ESR02 - Amortisseurs à mémoire de forme éco-innovants pour la protection sismique des infrastructures

ESR02 - Eco-innovative shape memory architected dampers for the seismic protection of structures

• Auteur / Autrice : Paul Charkaluk
• Direction : Michael Peigney
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Marne-la-vallée, ENPC en cotutelle avec Université de Pavie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Matériaux et structures architecturés

Mots clés

Mots clés libres

Optimisation de forme

Protection sismique

Alliages à mémoire de forme

Dynamique

Shape memory alloys

Dynamics

Topology optimization

Seismic protection

Résumé

Il existe des preuves solides que le changement climatique est susceptible d'augmenter l'activité sismique, à la fois en nombre d'événements et en intensité. Compte tenu de la densification croissante de la population, les tremblements de terre constituent ainsi un enjeu crucial pour le développement de villes résilientes: il y a un besoin croissant de stratégies efficaces pour atténuer l'impact des séismes sur les infrastructures. Parmi ces stratégies, une voie possible consiste à utiliser les alliages à mémoire de forme (AMF), une classe de « matériaux intelligents » qui trouve des applications dans divers domaines, comme l'aéronautique ou le secteur biomédical. Ces matériaux peuvent dissiper de l'énergie grâce à une transformation de phase solide-solide. La pertinence du concept d'amortisseurs AMF en protection sismique a déjà été démontrée dans plusieurs travaux. Cependant, un inconvénient des amortisseurs AMF réside dans le fait que le comportement du matériau est fortement non linéaire et difficile à modéliser. De plus, les AMF sont des matériaux coûteux avec une empreinte carbone relativement élevée. Fort de ce constat, l'objectif général de la thèse proposée est d'améliorer les performances des amortisseurs AMF et d'optimiser l'utilisation des matériaux, en s'appuyant sur des ressources récentes en termes d'outils de simulation numériques, de techniques de fabrication et de connaissances sur le comportement AMF. Ces dernières années, de nombreux efforts ont en effet été consacrés à l'amélioration des modèles de comportement pour les AMF, permettant d'inclure des effets complexes tels que l'inélasticité permanente, la mémoire de forme double-sens, le comportement cyclique et le couplage thermomécanique. Le premier objectif de la thèse est de développer une nouvelle stratégie numérique pour la mise en œuvre de tels modèles, permettant la simulation avancée de structures intégrant des systèmes AMF, dans le régime dynamique. Les effets de grands déplacement et d'auto-échauffement doivent être pris en compte car ils sont susceptibles de jouer un rôle important dans les applications sismiques des AMF (contrairement à d'autres applications de ces matériaux). L'efficacité, la cohérence et la robustesse sont des caractéristiques essentielles de la stratégie numérique à développer. Outre les outils de simulation, la conception des amortisseurs AMF peut également bénéficier des avancées récentes dans les domaines des métamatériaux et de fabrication additive. D'une part, grâce à la conception rationnelle de leurs cellules unitaires, les métamatériaux possèdent un vaste potentiel pour améliorer les propriétés mécaniques et les capacités d'absorption d'énergie des amortisseurs AMF. Par ailleurs, la fabrication additive permet de produire des objets de manière additive, couche par couche, en surmontant ainsi les problèmes géométriques typiques d'autres procédés de fabrication. Ceci est fondamental pour produire des géométries complexes, comme dans le cas des métamatériaux, et pour ajuster la conception de l'amortisseur en fonction du type d'ouvrage auquel il est destiné. De plus, la fabrication additive permet de réduire les coûts et les délais de production, en conjonction avec une diminution potentielle des émissions et par conséquent de l'empreinte carbone de la production des pièces, ce qui est essentiel pour l'application et la commercialisation des amortisseurs AMF. Le deuxième objectif de la thèse est ainsi de proposer une nouvelle approche d'optimisation topologique pour les AMF. Grâce à cette approche, la géométrie de l'amortisseur est conçue afin de maximiser son efficacité pour une quantité donnée de matériau, avant de l'imprimer. La validation de l'approche sera finalement évaluée, en s'intéressant à la fabrication et à l'expérimentation de structures optimisées constituées de NiTi, imprimées via un processus de fusion laser sur lit de poudre avec le soutien de collaborateurs externes.

There is strong evidence that global climate change is likely to increase seismic activity, both in quantity (number of earthquakes per year) and intensity. Factoring in the increasing densification of population, earthquakes are a crucial issue for resilient cities: there is a growing need of efficient strategies for mitigating the impact of earthquakes on infrastructures. A possible strategy is to use Shape Memory Alloys (SMAs), a class of 'smart materials' which finds applications in various fields, such as aeronautics or biomedical. Those materials can dissipate energy through a solid-solid phase transformation. The relevance of SMA-based dampers in seismic protection has already been demonstrated in several works. Compared to more conventional elastic-plastic or friction based systems, SMA dampers have the advantage of displaying a recentering capacity, thus limiting residual displacements and preserving structural integrity after the earthquake. Because the dissipative function is a built-in property of the material, SMA dampers are very robust, which is essential for seismic protection devices. Moreover, needs of maintenance are minimal. However, one drawback of SMA dampers is that the material behavior is strongly nonlinear and difficult to model in detail. Moreover, SMAs are expensive materials with a relatively high carbon footprint. With those concerns in mind, the overall goal of the PhD project is to improve the performance of SMA dampers and to optimize the use of material, starting from recent computational and manufacturing tools and material knowledge. In recent years, a lot of effort has indeed been devoted to improve material models for SMAs, including complex effects such as permanent inelasticity, two-way shape memory, cyclic behavior, and thermomechanical coupling. The first objective of the PhD is to develop a new numerical strategy for implementing such models, allowing for the advanced simulation of SMA-based systems in the dynamic regime. Finite strain and self-heating need to be taken into account as they are likely to play an important role in seismic applications of SMAs (in contrast with other applications of those materials). Efficiency, consistency and robustness are critical features of the numerical strategy to be developed. Recent works making use of incremental energy minimization could possibly be helpful in that regard. Besides advanced simulation tools, the design of SMA dampers can also benefit from recent advances in metamaterials and additive manufacturing. On the one hand, thanks to the rational design of their unit cells, mechanical metamaterials possess extraordinary potential for improving the mechanical properties and energy absorption capabilities of SMA dampers. On the other hand, additive manufacturing allows to produce objects in an additive, layer-by-layer fashion, potentially overcoming geometrical issues typical of other manufacturing approaches. This is fundamental for producing complex geometries, as in case of metamaterials, and to tune the design based on the type of building where the damper is used. Moreover, additive manufacturing allows to reduce production costs and times, in conjuction with a potential decrease of emissions and consequently of the carbon footprint of the part production, that is fundamental for the application and commercialization of SMA dampers. Accordingly, the second objective of the PhD is to propose a new topology optimization approach for SMAs. Thanks to this approach, the geometry of the damper could be designed to maximize its efficiency for a given quantity of material, before printing it. The validation of the approach will be possibly assessed by manufacturing and testing the optimized structures made of NiTi SMAs via laser powder bed fusion process, exploiting external collaborators' facilities.