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Effet de la variabilité des propriétés hygrothermiques de la terre crue sur le comportement énergétique des bâtiments: Couplage STD et démarche stochastique

ABG-122003 Thesis topic
2024-03-29 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM)
Saint-Nazaire - Pays de la Loire - France
Effet de la variabilité des propriétés hygrothermiques de la terre crue sur le comportement énergétique des bâtiments: Couplage STD et démarche stochastique
  • Civil engineering, construction and public works
  • Materials science
  • Engineering sciences

Topic description

Encadrement : Stéphanie Bonnet, Nabil Issaadi, Romain Clerc

L'impact environnemental du secteur du bâtiment est très important, tant du point de vue de la consommation des ressources naturelles que du point de vue de la consommation énergétique pour assurer les conditions de confort hygrothermique dans les locaux résidentiels ou tertiaires. Dans le but de réduire l'impact de la construction de bâtiments neufs, la terre crue, matériau vernaculaire et ancestral, semble être une alternative crédible au tout béton [1].

La terre crue est un matériau naturel issu de la décomposition lente du substrat rocheux local. Il en résulte une grande diversité dans la composition des différentes typologies de terre, couramment décrite par différents indicateurs (granularité, texture, type et activité des argiles). Les fibres végétales éventuellement ajoutées à la terre sont systématiquement issues de ressources agricoles ou naturelles, et donc fortement dépendantes des cultures locales. La terre et les fibres sont donc des matières premières peu transformées, non industrialisées et non standardisées, et présentent de fortes variabilités du fait de leur origine naturelle. De plus, il existe différents procédés de construction avec différents niveaux et procédés de compactage souvent manuels et difficilement reproductibles d’un opérateur à l’autre.

Contrairement aux matériaux conventionnels, les propriétés des matériaux bio-sourcés et géo-sourcés sont peu stables [2-4]. Alors que les concepteurs et modélisateurs utilisent en général les moyennes des mesures expérimentales sur un faible nombre d’essais comme valeur efficace, plusieurs recherches [2, 5-11] ont montré une variabilité aléatoire et spatiale importantes des propriétés hygrothermiques d’un même composite terre crue – ajouts végétales. Ainsi, la propagation partielle ou erronée de ces variabilités (basée sur des résultats pas toujours représentatifs des mesures, et/ou négligeant la variabilité spatiale) pourrait conduire à un mauvais dimensionnement ou une mauvaise estimation des performances des bâtiments en terre crue, tout comme cela est largement prouvé pour des ouvrages en béton armé [16, 17].

La simulation du comportement énergétique des bâtiments utilisant des matériaux de construction géo ou bio sourcés donc largement hygroscopiques est un véritable enjeu, en termes de réglementation et labellisation. Aujourd’hui, nous manquons de modèles de référence pour le comportement hygrothermique qui propose une modélisation dynamique des échanges hygrothermiques entre l’enveloppe du bâtiment et l’ambiance habitable. En effet, Les techniques de simulation actuelles pour estimer le comportement énergétique des bâtiments sont fondées sur des approches physiques incapables de prendre en compte toutes les conditions et situations réelles. Peu d'outils de simulation du bâtiment détaillent précisément l'enveloppe [15] et ces outils ne prennent pas en compte les gradients hydriques entre ambiances extérieure et intérieure, considérés comme peu influents pour la plupart des logiciels de simulation actuels.

L’objectif de ce projet est d’implémenter une démarche stochastique de prise en compte de la variabilité des propriétés hygrothermique de la terre crue dans un outil de conception de parois de bâtiment (TRNSYS). Une plateforme de co-simulation sera développée par l’équipe. Elle sera utilisée pour y intégrer cette méthodologie et avoir une plateforme de co-simulation complète allant de l’échelle du matériau avec la prise en compte de la variabilité à l’échelle de la paroi en utilisant le modèle réduit de transferts couplés de chaleur et d’humidité, puis à l’échelle du bâtiment avec des simulations thermiques dynamiques pour évaluer les besoins en chauffage/climatisation, la consommation énergétique et le confort des usagers.

References:

[1] E. Hamard, B. Cazacliu, A. Razakamanantsoa, J.C. Morel, 2016, Cob a vernacular earth construction process in the context of modern sustainable building, Building and Environment, 106 (2016) 103-119

[2] M. Barnaure, S. Bonnet, et P. Poullain, « Earth buildings with local materials: Assessing the variability of properties measured using non-destructive methods », Construction and Building Materials, vol. 281, p. 122613, avr. 2021, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.122613.

[3] C. Niyigena et al., « Variability of the mechanical properties of hemp concrete », Materials Today Communications, vol. 7, p. 122‑133, juin 2016, doi: 10.1016/j.mtcomm.2016.03.003.

[4] O. López, I. Torres, A. S. Guimarães, J. M. P. Q. Delgado, et V. P. de Freitas, « Inter-laboratory variability results of porous building materials hygrothermal properties », Construction and Building Materials, vol. 156, p. 412‑423, déc. 2017, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.08.184.

[5] J. Tchiotsop, Issaadi, Philippe Poullain, Stéphanie Bonnet, Rafik Belarbi, « Assessment of the natural variability of cob buildings hygric and thermal properties at material scale: Influence of plants add-ons », Construction and Building Materials, Volume 342, Part B, 2022, 127922,ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127922.

[6] H. Cagnon, J. E. Aubert, M. Coutand, et C. Magniont, « Hygrothermal properties of earth bricks », Energy and Buildings, vol. 80, p. 208‑217, sept. 2014, doi: 10.1016/j.enbuild.2014.05.024.

[7] J.-E. Aubert, « Caractérisation des briques de terre crue de Midi-Pyrénées », Laboratoire de Recherche en Architecture (LRA) - ENSA Toulouse, avr. 2013.

[8] P. Maillard et J. E. Aubert, « Effects of the anisotropy of extruded earth bricks on their hygrothermal properties », Construction and Building Materials, vol. 63, p. 56‑61, juill. 2014, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2014.04.001.

[9] T. Ashour, H. Wieland, H. Georg, F.-J. Bockisch, et W. Wu, « The influence of natural reinforcement fibres on insulation values of earth plaster for straw bale buildings », Materials & Design, vol. 31, no 10, p. 4676‑4685, déc. 2010, doi: 10.1016/j.matdes.2010.05.026.

[10] T. Vinceslas, T. Colinart, H. Lenormand, A. H. de Menibus, E. Hamard, et T. Lecompte, « (16) (PDF) HYGROTHERMAL PROPERTIES OF LIGHT EARTH INSULATION MATERIALS: EVALUATION OF UNCERTAINTIES AND CONSEQUENCES », ResearchGate.

[11] R. M. Gandia, F. C. Gomes, A. A. R. Corrêa, M. C. Rodrigues, et R. F. Mendes, « Physical, mechanical and thermal behavior of adobe stabilized with glass fiber reinforced polymer waste », Construction and Building Materials, vol. 222, p. 168‑182, oct. 2019, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.107.

[12] Théo Vinceslas. Caractérisation d’éco-matériaux terre-chanvre en prenant en compte la variabilité des ressources disponibles localement. phdthesis, Université de Bretagne Sud, November 2019.

[13] Jean-Emmanuel Aubert. Caractérisation des briques de terre crue de Midi-Pyrénées. Technical report, Laboratoire de Recherche en Architecture (LRA) - ENSA Toulouse, April 2013.

[14] Quoc-Bao Bui and Jean-Claude Morel. Assessing the anisotropy of rammed earth. Construction and Building Materials, 23(9):3005–3011, September 2009.

[15] Mohamed-Ali Hamdaoui, Mohammed-Hichem Benzaama, Yassine El Mendili, Daniel Chateigner, A review on physical and data-driven modeling of buildings hygrothermal behavior: Models, approaches and simulation tools, Energy and Buildings, Volume 251, 2021.

[16] Stewart, M. G. 2004. “Spatial variability of pitting corrosion and its influence on structural fragility and reliability of RC beams in flexure.” Structural Safety, 26 (4): 453–470. https://doi.org/10.1016/j.strusafe.2004.03.002.

[17] Zhang, M., H. Song, S. Lim, M. Akiyama, and D. M. Frangopol. 2019. “Reliability estimation of corroded RC structures based on spatial variability using experimental evidence, probabilistic analysis and finite element method.” Engineering Structures, 192: 30–52. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.04.085.

 

 

Starting date

2024-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Financement Ecole Doctoral Acquis, Le doctorant aura la possibilité de faire des enseignements au départements Génie Civil de Polytech Nantes (site Saint Nazaire), de l'UFR Sciences et de l'IUT de Saint Nazaire

Presentation of host institution and host laboratory

Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM)

Le GeM est une Unité Mixte de Recherche de Centrale Nantes, l’Université de Nantes et du CNRS. Il a été fondé en 2004, à partir du regroupement de laboratoires pré-existants.

L’objectif était de réunir au sein d’un même laboratoire l’ensemble des compétences de la métropole Nantes Saint-Nazaire dans le domaine du génie civil, de la mécanique des matériaux et des procédés, de la modélisation et de la simulation en mécanique des structures.

Le GeM est très impliqué dans la formation par la recherche : il compte une centaine de doctorants et porte plusieurs masters, majoritairement internationaux, en mécanique, génie civil, et technologie marine.

Institution awarding doctoral degree

UNIVERSITE DE NANTES

Candidate's profile

Compétences requises :

Transfert de masse et de chaleur dans les milieux poreux

Connaissance de la terre crue

Goût prononcé pour la programmation et la simulation

Connaissance en caractérisation expérimentale

Connaissance des méthodes probabilistes

Simulation sur Comsol, TRNSYS ou Energy +

2024-04-15
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