tel ou tel matériau destiné, au choix, à l'aéronautique, au génie civil, à l'automobile, à la défense ou encore à la sûreté nucléaire. Leurs buts ? Définir avec précision ses propriétés (durée de vie, résistance, etc.) afin de les optimiser et concevoir des structures² plus résistantes ou plus adaptées à leur application.

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© P.Ruault/Photothèque Lafarge

La passerelle de la Paix, à Séoul, n'est épaisse que de trois centimètres, grâce au béton révolutionnaire qui la compose : le ductal !

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 Outre cet échange scientifique, les trois équipes autonomes du LMT doivent partager les équipements de pointe qui ont fait la renommée de la maison. « Nous avons opté pour un fonctionnement purement démocratique », s'amuse Pierre Ladevèze, qui dirige le LMT. Visiblement, ça marche : accroché à un mur, un écran témoigne en boucle des réussites du laboratoire, qui s'exportent d'ailleurs très bien. Un exemple ? La passerelle de la Paix, en Corée du Sud, longue de 120 m et épaisse de… 3cm ! « Et l'on peut très bien danser sur ce pont, plaisante Micheline Moranville, physicienne et directrice au LMT de l'équipe « Génie civil et Environnement ». Nous avons participé à la mise au point du béton, baptisé Ductal®, qui a servi à sa fabrication en 2002. D'une manière plus générale, nous travaillons beaucoup sur les Bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUHP). Grâce à l'optimisation des microstructures, l'un d'eux est ainsi  devenu résistant à des pressions de près de 800 mégapascals contre 35 pour les bétons classiques ! » Notre chercheuse sait de quoi elle parle : son équipe étudie le comportement des structures dans les conditions les plus extrêmes, avec un but : en améliorer la résistance. Le rôle que pourrait jouer ce type de bétons, dit à ultra haute performance, saute aux yeux : protéger les centrales nucléaires contre les impacts d'avion, améliorer les conditions de stockage des déchets nucléaires, créer des structures toujours plus résistantes aux incendies, et tant d'autres… Entre modélisations et expérimentations, les chercheurs du LMT avancent à grand pas. Ainsi, ils participent à présent à la mise au point de bétons révolutionnaires dits autoplaçants : « Ce sont tout simplement des bétons qui vont couler comme de l'eau, ce qui facilite grandement leur utilisation, même dans les cas les plus complexes », note Micheline Moranville. Un des enjeux actuels : donner cette qualité à des bétons de haute performance. Mais la genèse de cet « idéal » n'est pas encore pour demain. « En matière de béton, nous ne sommes pas loin d'avoir trouvé la matrice optimale, poursuit la chercheuse. Seul défaut : la résistance est encore insuffisante lorsque le béton est soumis à des grandes tractions par exemple. » La solution ? Rajouter des fibres synthétiques ou métalliques qui vont le consolider. Une piste explorée en ce moment même dans les locaux du LMT.

 

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© H.Raguet/CNRS

Créée au LMT, cette machine triaxiale permet d'étudier avec précision le comportement de matériaux et de structures en les soumettant à des contraintes très complexes.

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À quelques mètres de là, d'autres chercheurs travaillent à une échelle moindre. Leur métier ? Observer les comportements des matériaux sous toutes les formes de contraintes, comprendre l'apparition des fissures et cassures, et en déduire des modèles qui serviront ensuite à mettre au point des structures. Pour cela, nos mécaniciens disposent notamment d'un outil de leur création : une machine triaxiale, nommée Astree, qui torture l'échantillon du matériau testé, en le tordant simultanément dans toutes les directions choisies par l'opérateur. « Nous mesurons alors les déformations, que nous mettons en relation avec les efforts exercés », explique Ahmed Benallal, directeur de recherche CNRS de l'équipe « Mécanique et matériaux ». Présentées ainsi, les choses paraissent si simples… Mais c'est oublier un peu vite une évolution majeure de la discipline, initiée au sein même du LMT. Auparavant, la mesure se faisait point par point. Depuis quelques années, ce sont les « champs » de déformation qui intéressent nos chercheurs : « Nous filmons les expériences, et grâce à des techniques de corrélation d'images, nous observons les déformations sur l'ensemble de l'éprouvette », confirme Ahmed Benallal avec modestie. Pour mieux traiter ces informations, son collègue François Hild a même développé le logiciel Correli, qui fait déjà référence dans de nombreux laboratoires ou entreprises. Autre changement dans l'univers si particulier de la mécanique des matériaux, la nature même de ces derniers : « Il y a quelques années, nos études portaient essentiellement sur les métaux, se souvient le directeur de recherche. Aujourd'hui, nous nous intéressons à quasiment tous les types de matériaux : métaux, céramiques, verres, polymères, composites à matrice métallique, mousses, nids d'abeilles et beaucoup d'autres ! »

 

Troisième équipe, troisième univers, beaucoup plus fondamental celui-ci : l'unité « Systèmes et structures » du LMT, qui jongle avec les chiffres et les concepts. Plus précisément, ces chercheurs tentent sans cesse de reculer les limites actuelles en modélisation et en calcul, avec une attention toute particulière pour les comportements de matériaux composites et l'élaboration de structures. Avec parfois des objectifs à très long terme : « un de nos buts est de remplacer les essais effectués par Airbus par du “virtual testing”, c'est-à-dire de la simulation d'essais, explique Pierre Ladevèze, également responsable de cette équipe. Cette méthode représenterait des économies énormes de temps et d'argent ! » Avant d'y arriver, il y a de nombreux obstacles à surmonter. Le premier ? Le scientifique nous le livre : « Aujourd'hui, les modèles qui sont bons en micromécanique deviennent médiocres lorsque l'on passe aux structures complexes. Et inversement. » Un enjeu pour l'avenir est donc de parvenir à combiner les deux pour aboutir à un modèle satisfaisant à différentes échelles. Mais ce n'est pas tout… Une question taraude sans cesse l'esprit de nos méfiants chercheurs : 

Des partenaires de choc Aucun doute : les recherches menées au LMT séduisent l'industrie. Pour preuve, la liste impressionnante de ses partenaires actuels, dont Airbus, Dassault Aviation, EADS, EDF, Lafarge, PSA, Renault, Saint-Gobain, Snecma, Thomson ou encore Usinor. Des alliances d'autant plus fortes qu'elles sont marquées du sceau de la durée : chacune d'entre elles permet en moyenne la réalisation de deux thèses successives.

quelle confiance accorder aux modélisations ? « Le passage au numérique dénature la réalité, explique Olivier Allix, chercheur de cette équipe. Mais nous devons tendre vers une garantie de la qualité des données que nous fournissons à nos partenaires industriels. » À l'image du fameux battement d'ailes d'un papillon à l'autre bout du monde, un minuscule écart sur les données peut en effet engendrer une grosse erreur sur la prévision de la durée de vie d'une structure. Avec les conséquences que l'on imagine lorsque celle-ci est intégrée à l'aile d'un avion… Mais que l'on se rassure ! Le LMT est une référence internationale en la matière. Ses domaines d'excellence ? Tout d'abord, la « validation », qui consiste à estimer la dénaturation de la réalité grâce à de nombreux outils. Vient ensuite le « recalage » : « cela revient à améliorer les modèles à partir des essais déjà effectués, précise Pierre Ladevèze. Pour cela, nous commençons par hiérarchiser les sources d'erreur potentielles, tout en sachant qu'il y a certaines choses que nous ne remettrons pas en cause. » Petit à petit, les travaux du LMT permettent ainsi d'affiner tous les modèles utilisés par ses partenaires. Mais pour Olivier Allix, pas question de réduire le laboratoire à ses applications immédiates : « Quand les industriels bloquent sur un problème, il est souvent difficile d'en dégager vraiment le nœud. Du coup, cela nous amène à extraire des problèmes très fondamentaux : nous sommes aussi des chercheurs de concepts au long cours ! » Associer les partenaires à ses recherches fondamentales est sûrement un des secrets de la réussite du LMT. Sur certaines thématiques, notre laboratoire se veut même fédérateur. Une preuve ? La création en 1999 du Club des affiliés, qui réunit chaque année les partenaires industriels du LMT autour d'un thème précis. Le but est clair : comprendre les attentes de chacun et – qui sait ? – susciter des collaborations autour d'enjeux communs. Un véritable pont en béton entre recherche et industrie.

 

Matthieu Ravaud

 

À voir : www.lmt.ens-cachan.fr

 

Crédit photo : V.Matte et M.Moranville/CNRS

Légende : Vu au microscope à balayage, ce béton BPR (béton de poudres réactives) résiste à des pressions de 800 mégapascals contre 35 pour les bétons classiques.

© H.Raguet/CNRS Plate-forme du LMT Une plate-forme pour isoler les expériences   Pour tester des structures allant de l'échelle microscopique à celle d'une voiture, les chercheurs du LMT disposent depuis novembre 2001 d'une plate-forme de 4 mètres sur 6 unique en son genre : au cœur du laboratoire, celle-ci n'est pas solidaire des murs de l'établissement, mais du socle de béton d'environ 115 tonnes sur lequel elle repose. Résultat ? « Sur cette plate-forme, nous menons bon nombre d'expériences qui feraient s'écrouler les murs du laboratoire », note Pierre Ladevèze, le directeur du LMT. Un exemple : nos scientifiques étudient le comportement de structures destinées au génie civil sous l'effet de séismes ou de grands vents.