Les ingénieurs travaillent depuis des siècles à protéger les bâtiments, les ponts et autres structures des dégâts causés par les intempéries et les catastrophes naturelles, mais l’une des meilleures méthodes pourrait commencer par le sable, selon une nouvelle étude publiée.
De nombreux gratte-ciel, ponts et autres structures utilisent des amortisseurs pour atténuer les vibrations et absorber l’énergie vibratoire, réduisant ainsi les contraintes exercées sur les poutres et les colonnes de la structure. Ces dispositifs contribuent à prolonger la durée de vie du bâtiment, mais les amortisseurs traditionnels à base de liquide sont coûteux et difficiles à remplacer.
La nouvelle étude, publiée dans le ASCE Journal of Structural Engineering, montre que les amortisseurs à sable pressurisé fonctionnent mieux à des températures extrêmes et constituent une option de construction moins chère et plus respectueuse de l’environnement.
« L’amortisseur est un dispositif de dissipation d’énergie que vous utilisez tous les jours », affirme Liang Cao, futur professeur assistant de l’Université du Mississippi en génie civil. « Chaque véhicule que vous conduisez a des amortisseurs pour réduire les vibrations. En tant qu’ingénieurs civils, nous avons repris ce concept et l’avons appliqué aux structures modernes, mais les amortisseurs typiques sont à base d’huile ou des mécanismes vraiment complexes, ce qui les rend coûteux à construire. »
« C’est là que l’amortisseur à sable entre en jeu. Le sable est peu coûteux, facile à entretenir et respectueux de l’environnement. »
Les constructeurs utilisent depuis longtemps les amortisseurs comme absorbeurs d’énergie pour réduire les dégâts causés par les vents violents, les séismes et autres événements. Les amortisseurs traditionnels sont remplis d’huile ou d’autres liquides visqueux, ce qui signifie qu’en cas de défaillance, ils peuvent endommager l’environnement et être coûteux à remplacer, explique Kostas Kalfas, professeur assistant de génie des structures à l’Université d’État du Texas.
« Lorsque les amortisseurs visqueux sont soumis à une charge continue, cela peut augmenter la température à l’intérieur du boîtier de l’amortisseur, entraînant un effet de chauffage visqueux qui peut à son tour endommager les joints d’extrémité qui protègent l’huile contre les fuites », explique-t-il.
« Nous ne pouvons pas simplement ajouter plus d’huile de silicone car les amortisseurs visqueux sont des mécanismes complexes. Ils doivent être complètement retirés de la structure et renvoyés au fabricant pour qu’il les remplace ou les répare. »
Pendant que les amortisseurs sont endommagés ou en cours de remplacement, le bâtiment est plus sensible aux vibrations. Bien que des événements météorologiques violents puissent causer des dégâts durant cette période, même le vent normal et d’autres conditions météorologiques peuvent affecter les occupants du bâtiment, précise Cao.
« Dans les gratte-ciel, même si la structure est correcte, trop de vibrations signifie que les personnes peuvent souffrir du mal des transports et ne plus pouvoir travailler dans ce bâtiment », déclare-t-il. « Ainsi, même si le bâtiment est structurellement sain, vous subissez une perte économique. »
Les gratte-ciel qui oscillent ont également été associés à la fatigue, la morosité et des difficultés de concentration.
En comparaison, les amortisseurs à sable pressurisé peuvent être remplacés ou réparés en quelques heures après avoir été endommagés, affirme Kalfas.
« L’amortisseur à sable est très facile à construire », dit-il. « C’est quelque chose qu’une personne non initiée ou un machiniste peut réparer avec la seule force humaine, donc vous n’avez pas à le renvoyer au fabricant. »
Cao, Kalfas, James Ricles, professeur de génie civil à l’Université Lehigh, et Usama El Shamy et Nicos Makris, professeurs de génie civil et environnemental à l’Université Southern Methodist, ont testé des amortisseurs à sable à des températures internes allant jusqu’à 140 degrés et aussi basses que 42 degrés pour s’assurer qu’ils pouvaient résister à des conditions extrêmes.
Les chercheurs ont également analysé si le sable humide modifiait la capacité de l’amortisseur à fonctionner et ont constaté que ce n’était pas le cas.
« Cela signifie que même si l’humidité provoque la formation d’humidité dans l’amortisseur, il reste fonctionnel », déclare Cao.
Dans la prochaine phase, les chercheurs prévoient de tester les amortisseurs à sable conçus à l’Université Southern Methodist à la fois par des simulations et dans des situations réelles en utilisant une structure à grande échelle.
« Nous avons déjà montré que l’amortisseur est stable à différentes températures et dans différentes conditions, et maintenant nous devons effectuer des tests d’optimisation pour les amortisseurs en conditions dynamiques », déclare Cao. « Nous voulons montrer l’efficacité et tester son fonctionnement dans un système structurel à grande échelle. »
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la National Science Foundation subventions n° CMMI-2036131 à l’Université Southern Methodist et CMMI-2037771 à l’Université Lehigh.
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par l’Installation Expérimentale de l’Infrastructure de Recherche en Génie des Risques Naturels de Lehigh, qui est financée par la National Science Foundation. Toutes les opinions, découvertes et conclusions ou recommandations exprimées dans ce matériel sont celles de l’auteur ou des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les vues de la National Science Foundation.
Article : Behavior of Pressurized Sand Dampers in Harsh Environments: Extreme Temperatures and Humidity – Journal : Journal of Structural Engineering – DOI : Lien vers l’étude
Source : Mississipi U.
