Modélisation multi-échelles du comportement thermique du béton de chanvre, influence de la morphologie sur le comportement effectif

Multi-scale modelling of the thermal behaviour of hemp concrete, influence of the local morphology on effective behaviour

¹ UPMC Univ Paris 06, UMR 7190, Institut jean le Rond d’Alembert, 75005 Paris, France
e-mail : sophie.dartois@upmc.fr
² Centre Scientifique et Technique du Bâtiment, 84 avenue Jean Jaurès, Champs-sur-Marne, 77447 Marne-la-Vallée Cedex 2, France

Reçu : 24 Septembre 2010
Accepté : 25 Juillet 2011

Résumé

Cette étude a pour but de caractériser l’influence de la morphologie des bétons de chanvre (BC) sur leur comportement thermique effectif, à l’aide d’un modèle construit par transition d’échelles. Les taux de renforts et de porosités étant très élevés dans les BC, une méthode itérative est ici mise en œuvre. Elle consiste à obtenir la conductivité effective du matériau via des calculs d’homogénéisation en cascade vérifiant chacun les hypothèses du schéma dilué. Chaque étape fait intervenir un algorithme de résolution numérique dédié aux BC. Ce dernier s’appuie sur des calculs par éléments finis prenant en compte de manière explicite la géométrie plaquettaire des renforts. Il ne fait en outre appel qu’à un seul maillage de référence ce qui permet de conserver des temps de calcul raisonnables, y compris en 3D, tout en offrant un accès direct aux champs locaux et à leurs fluctuations, ingrédients nécessaires à de futures modélisations prenant en compte les couplages thermo-hygro-mécaniques à l’échelle de la microstructure. Le modèle ainsi développé est mis en œuvre en 2D et en 3D pour caractériser des BC supposés isotropes. Les résultats obtenus sont confrontés à des résultats expérimentaux et à des résultats issus d’une modélisation négligeant la forme plaquettaire des inclusions. L’analyse des courbes ainsi obtenues permet de statuer sur la nécessité d’une modélisation tridimensionnelle et de quantifier l’influence de la morphologie locale des BC sur leur comportement effectif.

Abstract

This study aims at characterizing the influence of local morphology on the effective thermal behaviour of hemp and lime concrete (HC) using a scale transition approach. An iterative method is here put into practice in order to cope with the high rates of particles and voids present in HC. It is composed of progressive homogenization steps abiding by the hypothesis of a dilute scheme. Each step makes use of a solving procedure devoted to the study of HC based on finite element calculations allowing to take into account, in a direct manner, the plate shape of hemp particles. Moreover all the calculations are performed by means of a single reference mesh limiting thus CPU times even for 3D modelling. One would also note that a direct access to local fields measurement will definitely be an advantage for further modelling including mutli-physics coupling such as therm-hygro-mechanics ones. The method developped is here put into practice on 2D and 3D simulations in order to model the behaviour of isotropic HC. The results obtained are compared to experimental datas as well as results from a modelling which does not take into account the specific shape of hemp particles. This comparison shows the interest of 3D simulations and allows to determine how significantly the macroscopic thermal beahviour of HC is affected by its local morphology.