Structure Design and Degradation Mechanisms in Coastal Environments PDF Download
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Author: Abdelkarim Ait-Mokhtar Publisher: John Wiley & Sons ISBN: 1119006090 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 369
Book Description
This book provide a series of designs, materials, characterization and modeling, that will help create safer and stronger structures in coastal areas. The authors take a look at the different materials (porous, heterogeneous, concrete...), the moisture transfers in construction materials as well as the degradation caused by external attacks and put forth systems to monitor the structures or evaluate the performance reliability as well as degradation scenarios of coastal protection systems.
Author: Abdelkarim Ait-Mokhtar Publisher: John Wiley & Sons ISBN: 1119006090 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 369
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This book provide a series of designs, materials, characterization and modeling, that will help create safer and stronger structures in coastal areas. The authors take a look at the different materials (porous, heterogeneous, concrete...), the moisture transfers in construction materials as well as the degradation caused by external attacks and put forth systems to monitor the structures or evaluate the performance reliability as well as degradation scenarios of coastal protection systems.
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NOUS AVONS APPORTE UNE CONTRIBUTION ORIGINALE A L'ETUDE DU PHENOMENE DE TRANSPIRATION, TRANSFERTS THERMIQUE ET MASSIQUE COUPLES, EN CONVECTION NATURELLE, D'UNE PLAQUE PLANE POREUSE SATUREE EN HUMIDITE, GRACE A DEUX ETUDES EXPERIMENTALE ET THEORIQUE MENEES CONJOINTEMENT. L'ETUDE EXPERIMENTALE, PAR INTERFEROMETRIE HOLOGRAPHIQUE, A PERMIS DE MESURER AVEC PRECISION LES CHAMPS DE TEMPERATURE ET DE CONCENTRATION DANS LA COUCHE LIMITE PAR UNE TECHNIQUE ORIGINALE QUE NOUS AVONS DEVELOPPEE. L'ETUDE DE DEUX MATERIAUX POREUX DE NATURE DIFFERENTE NOUS A CONDUIT A DEVELOPPER DEUX MODELES THEORIQUES. L'UN EST RELATIF A L'ANALYSE DES TRANSFERTS AU DESSUS D'UN MATERIAU PRESENTANT UNE SURFACE ISOTHERME, L'AUTRE SE RAPPORTE AU CAS OU LE MATERIAU PRESENTE UNE RESISTANCE THERMIQUE. LE MODELE NUMERIQUE PERMET D'ETUDIER LE COUPLAGE CONDUCTION CONVECTION AVEC RAYONNEMENT DE LA SURFACE. LA CONDUCTIVITE THERMIQUE EQUIVALENTE ET L'EMISSIVITE, PARAMETRES CARACTERISTIQUES DU MATERIAU POREUX, ONT ETE OBTENUES AVEC PRECISION PAR IDENTIFICATION AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX
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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.
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Le présent travail a pour objectif de comprendre l'influence des paramètres géométriques des éco-matériaux d'enveloppe, tels que le béton de chanvre, sur les mécanismes de transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité afin de prédire le comportement du bâtiment dans le but de le piloter et de l'améliorer dans sa durabilité. Pour cela, une approche multi-échelle est mise en place. Elle consiste à maîtriser les phénomènes physiques dominants et leurs interactions à l'échelle microscopique. S'ensuit, une modélisation à double échelle, microscopique-macroscopique, des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité qui prend en compte les propriétés intrinsèques et la topologie microstructurale du matériau moyennant le recours à la tomographie rayon X conjuguée à la corrélation d'images 2D et 3D. Pour cela, une campagne de caractérisation fine des propriétés physiques et hygrothermiques du béton de chanvre confectionné au laboratoire a été réalisée. Elle s'est focalisée sur l'étude de l'impact du vieillissement, l'état thermique et hydrique du matériau sur ses propriétés intrinsèques. Les résultats montrent une excellente capacité d'isolation thermique et de régulation naturelle d'humidité du béton de chanvre. Puis, une caractérisation microscopique par différentes techniques d'imagerie a été effectuée. Les reconstructions 3D du matériau réel scanné au tomographe aux rayons X à différentes résolutions montrent que le béton de chanvre possède plusieurs échelles de porosité, allant de la microporosité au sein du liant et des chènevottes à la macroporosité inter-particulaire. Le comportement hygro-morphique sous sollicitations hydriques a été ensuite étudié. Les résultats de la corrélation d'image numérique 2D et de la tomographie aux rayons X couplés à la corrélation d'images volumiques, montrent la nature du comportement du béton de chanvre soumis à des hygrométries différentes. En effet, la chènevotte subit des déformations plus importantes que le liant, causant ainsi des modifications de la microstructure du matériau. Sur le volet de la modélisation, moyennant la technique d'homogénéisation périodique un modèle des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité dans les matériaux poreux de construction a été développé. Les tenseurs de diffusion et de conductivité thermique homogénéisés ont été calculés numériquement. Ensuite, une confrontation entre les résultats du calcul des coefficients de diffusion macroscopique et ceux expérimentaux obtenus au LaSIE a été réalisée. Elle met en évidence la qualité de la prédiction. De plus, la conductivité thermique de la phase solide a été ainsi déduite. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l'influence de l'état hydrique et thermique du béton de chanvre sur ces propriétés intrinsèques, et sa microstructure très hétérogène. Ils ont révélé aussi les limites des approches phénoménologiques basées sur l'établissement des bilans de masse, de quantité de mouvement et d'énergie.
Author: Hamza Mahdhaoui Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Les caractéristiques des transferts de masse et de chaleur par convection forcée lors de l'évaporation du film liquide dans le canal en présence d'un cylindre carré poreux parcouru par un écoulement transversal sont étudiées numériquement. L'objectif principal de la présente étude est d'évaluer l'effet de l'introduction d'un cylindre carré poreux sur le transfert de chaleur et de masse. Plus précisément, cette étude examine l'influence de paramètres tels que l'humidité relative de l'air ambiant, la température de l'air à l'entrée, le flux de chaleur imposé, la position du cylindre, le taux de blocage et le nombre de Reynolds. Une comparaison entre les deux configurations, avec et sans cylindre carré poreux a été réalisée pour mettre en évidence l'effet de son ajout. Pour modéliser ce phénomène nous avons résolu l'équation classique de convection forcée et le modèle de Darcy-Brinkman-Forchheimer dans les milieux poreux. Nous avons trouvé que l'insertion d'un cylindre carré poreux dans le canal pourrait perturber l'écoulement et améliorer de manière significative les taux de transfert de masse et de chaleur au niveau des parois du canal. Les transferts de chaleur et de masse deviennent plus importants avec la diminution du nombre de Darcy et lorsque l'obstacle poreux est placé au milieu du canal. Par contre, l'augmentation de l'humidité relative de l'air ambiant et de la température d'entrée réduit le transfert de masse. A Da = 10-6, l'écoulement ne pénètre plus à travers le cylindre poreux, la structure de l'écoulement est similaire à celui d'un cylindre carré plein. Enfin, nous proposons des lois de corrélations qui permettent de prédire les valeurs des nombres de Sherwood et de Nusselt en fonction des nombres de Reynolds, de Biot et du taux de blocage.
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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.
Author: Mohammed Yacine Ferroukhi Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Ces travaux de thèse s'inscrivent dans le cadre du projet ANR HUMIBATex « Comment prédire les désordres causés par l'humidité ? Quelles solutions techniques pour rénover le bâti existant ? » (2012-2016). Elle traite de la modélisation numérique et expérimentale des transferts couplés hydro-thermo-aérauliques à différentes échelles : matériau, paroi et ambiance de bâtiment. Sur le plan théorique, un modèle phénoménologique des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité à travers les enveloppes de bâtiments (HAM) a été élaboré. Après la phase de validation (confrontation avec des solutions analytiques et des résultats expérimentaux), ce modèle a été implémenté avec confiance dans un code de simulation thermique dynamique du bâtiment (BES). Ceci a permis, ainsi, de développer une plateforme de co-simulation HAM-BES. Grâce à l'outil mis en œuvre, les comportements hygrothermiques de la paroi et de l'ambiance habitable des bâtiments ont été prédits finement. Deux cas d'études ont été entrepris. Le premier avait pour but de mettre en évidence l'impact des transferts hygrothermiques sur la prédiction des consommations énergétiques. Le deuxième cas d'étude a été dédié à l'étude de l'efficacité de différentes stratégies de ventilation (extraction ou insufflation) sur le contrôle et la diminution des risques d'apparition de désordres liés à l'humidité au niveau des bâtiments résidentiels. Sur le plan expérimental, une campagne de caractérisation des propriétés physiques, hydriques et thermophysiques des matériaux de construction a été effectuée. Cette campagne expérimentale s'est focalisée sur l'analyse de l'impact de l'état thermique et hydrique du matériau sur les valeurs des propriétés hygrothermiques. Dans un autre travail expérimental, des dispositifs expérimentaux, à petite échelle mais également à l'échelle de la paroi, ont été conçus au laboratoire dans le but d'étudier la réponse hygrothermique des enveloppes de bâtiment ainsi que valider la plateforme de co-simulation dynamique HAM-BES. La confrontation des résultats a montré une bonne concordance entre la résolution numérique et les mesures expérimentales. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de thèse ont mis en exergue l'influence d'une modélisation fine des transferts couplés de chaleur, d'air et d'humidité, à la fois sur la prédiction du comportement hygrothermique des ambiances habitables mais aussi sur le calcul des besoins énergétiques des bâtiments.
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BON NOMBRE DE CHERCHEURS ONT ETUDIE LE DOMAINE DES MATERIAUX POREUX, NOTAMMENT GRANULAIRES, POUR DES APPLICATIONS TRES VARIEES. QUANT A CE TRAVAIL, IL TENTE DE RENFORCER LA COMPREHENSION QUE NOUS AVONS DES MILIEUX GRANULAIRES, POUR CONTRIBUER A ENRICHIR LE DOMAINE DE L'ISOLATION THERMIQUE. GRACE A L'ESSOR DE MATERIAUX COMME LES AEROGELS DE SILICE, DES CONDUCTIVITES THERMIQUES EFFECTIVES TRES FAIBLES ONT ETE MISES EN EVIDENCE. UNE ETUDE THEORIQUE DES TRANSFERTS THERMIQUES AU SEIN DE MATERIAUX GRANULAIRES, VISANT A RELIER LES PERFORMANCES D'ISOLATION DE CES MATERIAUX A LEURS CARACTERISTIQUES STRUCTURALES, THERMIQUES ET OPTIQUES, A CONDUIT A UNE MEILLEURE MAITRISE DU COMPORTEMENT DE TELLES STRUCTURES. CETTE ETUDE S'EST CONCRETISEE PAR LA MISE AU POINT D'UN MODELE DE CALCUL DE LA CONDUCTIVITE EFFECTIVE D'UN LIT A PARTICULES SPHERIQUES, GRACE AUQUEL IL A ETE MONTRE QUE, LES PLUS FAIBLES CONDUCTIVITES THERMIQUES EFFECTIVES S'OBTIENNENT SOUS CERTAINES CONDITIONS (FAIBLE CONDUCTIVITE THERMIQUE DU MONOLITHE, FAIBLE GRANULOMETRIE, SOUS VIDE,). DES EXPERIMENTATIONS ONT ETE MENEES SUR DIVERS MATERIAUX QUI ONT CONFIRME LES RESULTATS NUMERIQUES. L'INCAPACITE A TROUVER TOUTES LES CARACTERISTIQUES VOULUES REUNIES AU SEIN DU MEME MATERIAU, NOUS A AMENE A EXPLORER LES MELANGES ENTRE MATERIAUX DE PROPRIETES COMPLEMENTAIRES. L'EXTENSION DU MODELE PRECEDENT A CE GENRE DE MELANGES NOUS A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LE PASSAGE DE LA CONDUCTIVITE EFFECTIVE PAR UNE VALEUR MINIMALE. CETTE TECHNIQUE SERT EGALEMENT DE MOYEN POUR AGIR SUR LE PRIX DU PRODUIT RESULTANT. LES AEROGELS DE SILICE, UN DES CAS D'APPLICATION LES PLUS PROMETTEURS DE CETTE ETUDE, LAISSENT ENTREVOIR, SUR UN PLAN THEORIQUE, DES CONDUCTIVITES EFFECTIVES AVOISINANT LE MILLI-WATT PAR METRE ET PAR KELVIN. CES MATERIAUX SONT EN COURS DE DEVELOPPEMENT. UNE VALIDATION EXPERIMENTALE DE CES RESULTATS, SUR CES MATERIAUX SPECIFIQUES EST UNE DES PERSPECTIVES DE CE TRAVAIL
Author: Mounir Asli Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le travail développé dans cette thèse a pour but d'étudier le comportement hygrothermique de matériaux isolants bio-sourcés, et plus particulièrement les fibres de bois, le béton de chanvre, la laine de lin, la laine de mouton, le métisse® et les anas de lin. Ces matériaux, par essence naturels, présentent des spécificités liées à leur origine (animale ou végétale) et à leur structure (fibres, paille, matrice solide...). Leur porosité, très élevée, les rend réactifs aux variations d'humidité relative ambiante, ce qui peut impacter leurs performances thermiques et leur durabilité (comme pour tous les matériaux), mais également leur conférer des capacités de régulation. Dans un souci d'améliorer la connaissance de ces matériaux particuliers, nous proposons tout d'abord d'étudier l'impact causé par l'humidité sur leurs caractéristiques thermiques, principalement la conductivité thermique et la chaleur spécifique. Ensuite les caractéristiques hygrothermiques sont étudiées, ce qui permet de mieux comprendre les phénomènes dépendant des capacités d'adsorption, de désorption, de perméabilité ou de résistance à la vapeur d'eau. On se rend compte également de l'importance du gradient de température sur l'évolution des transferts hygriques au sein des matériaux. En plaçant les isolants bio-sourcés sous sollicitations aléatoires ou en conditions réelles d'utilisation, nous pouvons suivre leur comportement d'un point de vue expérimental. Le couplage à une approche numérique permet d'identifier les paramètres d'influence prépondérants, dans l'optique de la prédiction des transferts couplés chaleur/masse par une simulation dans des conditions particulières d'utilisation, comme la rénovation d'un habitat existant. On constate à partir de mesures in situ que ces matériaux ont une grande capacité d'adaptation à des environnements dont l'humidité relative est évolutive.
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Les matériaux de construction sont des matériaux poreux, et donc très sensibles à l’eau. Du fait de conditions thermique et hygrométrique ambiantes variables, ils sont le siège de plusieurs phénomènes : migrations de vapeur d’eau, changements de phase, humidification, séchage. Le couplage de tous ces phénomènes conditionnent ses propriétés thermiques et sa durabilité. A titre d’exemple, pour un béton de chanvre de type « mur » soumis à une hygrométrie de 75%, sa conductivité thermique augmente de 30% (forte conduction de l’eau). La mise en place d’une cellule d’échange a donc pour but de caractériser les performances hygrothermiques de trois matériaux de construction : le béton cellulaire autoclavé, le béton de chanvre et la brique à perforations verticales, en fonction des conditions ambiantes. L’étude s’appuie tout d’abord sur une approche expérimentale. L’objectif est de créer des gradients de T et HR en fonction du temps et ainsi mesurer la distribution en température et humidité relative dans la paroi ainsi que la reprise en eau du matériau lorsque celui-ci est soumis, sur la face en contact avec l’enceinte climatique, à des sollicitations statique et cyclique en T et HR. Ensuite, l’étape suivante consiste à modéliser le comportement des matériaux comme enveloppe grâce à un modèle de conduction thermique pure tout d’abord. Les grandeurs thermiques des matériaux (λ, ρ, c, hs et a) sont alors déterminées. Enfin, pour les bétons de chanvre, on doit procéder à une modélisation numérique des transferts couplés de chaleur et d’humidité afin d’analyser plus précisément l’influence des transferts de masse sur le comportement thermique.
Author: Abdelkarim Ait-Mokhtar
Author: Abdelkarim Ait-Mokhtar
Author: Abderraouf Sabri
Author: Menghao Qin
Author: Fares Bennai
Author: Hamza Mahdhaoui
Author: Faiza Mnasri
Author: Mohammed Yacine Ferroukhi
Author: SLIMANE.. MELKA
Author: Mounir Asli
Author: Driss Samri