Proposition d’une nouvelle formulation mathématique pour l’analyse du comportement hydro thermo mécanique des structures fonctionnellement graduées

The recent decades have seen the emergence of new energy and environmental requirements and challenges giving rise to multiple reflections in the building construction sector (new and old construction). They relate, notably, to the development of innovative and sustainable building eco-materials. In order to overcome these problems, numerous research and development projects have been carried out. Among the latter, we might mention the substitution of cement by other non-biodegradable alternatives. This promising way permits to, (i) significantly reduce the environmental footprint, (ii) preserve natural resources and (iii) reduce the overall cost of construction. The literature reports recent works in this field dedicated to the mechanical and durability aspects of these glass eco-materials recycled. Nevertheless, their hydric and thermal behavior remains barely or not at all addressed. Within the framework of this thesis work, the influence of the incorporation of glass powder and mineral additions, including silica fume, on the mechanical, microstructural, hydric and thermal properties was undertaken. These experimental investigations have shown that a mass substitution of cement by 20% and 30% of glass slightly reduces the mechanical strength of concrete, which takes values ranging from 30 to 40 MPa. However, these values remain sufficient for the use of these eco-concretes in construction. In addition, the incorporation of glass in concrete improves its thermal properties and increases the moisture storage capacity. Furthermore, for purposes of simulating the coupled heat and moisture transfers within the building envelope materials made of these eco-concretes, a numerical modeling has been developed. Besides the inclusion of the dominant heat and mass transfer mechanisms, solar radiations and precipitation scenarios were considered. The transfer parameters were evaluated by an inverse method while reducing the characterization time. Thereafter, the experimental validation of the developed model was carried out through the design and implementation of an experimental platform at the LaSIE laboratory which is capable to study the response of a building wall (1.3x1.3 m²) to realistic climatic stresses. These were made possible, on the one hand, by the incorporation of sunshine and precipitation simulators and, on the other hand, by an instrumentation allowing the monitoring of the spatio-temporal profiles of temperature and hygrometry within the envelope material and at the level of the building's interior atmosphere. Finally, another typology of eco-concretes has been studied using a theoretical modeling approach. These are innovative materials with adapted and functionally graded properties "FGM". The elaboration of these materials is achievable using new 3D printing techniques, FDM fusion deposit design, and SLA stereolithography. On the theoretical level, the influence of hygrothermal stresses on the mechanical response is often neglected. The coupling of these constraints of Piola-Kirchhoff with the mechanical model of Green-Lagrange allowed a better understanding of the behavior of structures in FGM.Keywords: Characterization of green concrete, waste glass powder concrete, numerical modeling of hygrothermal transfers, wall true to scale experimental platform, experimental validation, functionally graduated material FGM.Ces dernières décennies ont connu l’émergence de nouvelles exigences et enjeux énergétiques et environnementaux donnant naissance à de multiples réflexions dans le secteur de la construction des bâtiments (neufs et anciens). Elles ont trait, notamment, au développement des éco-matériaux de construction innovante et durable. Afin de pallier à ces problématiques, de nombreux travaux de recherche et de développement ont vu le jour. Parmi ces derniers, se trouve la substitution du ciment par d’autres alternatives non-biodégradables. Cette voie prometteuse permet de : (i) réduire considérablement l’empreinte environnementale, (ii) préserver les ressources naturelles, et (iii) diminuer le coût global de la construction. La littérature fait état des travaux récents dans ce domaine dédié aux aspects mécanique et de durabilité de ces éco-matériaux à base de verre recyclé. Néanmoins, leur comportement hydrique et thermique reste très peu voire pas du tout abordé. Dans le cadre du travail de thèse, l’influence de l’incorporation de la poudre de verre, et des additions minérales, dont la fumée de silice sur les propriétés mécaniques, microstructurales, hydriques et thermiques a été entreprise. Ces investigations expérimentales ont mis en évidence qu’une substitution massique du ciment par 20% et 30% du verre diminue légèrement la résistance mécanique du béton qui prend des valeurs allant de 30 à 40 MPa. Néanmoins, ces valeurs demeurent suffisantes pour une utilisation de ces éco-bétons dans la construction. En outre, l’incorporation du verre dans le béton améliore ces propriétés thermiques et augmente la capacité de stockage d’humidité. Par ailleurs et dans l’optique de simuler les transferts couplés de chaleur et d’humidité au sein des matériaux d’enveloppe de bâtiment, constitués de ces éco-bétons, une modélisation numérique a été développée. Outre la prise en compte des mécanismes de transferts dominants de chaleur et de masse, les radiations solaires et des scenarii de précipitations ont été considérées. Les paramètres de transferts ont été évalués par une méthode inverse tout en réduisant le temps de caractérisation. Par la suite, la validation expérimentale du modèle élaboré a été effectuée moyennant la conception et la réalisation d’une plateforme expérimentale au laboratoire LaSIE capable d’étudier la réponse d’une paroi de bâtiment (1.3x1.3 m²) à des sollicitations climatiques réalistes. Ces dernières ont été rendues possibles d’une part grâce à l’incorporation des simulateurs d’ensoleillement et de précipitation et d’autre part via une instrumentation permettant le suivi des profils spatio-temporels de la température et de l’hygrométrie au sein du matériau d’enveloppe et au niveau de l’ambiance intérieure du bâtiment. La confrontation des résultats numériques et ceux issus de la campagne expérimentale à mis en exergue l’aptitude du modèle numérique à simuler le comportement hygrothermique des parois d’enveloppes soumises à des sollicitations dynamiques variables et réalistes. Enfin, une autre typologie des éco-bétons a été étudiée par l’intermédiaire d’une approche de modélisation théorique, Il s’agit de matériaux innovants ayant des propriétés adaptées et fonctionnellement graduées « FGM ». L’élaboration de ces matériaux est réalisable moyennant des nouvelles techniques d’impression 3D, conception des dépôts par fusion FDM, et la stéréolithographie SLA. Sur le plan théorique, l’influence des contraintes hygrothermiques sur la réponse mécanique est souvent négligée. Le couplage de ces contraintes de Piola-Kirchhoff avec le modèle mécanique de Green-Lagrange a permis de mieux appréhender le comportement des structures en FGM