Matériaux et énergie pour l’optimisation des structures de génie civil

Responsable

Michaël Peigney (Ifsttar/MAST/Navier)

Enjeux et objectifs

Un défi nouveau consiste à intégrer dans la démarche de conception des structures les coûts environnementaux sur toute leur durée de vie. La logique du développement durable incite également à développer des stratégies de contrôle permettant d’accroître la durée de vie de structures, de les adapter aux sollicitations extrêmes auxquelles elles risquent de se trouver de plus en plus fréquemment soumises, par exemple sous l’effet du changement du climatique. 

Dans une perspective globale d’économie des ressources non renouvelables, la récupération d’énergie devient un enjeu important en monitoring et contrôle des structures.

Cette opération vise à explorer et quantifier les potentialités offertes par des technologies nouvelles.

Sujets traités

  1. Conception éco-optimale de structures et systèmes
    • Elaboration d’outils conceptuels et opératoires (méthodes numériques)
    • Application à la fabrication d’écrans antibruit ferroviaires
  2. Contrôle des structures et extraction d’énergie
    • Dans le contrôle semi-actif ou passif des structures, une partie de l’énergie mécanique de vibration est dissipée sous forme de chaleur. L’idée est de convertir cette énergie vibratoire en électricité plutôt que de la perdre en chaleur.
    • Exploration des potentialités offertes par les matériaux piézoélectriques, les systèmes à induction électromagnétique, le couplage alliages à mémoire de forme/matériaux thermoélectriques
  3. Captage d’énergie solaire sur les routes
    Le principe consiste à exploiter les fortes variations de température entre couches superficielles et couches profondes des chaussées, pour générer de l’électricité par utilisation de thermo-couples, matériaux thermoélectriques, matériaux à changement de phase ou pompes à chaleur thermique.
  4. Récupération d’énergie par les capteurs sans fils
    L’autonomie est une question centrale dans la conception des capteurs sans fils. En complément de l’optimisation du principe de fonctionnement et des protocoles de communication, la récupération d’énergie par un dispositif embarqué sur le capteur contribuerait à prolonger, voire assurer son autonomie. L’idée est de développer des stratégies de récupération d’énergie éolienne, solaire,  et  vibratoire à basse fréquence.

Partenariats

  • SETRA, CEA-LETI, EDF, ESILV (Ecole Supérieure d’Ingénieurs Léonard de Vinci), FEMTO, PSA, ENIT Tunisie
  • Projet européen SMARTeR

Principaux résultats

  • Rédaction d’un ouvrage collectif intitulé Optimisation de formes en génie civil : méthodes et applications, proposant une synthèse des différentes méthodes utilisées en optimisation de forme et illustré par différentes applications (conception d’écran-antibruit, reconnaissance de formes, matériaux à transformation de phase). Outre un état de l’art, cet ouvrage présente des résultats de recherche récents obtenus au cours de la période couverte par l’opération.
  • Conception et validation expérimentales de système de récupération d’énergie vibratoire, permettant de convertir l’énergie mécanique de vibration dans les ponts (liée au trafic) en énergie électrique directement exploitable par des capteurs sans fils. Des systèmes de type inductif, de type électromécanique, et des systèmes piézoélectriques ont été étudiés. Concernant ces derniers, une campagne d’expérimentation in situ a été menée (cf illustration ci-dessous). Des règles de dimensionnement simples ont été obtenues à partir de modèles théoriques et validées expérimentalement
    gauche : système de récupération d’énergie placé sous le tablier d’un pont - droite : vue rapproché du dispositif
    • Une maquette de chaussées instrumentée avec dispositif de récupération d’énergie (par circulation de fluide caloporteur dans la porosité de l’enrobé) est en cours de réalisation (livraison fin 2013). Le dimensionnement de cette maquette repose sur une modélisation détaillée du système. En parallèle, une procédure d’identification des paramètres thermiques à partir de données expérimentales a été finalisée. Le travail réalisé sert de base à la nouvelle R2I ‘chaussées chauffantes’ et contribue au projet-phare R5G (route de 5ème génération).
    • Grâce à des protocoles optimisant la consommation énergétique, la plate-forme générique d’instrumentation sans fil PEGASE est capable de fonctionner de façon  totalement autonome en énergie, à l’aide d’un panneau solaire. Ce dispositif a notamment été utilisé dans le cadre d’une application in situ (instrumentation d’un pont à l’aide de 5 extensomètres et d’une sonde de température), permettant ainsi un retour d’expérience détaillé.