Pavillon de recherche ICD/ITKE 14-15

 

La nature est d’autant plus fascinante qu’elle est à la fois source d’inspiration et d’innovation. Il semble que pour les professeurs de l’université de Stuttgart Achim Menges, architecte, et Jan Knippers, ingénieur,  l’ait bien compris. En effet depuis 2010, le partenariat entre l’ICD (Institute for Computational Design) et l’ITKE (Institute of Building Structures and Structural Design) a produit d’étonnants pavillons qui font la part belle au bio-mimétisme. Le dernier en date est le fruit d’un travail de 18 mois, dont l’origine est l’argyronète, une araignée aquatique qui construit sa toile sous l’eau !

Ce pavillon est intéressant à la fois dans sa conception, qui est économe en matériau tout en étant résistante, et dans sa réalisation qui intègre un robotisation dynamique qui adapte le modèle aux conditions environnantes en temps réel.

Vous trouverez ci-dessous le lien vers la video de présentation qui présente le processus de conception et de modélisation et la solution de production de ce pavillon.

ICD/ITKE ResearchPavilion14-15 from ICD on Vimeo.

 

 

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La conception et la modélisation

L’araignée aquatique construit sous l’eau un nid en forme de cloche qui lui sert d’habitat pour survivre. Grâce à ses poils hydrofuges elle ramène avec elle de l’air de la surface sous l’eau. Elle procède en retenant d’abord une bulle d’air sous une toile pré-établie puis vient la renforcer depuis l’intérieur en lui appliquant différentes couches hiérarchisées de fibres.

 

Après avoir analysé la fabrication de la toile d’araignée sous-marine, les chercheurs ont conçu une structure composée d’une membrane et de fibres qui viennent la renforcer. La membrane est gonflée et un robot vient poser des fibres dessus selon une trajectoire ajustée en temps réel. Le résultat est une coque résistante et résiliente aux conditions externes.

 

La géométrie de la coque et la maille des fibres ont été générées par une modélisation qui intègre à la fois les contraintes de fabrication et les contraintes structurels. Un modèle de conception multi-agent a été mis au point pour déterminer et ajuster la position des fibres. Semblable à l’araignée ce modèle parcourt la géométrie de la coque pour proposer des trajectoires robotisées pour le placement des fibres. Le comportement du modèle provient d’une variété de paramètres corrélés. Ce processus permet au concepteur d’interagir et d’intégrer ces paramètres de conception pour obtenir différents schémas de maille avec orientations et densités variables.

La conception finale adoptée est constituée de plusieurs couches de fibres qui se superposent et s’entremêlent afin de donner à la coque une structure stable et légère.

 

 

La matérialisation du projet : fabrication, assemblage, montage

Le processus de fabrication est directement lié à celui de la conception. Une membrane en ETFE (éthylène tétrafluoroéthylène) est gonflée et maintenue sous pression pendant qu’un robot vient y coller des fibres de carbone pour renforcer la structure. Le choix des matériaux résulte d’une volonté économique, l’ETFE étant un produit relativement commun en construction et le carbone possédant de bonnes qualités structurelles qui permettent de réduire la quantité de matériau.

 

Cependant la conception dynamique a nécessité pour sa fabrication la mise au point d’un robot prototype. Ce robot a été élaboré en partenariat avec les industries KUKA, qui a développé un système réactif à son environnement. Pour cela des capteurs relèvent la position du robot, la vitesse de production et la pression sur la membrane qui change au fur et à mesure que la membrane se solidifie. Ce système est intégré dans le processus de modélisation et vient modifier celle-ci pour adapter la trajectoire du robot qui pose les fibres. Le continuum numérique est ici mis en place dans une relation directe et instantanée entre conception numérique et fabrication.

 

La structure ainsi produite se trouve être remarquablement fine et légère pour 4,1 m de hauteur et 7,5 m de longueur, recouvrant 40 m2 de surface. A peine de 260 kilos pour l’ensemble de la structure. Seulement 0,2 mm d’épaisseur pour la membrane d’ETFE qui s’étire sur des portées allant jusqu’à 25 cm, et qui est soutenue par la maille de fibres de carbone avec une profondeur structurelle allant de 1 mm à 2 cm, selon Valentin Koslowski l’ingénieur structure. En outre la structure a été conçue avec un facteur de sécurité de 2 à 3 et doit résister aux vents forts de 26 m/s de la région.

 

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ICD Institute for Computational Design – Prof. Achim Menges

ITKE Institute of Building Structures and Structural Design – Prof. Jan Knippers

Scientific Development

Moritz Dörstelmann, Valentin Koslowski, Marshall Prado, Gundula Schieber, Lauren Vasey

System Development, Fabrication & Construction

WS13/14, SoSe14, WS14/15: Hassan Abbasi, Yassmin Al-Khasawneh, Yuliya Baranovskaya, Marta Besalu, Giulio Brugnaro, Elena Chiridnik, Tobias Grun, Mark Hageman, Matthias Helmreich, Julian Höll, Jessica Jorge, Yohei Kanzaki, Shim Karmin, Georgi Kazlachev, Vangel Kukov, David Leon, Kantaro Makanae, Amanda Moore, Paul Poinet, Emily Scoones, Djordje Stanojevic, Andrei Stoiculescu, Kenryo Takahashi and Maria Yablonina

WS14/15: Rebecca Jaroszewski, Yavar Khonsari, Ondrej Kyjanek, Alberto Lago, Kuan-Ting Lai, Luigi Olivieri, Guiseppe Pultrone, Annie Scherer, Raquel Silva, Shota Tsikoliya

With the support of: Ehsan Baharlou, Benjamin Felbrich, Manfred Hammer, Axel Körner, Anja Mader, Michael Preisack, Seiichi Suzuki, Michael Tondera

Collaborations

Departement of Evolutionary Biology of Invertebrates, University of Tuebingen
Prof. Dr.Oliver Betz

Departement of Palaeontology of Invertebrates, University of Tuebingen
Prof. Dr.James Nebelsick, Dr.Christoph Allgaier

Institute for Machine Tools, University of Stuttgart
Dr. Thomas Stehle, Rolf Bauer, Michael Reichersdörfer

Institute of Aircraft Design, University of Stuttgart
Stefan Carosella, Prof. Dr.-Ing. Peter Middendorf

 

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Ressources :

http://icd.uni-stuttgart.de/?p=12965

http://www.kuka-robotics.com/france/fr/pressevents/news/NN_201508010_Carbon_fiber_pavillon.htm

http://www.architectmagazine.com/technology/arachnid-architecture-as-human-shelter_o

http://www.designboom.com/architecture/icd-itke-research-pavilion-2013-14-interview-08-18-2014/