Concevoir des bâtiments capables de résister aux plus grosses tempêtes, Kostas Keremidis, un doctorat candidat au MIT Concrete Sustainability Hub, utilise la recherche à la plus petite échelle, celle de l'atome.

Son approche, qui découle en partie de la science des matériaux, modélise un bâtiment comme un ensemble de points qui interagissent par le biais de forces telles que celles trouvées à l'échelle atomique.

"Quand vous regardez un bâtiment, il s'agit en fait d'une série de connexions entre des colonnes, les fenêtres, des portes, etc, " dit Keremidis. " Notre nouveau cadre examine comment différents composants de construction se connectent pour former un bâtiment comme les atomes forment une molécule - des forces similaires les maintiennent ensemble, à la fois à l'échelle atomique et à l'échelle du bâtiment. » Le cadre est appelé modélisation structurelle basée sur la dynamique moléculaire.

Finalement, Keremidis espère qu'il fournira aux développeurs et aux constructeurs un nouveau moyen de prédire facilement les dommages causés aux bâtiments par des catastrophes telles que les ouragans et les tremblements de terre.

Faire des modèles

Mais avant qu'il puisse prédire les dommages causés au bâtiment, Keremidis doit d'abord assembler un modèle.

Il commence par prendre un bâtiment et diviser ses éléments respectifs en nœuds, ou "atomes". Il s'agit d'une procédure standard appelée "discrétisation, " par lequel un bâtiment est divisé en différents points. Ensuite, il donne à chaque " atome " des propriétés différentes selon son matériau. Par exemple, le poids de chaque "atome" peut dépendre de s'il fait partie d'un sol, une porte, une fenêtre, etc. Après les avoir modélisés, il définit leurs liens.

Le premier type de liaison entre les points d'un modèle de bâtiment est appelé liaison axiale. Ceux-ci décrivent comment les éléments se déforment sous une charge dans le sens de leur portée, en d'autres termes, ils modélisent comment une colonne rétrécit puis rebondit sous une charge, comme un ressort.

Le deuxième type de liaison est celui des liaisons angulaires, qui représentent la façon dont des éléments comme une poutre se plient dans la direction latérale. Keremidis utilise ces interactions verticales et latérales pour modéliser la déformation et la rupture de différents éléments de construction. La rupture se produit lorsque ces liaisons se déforment trop, comme dans les vraies structures.

Pour voir comment l'un de ses bâtiments se comportera dans des conditions telles que des tempêtes ou des tremblements de terre, Keremidis doit tester minutieusement ces atomes assemblés et leurs liaisons sous de nombreuses simulations.

"Une fois que j'ai mon modèle et mon bâtiment, Je cours alors vers 10, 000 simulations, " explique Keremidis. " Je peux en attribuer 10, 000 charges différentes sur un élément ou un bâtiment, ou je peux aussi affecter cet élément 10, 000 propriétés différentes."

Pour lui d'évaluer les résultats de ces conditions ou propriétés simulées, Keremidis revient sur les liens. "Quand ils se déforment lors d'une simulation, ces liens tenteront de ramener le bâtiment à sa position d'origine, " note-t-il. " Mais ils peuvent aussi être endommagés, trop. C'est ainsi que nous modélisons les dégâts :nous comptons combien d'obligations sont détruites et où. »

Les dégâts sont dans les détails

Les innovations du modèle résident en fait dans sa prédiction des dommages.

Traditionnellement, les ingénieurs ont utilisé une méthode appelée analyse par éléments finis pour modéliser les dommages causés aux bâtiments. Comme l'approche du MIT, il décompose également un bâtiment en éléments constitutifs. Mais c'est généralement une technique chronophage qui se met en place autour de l'élasticité des éléments. Cela signifie qu'il ne peut modéliser que de petites déformations dans un bâtiment, plutôt que des déformations inélastiques à grande échelle, comme une fracture, qui se produisent fréquemment sous les charges d'ouragan.

Un avantage supplémentaire de son modèle de dynamique moléculaire est que Keremidis peut explorer « différents matériaux, différentes propriétés structurelles, et différentes géométries de bâtiment" en jouant avec la disposition et la nature des atomes et de leurs liaisons. Cela signifie que la dynamique moléculaire peut potentiellement modéliser n'importe quel élément d'un bâtiment, et plus vite, trop.

En étendant cette approche au-delà des bâtiments individuels, la dynamique moléculaire pourrait également mieux informer la ville, Etat, et même les efforts fédéraux d'atténuation des risques.

Pour l'atténuation des risques, les villes s'appuient actuellement sur un modèle de l'Agence fédérale de gestion des urgences (FEMA) appelé HAZUS. Il faut des données météorologiques historiques et une douzaine de modèles de construction standard pour prédire les dommages qu'une communauté pourrait subir lors d'un aléa.

Bien qu'utile, HAZUS n'est pas idéal. Elle ne propose qu'une dizaine de typologies de bâtiments standardisées et propose des prestations qualitatives, plutôt que quantitatif, résultats.

Le modèle MIT, cependant, permettra aux parties prenantes d'entrer dans les détails. "Avec HAZUS de la FEMA, le niveau actuel de catégorisation est trop grossier. Au lieu, nous devrions avoir 50 ou 60 types de bâtiments, " dit Keremidis. " Notre modèle nous permettra de collecter et de modéliser cette gamme plus large de types de bâtiments. "

Puisqu'il mesure les dommages en comptant les liaisons rompues entre les atomes, une approche de dynamique moléculaire permettra également de quantifier plus facilement les dommages que des aléas tels que les tempêtes de vent ou les tremblements de terre peuvent infliger à une communauté. Une telle compréhension quantifiable des dommages causés par les risques devrait conduire à des estimations plus précises des coûts d'atténuation et de récupération.

Selon le Congressional Budget Office des États-Unis, les tempêtes de vent causent actuellement 28 milliards de dollars de dommages par an. D'ici 2075, ils causeront 38 milliards de dollars, en raison du changement climatique et du développement côtier.

Avec une approche de dynamique moléculaire, les développeurs et les agences gouvernementales disposeront d'un outil supplémentaire pour prévoir et atténuer ces dommages.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.