Les bâtiments sont un grand contributeur au réchauffement climatique, non seulement dans leurs opérations en cours, mais dans les matériaux utilisés dans leur construction. Les structures en treillis - ces réseaux croisés d'entretoises diagonales utilisées dans la construction moderne, dans tout, des tours d'antenne aux poutres de support pour les grands bâtiments - sont généralement en acier ou en bois ou une combinaison des deux. Mais peu de recherches quantitatives ont été faites sur la façon de choisir les bons matériaux pour minimiser la contribution de ces structures au réchauffement climatique.

Le « carbone incorporé » dans un matériau de construction comprend le combustible utilisé dans la production du matériau (pour l'extraction et la fusion de l'acier, par exemple, ou pour l'abattage et la transformation des arbres) et dans le transport des matériaux vers un site. Il comprend également l'équipement utilisé pour la construction elle-même.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont effectué une analyse détaillée et créé un ensemble d'outils informatiques pour permettre aux architectes et aux ingénieurs de concevoir des structures en treillis de manière à minimiser leur carbone incorporé tout en conservant toutes les propriétés nécessaires pour une application de construction donnée. Alors qu'en général le bois produit une empreinte carbone beaucoup plus faible, l'utilisation de l'acier dans des endroits où ses propriétés peuvent offrir un maximum d'avantages peut fournir un résultat optimisé, disent-ils.

L'analyse est décrite dans un article publié aujourd'hui dans la revue Engineering Structures, par l'étudiant diplômé Ernest Ching et la professeure adjointe de génie civil et environnemental du MIT Josephine Carstensen.

"La construction est un énorme émetteur de gaz à effet de serre qui a en quelque sorte échappé au radar au cours des dernières décennies", déclare Carstensen. Mais ces dernières années, les concepteurs de bâtiments "commencent à se concentrer davantage sur la manière de réduire non seulement l'énergie de fonctionnement associée à l'utilisation du bâtiment, mais également l'important carbone associé à la structure elle-même". Et c'est là qu'intervient cette nouvelle analyse.

Selon elle, les deux principales options pour réduire les émissions de carbone associées aux structures en treillis consistent à remplacer les matériaux ou à modifier la structure. Cependant, il y a eu "étonnamment peu de travail" sur les outils pour aider les concepteurs à trouver des stratégies de réduction des émissions pour une situation donnée, dit-elle.

Le nouveau système utilise une technique appelée optimisation de la topologie, qui permet la saisie de paramètres de base, tels que la quantité de charge à supporter et les dimensions de la structure, et peut être utilisée pour produire des conceptions optimisées pour différentes caractéristiques, telles que comme le poids, le coût ou, dans ce cas, l'impact sur le réchauffement climatique.

Le bois se comporte très bien sous les forces de compression, mais pas aussi bien que l'acier en ce qui concerne la tension, c'est-à-dire une tendance à séparer la structure. Carstensen dit qu'en général, le bois est bien meilleur que l'acier en termes de carbone intégré, donc "surtout si vous avez une structure qui n'a pas de tension, alors vous ne devez absolument utiliser que du bois" afin de minimiser les émissions. Un compromis est que "le poids de la structure va être plus important qu'il ne le serait avec de l'acier", dit-elle.

Les outils qu'ils ont développés, qui ont servi de base à la thèse de maîtrise de Ching, peuvent être appliqués à différentes étapes, soit dans la première phase de planification d'une structure, soit plus tard dans les étapes finales d'une conception.

À titre d'exercice, l'équipe a élaboré une proposition de réingénierie de plusieurs fermes à l'aide de ces outils d'optimisation et a démontré qu'une réduction significative des émissions de gaz à effet de serre incorporées pouvait être réalisée sans perte de performance. Bien qu'ils aient montré qu'il est possible d'obtenir des améliorations d'au moins 10 %, elle affirme que ces estimations "ne sont pas exactement des pommes avec des pommes" et que les économies probables pourraient en fait être deux à trois fois supérieures.

"Il s'agit de choisir les matériaux plus intelligemment", dit-elle, pour les spécificités d'une application donnée. Souvent, dans les bâtiments existants, "vous aurez du bois là où il y a de la compression, et là où cela a du sens, puis il y aura des éléments en acier très fins, en tension, là où cela a du sens. Et c'est aussi ce que nous voyons dans nos solutions de conception qui sont suggérées , mais peut-être pouvons-nous le voir encore plus clairement." Les outils ne sont cependant pas prêts pour une utilisation commerciale, dit-elle, car ils n'ont pas encore ajouté d'interface utilisateur.

Carstensen voit une tendance à l'utilisation croissante du bois dans les grandes constructions, ce qui représente un potentiel important pour réduire les émissions globales de carbone dans le monde. "Il y a un grand intérêt dans l'industrie de la construction pour les structures en bois massif, et cela parle directement dans ce domaine. Donc, l'espoir est que cela ferait des percées dans le secteur de la construction et réduirait en fait cette très grande contribution aux émissions de gaz à effet de serre. ."