Les structures adaptatives réduisent l’empreinte carbone du bâti

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Des chercheurs de l’EPFL ont développé des méthodes novatrices pour concevoir et contrôler des structures civiles qui s’adaptent aux charges s’exerçant sur elles. Le but: diminuer l’impact environnemental du bâti.

Pour faire face aux défis environnementaux, les acteurs de l’industrie du bâtiment doivent proposer de nouvelles manières de construire. «Ce secteur est le plus gros consommateur de matières premières, il représente plus d’un tiers de la demande énergétique mondiale et entre 40 et 50% des émissions totales de CO2», rappelle Gennaro Senatore, scientifique au Laboratoire IMAC (Informatique et mécanique appliquées à la construction) et chef du projet.

Ces chiffres peuvent partiellement s’expliquer par les pratiques traditionnelles de conception des structures de génie civil. Celles-ci sont généralement pour résister aux charges les plus extrêmes, et qui plus est, les plus rares: vents violents, tremblements de terre, neige abondante ou encore foule de personnes.

Une des solutions se trouve dans les structures adaptatives, qui sont capables de s’adapter à différentes charges tout en garantissant le respect des exigences de résistance et de fonctionnement. «Elles peuvent fonctionner plus près des limites de conception et donc être plus performantes et durables que les structures passives classiques», explique Gennaro Senatore.

Le premier critère de la méthode de conception mise au point par les scientifiques est la minimisation de l’énergie, tant au niveau de la partie opérationnelle avec la détection, le contrôle et l’actionnement qu’au niveau des matériaux (l’énergie intrinsèque).

S’adapter en conséquence

Pour prouver la faisabilité de leur technique, ils ont conçu un prototype qui prend la forme d’une passerelle. Celle-ci est capable de supporter une charge ordinaire de façon passive et, grâce à son système de contrôle intégré, de s’activer si elle est exposée à une charge plus importante.

Pour ce faire, la passerelle est équipée de capteurs, d’unités de contrôle et d’actionneurs. «Chaque élément structurel est instrumenté par un capteur de contrainte et l’apprentissage machine améliore la précision de détection de la charge en termes de localisation et d’intensité», explique Arka Prabhata Reksowardojo, assistant-doctorant qui a défendu sa thèse sur ce projet avec succès il y a quelques semaines. «Les unités de contrôle traitent les informations obtenues par les capteurs afin de fournir des commandes de contrôle appropriées aux actionneurs, qui se contractent et s’étendent pour permettre à la structure de changer de forme»

Et en cas de panne de courant? «La structure ne s’effondrerait pas car elle est conçue pour avoir une capacité de charge suffisante même sans la contribution du système actif», précise le scientifique. «Toutefois, les limites de fonctionnement, telles que les déformations, sont susceptibles d’être dépassées.

Moins de masse pour plus de souplesse

La passerelle s’étend sur 6,6 mètres de long et un mètre de largeur, pour une profondeur de 160 centimètres. «C’est une configuration très fine, avec un élancement deux à trois fois plus élevé que les structures classiques», précise Arka Prabhata Reksowardojo. Cet élancement, c’est la manière dont la structure va se comporter sous l’effet de forces de compression. Plus il est élevé, plus la structure va se déformer, à l’image d’une règle en plastique qui se plie sans pour autant se casser lorsqu’on la compresse entre nos mains.

«La structure a été conçue pour être capable de contrecarrer l’effet de la charge par des grands changements de forme», ajoute Arka Prabhata Reksowardojo, qui vient de défendre sa thèse, consacrée à ce projet. Le contrôle par de grands changements de forme est une des nouveautés de cette recherche. Il entraîne une homogénéisation significative des contraintes, qui se caractérise par une réduction globale de celles-ci (allant jusqu’à 37%) et, in-fine, par une économie de masse et d’énergie.

Un impact global

Les structures adaptatives fournissent un moyen de dépasser les limites de conception liées à la rigidité des structures civiles, tout en économisant une quantité substantielle de matériaux et en répondant aux exigences de sécurité. Elles sont avantageuses dans les cas où l’on construit un bâtiment prévu pour résister à des charges rares mais importantes, tels que des vents violents par exemple. Les gratte-ciels et les structures de longue portée pourraient également bénéficier de cette technologie, offrant ainsi de nouvelles solutions pour les urbanistes à la quête de plus d’espaces.

«Des études ont montré que les structures produites par cette méthode permettent de réaliser jusqu’à 70 % d’économie d’énergie intrinsèque», précise Gennaro Senatore. «Même si la part de l’énergie opérationnelle est plus importante que pour une structure passive, cette technologie contribue à réduire les émissions de gaz à effet de serre, et encore plus dans une optique à long terme avec les progrès technologiques à venir dans le domaine de l’énergie».

«Le fait de combiner faible consommation énergétique et design très fin est unique en ingénierie structurelle», conclut Gennaro Senatore. «Cette technologie pourrait avoir un fort impact sur l’environnement bâti et sur la société dans son ensemble.»