Mechanical and thermal optimisation of fiber-reinforced plastic building envelopes
Optimisation mécanique et énergétique d'enveloppes en matériaux composites pour les bâtiments
Résumé
The majority of existing buildings does not follow present energy efficiency regulations. In order to fulfill environmental requirements it seems impossible, in this context, to consider a global demolition-reconstruction policy. Renovation programmes need to be implemented. An innovative energy efficiency improvement solution is proposed, enabling to explore urbain energy ressources presently underexploited. The concept is to add, around the building, an external envelope whose main function would be to collect energy. An optimization tool aiming at finding the optimal geometry and collectors' spatial distribution on the envelope's surface, is developed. Its validation is carried out on simple cases, it is then applied in situations showing strong contrasts: optimization during summer and winter, in Oslo and in Tunis, with close obstacles partially masking the Sun. In order to build the emerging complex geometries, the use of gridshell structures is proposed. These structures are obtained through elastic deformation of an initially plane grid made of composite material slender beams. This raises the problem of composite materials durability under sustained loading. In order to study the long-term behavior (creep and creep rupture) of these materials composed of reinforcing fibres and a polymeric viscoelastic matrix, a micromechanical model is developed. This shear-lag type model allows studying the influence of the constituents' mechanical properties on the lifespan of the composite under permanent pure traction or combined shear and traction loadings
La majorité des bâtiments existant aujourd'hui ne respectent pas les réglementations thermiques actuelles. Pour répondre aux exigences environnementales il est impossible, dans ce contexte, d'envisager une politique globale de démolition-reconstruction. Des campagnes de réhabilitation doivent être mises en place. Une solution innovante de réhabilitation énergétique est proposée permettant d'exploiter les ressources énergétiques urbaines, peu utilisées actuellement. Elle consiste à rajouter autour du bâtiment une enveloppe extérieure qui aurait pour fonction principale le captage d'énergie solaire. Un outil d'optimisation de la géométrie de l'enveloppe et de la distribution spatiale de panneaux capteurs à sa surface est développé. Sa validation est effectuée sur des cas simples, puis il est appliqué aux situations présentant de forts contrastes : optimisation pendant la période d'hiver ou d'été, à Oslo ou à Tunis, avec des obstacles proches masquant le Soleil. Afin de réaliser les formes complexes obtenues, il est proposé d'utiliser les gridshells comme système constructif. Ces structures obtenues par déformation élastique d'une grille de poutres en matériau composite initialement planes posent la question de la durabilité de ces matériaux soumis au chargement permanent. Pour étudier le comportement à long terme (fluage et rupture différée) de ces matériaux composés de fibres de renfort et matrice polymère viscoélastique, un modèle micro-mécanique est développé. Ce modèle de type shear-lag permet d'étudier l'influence des propriétés mécaniques des constituants sur la durée de vie du composite soumis à un chargement en traction et traction-cisaillement combinés
Origine : Version validée par le jury (STAR)