Le pavillon LivMatS en fibre de lin biomimétique s'ouvre au public

Achevé et ouvert au public, le liv Le pavillon MatS, une structure biomimétique située dans le jardin botanique de l'Université de Fribourg (Allemagne), offrirait une alternative viable et économe en ressources aux méthodes de construction conventionnelles et représente donc une étape importante vers la durabilité en architecture. En outre, il constitue ce que son équipe de projet prétend être le premier bâtiment avec une structure porteuse entièrement constituée de fibre de lin enroulée de manière robotique, un matériau naturellement renouvelable, biodégradable et disponible dans la région en Europe centrale.

Grâce à une combinaison inédite de matériaux naturels et de technologies numériques avancées, ce pavillon est le fruit de la collaboration fructueuse d'une équipe interdisciplinaire d'architectes et d'ingénieurs du programme de maîtrise ITECH du pôle d'excellence « Conception et construction informatique intégrée pour l'architecture (IntCDC) » à l'Université de Stuttgart (Allemagne) et des biologistes du pôle d'excellence « Systèmes matériels vivants, adaptatifs et énergétiquement autonomes (liv MatS)” à l'Université de Fribourg (Allemagne).

Selon l'équipe, le pavillon bio-inspiré montre comment de nouveaux processus de co-conception qui tiennent compte simultanément des exigences géométriques, matérielles, structurelles, de production, environnementales et esthétiques, ainsi que des techniques de fabrication robotique avancées appliquées aux matériaux naturels, sont capables de générer un une architecture à la fois écologique et expressive. L'aspect de surface distinctif et complexe des éléments structurels du lin évoque à la fois des exemples vernaculaires de treillis et des systèmes biologiques.

Pour les cinq prochaines années, le viv Le pavillon MatS servira de salle de conférence en plein air à l'Université de Fribourg, en particulier pour ceux de l'Université de Fribourg, qui utilisent le Jardin botanique dans le cadre du concept « apprendre de la nature dans la nature » ​​comme site de recherche et d'enseignement. Les scientifiques y présenteront également leurs travaux au public lors de visites guidées ou d'ateliers.

Matériaux en fibres naturelles, biomimétisme

Au cours des deux dernières années, une équipe d'architectes et d'ingénieurs de l'Institute for Computational Design and Construction (ICD) et de l'Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), Université de Stuttgart, ont étudié le potentiel d'utiliser des fibres naturelles comme matériau de construction, estimant qu'ils présentent une alternative prometteuse et durable aux fibres synthétiques. Ils ont trouvé avec le live Pavillon MatS qui, en plus d'offrir le potentiel de réduire l'empreinte environnementale du bâtiment et de fournir un matériau renouvelable pour l'industrie de la construction, les fibres de lin sont comparables dans leurs propriétés mécaniques aux mèches de fibre de verre, offrant une rigidité similaire par poids, mais avec une énergie grise beaucoup plus faible.

De plus, la structure poursuit la collaboration de recherche de longue date pour déterminer comment les principes de la biologie - tels que les systèmes porteurs - peuvent être transférés de la nature à l'architecture. Le vivant Le pavillon MatS a été inspiré par le cactus saguaro (Carnegia gigantea ) et le figuier de Barbarie (Opuntia sp.), qui se caractérisent par leur structure en bois. Le cactus saguaro a un noyau en bois cylindrique qui est creux à l'intérieur et donc particulièrement léger. Il se compose d'une structure en bois en forme de filet, qui donne au squelette une stabilité supplémentaire et est formée à la suite de l'enchevêtrement de ses éléments en bois individuels. Le tissu des pousses latérales aplaties du figuier de Barbarie est également entrelacé de faisceaux de fibres de bois en forme de filet, qui sont disposés en couches et interconnectés. En conséquence, le tissu du figuier de Barbarie se caractérise par une capacité de charge particulièrement élevée. En faisant abstraction de ces structures de réseau, les scientifiques ont pu transférer les propriétés mécaniques des structures de fibres réticulées aux éléments structurels légers du pavillon.

Conception et fabrication intégratives

Le projet s'étend sur plus de 10 ans de recherche dans la construction de fibres. Des recherches antérieures se sont concentrées sur l'utilisation de composites de fibres synthétiques dans la construction, tels que les fibres de verre et de carbone, en combinaison avec des méthodes avancées de conception informatique, de simulation et de fabrication. Le vivant Le pavillon MatS étend cette recherche vers une méthode de construction plus durable avec des fibres de lin naturelles et étudie l'utilisation de ces fibres naturelles dans une application à grande échelle.

Les éléments de construction porteurs sont produits avec un processus d'enroulement filamentaire sans noyau développé par l'équipe du projet. Dans cette approche de fabrication additive (AM), un robot place avec précision des faisceaux de fibres sur un cadre d'enroulement. Cela permettrait l'étalonnage ciblé et l'articulation architecturale de l'orientation, de l'alignement et de la densité des fibres pour s'adapter exactement aux exigences structurelles du composant, comme dans son inspiration biologique. Selon les chercheurs, la forme prédéfinie des composants n'émerge que par l'interaction des fibres à l'intérieur du cadre d'enroulement, éliminant ainsi le besoin d'un moule ou d'un noyau supplémentaire. De plus, ce mode de fabrication ne produit aucun déchet ni chute. De plus, le même cadre d'enroulement modulaire peut être utilisé pour tous les éléments à géométrie variable. Cela conduit à une excellente efficacité des matériaux par rapport aux matériaux de construction conventionnels et se traduit par une capacité de charge élevée.

Les fibres naturelles et leur variabilité biologique ont également présenté aux chercheurs de nouveaux défis, notamment en ce qui concerne les workflows de conception informatique et de fabrication robotique, ainsi que le contrôle des machines. Ces workflows de co-conception ont été initialement développés pour des matériaux synthétiques et donc homogènes et doivent désormais être adaptés aux propriétés des matériaux des fibres de lin. Cet ajustement du modèle de conception informatique intégrative a permis aux propriétés hétérogènes des matériaux d'informer la conception et la planification des composants individuels ainsi que la structure globale. Les propriétés mécaniques spécifiques des fibres naturelles ont également nécessité la reconfiguration du processus de fabrication robotisé.

Le vivant Le pavillon MatS est recouvert d'une peau en polycarbonate imperméable, qui non seulement offre un abri contre les intempéries, mais protège également les fibres des rayons UV directs et de l'humidité de la pluie ou de la neige.

Démonstrateur intégré pour la construction durable

La structure porteuse du liv Le pavillon MatS se compose de 15 composants en fibre de lin, préfabriqués de manière robotique exclusivement à partir de fibres naturelles filées en continu, ainsi que d'un élément de pierre de couverture fibreuse sur le dessus de la structure. Les éléments varient en longueur totale de 4,50 à 5,50 mètres et ne pèsent que 105 kilogrammes en moyenne. L'ensemble de la structure fibreuse pèse environ 1,5 tonne et couvre une superficie de 46 mètres carrés. La conception finale est conforme au code du bâtiment allemand et aux exigences de permis structurels connexes et à un ensemble de combinaisons de charges, y compris les charges de vent et de neige.

Les développements de la recherche relatifs au processus de calcul, à la fabrication robotique ainsi qu'au nouveau système de matériaux ont été développés par une équipe interdisciplinaire d'étudiants ITECH et de chercheurs ICD/ITKE de l'Université de Stuttgart et ont été validés par la fabrication d'une première série de prototypes. des composants des fibres naturelles. Les données de production ont ensuite été générées et transmises au partenaire industriel du projet FibR GmbH (Stuttgart, Allemagne) pour la production des 15 composants structurels.

Le projet s'inscrit dans la continuité d'une série de démonstrateurs de bâtiments expérimentaux et hautement innovants, conçus et réalisés par l'équipe interdisciplinaire de chercheurs et d'étudiants de l'Université ICD/ITKE de Stuttgart. Il renforce également la collaboration déjà fructueuse entre le Pôle d'Excellence liv MatS à l'Université de Fribourg et le Cluster of Excellence IntCDC à l'Université de Stuttgart. IntCDC vise à repenser la conception et la construction grâce aux technologies numériques pour relever les défis écologiques, économiques et socioculturels auxquels l'environnement bâti est confronté. La vision du vivant MatS est de combiner nature et technologie pour développer des technologies environnementales et énergétiques de pointe. Par sa nature même, le pavillon offre des points de contact pour mettre en évidence les similitudes et les différences entre les matériaux biologiques et techniques et montrer les possibilités qu'offre la bioinspiration, par exemple en architecture mais aussi dans d'autres domaines de la technologie.

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Développement scientifique :

• Marta Gil Pérez, Serban Bodea, Niccolò Dambrosio, Bas Rongen, Christoph Zechmeister
• Gestion de projet :Katja Rinderspacher, Marta Gil Pérez, Monika Göbel

Développement de concepts, développement de systèmes, prototypage :

• 2018-2020 :Talal Ammouri, Vanessa Costalonga Martins, Sacha Joseph Cutajar, Edith Anahi Gonzalez San Martin, Yanan Guo, James Hayward, Silvana Herrera, Jeongwoo Jang, Nicolas Kubail Kalousdian, Simon Jacob Lut, Eda Özdemir, Gabriel Rihaczek, Anke Kristina Schramm, Lasath Ryan Siriwardena, Vaia Tsiokou, Christo van der Hoven, Shu Chuan Yao
• 2018-2019 :Karen Andrea Antorveza Paez, Okan Basnak, Guillaume Caussarieu, Zhetao Dong, Kurt Drachenberg, Roxana Firorella Guillen Hurtado, Ridvan Kahraman, Dilara Karademir, Laura Kiesewetter, Grzegorz Łochnicki, Francesco Milano, Yue Salyani, Hooman Nasim Sehat, Tim Stark, Zi Jie, Jake Tan, Irina Voineag

Développement de façade :

• Tim Stark
• Avec le soutien de :Okan Basnak, Yanan Guo, Axel Körner
• Aide aux étudiants :Matthew Johnson, Daniel Locatelli, Francesca Maisto, Mahdieh Hadian Rasanani, Lorin Samija, Anand Shah, Lena Strobel, Max Zorn