Comment les matériaux granulaires auto-assemblés changent l'avenir de l'architecture

L'architecture est une discipline conservatrice, notamment en raison des normes rigoureuses de stabilité et de sécurité auxquelles toutes les structures artificielles doivent se conformer. Les forces agissant sur et à l'intérieur de toute structure doivent être soigneusement calculées et la conception modifiée en conséquence. Peu de choses peuvent être laissées au hasard.

Du moins, c'est le point de vue traditionnel. Mais certains concepteurs jouent avec une autre idée : il existe une autre façon de construire qui exploite le hasard plutôt que de l'éviter. Ce type de bâtiment s'appuiera sur de nouveaux types de matériaux granulaires qui, une fois mis en place, se lient de manière à assurer la stabilité structurelle. De cette façon, des murs, des colonnes et même des dômes pourraient être mis en place, formant des structures complexes mais stables.

Cela peut sembler de la science-fiction, mais aujourd'hui, Sean Keller de l'Illinois Institute of Technology à Chicago et Heinrich Jaeger de l'Université de Chicago expliquent comment ce type d'architecture aléatoire devient enfin possible. Ces gars-là disent que les premières structures aléatoires sont déjà en cours de construction et que l'approche introduit de nouvelles façons de penser l'architecture et le design en général.

Tout d'abord un peu de contexte. L'homme utilise des matériaux granulaires tels que des pierres, du sable ou de la terre pour construire des structures depuis des milliers d'années. Aujourd'hui encore, la technique est courante pour la construction de barrages, de brise-lames portuaires et de lits de gravier pour les chemins de fer.

Ces ouvrages bénéficient des propriétés particulières des matériaux granulaires, leur nature poreuse qui permet un drainage rapide et le fait qu'ils peuvent être mis en place rapidement et à faible coût.

Plus intéressant est la façon dont ils supportent les charges. Les structures conventionnelles nécessitent des colonnes ou des arcs spécialement conçus. Mais les matériaux granulaires reposent sur des chaînes de force entre les particules adjacentes à l'intérieur des matériaux qui se forment lorsque le matériau se coince. En même temps, le matériau peut s'écouler lorsque le bourrage est libéré.

Il y a cependant un inconvénient. La forme de ces structures est sévèrement limitée par l'angle de repos naturel du matériau. Et cela limite aussi les applications.

Une grande partie des propriétés des matériaux granulaires sont déterminées par la forme des particules à partir desquelles ils sont fabriqués. Ceci est à peu près sphérique dans de nombreux cas.

Mais ces dernières années, les scientifiques des matériaux ont commencé à expérimenter des particules aux formes plus exotiques, telles que des formes d'étoiles 3D, des formes en X, des formes en crochet, etc. Lorsqu'ils sont versés, ils se coincent plus facilement et forment des structures stables.

Cela a conduit à une toute nouvelle façon de penser le design. Traditionnellement, les architectes ont commencé avec les plus petits composants structurels tels que les colonnes, les arcs, les murs, etc. et les ont assemblés pour former des structures plus grandes telles que des ponts, des maisons et des gratte-ciel.

Mais les propriétés de ces nouveaux matériaux granulaires bouleversent cette approche. Avec ce matériel, les architectes peuvent réfléchir à la forme globale, puis déterminer comment y parvenir en versant le matériau granulaire en place.

Une approche consiste à verser le matériau dans un récipient en tissu hermétique qui peut être emballé sous vide. Cela génère la pression qui provoque le blocage du matériau dans plus ou moins la forme souhaitée. Il y a quelques années, des ingénieurs de l'Université technique de Delft ont construit un pont en utilisant cette idée dégonflable (ci-dessous).

Un objectif plus ambitieux consiste à proposer la structure globale, puis à revenir en arrière pour déterminer la forme des particules qui la produiraient une fois coulée. Ces granulés pourraient ensuite être imprimés en 3D et coulés en place, où ils s'auto-assembleraient ou seraient assemblés à l'aide d'un robot.

Cela aura un effet profond sur le processus de conception. En conséquence, la planification préalable est libérée de la prise en compte des détails structurels locaux, disent Keller et Jaeger. Au lieu de cela, la tâche principale devient maintenant de générer les formes de particules appropriées ainsi que les conditions générales de limite et de traitement pour garantir que la structure cible souhaitée sera mécaniquement stable une fois réalisée.

Les premiers pas timides vers ce type de construction sont déjà en cours avec des résultats fascinants. Se pourrait-il que la prochaine maison dans laquelle vous emménagerez ait été coulée plutôt que construite ? Probablement pas, mais n'excluez pas celui d'après.

Réf : arxiv.org/abs/1510.05721 : Architectures aléatoires

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