Author: Thomas Busser
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Languages : fr
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L'objectif général de la thèse est de progresser dans la compréhension du comportement multi-physique des bâtiments en bois et d'améliorer l'évaluation de leur performance énergétique associée au confort hygrothermique. Les professionnels du secteur, ainsi que des études scientifiques, montrent des écarts entre les calculs et les mesures de performance (consommations, confort) de ces bâtiments. Les raisons de ces écarts ne sont pas encore bien élucidées : l'impact de l'humidité et de la chaleur latente dans ces constructions sont souvent mis en avant comme explication probable, bien que cela reste encore du domaine de la recherche. Les travaux les plus récents montrent que les fondements se situent probablement au niveau du comportement hygrothermique des matériaux à la base de bois en régime instationnaire. Ce travail de thèse se focalisera principalement sur deux échelles d'études : échelle matériau et échelle bâtiment. L'un des axes de travail de la thèse portera sur la caractérisation expérimentale des propriétés hygroscopiques de matériaux à base de bois et sur leur modélisation. Le second axe de travail portera sur l'intégration à l'échelle bâtiment de ces matériaux : en modélisation, intégrer l'impact des propriétés spécifiques de ces matériaux dans les assemblages constituants les parois, puis dans les bilans complexes à l'échelle du bâtiment. Une étude expérimentale portera sur une pièce de vie avec une forte présence de bois dans l'enveloppe du bâtiment pour caractériser le confort hygrothermique, et quantifier l'apport de l'inertie hygrique de l'enveloppe sur la performance de l'ambiance en termes de confort. Le cas échéant, des mesures seront également réalisées à l'échelle « paroi » d'une part, sur des constructions réelles d'autre part.

Author: Jean Bélanger
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Languages : fr
Pages : 89

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Le présent mémoire porte sur la mise en place d'un modèle mathématique permettant la résolution du problème inverse du transfert de chaleur et d'humidité dans une enveloppe de bâtiments par l'optimisation des propriétés physiques des matériaux. Ce modèle a permis de répondre à l'objectif principal du mémoire qui est de caractériser les échanges de chaleur et d'humidité se produisant à l'intérieur d'une enveloppe de bâtiment en bois dans le contexte climatique québécois. Afin de mettre en place ce modèle mathématique, plusieurs étapes ont été réalisées. Premièrement, des simulations numériques ont été faites avec le logiciel WUFI dans le but de compléter une analyse de sensibilité. Cette analyse de sensibilité a, par la suite, été utilisée afin de cibler les propriétés physiques des matériaux ayant le plus d'impact sur la réponse du modèle. Une fois l'analyse de sensibilité complétée, les résultats obtenus ont servis à mettre en place un algorithme prédictif à l'aide Matlab. Ces algorithmes permettent de prédire l'évolution de la température et de l'humidité dans le temps en fonction de plusieurs paramètres. Le modèle prédictif est ensuite utilisé afin de réaliser l'optimisation des propriétés physiques du modèle. Cette optimisation est faite par rapport aux données réelles recueillies par les capteurs installés dans l'enveloppe d'un bâtiment de la Ville de Québec. Plusieurs modifications ont été faites dans le modèle afin d'augmenter la précision de celui-ci. Les résultats obtenus aux différentes modifications sont analysés.

Author: Anh Dung Tran Le
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Languages : fr
Pages : 209

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Dans le cadre du développement durable, les nouvelles réglementations en matière d’isolation thermique dans le secteur du bâtiment, conduisent les chercheurs à la recherche de nouveaux matériaux pour constituer des systèmes économes en énergie tout en assurant le confort de l’habitat. Cette recherche s’est très vite dirigée vers l’utilisation de matériaux issus de la matière végétale. Parmi les nouveaux matériaux à base végétale, le chanvre est le plus utilisé dans la construction. Les recherches effectuées jusqu’à ce jour ont permis de déterminer les propriétés physiques de ce matériau. Ces valeurs ne reflètent que partiellement le confort ressenti dans les locaux dont les parois sont en béton de chanvre. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement hygrothermique du béton de chanvre au niveau d’une paroi et à l’échelle d’un local. La première partie de cette thèse est consacrée à l’étude bibliographique liée aux intérêts d’utilisation du béton de chanvre puis sa performance est comparée aux autres matériaux du génie civil. Après avoir présenté le modèle des transferts hygrothermiques dans le bâtiment ainsi que l’environnement de simulation SPARK, adapté à la résolution des systèmes d’équations non linéaires, les simulations sont effectuées à l’échelle d’une paroi simple, d’une paroi multicouche et du bâtiment afin de valider les modèles par rapport à des résultats trouvés dans la littérature. La deuxième partie est consacrée à l’étude du comportement hygrothermique d’une paroi et d’un local en béton de chanvre sous des conditions climatiques statique et dynamique. Les résultats obtenus pour les conditions hivernales réelles ont montré que la combinaison de la ventilation hygroréglable avec la capacité de sorption des parois en béton de chanvre permet de réduire de 12% les besoins énergétiques par rapport à une ventilation classique. Enfin, la dernière partie est consacrée à l’étude préliminaire d’un nouveau matériau 100% végétal à base d’une matrice d’amidon de blé et de chènevotte. Sa performance hygrothermique dans le bâtiment est mise en évidence pour les conditions climatiques de Nancy

Author: Menghao Qin
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Languages : fr
Pages : 287

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Dans les structures poreuses des matériaux, les transferts d'humidité peuvent se développer en phase gazeuse et/ou liquide. La nature et l'intensité de ces transferts sont liées aux propriétés intrinsèques des matériaux utilisés. Ils peuvent induire des phénomènes particuliers : sorption - désorption, évaporation- condensation, hystérésis capillaire (etc...). L’interaction entre ces phénomènes de transferts massiques et les échanges thermiques à l’échelle des matériaux et à l’interface matériaux - ambiances aboutit généralement à des systèmes d’équations aux dérivées partielles fortement couplées dont la solution est souvent complexe à déterminer. On se propose, lors de ce travail d’étudier les transferts couplés de chaleur et d’humidité à l’échelle du matériau et puis de généraliser l’étude à l’échelle du bâtiment entier pour évaluer l’impact de ces phénomènes de transfert sur le confort, sur la qualité des ambiances et sur la consommation énergétique des bâtiments. Ce travail de thèse s’articule autour de deux parties complémentaires : Durant la première partie, une analyse phénoménologique détaillée des processus de transferts couplés de chaleur et d’humidité à l’intérieur des matériaux poreux a été effectuée. Une modélisation des transferts couplés à l’échelle du matériau de construction a été ensuite entreprise. Basée, d’une part sur la connaissance des caractéristiques de transfert des matériaux et sur l’établissement des équations de bilan de conservation de la masse d’eau et de l’énergie, le système couplé d’équations aux dérivées partielles obtenu est résolu selon deux approches analytique et numérique. A noter que cette phase de résolution nécessite, au préalable, la détermination expérimentale des caractéristiques de transfert des matériaux grâce aux essais effectuées au laboratoire. Ces paramètres d’entrée du modèle sont, principalement, la diffusivité hydrique et le coefficient de gradient de température des matériaux de construction, les isothermes de sorption-désorption. L’élaboration de prototypes expérimentaux ont permis de conforter la prédiction des modèles développés. Dans la deuxième partie, le modèle ainsi validé est implémenté, avec confiance, dans un code thermohydrique du bâtiment « MATLAB-Simulink », pour étudier l'effet de la prise en compte des phénomènes de transfert à l’échelle de la paroi et aux interfaces parois-ambiances sur la prédiction du comportement dynamique du bâtiment, sur l’évaluation des besoins de climatisation, été – hiver, et sur la détermination des pics de puissance. Les résultats de simulation obtenus, montrent que les économies d'énergie les plus prometteuses sont réalisées pour des bâtiments climatisés situés dans des régions chaudes et humides. De plus la réduction de la charge de climatisation est d’autant plus importante que le système de climatisation est contrôlé de façon optimale.

Author: Abdoulaye Samake
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Les structures en bois sont de plus en plus utilisées de nos jours dans les constructions de génie civil. Cette utilisation massive du bois s'explique notamment par le caractère écologique du matériau et son attrait esthétique. Ces structures sont composées d'éléments en bois assemblés entre eux à l'aide d'organes métalliques tels que des boulons, broches, plaques métalliques,...etc. La résistance globale de la structure est étroitement liée aux capacités résistantes de ses liaisons. Ces zones constituent donc des endroits vulnérables lors d'un incendie. La compréhension de leur comportement sous sollicitation thermique de type incendie nécessite donc une attention particulière. Le bois est connu comme matériau anisotrope et relativement humide. La grande variabilité de ses propriétés mécaniques et la présence d'organes métalliques dans les assemblages rendent l'étude de ceux-ci beaucoup plus complexe. C'est notamment le cas en situation extrême d'incendie où la connaissance des valeurs de certains paramètres en fonction de la température est plus ou moins approchée. Lorsque l'assemblage est sollicité par des hautes températures, des flux thermiques et hydriques se manifestent et agissent sur les caractéristiques mécaniques et physiques des matériaux. Les méthodes actuelles de calcul technique de ces structures restent très sécuritaires et tendent à être simplificatrices dans certains cas. Une meilleure caractérisation de la réponse de ces assemblages sous action thermique s'impose si l'on veut optimiser les structures. Pour étudier les transferts thermiques et hydriques dans les éléments d'assemblages bois, deux approches ont été adoptées : expérimentale et numérique. L'approche expérimentale qui débute par l'étude d'un assemblage mono-tige soumis à l'action du feu ISO 834. L'étude des transferts thermiques à différents endroits des assemblages est réalisée ainsi que l'influence de la présence de la plaque métallique et le choix du type d'organes métalliques. Les résultats obtenus ont conduit à l'étude des deux éléments principaux de l'assemblage que sont le bois et les tiges métalliques. Les résultats obtenus permettent à la fois une meilleure compréhension et quantification de l'influence du choix de la tige métallique, de la présence de l'eau dans le bois. L'étude numérique a consisté à la mise en place de différents modèles. Un premier modèle simplifié basé sur les différences finies est réalisé. Il permet l'étude des transferts thermiques dans les organes métalliques. Ensuite deux modèles utilisant les éléments finis sont réalisés : le premier utilisé sous le code de calcul Msc.Marc et le second a été programmé ave des éléments finis surfaciques. Ce dernier modèle permet la prise en compte du comportement thermo-hydrique dans le matériau. Ils rentrent dans le cadre de la calibration des paramètres thermomécaniques du bois sous hautes températures et permettent d'aborder différentes configurations d'assemblages bois. Enfin une étude comparative et de discussion est réalisée entre les résultats réels et les résultats numériques. Les résultats obtenus sont satisfaisants.

Author: Maroua Maaroufi
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Le présent travail vise à étudier l'influence de la microstructure des éco-matériaux de construction alternatifs utilisés dans les parois des bâtiments, tels que le béton de polystyrène sur les transferts de chaleur et d'humidité. L'objectif de ces travaux de thèse est de prédire le comportement hygrothermique des bâtiments dans une optique d'amélioration de la durabilité et des performances énergétiques. Afin d'y parvenir, ceci nécessite une approche multi-échelle qui consiste d'abord à décrire minutieusement la microstructure des matériaux étudiés, puis à maîtriser les interactions entre les différentes phases les composant à l'échelle microscopique, dans le but de mieux appréhender leur comportement à l'échelle macroscopique. Par la suite, des simulations numériques des transferts couplés de chaleur et d'humidité seront menées, prenant en compte la microstructure et la morphologie réelles des matériaux à travers des volumes 3D reconstruits grâce à la micro-tomographie à rayons X. Pour mener à bien la modélisation, il a fallu caractériser le matériau au niveau microscopique. Plusieurs techniques d'imagerie ont été utilisées afin d'obtenir une description fine de la microstructure du béton de polystyrène et des différentes phases qui le composent. Le matériau a été scanné au micro-tomographe à rayons X pour obtenir les reconstructions 3D du volume réel, qui ont montré son hétérogénéité microstructurale complexe. Le matériau a également été observé au microscope électronique à balayage en vue d'évaluer l'interface entre les deux phases, qui ne montre pas de zone de transition. Une campagne de caractérisation macroscopique et expérimentale du béton de polystyrène a été réalisée. Elle inclut la détermination des propriétés physiques et hygrothermiques du matériau, ainsi que l'impact de son état hydrique et thermique sur ces mêmes propriétés. Le béton de polystyrène montre d'excellentes performances en ce qui concerne l'isolation thermique et le stockage de chaleur, mais une capacité de régulation d'humidité négligeable. Ensuite, des expérimentations ont été mises en place dans le but de mieux appréhender les transferts d'humidité dans le matériau soumis à différentes conditions climatiques. Des échantillons sont soumis à des sollicitations hydriques cycliques dans le but de mettre en exergue le phénomène d'hystérésis de sorption d'eau, et un suivi d'humidité relative à l'intérieur des échantillons sera assuré grâce aux instruments adaptés. Un modèle de transferts couplés de chaleur et d'humidité a été élaboré. Il prend en compte l'effet de l'hystérésis de sorption d'eau et inclut ainsi l'historique des états hydriques. Au niveau macroscopique, les résultats des simulations sont confrontés aux relevés expérimentaux et ont montré une bonne adéquation. A l'échelle microscopique, des simulations seront effectués sur les volumes réels reconstruits par tomographie afin de prendre en compte l'hétérogénéité de la microstructure du matériau multiphasique.

Author: Zaratiana Mandrara
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Les constructions traditionnelles en bois en France et à Madagascar témoignent de l'utilisation ancienne d'abondantes ressources forestières locales. Le bois peut être considéré comme un matériau naturel et renouvelable dans la mesure où les ressources forestières sont gérées durablement. L'utilisation du bois dans la construction contribue largement à la maîtrise du cycle du carbone atmosphérique et à la limitation des émissions de gaz à effet de serre. Ce travail présente les principales caractéristiques physiques du matériau bois et des systèmes constructifs associés, montrant l'importance et l'influence du revêtement en bois sur l'environnement intérieur des habitations. La caractérisation des phénomènes hygrothermiques à l'échelle de la pièce d'habitation a été détaillée : présence d'eau dans le bois, comportement de l'équilibre hygroscopique, transfert thermique et transfert de masse, les paramètres physiques du bois et d'une ambiance intérieure. Enfin, ce travail apporte des connaissances sur l'évaluation des interactions entre le confort thermique, l'ambiance intérieure et le revêtement en bois, grâce à des campagnes de mesure in situ, à des mesures en laboratoire et à des modélisations de scénarios numériques.

Author: Mourad Rahim
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Cette thèse a pour objectif de valoriser par une caractérisation multi-échelle, les bétons à base de chanvre, de lin et de colza, dont les cultures sont plutôt bien développées au niveau régional et national. De par leur composition, ces matériaux, à base de granulats végétaux associés à une matrice minérale, possèdent une forte sensibilité à l'humidité tout en conservant des performances thermiques intéressantes.Leurs propriétés sont en effet fortement liées à une porosité importante, qui leur confère une grande capacité à adsorber et restituer la vapeur d'eau contenue dans l'ambiance environnante ; cette spécificité vient s'interconnecter avec les échanges de chaleur d'une paroi ou d'un bâtiment. Il est donc indispensable de faire une analyse couplée des phénomènes de transferts thermiques et hygriques, non seulement pour déterminer les besoins en chauffage ou renouvellement d'air d'un local, mais aussi pour appréhender le confort des occupants et la durabilité de la construction.En s'appuyant sur de nombreux essais expérimentaux, les principales caractéristiques des matériaux mis en œuvre sont tout d'abord précisées. Est ensuite analysé plus particulièrement le comportement d'une paroi à l'échelle réelle, placée dans des conditions stationnaires ou variables d'humidité et/ou de température. Les propriétés des matériaux implémentées dans un modèle de simulation numérique (SPARK) permettent par ailleurs, et après validation expérimentale, une approche prédictive du comportement hygrothermique d'une paroi ou de l'enveloppe d'un bâtiment. A travers un modèle simplifié pour un local monozone, l'influence de l'inertie hygrique des matériaux sur le taux d'humidité relative de l'ambiance intérieure est mise en évidence.

Author: Helisoa Mamy Rafidiarison
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Les matériaux hygroscopiques, et tout particulièrement le bois et ses dérivés possèdent des propriétés complexes rendant difficile la modélisation des transferts couplés de chaleur et de masse dans les parois incluant ces matériaux. De ce fait, très peu d'outils numériques sont aujourd'hui capables de prédire correctement la performance hygrothermique de l'habitat bois. L'objectif de ce travail est de caractériser expérimentalement les transferts chaleur-masse dans les parois des constructions bois afin de valider un outil numérique destiné à simuler le comportement hygrothermique des parois comportant des matériaux hygroscopiques. Dans un premier temps, les notions théoriques et les études antérieures sur les transferts couplés chaleur - masse sont présentés. Ensuite, nous donnons un descriptif détaillé du dispositif expérimental conçu pour caractériser les transferts couplés chaleur-masse dans les parois. Les expériences de caractérisation des performances hygrothermiques des parois fournies par les industriels partenaires du projet TRANSBATIBOIS dans lequel s'inscrit cette thèse sont également abordées. Nous détaillons par la suite les expériences réalisées ainsi que la phase de confrontation des résultats expérimentaux avec les résultats prédits par le code numérique BuildingPore et l'outil commercial WUFI. La troisième partie de ce travail est consacrée aux expérimentations à l'échelle de l'enveloppe. Nous y présentons une analyse de la performance hygrothermique et des consommations énergétiques des constructions bois à travers le suivi de modules-test exposés au climat extérieur. La dernière partie du travail est consacrée aux dispositifs de suivi de bâtiments.

Author: Faiza Mnasri
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Le contexte énergétique international impose de nouvelles orientations au secteur du bâtiment neuf ou en rénovation. Toute nouvelle solution doit être techniquement efficace et respectueuse pour l'environnement. Il s'agit dans ce travail de thèse de réaliser une étude numérique et expérimentale de matériaux de construction biosourcés liés au contexte transfrontalier Lorrain (France-Belgique- Luxembourg). En effet, ce travail intègre une partie du projet européen « Ecotransfaire » mené pour le développement d'une filière durable propre aux éco-matériaux. La sélection des matériaux selon une liste de critères à la fois scientifiques, géographiques et environnementaux a permis de répondre à notre problématique en s'orientant vers l'intégration des matériaux biosourcés pour leurs aspects favorables à l'environnement et à l'efficacité énergétique du bâtiment. Intégrés au bâtiment, ces matériaux sont sujets à plusieurs phénomènes de transfert de chaleur et de masse. Dans un premier temps et pour mieux appréhender ces phénomènes, un modèle de transfert couplé de chaleur, d'air, d'humidité (HAM transfers) est utilisé pour simuler le comportement hygrothermique d'un matériau en bois massif à structure supposée homogène. Ce modèle, mis en œuvre et résolu par la méthode des éléments finis, a été validé par des résultats analytiques retenus dans la littérature. L'étude de sensibilité du modèle au couplage, aux dimensions dans l'espace, aux conditions aux limites et aux variabilités des paramètres d'entrée est également présentée. Une des difficultés de l'utilisation de ce modèle réside dans la prise en considération de l'aspect fortement hétérogène de certains matériaux. Ainsi, dans ce travail, nous proposons une approche de caractérisation d'un composite lignocellulosique hétérogène de structure poreuse. En effet ce matériau est composé de deux constituants bien connus dans le domaine de l'industrie de construction: Le bois et le ciment. Le bois est incorporé sous forme de granulats avec des formes et des tailles irrégulières et le ciment est utilisé comme un liant. Le travail réalisé permet de remonter aux propriétés intrinsèques équivalentes de ce matériau (conductivité thermique et perméabilité à la vapeur) à l'aide des techniques de micro-tomographie. La méthodologie suivie consiste à la détermination de la structure d'échantillon par une prise d'images à l'échelle microscopique. Une fois la structure de l'échantillon générée, une reconstruction de la représentation bidimensionnelle précède la génération de la structure tridimensionnelle à l'aide d'un outil numérique qui permet de déterminer les propriétés équivalentes des domaines reconstruits en 3D. La perméabilité et la conductivité thermique équivalentes sont les deux propriétés évaluées dans cette configuration. Ces deux propriétés dépendent fortement de la porosité et de la distribution des pores dans la phase continue (la phase solide). De plus la composition de ce matériau et les fractions volumiques de chacun de ses constituants influent sur la formation de sa microstructure et par conséquent sur ses propriétés de transferts thermiques et hydriques. L'ensemble des connaissances développées dans ce travail permet une piste sérieuse pour l'élaboration d'un éco-matériau à propriétés contrôlées pour des usages spécifiques dans la construction et la rénovation.