Une tempête s'approche de la côte, remuant le vent et les vagues. Le long de la promenade qui borde la plage, une rangée de parapluies en béton surdimensionnés commence à s'incliner vers le bas, se transformant d'un auvent pratique en un bouclier contre l'assaut à venir.

Dans une nouvelle approche de la protection contre les ondes de tempête, une équipe de Princeton a créé une conception préliminaire pour ces parapluies cinétiques à double usage. Dans une étude publiée le 28 mars dans le Journal of Structural Engineering, les chercheurs ont utilisé la modélisation informatique pour commencer à évaluer la capacité des parapluies à résister à une onde de tempête aiguë.

Alors que le niveau de la mer monte et que les tempêtes se renforcent, les communautés côtières construisent plus de digues pour aider à protéger les personnes et les biens contre les inondations extrêmes. Ces barrières peuvent être inesthétiques et restreindre l'accès aux plages, mais les parapluies de l'équipe de Princeton fourniraient de l'ombre par beau temps et pourraient être inclinés avant une tempête pour former une barrière contre les inondations.

"C'est tellement plus que votre structure défensive côtière typique, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Shengzhe Wang, un doctorat étudiant en génie civil et environnement. "C'est la première fois que quelqu'un essaie vraiment d'intégrer l'architecture en tant que composante inhérente à une contre-mesure côtière."

Les parapluies proposés sont des coques en béton armé d'environ 4 pouces d'épaisseur, construit en forme de paraboloïde hyperbolique (abrégé en hypar), une structure en forme de selle qui se courbe vers l'intérieur le long d'un axe et vers l'extérieur le long de l'autre. La structure s'inspire du travail de l'architecte d'origine espagnole Félix Candela, qui a conçu des centaines de bâtiments avec des toits en hypar à coque mince au Mexique dans les années 1950 et 1960.

Co-auteur de l'étude Maria Garlock, professeur de génie civil et environnemental, a longtemps étudié les conceptions de Candela; elle a co-écrit un livre sur Candela et a aidé à créer une archive et une exposition explorant son travail. À l'automne 2017, elle et le co-auteur Branko Glišić, professeur agrégé de génie civil et environnemental, envisageaient un projet pour étudier le potentiel des parapluies hypar en tant que structures "intelligentes" pour capter l'énergie et l'eau de pluie. Puis, une nouvelle idée lui est venue :en plus d'ajouter des capteurs, « pourquoi ne pas les incliner et les utiliser d'une manière complètement différente – comme une sorte de digue ? » elle a demandé.

Garlock et Glišić ont obtenu un financement du Projet X, qui permet aux membres du corps professoral d'ingénierie de poursuivre des idées non conventionnelles. Wang a entrepris de tester si les parapluies seraient une stratégie viable pour la protection des côtes.

Wang a analysé la géométrie et la résistance structurelle des parapluies proposés, de minces coquilles de béton mesurant 8 mètres (environ 26 pieds) de chaque côté et soutenues par 10 pieds de haut, Colonnes de 20 pouces carrés. Dans ces simulations, il a également testé la fonctionnalité d'une charnière au sommet où la colonne rencontre le milieu du parapluie.

Pour étudier comment les parapluies pourraient se comporter lors d'une onde de tempête côtière, l'équipe a compilé des données sur les ondes de tempête des ouragans entre 1899 et 2012 le long de la côte est des États-Unis, puis modélisé une hauteur d'onde de tempête de 18 pieds, englobant tout sauf l'onde de tempête la plus élevée de l'ensemble de données. Adapter les méthodes numériques établies de modélisation des interactions fluide-structure pour étudier les structures hypar, ils ont montré que les parapluies resteraient stables face à un mur d'eau à environ 75 % de leur hauteur déployée.

"Ces coquilles sont si minces que quiconque regarde cela ne serait pas enclin à croire que ces structures seraient capables d'arrêter des forces aussi importantes de l'eau, ", a déclaré Wang. "Mais nous sommes en mesure de tirer parti de la géométrie de la forme hypar qui donne à la structure la résistance supplémentaire nécessaire."

Wang a maintenant construit des modèles physiques des parapluies (mesurant environ 6 pouces de diamètre) pour valider les résultats de l'approche numérique, et commence à tester les réponses des modèles aux forces dynamiques des écoulements turbulents à l'intérieur d'un canal d'eau de 10 pieds de long. Les forces du vent caractéristiques des ouragans qui touchent terre seront également capturées via des essais en soufflerie.

"En réalité, vous n'allez pas avoir juste un tas d'eau statique. Tu vas avoir des vagues, vous allez avoir du vent qui génère ces vagues, " Il a dit. " C'est ce que nous essayons de capturer dans notre prochaine étape :comment simulons-nous physiquement ces ondes et comment ces ondes affecteraient-elles nos structures ?

Wang a noté que la plupart des études précédentes ont évalué la capacité des murs verticaux ou des barrières inclinées à résister aux tempêtes, mais la géométrie complexe de l'hypar a obligé l'équipe "à proposer un tout nouvel ensemble de règles qui régissent les performances de la structure". En raison de la complexité de la solution, un autre étudiant diplômé, Vanessa Notaire, étudiera le flux de forces dans la coque dans le cadre de son M.S.E. thèse.

En plus d'optimiser les structures pour résister aux vents violents et aux vagues, les conceptions pour la protection des côtes doivent tenir compte d'autres considérations pratiques. La hauteur de 10 pieds des colonnes, Garlock a dit, est bon pour ombrager les piétons tout en limitant l'accès aux charnières des parapluies et en empêchant le vandalisme.

L'équipe prévoit d'étudier le potentiel d'utiliser des matériaux plus durables, ainsi que l'ajout de capteurs et d'actionneurs pour contrôler les parapluies, et incorporer des systèmes de captage de l'énergie solaire et des eaux pluviales.

"Les capteurs vérifieraient que les parapluies fonctionnent correctement avant, pendant et après le déploiement, tandis que les actionneurs permettraient non seulement un déploiement automatique, mais également le suivi du soleil et du vent pour les meilleures fins de récupération d'énergie et d'eaux pluviales, " dit Glišić, qui possède une expertise dans la surveillance de la santé structurelle et les structures intelligentes.

"C'est une toute nouvelle façon de penser les structures de défense côtière, " dit Garlock. " Avancer, notre objectif est de faire de ces parapluies une partie d'un smart, communauté durable."

Pour aider à intégrer la nouvelle conception dans des plans holistiques pour la résilience côtière, les chercheurs collaboreront avec Ning Lin, professeur agrégé de génie civil et environnemental à Princeton dont l'équipe a récemment produit des cartes mises à jour des inondations du 21e siècle pour les côtes américaines de l'Atlantique et du Golfe. Ils prévoient également de travailler avec un ingénieur géotechnicien et consultent le bureau de la résilience du maire de New York.