Réinventer la conception des bâtiments pour libérer le potentiel des matériaux composites pour l’architecture

Réinventer la conception des bâtiments pour libérer le potentiel des matériaux composites pour l'architecture

La forme géométrique (à gauche) et le modèle réel correspondant en polymère renforcé de fibres étudiés dans l’étude. La taille du modèle est de 30 sur 30 centimètres. Crédit : Anastasiia Moskaleva/Skoltech

Tendance frappante de l’architecture moderne, les structures de forme libre sont des bâtiments uniques en leur genre aux formes non conventionnelles : musées, stades, hôtels de luxe, pavillons d’exposition ou universités, d’ailleurs, vous n’avez pas besoin de chercher plus loin que le campus de Skoltech !

Aujourd’hui, le béton armé est le matériau de prédilection de ces constructions impressionnantes, avec leurs dômes, leurs voûtes et leurs façades complexes. Mais les polymères renforcés de fibres sont une alternative prometteuse. Bien sûr, ils sont plus chers à produire, mais l’entretien est moins cher car ils ne rouillent pas et n’ont pas besoin d’être peints. Ils sont également légers et robustes, ouvrant de nouvelles possibilités d’expression architecturale, par exemple, des portées plus larges sans supports intermédiaires.

Pour ce faire, les outils existants de conception et de modélisation des bâtiments doivent être réinventés, car ils sont orientés vers des matériaux traditionnels tels que le béton armé ou l’acier. C’est ce que l’équipe scientifique du Laboratoire de matériaux et structures composites de Skoltech Materials dirigée par le professeur agrégé Alexander Safonov et leur collègue de l’Université de Grenade commencent à faire dans leur étude rapportée dans Ouvrages composites.

“Il est tentant de simplement transférer ce que nous faisons avec du béton armé vers des composites polymères. Mais ce n’est qu’une simple reproduction mécanique de ce à quoi nous sommes habitués, sans tenir compte de la nature unique du nouveau matériau et de son potentiel”, explique l’étude. auteur et doctorat en matériaux Skoltech. a commenté l’étudiante Anastasiia Moskaleva.

“Donc, dans cette étude, nous le faisons correctement et allons de la conception à la fabrication sans prétendre que nous avons affaire à du béton. Nous nous concentrons sur une structure particulière en forme de surface courbe, que nous étudions en miniature.”

La surface en question est appelée structure de coque à forme trouvée. Cela semble technique, mais c’est une sorte de forme qui apparaît dans l’architecture de forme libre dans certains dômes et voûtes. Les chercheurs ont terminé le cycle complet en concevant la structure, en la fabriquant comme un échantillon de laboratoire de 30 sur 30 centimètres, puis en la testant sous contrainte artificielle dans une expérience. Ils ont également modélisé mathématiquement les propriétés mécaniques de la coque.

Dans cette étude, l’équipe a mis l’accent sur la phase de conception. Il n’existe pas de technique éprouvée pour concevoir des structures composites de ce type, c’est pourquoi les chercheurs ont adopté la méthode de la densité de force. Il est utilisé pour des structures similaires en béton, en bois et en acier, mais n’a jusqu’à présent pas été appliqué aux structures composites.

“Ce n’est que récemment que cette méthode a reçu sa description mathématique formelle, mais elle est enracinée dans des expériences telles que celles réalisées par Antoni Gaudí. Il avait l’habitude de dériver des formes très efficaces en suspendant des modèles dans les airs pour les laisser s’affaisser sous leur propre poids et puis en inversant la forme qu’ils ont prise. D’une certaine manière, il a laissé la gravité faire le travail d’une manière qui suit la force », a déclaré Moskaleva. “A la base, nous avons précisé que nous voulions une structure qui reposerait sur quatre supports et supporterait son propre poids de manière optimale, et la méthode nous a conduit à cette forme.”

La structure a ensuite été fabriquée en tant qu’échantillon à petite échelle en utilisant ce qu’on appelle l’infusion sous vide dans le laboratoire des matériaux et structures composites de Skoltech Materials. Il s’agit de poser des feuilles de fibre de carbone sur une armature rigide qui leur donne forme dans une poche hermétique, recouvrant la structure d’époxy, et faisant imbiber le tissu en manipulant la pression. Après une journée dans le compartiment hermétique, l’échantillon s’est solidifié et était prêt pour les tests mécaniques.

“Mais nous avons d’abord exécuté une modélisation numérique pour prédire les propriétés mécaniques de la structure : comment elle se comporterait lors du test sous charge mécanique”, a déclaré Moskaleva. “Cela nous donne des raisons de croire que le modèle que nous avons choisi pourrait être utilisé pour des structures similaires à l’avenir car il correspondait en effet assez étroitement aux observations expérimentales. Dans l’expérience, nous avons continué à charger la structure par le haut jusqu’à la perte de stabilité.”

L’étude pose ainsi les bases de la conception et de la modélisation d’éléments de construction à surface courbe en composites polymères. À terme, ils pourraient faire partie de la boîte à outils de l’architecture de forme libre. La forme elle-même d’une coque à double courbure est plus efficace pour supporter une charge, par rapport, par exemple, à une dalle de béton plate, expliquent les chercheurs.

Mais si nous pouvions également exploiter les propriétés supérieures des composites polymères, les possibilités créatives seraient immenses. Entre des coûts de maintenance réduits et des propriétés mécaniques exceptionnelles, cela pourrait même être plus rentable, sans parler du potentiel expressif.

Plus d’information:
Anastasiia Moskaleva et al, Structures de coques composites de forme libre : conception, construction et essais, Ouvrages composites (2022). DOI : 10.1016/j.compstruct.2022.116603

Fourni par l’Institut des sciences et technologies de Skolkovo

Citation: Réinventer la conception des bâtiments pour libérer le potentiel des matériaux composites pour l’architecture (15 mars 2023) récupéré le 15 mars 2023 sur https://techxplore.com/news/2023-03-reinventing-composite-materials-potential-architecture.html

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