Effect of climatic actions on buildings with internal insulation and thermal break : Multi-scale approach and thermo-hydro-mechanical modeling
Effet des actions climatiques sur les bâtiments avec isolation interne et rupteur thermique : approche multi-échelles et thermo-hydro-mécanique intégrée
Résumé
For buildings designed with internal insulation, thermal bridges at the junction between slabs and walls are a common issue, since they create heat loss from inside of the building. Thermal break systems (TBS), which are composed of structural elements (rebar) and insulation material, are used to reduce this heat loss and to transfer shear forces from the slab to the walls. Insulation system of TBS generates a temperature gap from walls to slab. As a consequence, while the walls are exposed to climatic actions and is repeatedly dilated and contracted, whereas the slab pertains a constant temperature and does not present any volumetric variation, thus the TBSs are submitted to large imposed displacements. This thesis illustrates the effect of the thermal dilatation and contraction of the walls, which create a supplemental force in the TBSs, and consequently cracking of the walls. A numerical model of a quarter of a building��s storey is submitted to the climatic actions computed at Embrun city, in France. One side of the L-shape wall is supposed to face to the south, and the other one to the west. The thermal, hydric and mechanical analysis are performed with the software Castem. In thermal and hydric analysis, air temperature, flux of solar radiation and ambient humidity are defined from databases of Météo France, and are applied on the exterior surface of the walls. The results of the first calculation, by thermo-hydro-mechanical analysis (THM) with elastic behavior, confirm that a significant stress level in tension occurs in the concrete at the corner of the walls and the concrete elements nearby the TBS at the slab level. Furthermore, the TBSs that are close to the corner of the walls pertain the highest horizontal shear and axial force, and are at risk to be failure by the fatigue strength. Based on those results, a second calculation, which is taken into account cracking in the walls by the elastic damage behavior for the concrete, is made for indicating more realistic forces in the TBSs, and analyzing the cracking pattern of the walls.
Pour les bâtiments conçus avec une isolation interne, les ponts thermiques à la jonction entre le plancher et les voiles sont un problème commun, car ils créent une perte de chaleur de l’intérieur du bâtiment. Les systèmes de rupteur thermique (TBS), composés d’éléments structuraux (barres d’armature) et de matériaux isolants, sont utilisés pour réduire cette perte de chaleur et transférer les forces de cisaillement du plancher aux voiles. Le système d’isolation du TBS génère un gap de température entre le plancher et le voile. En conséquence, alors que les voiles sont exposées aux actions climatiques et sont dilatées et contractées à plusieurs reprises, alors que le plancher se rapporte à une température constante et ne présente aucune variation volumétrique, ainsi les TBS sont soumis aux grands déplacements imposés. Cette thèse illustre l’effet de la dilatation et de la contraction thermiques des voiles, qui créent des forces supplémentaires dans les TBS, et par conséquent la fissuration dans les voiles. Un modèle numérique d’un quart d’étage d’un bâtiment est soumis aux actions climatiques à Embrun, en France. Un côté du voile en forme de L est faire face au sud, et l’autre à l’ouest. L’analyse thermique, hydrique et mécanique est réalisée avec le logiciel Castem. Dans analyse thermique et hydrique, la température de l’air, le flux de rayonnement solaire et l’humidité ambiante sont définis à partir des bases de données de Météo France, et sont appliqués sur la surface extérieure des voiles. Les résultats du premier calcul, par analyse thermo-hydro-mécanique (THM) avec la loi comportement élastique pour le béton, confirment l’important de contraint en traction se produit dans le coin des voiles et les éléments du béton à proximité du TBS, au niveau de la connexion ‘voile-plancher’. De plus, les TBS qui se trouvent près du coin des voiles présentent le cisaillement horizontal et la force axiale significative et risquent d’être rompus en raison de la résistance à la fatigue. Baser sur ces résultats, un deuxième calcul, qui tient compte de la fissuration dans les voiles par la loi comportement: élastique endommagement pour le béton, est fait pour indiquer des efforts plus réalistes dans les TBSs, et analyser les fissurations dans les voiles.
Origine : Version validée par le jury (STAR)