en fr Hygrothermal performance assessment of damaged building materials Évaluation des performances hygrothermiques des matériaux de construction endommagés Report as inadecuate




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1 CETHIL - Centre d-Energétique et de Thermique de Lyon

Abstract : An important matter in the field of building physics is the questioning of how well buildings sustain ageing, and how their overall efficiency evolves over their lifetime. Many causes for degradation are carried by moisture transfer through these porous materials. Indeed, infiltrated water may transport chemicals, alter mechanical properties, and cause freeze thaw damage or mould development. It may also affect thermal properties and energetic efficiency, as well as the health and comfort of the occupants. The understanding of how moisture transfer properties evolve during the lifespan of building materials is however far from complete. The pore structure of a material itself may change over time, or be altered by cracks and defects caused by mechanical loading and aggravated by moisture-induced degradation. All sizes of fractures may have a strong impact on heat and moisture flow in the building envelope, and their influence is to be accounted for in any long-term performance assessment, not only of building and building components, but of any built structure in general. A considerable amount of work has already been performed in order to allow predicting the hygrothermal behaviour of buildings over longer periods of time. However, an accurate prediction of all ranges of damage in a building component, from microscopic to macroscopic cracks, supposes an extensive knowledge of all damage-inducing, time-varying boundary conditions of the problem during the simulation time. This also implies high computational costs, as well as important needs for material characterisation. As a complement to these predictive methods, a new approach was undertaken, combining experimental characterisation of crack patterns and numerical simulations of coupled heat and moisture transfer. First, a preliminary study was conducted, consisting of measurements of the water vapour permeability of diffusely damaged construction materials. This allowed identifying the experimental and numerical requirements of the remainder of the work, which aimed at providing measurements of fracture network geometries for their explicit modelling in heat and moisture transfer simulations. Digital image correlation and acoustic emission monitoring were then performed during the degradation of cementitious materials, in order to obtain quantitative data on crack pattern geometries, and to assess the possibilities for damage monitoring at the building scale. The optical technique, along with an appropriate image processing procedure, was found suitable for providing precise measurements of fracture networks. A method was also proposed for the interpretation of acoustic emission recordings in terms of damage quantification, localisation and identification. Then, a new model for coupled heat and moisture modelling in cracked porous media was developed, that allows including such measurements of fracture patterns into a finite element mesh, and simulating flow accordingly. This model was validated on the basis of experimental measurements: digital image correlation was performed during the fracturing of concrete samples, in which moisture uptake was then monitored using X-ray radiography. A good accordance was found between experimental and numerical results in terms of 2-dimensional moisture concentration distributions. The validated code was then used for the simulation of test cases, in order to assess the hygrothermal performance of damaged multi-layered building components subjected to real climatic conditions. The consequences of fractures on the moisture accumulation in walls, on the amplitude of sorption-desorption cycles and on the thermal performance, were observed.

Résumé : Les transferts d-humidité dans les matériaux de construction ont une influence importante sur leur durabilité et sur les performances hygriques et thermiques des bâtiments. De nombreux mécanismes d-endommagement chimiques et physiques de ces matériaux sont en effet dus à l-infiltration d-eau. En conséquence, leur structure poreuse peut évoluer au cours du temps, et des fissures microscopiques comme macroscopiques peuvent s-y développer. La description des matériaux à l-échelle microscopique est cependant une source d-erreur importante dans les codes de simulation actuels des transferts d-humidité et de chaleur, notamment en raison du fait que les milieux sont considérés comme homogènes, et que les effets du vieillissement des matériaux sont négligés. Il importe donc de trouver un moyen d-inclure les effets de l-endommagement dans les simulations de transferts d-humidité et de chaleur à l-échelle du bâtiment. Des méthodes existent pour la prédiction du comportement de milieux soumis à des sollicitations hygriques et mécaniques, mais supposent que l-ensemble des facteurs extérieurs influant sur l-endommagement soient connus tout au long des simulations. Une nouvelle méthodologie a été proposée pour compléter ces approches prédictives, en combinant des mesures expérimentales d-endommagement avec la simulation de transferts couplés d-humidité et de chaleur. Une étude préliminaire a d-abord été menée, consistant à mesurer la perméabilité vapeur équivalente d-éprouvettes de mortier multi-fissurées. Cette démarche a permis d-identifier les besoins expérimentaux et numériques de la suite du travail, visant à modéliser les écoulements dans un réseau discret de fissures sur la base de leur caractérisation. Une méthodologie expérimentale combinant corrélation d-images numériques et émissions acoustiques a ensuite été développée, permettant de disposer de cartographies d-endommagement et de proposer une démarche pour la mesure de réseaux de fissures dans les matériaux de construction en place. La méthode optique, associée à une procédure de traitement d-images, a permis de disposer de données précises de la géométrie de réseaux de fissures. De plus, une méthode a été proposée pour permettre l-interprétation des mesures d-émissions acoustiques en termes de quantification, localisation et identification des phénomènes d-endommagement. Un code de simulation a ensuite été écrit, permettant d-intégrer ces mesures de fissuration dans la modélisation des écoulements couplés d-humidité et de chaleur en milieu poreux. Ce modèle a été validé sur la base de mesures expérimentales : la corrélation d-images numériques a été appliquée durant la fracturation d-éprouvettes de béton, dans lesquelles l-infiltration d-eau a ensuite été suivie par radiographie aux rayons X. Les résultats numériques obtenus sont en bonne conformité avec les mesures expérimentales en termes de prédiction de la concentration d-eau en deux dimensions. Enfin, la méthodologie a été appliquée à une série de cas test, dans le but de modéliser les performances hygrothermiques de parois multi-couches, incluant des matériaux endommagés, soumises à des conditions climatiques réelles. On a ainsi pu estimer les conséquences potentielles de l-endommagement sur l-accumulation d-eau dans des parois, sur l-amplitude des cycles de sorption et de séchage, ainsi que sur les transferts thermiques.

en fr

Keywords : building materials fractured porous media characterisation non destructive testing coupled heat and moisture transfer modelling durability

Mots-clés : matériaux de construction milieux poreux fracturés mesures non destructives transferts couplés humidité et chaleur modélisation durabilité





Author: Simon Rouchier -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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