L’architecture bioinspirée pourrait ouvrir la voie à des structures plus solides et plus légères – ScienceDaily

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  • Lorsque nous pensons aux éponges, nous avons tendance à penser à quelque chose de doux et de spongieux. Mais les chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) utilisent les squelettes vitreux d’éponges marines comme source d’inspiration pour la prochaine génération de bâtiments plus forts et plus hauts, de ponts plus longs et de vaisseaux spatiaux plus légers.

    Dans un nouvel article publié dans Matériaux de la nature, les chercheurs ont montré que la structure squelettique en forme de treillis carré renforcé en diagonale d’Euplectella aspergillum, une éponge marine en eau profonde, a un rapport résistance / poids plus élevé que les conceptions de treillis traditionnelles utilisées depuis des siècles dans la construction de bâtiments et ponts.

    “Nous avons constaté que la stratégie de renforcement diagonale de l’éponge permet d’obtenir la résistance au flambement la plus élevée pour une quantité donnée de matériau, ce qui signifie que nous pouvons construire des structures plus solides et plus résistantes en réarrangeant intelligemment le matériau existant dans la structure”, a déclaré Matheus Fernandes, étudiant diplômé de SEAS et premier auteur de l’article.

    «Dans de nombreux domaines, tels que l’ingénierie aérospatiale, le rapport résistance / poids d’une structure est d’une importance cruciale», a déclaré James Weaver, chercheur principal à SEAS et l’un des auteurs correspondants de l’article. “Cette géométrie d’inspiration biologique pourrait fournir une feuille de route pour la conception de structures plus légères et plus solides pour une large gamme d’applications.”

    Si vous avez déjà traversé un pont couvert ou assemblé une étagère de rangement en métal, vous avez vu des architectures en treillis diagonales. Ce type de conception utilise de nombreuses petites poutres diagonales étroitement espacées pour répartir uniformément les charges appliquées. Cette géométrie a été brevetée au début des années 1800 par l’architecte et ingénieur civil, Ithiel Town, qui souhaitait une méthode pour fabriquer des ponts solides à partir de matériaux légers et bon marché.

    «La ville a développé un moyen simple et économique de stabiliser les structures en treillis carrés, qui est utilisé à ce jour», a déclaré Fernandes. «Cela fait le travail, mais ce n’est pas optimal, ce qui conduit à un gaspillage ou à des matériaux redondants et à un plafond sur la hauteur que nous pouvons construire. , en utilisant finalement moins de matière pour obtenir la même résistance? “

    Heureusement, les éponges de verre, le groupe auquel appartient Euplectella aspergillum – autrement connu sous le nom de panier de fleurs de Vénus – avait une longueur d’avance de près d’un demi-milliard d’années sur le plan de la recherche et du développement. Pour soutenir son corps tubulaire, Euplectella aspergillum utilise deux ensembles d’entretoises squelettiques diagonales parallèles, qui se croisent et sont fusionnées à une grille carrée sous-jacente, pour former un motif robuste en forme de damier.

    «Nous étudions les relations structure-fonction dans les systèmes squelettiques des éponges depuis plus de 20 ans, et ces espèces continuent de nous surprendre», a déclaré Weaver.

    Dans des simulations et des expériences, les chercheurs ont reproduit cette conception et comparé l’architecture squelettique de l’éponge aux géométries de réseau existantes. La conception de l’éponge les surpassait toutes, résistant à des charges plus lourdes sans se déformer. Les chercheurs ont montré que la structure diagonale croisée parallèle jumelée améliorait la résistance structurelle globale de plus de 20%, sans qu’il soit nécessaire d’ajouter du matériel supplémentaire pour obtenir cet effet.

    “Notre recherche démontre que les leçons tirées de l’étude des systèmes squelettiques d’éponge peuvent être exploitées pour construire des structures qui sont géométriquement optimisées pour retarder le flambage, avec d’énormes implications pour une meilleure utilisation des matériaux dans les applications d’infrastructure modernes”, a déclaré Katia Bertoldi, William and Ami Kuan Professeur Danoff de mécanique appliquée à SEAS et auteur correspondant de l’étude.

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